1拉深件的设计(67)

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§4.1 概述
在进行冲压工艺设计时，第一步要进行拉深件的 设计：
首先，根据冲压件零件图设计出拉深件图； 然后，根据拉深件图展开来确定毛坯的形状和各部位的 尺寸、制定冲压工艺和模具设计方案。
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拉深件的设计包括：
拉深方向的选择 压料面的设计 工艺补充的设计
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§4.1 概述
在实际生产中，对冲压件的半成品叫法不一，含 义也不太明确，为了叙述准确，规定了以下几个 基本名词：
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§4.2 拉深方向的设计-选择拉深方向的原则
选择拉深方向的原则： 1）保证能将拉深件的全部空间形状(包括棱线、 筋条和鼓包等)一次拉深出来，不应有凸模接触不 到的“死区”，既要保证凸模能全部进入凹模：
这类问题主要体现在覆盖件的某一部位或局部成凹形或 有反方向成形的要求。 覆盖件本身的凹形和 反成形决定了拉深方向。
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§4.2 拉深方向的设计-选择拉深方向的原则
④在拉深方向没有选择余地，而凸模与毛坯的接触状 态又不理想时，应通过改变压料面来改善凸模与毛坯 的接触状态。 如图4-4d，通过改变压料面，使凸模与毛坯的接触点 增加，接触面积增大，能保证零件的成形质量。
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§4.2 拉深方向的设计-选择拉深方向的原则
2）尽量使拉深深度差最小，以减小材料流动和变 形分布的不均匀性：
图4-2a，深度差大，材料流动性差；按照a中点划线改 变拉深方向变成图4-2b，使两侧的深度差减小，材料流 动和变形差减小，有利于成形。
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§4.2 拉深方向的设计-选择拉深方向的原则
图4-2c，是对一些左右件可利用对称拉深一次两件成形 ，便于确定合理的拉深方向，使进料阻力均匀。
制件：指已经过一或几道冲压工序加工的半成品件，也 叫工序件； 拉深件：指板材毛坯进行拉深成形后得到的制件； 修边件：指进行了修边加工后的制件； 翻边件：指进行了翻边加工后的制件； 部分修边或部分翻边后仍需翻边的制件称为修边件或制 件。 覆盖件或冲压件：指已经进行了全部冲压加工的成品件 。
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§4.2 拉深方向的设计
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§4.3 压料面的设计
压料面有两种情况：
一种是压料面的一部分就是拉深件的法兰面：
这种拉深件的压料面形状是已定的，一般不改变其形状。 即使为了改善拉深成形条件而作局部修改，也要在后续进行整 形校正。
另一种情况是压料面全部属于工艺补充部分：
主要以保证良好的拉深成形条件为主要目的进行压料面设计。 同时也要考虑到这部分材料在拉深工序后将在修边工序被切除 掉，就应尽量减少这种压料面的材料消耗。
②凸模两侧的包容角尽可能保持一致(α=β)，即凸模接 触点处在冲模的中心附近，而不偏离一侧，这样有利 于拉深过程中法兰上各部位材料较均匀地向凹模内流 入(图4-4b)：
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§4.2 拉深方向的设计-选择拉深方向的原则
③凸模表面与毛坯接触点要多而分散，且尽可能均匀 分布，以防止局部变形过大，毛坯与凸模表面产生相 对滑动(图4-4c)：
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§4.3 压料面的设计
压料面的设计原则：
1）压料面形状尽量简单化，以水平压料面为最好。
在保证良好的拉深条件的前提下，为减少材料消耗，也可以设 计斜面、平滑曲面或平面曲面组合等形状。 尽量不要设计成平面大角度交叉，高度变化剧烈的形状。
最大宽度法
在拉深方向确定后，即在上述两种自动计算出的冲压方向或者 手动调整到合适的位置后； 在实际冲压工艺中，常常要把零件最长的方向与X轴平行。
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§4.2 拉深方向的设计
平均单元法线法：
单纯的矢量求和可能导 致结果错误； 对于面积比较大的单元 来说，其法线对最后得 到的平均法线应该影响 较大。
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Part Depth Wall Angle Undercut
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§4.3 压料面的设计
压料面的作用与对拉深成形的影响：
