板料拉深成形变压边力理论模型与应用研究

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1、摘要板料成形技术在整个汽车制造过程中占有着非常重要的地位。如何提高板料成形技术，有效缩短新产品的开发周期，不断改善成品件的成形质量已经成为世界各国汽车行业展开相互激烈竞争、争夺市场的一个重要法宝手段。压边力是板料拉深成形过程中至关重要的工艺控制参数之一，在一些复杂汽车车身覆盖件成形过程中，诸如起皱、拉裂以及回弹、扭曲等主要缺陷现象可以通过调整所施压边力大小的手段来消除。可以说，变压边力控制技术在整个板料成形，尤其是复杂零件拉深成形工艺中占有着非常重要的地位。为此，近十年来，世界各国的学者和工程师都在不断的努力，使得板料成形变压边力控制技术研究的深度和广度都取得了很大进展。然而直至今日

2、，由于相关基础理论模型的不完善性及缺乏相关设备的缘故，变压边力控制技术仍未能在工业界得到广泛应用。本文以圆筒件和矩形件为主要研究对象，通过建立圆筒件临界变压边力控制模型和矩形件分段变压边力控制模型，并借助数值模拟和物理试验手段分别确定了安全区域内的优化变压边力控制曲线，最后将研究成果应用于更加复杂的汽车覆盖件简化模型上进行可行性验证。从能量守恒的角度出发，结合材料断裂屈服准则，利用平面应力状态假设条件下圆筒件临界起皱和临界拉裂变压边力控制理论模型，构筑了后续变压边力控制曲线优化研究的基本安全区域，并分析了其它主要拉深工艺参数对安全区域上、下极限曲线的影响规律；通过数值模拟和物理模拟相

3、结合的手段最终确定了实际拉深成形过程中的U型变压边力优化加载曲线。运用塑性力学理论分析，结合有限元数值模拟结果，提出了包括摩擦系数和硬化指数在内的矩形件圆角部分和直边区域的径向拉应力理论计算模型；并以板厚变化率均方差及拉深力曲线极值作为最终衡量标准，通过数值模拟方法对比研究了整体压边控制和分段变压边控制对拉深成形过程的影响。研究结果发现分段变压边控制条件下所得拉深件板厚变化率均方差要较小些，也即均匀性更好，而且极限拉深力极值也更小；物理模拟验证过程中，采取自主设计的双层压边圈结构(国家发明专利号：ZL200410015678_3)来实现分段变压边力控制效果，并借助于自主研发的双层悬臂

4、粱组合式探针传感器(国家发明专利号：ZL200310109886．5)来验证实际真实分段变压边实施效果。最终试验研究结果证实了双层压边圈方案的可行性，为后续进一步验证矩形件分段变压边力控制效果提供了可靠的物理试验保证。选取复杂汽车覆盖件的简化模型为研究目标，参照前述研究成果进一步验证变压边力控制技术的实际操作可行性。在实验室现有的单动薄板液压拉深机基础上，进彳亍了计算机自动控制改造，即通过计算机精确控制下顶出缸中比例溢流阀的开度，从而在控制主缸向下运动压制板料时，根据液压油不可压缩原理以及机械部分的作用力与反作用力，下顶出缸能够实时调节作用在压边圈上的压边力大小，从而实现变压边力拉深

5、成形，为进一步深入研究变压边力技术提供了实验基础；另外，针对上述变压边力液压控制系统初始动态性能和稳态精度较差的难题，建立了一个基于模糊PID自适应调整的液压模糊控制模型，并借助MATLAB仿真得到了控制参数的优化模糊查询表。最后结合实际板料拉深成形系统，选取两种变压边力加载模式进行实时变压边力模糊控制应用效果验证。应用结果表明：采用模糊PID自适应控制方式可大大改善拉深成形液压控制系统的动态响应性能和稳态精度。关键词：板料拉深成形变压边力数值模拟物理模拟双层压边圈双层悬臂梁组合式探针传感器IIABSTRACTSheetmetalformingplaysaveryimportantr

6、oleinmodemautomobilemanufacturing．Sohowtoimproveformingtechniquesandshortendevelopmentcyclehasbecomeaverynecessarymeasuretopredominatethemoreandmorecompetitivemarket．Blankholderforce(BHDisoneofimportanttechnologicparametersduringthewholeprocessofdeepdrawing．Forexample，whendeepdrawingsomecomplex

7、overlaysofautomobiles，somebadphenomena，suchaswrinkling,rapture，springbackanddistortioncanbeavoidedbyadjustingBHESoitisveryapparentthatthecontroltechnologyofvariableblankholderforce(VBHF)playsaveryimportantroleinsheetmetalforming,e