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    汽车覆盖件模具用斜楔和包边机构CAE分析及优化设计pdf

      发布时间:2019-05-23 02:33

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      Abstract At present, with the rapid development of automobile ind ustry, the development cycle of new vehicles has been continuously shortened. Therefore, higher requirements of the design speed of high quality automotive panel mold and the mould technology equipment level are put forward. In the automotive panel die, so me processes of automotive panel mold such as lateral forming, combine and hemming could be finished in one time in the premise of using the composite multi- faceted precision forming functional modules. The modules play important roles in reducing the numb er of moulds and production costs and improving product quality and production efficiency. How to design the reasonable forming function module and improve its reliability is one of the important subjects of automotive panel die design and manufacturing. Cam and hemming mechanisms are used as precise lateral forming functional components in automotive panel compound die, and the motion interference and structural stiffness problems of the two mechanisms have been researched in this paper. First of all, the solution to increase limit blocks has been put forward after analyzing the interference phenomenon of the inclined ramp drive block and wedge slide of cam mechanism prone in motion through the motion simulation analysis with UG software. To solve the unstable problem of the inclined cam mechanism in motion, V-shaped guide surface structure is used in the connection between its slider and wedge. The result shows that the accuracy of the guide and the stability of the guidance force have been improved. Optimization suggestions on the size of double action hemming mechanism has been put forward to eliminate the movement interference between the driver and the triangle swing block and the movement interference between the base and the tail of the triangle swing block. Secondly, the effects of stress and deformation on the precision of the precision lateral forming functional components of cam and hemming mechanisms in working have been mastered through computer simulation analysis of the rigidity of the cam mechanism and hemming mechanism with ANSYS software. The V-shaped guide of cam mechanism has been optimized and the