不锈钢水壶冲压数值模拟及参数优化
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摘要
冲压工艺是一种历史悠久的金属塑性加工方法,它具有易加工成形,生产效率和材料利用率高等优点,至今仍在工业生产中占重要地位。不锈钢板材有金属光泽的优美外观和优良的耐蚀性性能,因此在冲压工艺中的应用广泛。但不锈钢强度高,硬化指数大,同时导热性能差,导致冲压过程中会产生高温而破坏润滑,所以不锈钢拉深时不仅有拉裂起皱的危险,还容易产生粘模问题。
本文以不锈钢水壶为研究对象,用数值模拟的方法辅助选择拉深方案和各种参数,并对拉深过程中板料的温升进行校核计算,以防止温升对润滑的破坏。主要的工作如下:
1、讨论了不锈钢水壶的几种拉深成形方案,并对几种方案进行数值模拟。对模拟结果分析,选择了先内后外、两次拉深的方案。
2、讨论了拉深件质量的评价指标,以临界拉深行程为目标函数,选取拉深筋高度、凸模圆角、凹模圆角、压边力、摩擦系数五个影响因素,用正交试验法对首次拉深进行模拟,采用极差法分析模拟结果,得到一组优化的参数,认为此组参数下拉深成品率高。
3、对首次拉深过程进行热力耦合分析,对模拟的关键问题进行讨论。发现拉深过程中板料各处的温升随时间变化不同,温度最高处出现在凹模圆角处;模具温升较低,温升多集中在圆角、拉深槛等与板料摩擦剧烈的地方。
4、对板料温升的影响因素进行模拟试验研究,发现拉深速度越大,板料越厚越大,拉深时温升越高。当慢速拉伸时,温升只有几十度,对拉伸过程影响不大。当快速拉伸时,温升很大,要选择合适的润滑油以免润滑失效。
5、测量拉深零件温度和厚度,与仿真结果相近,验证仿真计算的正确性。
Stampingistheoldmethodofplasticprocessing,whichcanprocessespartseasilyandhashighmaterialutilizationefficiencyandproductivity,soitstillplaysanimportantroleinindustrynow.Stainlesssteelhasbeautifulappearanceandexcellentcorrosionresistanceproperties,sowidelyusedinthestampingprocess.meanwhile,stainlesssteelhashighstrengthandhardeningindex,poorthermalconductivity,whichleadtomoreheatisproducedandlubricationisdestroyed,sodrawingstainlesssteelisnotonlydangeroustoproducewrinkleandcrack,butalsopronetostickmoldproblem
Thisstainlesssteelkettlewasstudiedinthispaper,anumericalsimulationmethodwasassistedtoselecttheprogramsandvariousparametersofdrawing,andthetemperatureindrawingprocesswascheckedinordertopreventthedestructionofthelubricant.Themainworkswereasfollows:
1.Discussingandsimulatingseveralmethodsofstainlesssteelkettledrawing,ainsidetoout,twicedrawingprogramwasselectedafteranalyzingandjudgingtheresultsofsimulations.
2.Discussingtheindextoevaluatequalityofdrawingparts,limitingdrawingtravelwasusedastheobjectivefunction,thedrawbeadheight,punchcornerradius,diecornerradius,blankholderforceandfrictioncoefficientwereselectedasfivefactors,simulatingthefirstdrawingbyOrthogonaltest,whichcangetasetofoptimizedparametersafteranalysisofvarianceresults.Thissetofparameterscangetahighyield.
3.Thefirstdrawingwassimulatedbycoupledstructuralthermalanalysis.Theresultsshowedthatthetemperaturechangeofeverypointwasdifferent,themaximumtemperatureappearingatthediecorner;temperatureofdiewaslowerthanblank,andconcentratedinthecorneranddrawbead,becauseintensefrictionhappenedhere.
4.Thefactorsaffectingblanktemperaturewerestudiedbynumericalsimulations.Theresultsshowedthatthefasterthedrawingspeedwasandthethickerorbiggertheblankwere,thehighertemperaturewasinducedbydrawing.Undertheslowpunch,thetemperatureriseofblankwasonlyafewdozendegrees,whichhadlittleeffectonthedrawingprocess.Butinthefast punch,thetemperaturerisewasmuchhigher,whichneedselecttheappropriatelubricanttopreventlubricationfailure.