压料面是工艺补充的一个重要组成部分；有的拉深件的 压料面全部为工艺补充部分，有的拉深件的压料面则由 零件的法兰部分和工艺补充部分共同组成。 拉深开始前，压边圈将毛坯压紧在凹模的压料面上； 拉深开始后，凸模的成形力和压料面的阻力共同形成毛 坯的变形力，使毛坯产生塑性变形，实现拉深成形过程 。 通过压料面的变化，可以使拉深件的深度均匀，毛坯流 动阻力的分布满足拉深成形的需要。 压料面设计不合理，会在压边圈压料时就形成皱折、余 料、松弛等，其中有的在成形过程中不能消失而残留在 制件上。
最大宽度法：
将模型的外边界投影到XOY平面，得到一个外轮廓； 求出外轮廓的最小矩形； 将矩形的最长边绕Z轴旋转至与X轴平行即可。 如图只需将边AB旋转angle角度即可与X轴平行：
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§4.2 拉深方向的设计
最大宽度法：
有两个关键问题需要研究 ： ①如何得到模型的网格外边界：
区分内边界和外边界 边界中面积最大的为外边界
⑵保证沿Z轴方向，网格与网格之间没有遮挡：
每个网格沿Z轴负方向运动的时候都不会碰到其他网格； 保证模型全部投影到XOY平面没有重叠部分； 如果每个网格都去和其他网格查询看在XOY平面有没有重叠 ，那计算量太大，效率很低，不符合实际工程运用； 采用空间单元格法进行快速搜寻网格与网格是否重叠。
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§4.2 拉深方向的设计
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§4.2 拉深方向的设计-选择拉深方向的原则
图4-3c，是某汽车立柱的拉深方向的确定的例子：
如果选择与平面法兰垂直方向作为拉深方向：
由于毛坯与凸模接触时间差别大，压料面的进料阻力不均匀，容 易造成毛坯与凸模的相对滑动。
如果将拉深方向旋转6度后：
使法兰高度差减小，压料面上的进料阻力分布趋于均匀，凸模和 毛坯初始接触线靠近中间，拉深的稳定性较好。
§4.2 拉深方向的设计
最小拉深深度法：
算法思想：
找空间任意一个方向，将模型上的点向这个方向上的投影，得到的投影 点的最大值(ProMax)和最小值(ProMin)，从而得到该方向的拉深值 (drawdepth)；遍历空间上的每一个方向，最后得到的这些方向的拉深 值的最小值就是该模型的最小拉延深度。 空间上各个方向的集合：构造一个以原点为圆心，半径为R（大小理论 上没有要求）的球，以球心为起点球面上的点为终点构造一个矢量，该 矢量的方向集合即可表示空间的任何一个方向； 注意：实际计算过程中不可能遍历空间上的每一个方向，因为那将是无 穷多个。 将球面离散为一系列均匀有规律的点，这样既达到了遍历的效果又不失 一般性；离散的疏密程度可根据模型点的多少来定量确定； 实际上用球面的上表面就可以了，因为球是沿XOY平面对称的，圆心到 上球表面任一点的方向矢量，必然在球下表面有对应点方向矢量相反； 模型上的点向某方向投影实质上是，以原点为起点模型上点为终点的矢 量向该方向投影。
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§4.2 拉深方向的设计
最小拉深深度法：
实现方法：
构造以原点为圆心1 为半径的基于XOZ平 面上面的球面（半球 ）。离散球面是按照 平行于XOZ平面方向 以一定的高度步长将 球面分成一系列圆， 再将这些圆再按照一 定的角度步长得到一 系列均匀分布的离散 点。
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§4.2 拉深方向的设计
最小拉深深度法：
确定拉深方向的 流程图：
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§4.2 拉深方向的设计
DFE中Tipping—自动 确定拉深方向的对话框 ：
Tippng Center Auto
Average Normal Surface Normal Min Draw Depth Max width User Define
Manual Tipping Check
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§4.3 压料面的设计
压料面与法兰面的区别：
一般来说，“压料面”是指凹模上表面与压边圈下表面起 压料作用的那一部分表面。 “法兰面”—是指与压料面相对应的拉深件上的部分表面 。 但是在习惯上，人们把覆盖件拉深件的“法兰面”也称为 “压料面”。 所以，一般情况下，“压料面”在没有特别说明的情况下 指的就是拉深件的法兰面。
自动计算算法：
在现有的CAE系统中开发专门的分析功能模块，对零件几何 分析判断确定最佳的冲压方向。 开发专门功能模块软件可以利用数学方法，根据经验确定冲压 方向的原则建立必要的数学模型，然后利用先进的优化算法和 编程技术对这些数学模型进行处理，并把处理计算的结果进行 综合分析，确定出正确的拉深方向。
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§4.2 拉深方向的设计-选择拉深方向的原则
原则1）的例子：
图4-1a，选择冲压方向A，零件右下部a区域成为死区； 选择冲压方向B，凸模全部进入凹模。 图4-1b，按照拉深件底部反成形部分最有利于成形来确 定拉深方向，若改变拉深方向不能保证90度角。