stress of the connection between the guide and the cam slider has been reduced. Finally, the new type of double drive double slide rail composite hemming mechanism has been researched. In the pressing, the requirement of large folding work space exists in the application of ordinary package machine because of extra width and large complex surface. In addition, the weak synchronization when multiple sets of ordinary package edge are used also exists. The results of this paper have solved the above problems. The conditions of connection among the new hemming mechanism parts have been examined through motion simulation. The interference between the pre-compression driver and the swing body has been eliminated by increasing the distance between the end face of preload driving cam block and the end face of return block. Through the stiffness numerical simulation, the load situation of the new hemming mechanism in the working process has been tested, and the strength and stiffness of the body parts have been improved by optimizing the size of sliding frame and the connecting rods. Key words :Automotive Panel Die, Cam Mechanism, Hemming Mechanism, Kinematic Analysis, Finite Element Analysis, UG, ANSYS 目 录 第一章 绪 论 1 1.1 汽车车身制造过程简介 1 1.2 国内外研究现状分析 2 1.3 课题的研究目的和意义 4 1.3.1 课题的研究意义 4 1.3.2 课题的研究目的 5 1.4 课题的研究内容和方法 5 1.4.1 课题的研究内容 5 1.4.2 课题的研究方法 10 第二章 有限元法基本原理以及相关CAE 软件介绍11 2.1 有限元法基本原理11 2.1.1 有限元法简介11 2.1.2 有限元法求解问题的基本过程 12 2.1.3 弹性力学的基本假设 13 2.2 相关CAE 软件介绍 13 2.2.1 UG 软件及UG/Motion 模块概述 13 2.2.2 ANSYS 软件介绍 14 第三章 汽车覆盖件模具用斜楔机构CAE 分析及优化 17 3.1 引 言 17 3.2 倾斜式斜楔机构的运动仿线 倾斜式斜楔机构的运动过程分析 17 3.2.2 倾斜式斜楔机构的结构干涉分析 18 3.2.3 倾斜式斜楔机构的复位分析 19 3.2.4 倾斜式斜楔机构的斜楔滑块速度分析 20 3.2.5 倾斜式斜楔机构运动仿线 倾斜式斜楔机构的结构强度模拟分析 23 3.3.1 倾斜式斜楔机构有限元模型建立 23 3.3.2 倾斜式斜楔机构有限元结果分析 24 3.3.3 倾斜式斜楔机构强度模拟后结构优化建议 26 3.4 本章小结 28 - i - 第四章 汽车覆盖件模具用包边机构CAE 分析及优化 29 4.1 引 言 29 4.2 双动包边机构的运动仿线 双动包边机构的运动过程分析 30 4.2.2 双动包边机构的结构干涉分析 32 4.2.3 双动包边机构的复位分析 33 4.2.4 双动包边机构的速度分析 35 4.3 双动包机构的结构强度模拟分析 36 4.3.1 双动包边机构有限元模型建立 36 4.3.2 双动包边机构有限元结果分析 37 4.4 双动包边机构结构优化建议 41 4.5 某汽车车门包边模具的复合式包边机构 44 4.5.1 双驱动双滑轨复合式包边机构运动仿线 双驱动双滑轨复合式包边机构结构强度模拟分析 50 4.5.3 双驱动双滑轨复合式包边机构结构优化建议 55 4.6 本章小结 59 第五章 总结与展望 60 5.1 全文总结 60 5.2 研究展望 61 附 表 62 参考文献 63 发表论文和科研情况说明 66 致 谢 67 - ii - 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 汽车车身制造过程简介 汽车是一部复杂的机器,通常由发动机、底盘、车身和电器设备4 部分组成,全车 由超过10000 个零部件组成。汽车制造者为了节省承重架,使车身轻量化,大多数汽车 车身都是采用承载式结构。