5.Theblanktemperatureandthicknessofdrawingpartsweremeasured.Theresultsweresimilarwithsimulationresults,whichverifiesthefiniteelementmethodwascorrect.
本文以不锈钢水壶为研究对象,用数值模拟的方法辅助选择拉深方案和各种参数,并对拉深过程中板料的温升进行校核计算,以防止温升对润滑的破坏。主要的工作如下:
1、讨论了不锈钢水壶的几种拉深成形方案,并对几种方案进行数值模拟。对模拟结果分析,选择了先内后外、两次拉深的方案。
2、讨论了拉深件质量的评价指标,以临界拉深行程为目标函数,选取拉深筋高度、凸模圆角、凹模圆角、压边力、摩擦系数五个影响因素,用正交试验法对首次拉深进行模拟,采用极差法分析模拟结果,得到一组优化的参数,认为此组参数下拉深成品率高。
3、对首次拉深过程进行热力耦合分析,对模拟的关键问题进行讨论。发现拉深过程中板料各处的温升随时间变化不同,温度最高处出现在凹模圆角处;模具温升较低,温升多集中在圆角、拉深槛等与板料摩擦剧烈的地方。
4、对板料温升的影响因素进行模拟试验研究,发现拉深速度越大,板料越厚越大,拉深时温升越高。当慢速拉伸时,温升只有几十度,对拉伸过程影响不大。当快速拉伸时,温升很大,要选择合适的润滑油以免润滑失效。
5、测量拉深零件温度和厚度,与仿真结果相近,验证仿真计算的正确性。
Stampingistheoldmethodofplasticprocessing,whichcanprocessespartseasilyandhashighmaterialutilizationefficiencyandproductivity,soitstillplaysanimportantroleinindustrynow.Stainlesssteelhasbeautifulappearanceandexcellentcorrosionresistanceproperties,sowidelyusedinthestampingprocess.meanwhile,stainlesssteelhashighstrengthandhardeningindex,poorthermalconductivity,whichleadtomoreheatisproducedandlubricationisdestroyed,sodrawingstainlesssteelisnotonlydangeroustoproducewrinkleandcrack,butalsopronetostickmoldproblem
Thisstainlesssteelkettlewasstudiedinthispaper,anumericalsimulationmethodwasassistedtoselecttheprogramsandvariousparametersofdrawing,andthetemperatureindrawingprocesswascheckedinordertopreventthedestructionofthelubricant.Themainworkswereasfollows:
1.Discussingandsimulatingseveralmethodsofstainlesssteelkettledrawing,ainsidetoout,twicedrawingprogramwasselectedafteranalyzingandjudgingtheresultsofsimulations.
2.Discussingtheindextoevaluatequalityofdrawingparts,limitingdrawingtravelwasusedastheobjectivefunction,thedrawbeadheight,punchcornerradius,diecornerradius,blankholderforceandfrictioncoefficientwereselectedasfivefactors,simulatingthefirstdrawingbyOrthogonaltest,whichcangetasetofoptimizedparametersafteranalysisofvarianceresults.Thissetofparameterscangetahighyield.
3.Thefirstdrawingwassimulatedbycoupledstructuralthermalanalysis.Theresultsshowedthatthetemperaturechangeofeverypointwasdifferent,themaximumtemperatureappearingatthediecorner;temperatureofdiewaslowerthanblank,andconcentratedinthecorneranddrawbead,becauseintensefrictionhappenedhere.
4.Thefactorsaffectingblanktemperaturewerestudiedbynumericalsimulations.Theresultsshowedthatthefasterthedrawingspeedwasandthethickerorbiggertheblankwere,thehighertemperaturewasinducedbydrawing.Undertheslowpunch,thetemperatureriseofblankwasonlyafewdozendegrees,whichhadlittleeffectonthedrawingprocess.Butinthefast punch,thetemperaturerisewasmuchhigher,whichneedselecttheappropriatelubricanttopreventlubricationfailure.
5.Theblanktemperatureandthicknessofdrawingpartsweremeasured.Theresultsweresimilarwithsimulationresults,whichverifiesthefiniteelementmethodwascorrect.
引文
[1]李体彬.冲压成形工艺[M].北京:化学工业出版社,2008.
[2]赵振铎,张召铎,王家安.金属塑性成形中的润滑材料[M].北京:化学工业出版社,2005.
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[24]李恒.薄壁管数控弯曲成形过程失稳起皱及成形极限的研究[D].西安:西北工业大学,2004.
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