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§4.2 拉深方向的设计-选择拉深方向的原则
拉深成形一般以拉深变形和胀形变形的复合形式 来进行的，拉深变形为主要变形方式。 确定拉深方向是拉深件设计的一项十分重要的工 作：
确定拉深方向就是确定零件在模具中的三个坐标(x, y, z) 位置。 拉深方向选择是否合理，直接影响到拉深件的质量和模 具的复杂程度。 拉深方向不合理，可能导致拉深过程无法进行。
课程的主要内容
绪论 模具的类型及其基本结构 基于模具加工的加工设备 模具设计新技术 模具制造新技术 模具强化新技术
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模具设计新技术
—拉深件设计
南京航空航天大学 机电学院 航空宇航制造工程系
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Email: nuaa054@126.com PWD: sxjggccae
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第四章 拉深件设计
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4 概 述 拉深方向的设计 压料面的设计 工艺补充部分的设计
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§4.2 拉深方向的设计-选择拉深方向的原则
选择拉深方向的原则： 4）有利于防止表面缺陷。
对于一些表面件，为了保证其表面质量，在选择拉深方 向时，对重要的部分要保证不产生拉深时出现的偏移线 、颤动线等表面缺陷。
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§4.2 拉深方向的设计
确定拉深方向的两种主要方法：
手工确定方法：
借助CAD系统本身的处理功能，对人工确定的一系列冲压方 向进行几何计算，以图形方式向用户反馈计算结果，最后由设 计人员确定适当的拉深方向。
构造以原点为圆心1为 半径的基于XOZ平面上 面的球面； 按照一定的规则离散上 述半球面，得到一系列 均匀有规则的离散点； 将模型上的点分别投影 到以原点为起点半球离 散点为终点的矢量的方 向上； 求出各个方向的拉延深 度值； 其中最小的那个拉延深 度值所在的方向，即为 所求的方向；
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§4.2 拉深方向的设计
图4-5所示，为某货车顶盖的拉深方向：
按箭头1的拉深方向
虽然满足了窗口部分的凸模能够进入凹模的要求，但凸模开始拉 深时与毛坯接触面积小而又不在中间；拉深过程中毛坯容易产生 开裂和坯料窜动而影响表面质量，不能采用。
按箭头2的拉深方向
优点是凸模顶部是平的，凸模开始拉深时与毛坯接触面积大而又 在中间，有利于拉深；窗口凹形部分从A线向左弯成垂直面，拉 深后再进行整形。
根据现有国内模具企业技术现状来看，国内大多数模 具CAD用户都采用后一种方法来确定拉深方向。
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§4.2 拉深方向的设计
自动确定拉深方向方法：
平均单元法线法
将模型所有单元法线求平均值。
最小拉深深度法
保证拉深过程中，进料阻力均匀； 要保证进料阻力均匀，首先要保证拉延深度均匀； 其次要尽量保证毛坯平放，拉入角相等，纵截面平衡，尽量使 成形力和材料流入量均匀平衡。
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§4.2 拉深方向的设计-选择拉深方向的原则
3）保证凸模与毛坯具有良好的初始接触状态，以 减少毛坯与凸模的相对滑动，有利于毛坯变形， 并提高冲压件的表面质量：
①凸模与毛坯的接触面积应尽量大，保证较大的面接 触，避免因点接触或线接触造成局部材料胀形变形太 大而发生破裂(图4-4a)：
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§4.2 拉深方向的设计-选择拉深方向的原则
②如何确定得到的网格边界的最 小矩形包络：
网格边界其实质是一个多边形； 求边界的最小矩形包络，就转化 为求多边形最小包络矩形的问题
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§4.2 拉深方向的设计
拉深方向的检测标准：
⑴保证每一个网格单元无负角：
求网格法向与z轴正向夹角。小于一定的度数为安全 ，超过一 定的度数为不安全； 这个角度的确定是根据材料的属性决定的，由CAE分析人员 确定。
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§4.2 拉深方向的设计
拉深方向对拉深成形的影响：
凸模能否进入凹模、毛坯的最大变形程度； 是否能最大限度地减小拉深件各部分的深度差； 是否能使各部分毛坯之间的流动方向和流动速度差比较 小、变形是否均匀； 是否能充分发挥材料的塑性变形能力； 是否有利于防止破裂和起皱等质量问题的产生等。
只有选择了合理的拉深方向才能使拉深成形过程 顺利实现。