现代汽车制造模式基本上是大规模、大批量生产方式,不论 是冲压、焊接,还是涂装、总装、检测,基本都采用机械化自动流水作业的方式,也有 部分采用半自动生产方式。为了提高效益和效率,很多专业厂家开始共同完成汽车零部 件,生产过程大多采用专业化大协作的方式进行。主机(汽车)厂对零部件产品质量和 生产过程进行严格的控制,确保汽车产品符合国家和行业的质量标准和安全标准。汽车 车身制造工艺过程就是在汽车制造过程中改变加工对象的形状和尺寸以及性能等,使其 成为汽车产品或半成品的过程。白车身制造过程如图1.1 所示。由于汽车覆盖件要经过 许多工序才能完成,并且在复杂的工艺参数和模具结构下,以及冲压材料,冲压条件等 条件影响,都会在生产的每一步中产生质量问题。 1 冲压; 2 焊接 [1] 图1.1 白车身汽车制造过程图 Fig 1.1 The BIW manufacturing process of automobile 汽车覆盖件冲压工艺主要包括冲裁、弯曲、拉深(拉延)、成型等基础成型工艺。 一个零件的成型工艺往往是把几种基础工艺合理安排组合运用,形成一个完整的工艺过 程。常见的汽车零件成型工艺组合形式。根据零件的不同特点,合理地安排工序,可以 完成各类不同零件的冲压成型,如表1.1 所示。从表中来看,在汽车制造过程,汽车覆 -1- 第一章 绪 论 盖件成型工序中有很多需要侧向成型工序,所以精密侧向成型功能部件在汽车覆盖件模 具中被广泛使用。 表 1.1 部分汽车零部件常用成型工艺[1] Table 1.1 The some commonly used auto parts forming process 序号 零件名称 工序名称 1 侧围外板 拉延+切边冲孔+切边侧切边+整形翻边+测整形侧冲孔侧翻边 2 前车门外板 拉延+切边冲孔+翻边整形+侧整形 3 翼子板 拉延+切边侧切边+修边翻边整形+侧翻边侧整形+侧整形侧冲孔 4 前罩板外板 拉延+切边+整形翻边 5 后门外板 拉延+切边冲孔+翻边整形+侧整形 6 顶盖 拉延+切边冲孔+整形翻边修边+翻边整形 7 行李箱外板 拉延+切边冲孔+切边冲孔侧冲孔+翻边侧翻边+侧冲孔侧翻边 8 后侧围内板 拉延+切边冲孔+切边冲孔侧冲孔+冲孔侧冲孔侧修边+翻边整形 9 前车门内板 拉延+切边冲孔+切边冲孔侧冲孔+翻边整形 10 前罩板内板 拉延+切边冲孔+整形冲孔侧冲孔 11 后门内板 拉延+切边冲孔+切边冲孔侧冲孔+翻边整形 12 行李箱内板 拉延+切边冲孔+修边冲孔侧冲孔+整形翻孔 1.2 国内外研究现状分析 汽车用板一般根据部位和功能要求的不同,可以分为外覆盖件、内覆盖件、车体骨 [2] 架和加强板四大类 。而汽车覆盖件从功能上分,包括车门,发动机罩,行李箱盖和前 翼子板和其他配件,外覆盖件良好地匹配以及组装可以显示车身完美的曲线] 件与其连接部件保持均匀间隙并且表面平滑,而且零件可以具有良好的互换性 。汽车 覆盖件多为空间立体曲面,形状结构复杂,而且汽车外覆盖件是外观装饰性的零件,对 于任何有微小的缺陷的覆盖件表面上,都会在涂漆后引起光线的漫反射,对汽车外形美 观造成破坏。所以汽车覆盖件表面不允许有任何缺陷,如有波纹、皱折、边缘拉痕和其 他破坏表面美感的缺陷,覆盖件又是封闭薄壳状的受力零件,所以汽车覆盖件具有厚度 薄和表面质量高的特点。汽车模具设计中的斜楔机构和包边机构是汽车发展的一个重要 环节,尤其是斜楔机构广泛应用于覆盖件侧向冲孔、翻边、修边等模具中的侧向成型和 冲裁机构,以及包边机构的设计更是决定汽车车门质量。 目前国内针对汽车覆盖件斜楔机构的作用、分类和适用情况做了研究。韩志仁、许 增辉等在汽车模具冲压系统研究中对斜楔机构在模具运动中建立数学模型做了详细研 [4] 究和论证计算,并进行了模拟验证 。庞秀荣等对斜楔机构的概念和种类、其在模具上 -2- 第一章 绪 论 [5] 采用的方向和范围进行了阐述,并重点介绍了一种新型斜楔机构结构及应用 。针对在 模具中常采用的几种国内的车门翻边斜楔型式的特点,霍海宁对其结构和工作原理,以 [6] 及设计要点和制造技术进行了详细描述 。对普遍使用的水平运动和倾斜运动斜楔机构, 王智礼对斜楔和滑块的运动行程及所受的作用力进行分析,并为如何更好确定斜楔和滑 [7] 块的行程及所受的作用力提出了优化建议 。杨敏对斜楔机构进行了力学分析,并对斜 [8] 楔冲孔模具进行了优化建议 。对冲压模具的标准斜楔机构如何进行主要设计参数的简 [9] 便计算方面张正修等进行了阐述 。安文宝阐述了几种典型应用在冲压模具上的斜楔装 置的原理和受力状况,并对斜楔传动机构的特点及适用范围进行分析,同时对如何更好 [10] 的选择标准斜楔装置和对斜楔使用应注意的事项提出了建议 。对于用来成型车身侧围 外板、左右翼子板、左右前后门外板等大型汽车模具中,使用标准斜楔已无法满足其模 具成型的要求,所以就要设计制造非标斜楔机构来满足模具成型在这方面的要求,李傲 [11] 宏对非标斜楔的种类、结构特点及设计、加工制作方法进行了阐述 。李军等具体解释 了在汽车模具中斜楔机构的应用,分析了水平组合式的斜楔在成型翼子板的模具设计中 的应用,倾斜式斜楔在汽车翼子板模具的应用,以及吊冲式斜楔在汽车侧围外板模具中 [12] 的应用等 。张勇、王义林等对汽车覆盖件模具上应用的斜楔机构,以CAD 软件为平 [13] 台,开发了斜楔变型设计模块功能 。在西方发达国家,汽车模具出现初期,汽车生产 企业就对斜楔机构设计和应用进行了研究。早期,在计算机水平和技术水平不成熟的条 件下,斜楔的研究程度是有限的,并运用到在实际生产应用方面也很有限。随着计算机 水平不断提高,CAD/CAE/CAM 技术日渐成熟,斜楔机构在模具应用更加广泛,西德学 者 L.Hilbert 阐述了在大规模模具生产中斜楔机构具有重要意义。 国内与国外对于汽车覆盖件的包边研究不同主要体现在国内是对具体的现场工艺 和技术方面,而国外是通过有限元仿真后在进行包边成行实验验证。王珏等人对汽车车 门包边模具中工作过程进行了研究,分析了车门包边中出现的质量缺陷,并提出了原因 和对策,对车门包边中所使用的设备如何选择进行说明,对汽车车门模压包边成型设备 的设计思想和总体设计方案进行阐述,在设计时对其结构应当考虑的主要因素作了较为 详细的总结[14,15] 。李新超对车门包边原理和工艺进行了分析阐述,通过电动包边专机和 [16] 包边模具的对比,详细说明了车门包边机的优势及应用 。杨宽等对常用汽车覆盖件包 边机构中的斜楔凸轮配合机构以单摇臂和平行四边形机构的运动学公式进行推导并分 [17] 析包边成型规律 。以及李云峰详细介绍了两种常用的斜楔凸轮配合式的单动和双动包 [18] 边机构,分析了单动和双动包边机构运动过程并简单的对适用情况进行了说明 。张举 东对皮卡车的车门包边模具中出现的设计问题进行了简要讨论并提出了优化设计制造 [19] 建议 。S. Jack Hu 等也对金属板材折边成形过程的数值分析方法进行了系统的研究, 探讨了形成机理和在成行后边缘凹陷隆起问题,并指出了金属板材在折边成形过程中, 对最后产品质量因素的影响和需要注意的问题进行了阐述[20,21] 。Livatyali 等研究了金属 板材折边翻边,预卷边的路径,预折边的影响和最终包边力参数和缺陷,并给出了详细 的成型缺陷与设计参数关系之间的变化的趋势[22,23] 。王立影等对机器人滚边工艺技术和 设备进行总结阐述,详细介绍了研究机器人滚边系统,和系统中对于汽车包边质量的主 要影响因素,分析了对于机器人滚边应用在汽车包边生产应用中,常见的机器人包边缺 -3- 第一章 绪 论 [24] 陷形式,提出了影响机器人包边质量的控制方法,为车门包边质量的提升提供了参考 。 胡琪在论述了汽车覆盖件包边模具的结构特点及实体造型方法和包边工艺的基础上,介 绍了在包边模设计中使用三维软件来实现参数化设计方法,及参数化设计的原理和设计 [25] 中使用的关键技术 。赵亦希对包边工艺如何在汽车车身制造中如何更好的应用进行了 [26] 研究与分析 。Zhang 研究了在板料包边过程中若坯料边界为直边而影响弯曲的情况, [27] 和分析了在此情况下产生缺陷的原因 。 在 CAD/CAE/CAM 技术方面,随着创新技术的普及,在提高全球产能和网络计算 环境下,不仅国外研究者和企业认为CAD/CAE/CAM 技术可以提高产品的品质要求。 国内研究者和企业也同样认为模具CAD/CAE/CAM 技术的发展朝着集成化、一体化、 网络化、虚拟化和智能化发展,可以提高模具制造生产效率来满足市场和客户的需求。 [28] 黄亚娟认为CAD/CAE 技术在汽车覆盖件模具应用中将走向智能化、专业化、一体化 。 外国学者对汽车覆盖件 CAD/CAE/CAM 技术进行了深入的研究,在汽车部件设计优化 和智能制造方面取得了高水平的研究成果[29,30] 。例如通用汽车的 Corporate Graphics System 系统和福特公司的CAD/CAM 应用软件应用率为100%等[31,32] 。日本丰田汽车公 司很早就在车身工程里应用了CAE/CAM 技术[33,34] 。丰田汽车公司在上世纪 80 年代就 采用了CAD/CAE/CAM 系统来完成汽车外形设计和结构设计,并利用CAD/CAE/CAM [35] 技术帮助完成冲压模具的设计和加工等任务 。 1.3 课题的研究目的和意义 1.3.1 课题的研究意义 汽车工业现在已成为我国国民经济的重要支柱产业之一,并在国民经济和社会发展 中起着重要作用。中国现在已经是“世界工厂”,在汽车的制造和消费上在世界范围内 已经是大国,根据中国汽车工业协会统计分析,在2014 年10 月我国的汽车产量为204.42 万辆,销量为198.72 万辆,分别比九月增长了1.9%和0.2% 。2014 年10 月汽车产销量 同比2013 年分别增长6.7%和2.8% 了。2014 年的1~10 月,中国汽车总产量为1927.01 万辆,完成销量为1898.81 万辆,分别比同期2013 年增长7.9%和6.6%,增幅比去年同 期分别减缓5.7 和6.9 个百分点。2014 年9 月,汽车生产200.70 万辆,环比增长17.07%, 同比增长4.18% ;销售198.36 万辆,环比增长15.62%,同比增长2.47% 。其中:乘用车 生产172.43万辆,环比增长16.43%,同比增长9.39%;销售169.60万辆,环比增长15.52%, 同比增长6.44%。商用车生产28.27 万辆,环比增长21.13%,同比下降 19.29%;销售 28.76 万辆,环比增长16.25%,同比下降16.01%。2014 年的1~9 月,汽车产销1722.59 万辆和1700.09 万辆,同比增长8.08%和7.04% 。其中乘用车产销1438.62 万辆和1415.55 万辆,同比增长 11.29%和 10.17%;商用车产销 283.97 万辆和284.54 万辆,同比下降 5.72%和6.24%[36] 。目前,我国汽车产量以实现连续五年在世界排名第一,2014 年国内 汽车保有量将近 1.4 亿,2013 年,我国汽车产量达到了2211.7 万辆,销量达2198.7 万 -4- 第一章 绪 论 辆,汽车保有量已达1.37 亿辆。在汽车消费市场,根据中国汽车工业协会的数据显示, 在2014 年10 月份,汽车生产和销售超过190 万辆,可是许多国内汽车制造商在开发新 车模型方面很缓慢,并且在汽车进入普通家庭也需要降低成本。 在汽车车身开发工程中,汽车覆盖件的模具开发设计及制造是关键技术。一辆轿车 上的零部件约有80%是靠模具成型加工制造出来的[37,38] 。普遍构成汽车车身零件中有数 百个冲压件构成,有的全车零件冲模成型的高达一千套冲模以上。在制造一辆轿车所用 冲压模中,其冲压模的价值在 2~3 亿美元。在“汽车外形设计——进行车身外形模具 设计与调试——汽车车身模具投产”的整个设计制造周期中,其所用模具设计和制造约 占全部汽车生产时间的三分之二作业,所以模具设计和制造成为车身改型的制约因素之 [39] 一 。汽车的车身质量情况在汽车整车质量所占的重要性越来越大,已经成为人们衡量 一辆汽车质量好坏关键因素,因此人们对汽车覆盖件冲压的生产提出了更高的要求。在 汽车车身生产成本中,其模具设计制造的成本是占了其一大部分,而斜楔机构和包边机 构也是汽车车身模具设计与制造的难点结构之一,并且使用量大,所以降低斜楔机构和 包边机构的设计和开发成本,有利于降低汽车覆盖件模具成本从而降低整车成本,提高 产品竞争力。 本课题研究的斜楔机构和包边机构是汽车覆盖件复合模具中大量使用的成型功能 部件,采用这些功能部件可以在一套模具中一次完成汽车覆盖件的侧向成型、合边、包 边等多道工序,具有减少成形模具数量,降低生产成本,提高产品质量的重要作用。如 何设计合理的斜楔机构和包边机构,提高其质量,是汽车覆盖件模具设计制造中的重要 课题之一。因此,本课题的研究具有重要意义。 1.3.2 课题的研究目的 本课题的研究目的是通过研究汽车覆盖件复合模具中使用的斜楔机构和包边机构 结构原理,采用 CAE 软件对汽车覆盖件斜楔机构和包边机构运动以及刚度进行分析, 来确定机构设计的合理性,最后进行机构的结构优化设计,开发新形式的机构,为汽车 覆盖件复合模具所使用的精密侧向成型功能部件的设计制造提供帮助。 1.4 课题的研究内容和方法 1.4.1 课题的研究内容 在汽车覆盖件冲压加工成型过程中,需要采用斜楔机构进行侧向冲压,将垂直冲压 运动转换成任意方向的侧向运动,来解决汽车覆盖件零件由于结构形状和其他原因导致 垂直冲压解决不了的结构问题,完成需要特殊方向成形的零件的冲压工艺。斜楔机构是 转换运动方向并传递动力的一个重要组成部分,其结构主要是楔块、滑块和驱动块三部 分构成,其结构还包括滑动机构导向部件,机构限位部件和机构复位部件。斜楔机构不 -5- 第一章 绪 论 仅在侧面冲孔、翻边、修边工序上使用,也可以在侧面成形、压窝工序上使用,还可以 起到压料、顶件或力系平衡等作用。斜楔冲孔模具如图1.3 所示。 1.上斜滑块,2.定位块,3.定距套,4.基板,5.下固定板,6.下卸料板,7. 凹模垫板,8. 凹模板,9. 凹 模镶件,10.卸料板,11.卸料垫板,12.固定板,13.固定垫板,14.冲头,15.下固定板,16.下斜滑块 图1.3 斜楔冲孔模具图 Fig. 1.3 Inclined punching die 由于汽车覆盖件成形工艺的复杂性,从而导致了用于完成这些成形工艺的汽车覆盖 件模具有一定的复杂性,不同的侧成形工艺对斜楔机构有着不同的要求,从而使斜楔机 构的结构类型也有一定的差别化。斜楔机构可以根据滑块冲压角度的不同,分为水平式 斜楔和倾斜式斜楔。如图1.4 和1.5 所示。 图1.4 水平式斜楔结构图[40 ] 图1.5 倾斜式斜楔结构图[40] Fig. 1.4 The horizontal type cam Fig. 1.5 The tilt type cam 水平式斜楔将垂直方向的冲压力转化为水平方向的冲压力,由于其定位准确,制造 相对简单,好操作等特点,所以在汽车覆盖件的侧围外板和车身翼子板的冲孔、修边、 翻遍等成形加工工艺中是最常用的斜楔机构结构类型。水平式斜楔简图如图1.6 所示。 倾斜式斜楔是将垂直方向的冲压力转化为有一定工作角度的冲压力,根据滑块的冲 压方向与水平方向角度不同,倾斜式斜楔可分为下倾斜斜楔和上倾斜斜楔两种。下倾斜 式斜楔是斜楔滑块的工作角为正值;上倾斜式斜楔是斜楔的滑块工作角度为负值。倾斜 式斜楔简图如图1.7 所示。 -6- 第一章 绪 论 图1.6 水平式斜楔结构示意图[41 ] 图1.7 水平式斜楔结构示意图[41] Fig. 1.6 The structure diagram of horizontal Fig. 1.7 The structure diagram of tilt cam type cam type  2 1 图中P—压力机压力; , —驱动角度; —斜楔工作角度;F—冲裁力;Q—驱 动块对滑块上的压力;V—滑块对楔块的压力;L—驱动块的行程;S—滑块工作行程。 [40 ] 在汽车覆盖件模具中,斜楔机构主要作用可以分为以下三种作用 : 1.将垂直的冲压力转换成水平或者任意倾斜方向的冲压力,从而完成特殊方向的冲 压工艺加工。斜楔机构可以完成的冲压加工工艺主要包括:冲孔、折弯、翻边等侧向成 型和冲裁工艺。由于冲压的加工工艺不同,斜楔机构的选择也不同。例如修边,不同的 修边角度要选用不同的斜楔机构,如图1.8 所示。 图1.8 修边方式图[42 ] Fig. 1.8 Trimming way 2.通过斜楔机构的运动来完成对料的自动送入和脱出。 3.通过设计斜楔机构,将其用于夹紧装置,起到对坯料的压边,夹紧作用。 而汽车覆盖件包边模具常用于汽车四门两盖(即左、右、前、后车门,发动机盖和 行李箱)的内外板的连接加工,包边模具也是汽车四门两盖件成型的最后一道工序,所 -7- 第一章 绪 论 以汽车在后续的装配工序中产品的密封性、外观质量等重要性能,会被汽车四门两盖在 包边成形后产品的尺寸的精确性和表面质量等问题影响。包边工序在薄板板料成形过程 中是一个复杂过程,它不同于薄板简单的弯曲成形,包边工序中板料常常伴有回弹与变 弯、缩进与胀大、褶皱、破裂等成形缺陷。对汽车内外板通过翻边后在折弯到00 进行包 边,保证了产品的表面质量,并增加车身整体强度。主要包边方式有以下几种:包边机 包边;机器人滚边;模具包边。 在汽车覆盖件包边模中,汽车覆盖件的包边工艺实现是通过各种包边模中的包边机 构的运动,从而实现带动包边刀块的运动,使汽车覆盖件内外板料进行包边的。汽车覆 盖件包边模中由于不同的包边机构可以实现不同的运动,一般可将包边机构分为单动包 边机构和双动包边机构,如图1.9 和1.10 所示。单动包边机构和双动包边机构由于在拉 力弹簧的作用下,在工作过程中其驱动器上的斜楔和滚轮始终表面相贴合,所以单动包 边机构和双动包边机构在包边运动过程中其空间运动轨迹是相对稳定确定的。 图1.9 单动包边机构图[40 ] 图1.10 双动包边机构图[40] Fig.1.9 The single action hemming mechanism Fig.1.10 The double action hemming mechanism 图1.11 单动包边机构示意图[17] Fig. 1.11 The single action hemming mechanism -8- 第一章 绪 论 汽车覆盖件包边模中的单动包边机构是一种运动形式较为简单的包边机构,它是由 驱动器上的斜楔进给斜面推动滚轮驱动,只做绕转轴固定旋转运动,包边镶块随之也绕 转轴做旋转运动。单动包边机构绕轴线旋转时,机构镶块上的刀块各点的绕轴距离不同, 易造成在包边过程中折边镶块的各个点运动速度大小和方向也均不相同,但在设计单动 包边机构的刀块与板料接触面比较简单,并且机构刚度比较大,制造成本较低的优点, 所以在汽车覆盖件包边模中被使用了单动包边机构。单动包边机构示意图,如图 1.11 所示。 汽车覆盖件包边模中的双动包边机构工作运动遵循平行四边形原理,这样的机制是 一个平行四边形的四杆机构。由驱动块的斜楔进给斜面推动机构上的三角块摆块的滚轮 而驱动,借助双摇臂四杆机构进行平行四边形运动来实现包边。双动包边机构与单包边 机构主要区别在于安装在机构上的包边刀块在运动过程中姿态平稳,包边刀块的设计是 相对容易的,但这种双动包边机构相对来说结构比较复杂,设计制造成本较高。双动包 边机构示意图,如图1.12 所示。 图1.12 双动折边机构示意图[17] Fig. 1.12 The double action hemming mechanism 在综合分析了斜楔机构和包边机构工作原理上,本论文针对汽车覆盖件复合模具中 使用的侧向成型机构——斜楔机构和包边机构,在深入考察和分析了制造厂家实际设计 生产的基础上,对侧向成型机构的运动过程、在工作状态下侧向成型机构与模具其他部 件发生的运动干涉、以及侧向成型机构在工作中的机构复位情况和运动速度情况等进行 分析,检验组成汽车覆盖件模具的斜楔机构和包边机构的零部件之间的配合情况。并且 针对汽车覆盖件模具的斜楔机构,双动包边机构和复合式包边机构在工作状态下的强度 进行分析,通过模拟数值掌握汽车覆盖件模具的斜楔机构和包边机构的工作状况,了解 受力、变形对精密侧向成型功能部件及包边功能部件的影响,进行其结构的优化设计。 -9- 第一章 绪 论 1.4.2 课题的研究方法 本论文针对汽车覆盖件复合模具中使用的精密侧向成型功能部件——斜楔机构和 包边机构,通过查阅国内外文献来了解斜楔机构和包边机构结构设计原理,并进入实际 生产厂家进行调研,在深入考察和分析了其实际设计生产的基础上,用相应CAD 软件 建立符合实际的计算模拟所需的模型,根据实际的尺寸、工艺参数,对精密侧向成型功 能部件斜楔机构和包边机构应用UG 软件中的运动仿真模块(UG/Motion )进行模拟运 动分析,通过模拟数值来分析其运动过程,验证在工作状态下侧向成型机构与模具其他 部件发生的运动干涉情况,并对构成汽车覆盖件模具的斜楔机构和包边机构的零部件之 间的配合情况进行检验。同时,通过ANSYS 软件对汽车覆盖件模具的斜楔机构和包边 机构的刚度进行计算机模拟分析,根据模拟分析出的汽车覆盖件模具的斜楔机构和包边 机构工作时的受力、变形情况对精密侧向成型功能部件斜楔机构和包边机构的影响,来 完成对斜楔机构和包边机构的优化设计。 -10- 第二章 有限元法基本原理以及相关CAE 软件介绍 第二章 有限元法基本原理以及相关CAE 软件介绍 2.1 有限元法基本原理 2.1.1 有限元法简介 在工程结构设计和优化中,常常运用数学和力学的理论知识,将实际问题转换为应 遵循的基本方程和相应的边界条件,但对于大多数的工程技术问题,由于实际物体外形 几何形状和实际负载模式相对复杂,只有很少的方程性质相对简单,有规则的几何边界 条件问题,根据弹性和塑性里的经典力学得到解析解,其他大多数问题得到解析解是非 常困难的,有时甚至是不可能的。为了克服这个困难,人们提出了一种数值方法,如有 限元法,有限差分法,边界元法和离散元法,由于有限元方法具有坚实的理论基础和解 决复杂的工程问题的能力,所以在工程应用中得到了普遍的应用。 而伴随着市场竞争,产品更新周期时间不断地缩短,企业更加需要提高产品质量和 缩短设计周期来提高自身产品的竞争力,因此企业对于新技术的需求更迫切。随着计算 机技术和计算方法,以及有限元仿真技术的发展,有限元仿真技术在提高产品质量,缩 短设计周期,提高产品的竞争力上发挥了重要作用,已成为解决工程分析复杂的计算问 题的有效途径,所以有限元方法被广泛应用于机械制造,材料加工等各个领域当中,为 机械设计制造等相关或其他领域的技术支持。大型有限元通用商业软件,如ANSYS 可 以对多学科领域进行分析,例如:机械、电磁、热力学等。还有专一有限元软件,如 Deform、Dynaform、Moldflow 等对某一特定问题进行有限元数值计算模拟分析。有限 元分析是将复杂问题转化为比较简单的问题进行求解,是将复杂的微分方程进行近似解 的一个非常有效的方法。最早使用的计算机数值计算是固体力学中的杆件结构力学,每 [43] 一个杆件为一个单元,称为矩阵位移法,并提出了有限元理论 。然后把这个想法利用 到弹性力学并得到发展,使弹性力学成为有限元方法应用到其他的连续介质力学领域的 桥梁。 有限元的基本思路是离散化一个连续变化的求解区域,即把求解区域分为彼此解决 的区域中,以相互连接的节点的元素联系有限个单元,假设在单元内插入多项式近似解, 用有限数量的节点未知参数来表示单元特征,使用适当的方法,将各个单元的关系组合 成含有这些未知数的方程组,对未知的参数可以在每个节点使用插值函数来获得近似 解。由于子域可以被划分成多种形状和不同大小的尺寸,它可以很好的适应复杂的几何 形状,材料性质和复杂边界条件,然后解决这个域总的满足条件,每个单元有一个合适 的和相对简单的近似解,从而得到问题的解。有限元高精度的计算,并对各种复杂形状 可以适应,解决了大多数的实际情况难以得到精确解的问题,因而成为工程分析的有效 手段。 有限元方法,到现在已经有 50 多年的历史,其应用已从结构的静态分析,发展到 -11- 第二章 有限元法基本原理以及相关CAE 软件介绍 动态分析,波动分析,稳定性分析。有限元方法技术从简单的平面问题发展到复杂的板 壳问题和空间问题。从线性弹性材料的研究,到研究对象扩展到弹塑性和超弹性,蠕变, 粘弹性,粘塑性,材料的损伤,热粘弹性和热粘弹性塑料,复合材料和非均匀材料,从 弹性小变形问题发展到几何非线性的大变形问题;从只是对结构计算分析和校核问题扩 展到可以对结构进行优化设计问题;由固体力学扩展到流体力学,继而又渗透到热场分 析、电磁场、声学等非力学领域并且可以完成多场耦合问题的分析与计算。随着计算机 技术的进一步发展,有限元方法,数值分析工具得到广泛应用,已在科学技术发展和经 济建设中发挥了重大作用。 2.1.2 有限元法求解问题的基本过程[43~47] 变分原理和加权残值法是有限元方法的数学基础,有限元方法的基本思想是选择一 些合适的求解函数插值点将计算域划分为有限个互不重叠的单元,求解函数插值点借助 于变分原理或加权余量法,将微分方程中的变量转化成由各变量或其导数的节点值与所 选用的插值函数组成的线性表达式进行微分方程离散求解。对于物理特性和数学模型的 不同,引入的权函数和插值函数不同,构成的有限元法不同,具体的公式推导和求解运 算不同,但解决该有限元法的基本步骤是相同的,有限元解决方案的基本步骤通常是: 第一步:确定问题及求解域定义:确定近似求解域的几何和物理性质是根据实际的 问题情况下的近似求解域。 第二步:离散化求解域:将求解域通过有限数量节点组成的单元分为有限大小和形 状且彼此相连的离散域,单元与单元之间只通过节点联结并传递内力,单元边界位移保 持一致,既不出现裂缝也不重叠。这种使用的有限元离散化被称为网络划分。网络划分 越细,离散域就越可能接近真实程度,结果就更准确,但计算的量将大大增加,因此, 有限元中的网络划分是有限元方法的核心技术之一。 第三步:确定状态变量及控制方法:微分方程式中的边界条件包含一个实际情况中 的物理问题的状态变量,通常将微分方程成等价成泛函形式来适合有限元求解。 第四步:单元推导:构建一个合适的近似解的单元,即有限元的列式推导。结构的 节点平衡方程式可由总刚度矩阵表示,即   K {} {P} (2- 1)   K 式中 为结构总刚度矩阵; {}为结构节点位移列矩阵; {P}为结构的等效节点载荷列矩阵。 第五步:求解和结果解释:对联立的总矩阵方程用直接法、迭代法和随机法进行求 解,获得结点处的近似求解结果。 -12- 第二章 有限元法基本原理以及相关CAE 软件介绍 2.1.3 弹性力学的基本假设[48,49] 在弹性力学中有五条基本假设,分别如下: (1)假设物体是连续的:物体内部由连续的介质组成,并且没有空隙,所以物体 中的应力、应变和位移是连续的,可以在坐标系上用连续函数表示。这是由于物体均的 分子大小及分子间的距离与物体本身尺寸相比是很小的,故可以不考虑物体内的分子构 造,根据这个假设所得的结果与实验结果是符合的。 (2 )假设物体是均质的和各向同性的:物体内部每个点和每个方向的对象是相同 的,因此物体各部分的物理性质是一样的。这样,物体发生位移和方向改变化而弹性模 量和泊松比不随之改变。钢是由细小的晶体组成,晶体本身是各向异性的,但由于晶体 细小,排列不规则,根据材料的平均性能,所以钢可以被认为是各向同性。 (3 )假设物体是完全弹性的:在外加因素(载荷、温度变化等)作用下物体会发 生变形,在去除外加因素后,物体则会完全恢复其原来形状,并且没有剩余变形。同时 还假定材料遵守胡可定律,即应力与形变成正比关系。 (4 )假设物体的变形是很小的:当物体在荷载和温度变化作用下发生变形而产生 的位移,与物体的变形相比很小。在力的平衡状态时,研究物体可以不考虑物体的尺寸 变化。由于以略去物体应变的乘积,因此在小变形下,弹性理论中的微分方程是线 )假设物体内无初应力:认为在自然状态的物体内部的载荷或温度的变化等作 用之前,物体内部没有应力,也就是说通过弹性理论计算的物体应力是由载荷或温度的 变化等产生的。物体中初应力的性质及数值与物体形成的历史有关,如物体的初始应力 存在,通过弹性理论得到的应力和初始应力之和才是在物体中的实际应力。 在以上弹性力学的基本假设中第四个假设条件是几何假设,其假设条件是物理假 设。 2.2 相关CAE 软件介绍 2.2.1 UG 软件及UG/Motion 模块概述[50,51] UG 起源于世界最大的软件公司电子数据系统,基于CAD/CAE/CAM 集成一体化而 著称的美国麦克唐纳·道格拉斯(McDonnell Douglas )飞机公司,并广泛使用在通用机 械、汽车及航空航天等领域。UG 含有产品设计模块;产品制造模块;产品分析模块; 钣金设计模块等。UG/Rap id Prototyping 通过读入CAD 模型生成可以由任何快速成型机 读数据,快速原型制造提供一个接口,该模型与工业标准兼容STL 交互,帮助设计师快 速获得设计样本。UG 公司推出的面向逆向工程的软件模块提供了一套方便的工具集, 接收各种数据来重构曲面模型。这项技术是由许多著名公司如通用汽车,福特,波音, 内饰系统有限公司和其他公司使用。利用UG 软件的二次开发模块可以便于进行二次开 发工作,满足用户的应用需求。 UG 软件中的运动仿真模块(UG/Motion)是可以直接使用其CAD 模型在UG 平台 -13- 第二章 有限元法基本原理以及相关CAE 软件介绍 上进行模拟分析,该模块支持建立了许多不同的运动的模拟场景,每个场景对应于一个 相应的运动模型中。可以对模拟仿真后的结果直接进行优化设计,部件之间的优化也是 彼此独立的。UG 运动分析模块是以刚体学为基础的模拟仿真分析的 CAE 软件,其 ADAMS 解算器可对任何三维或三维机构进行复杂的运动学、静力学和动力学分析。同 时UG 运动分析模块可以对机构进行干涉分析,追踪零件的运动轨迹,分析机构中运动 [50] 部件的速度、加速度、作用力等 。UG/Motion 运动仿线 UG/Motion 模块设置主要步骤[51] Fig 2.1 Main steps of UG/Motion module settings 2.2.2 ANSYS 软件介绍[52~55] ANSYS 有限元分析软件现已成为有限元分析软件中较为成熟的软件,是工程计算 [44] 和科学研究者的必备工具,在国内外得到广泛的推广 。ANSYS 软件是美国 ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析(FEA )软件。ANSYS 主要分析仿真模块包括结构仿 真模拟分析(ANSYS Mechanical ),流体动力学仿真模拟分析 (ANSYS CFD CFLDENT/CFX ),电子设计仿真模拟分析 (ANSYS ANSOFT )以及ANSYS Workbench 等。在世界上许多行业中的工程师和设计师们广泛使用大型通用软件ANSYS 。从1971 年首次推出的2. 0 版本到今天的14.5 版本,ANSYS 在操作与技术等各个方面都有了很 大的提升与优化。ANSYS 提供的CAD 导入/导出接口,帮助用户可以直接通过转换接 口的CAD 程序,把如IGES 和SAT 等CAD 软件格式进行转换输入到ANSYS 。用户不 但可用其进行诸如结构、热、流体流动、电磁等的单独研究,还可以进行这些类型的相 互影响研究的特性使得ANSYS 软件在有限元分析软件中拥有领先地位,也是唯一能实 -14- 第二章 有限元法基本原理以及相关CAE 软件介绍 现多场及多场耦合分析功能的软件。 ANSYS 软件主要包括三个部分:分析计算前处理模块,分析计算模块和仿真结果 后处理模块。分析计算前处理模块提供了一个强大的实体建模和划分网格工具,用户可 以轻松地构建有限元模型;分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析 和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理 场的耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力;仿 真结果后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显 示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来,也可 将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。ANSYS 软件提供了 100 多种单元类型,用 来模拟各种工程结构和材料。该软件有多种不同版本,可以运行在从个人机到大型机的 多种计算机设备上,如PC ,SGI,HP ,SUN,DEC ,IBM,CRAY 等。从开始平台(主 菜单)可以进入各处理模块:PREP7 (通用前处理模块),SOLUTION (求解模块),POST1 (通用后处理模块),POST26 (时间历程后处理模块)。 ANSYS 公司提供各类与仿关API 以及用户自己知识产权的API 在Workbench 环境下集成,形成应用程序。ANSYS Workbench 协同仿真环境是一个开放的CAE 平台, 整合不同的前处理器和后处理器,便于交互仿真系统,可以方便的对各种工程问题进行 分析,从CAD 系统链接虚拟样机模型,在Workbench 开发的应用程序中设置计算参数, 如设计尺寸,工程材料和操作条件,然后提交给希望的潜在的求解器的,计算结果返回 Workbench 程序进行结果显示。 ANSYS Workbench 整合了 ANSYS 各项顶尖产品,对各项分析及前后处理操作进 行简单快速地操作,具有以下特点:[47] 1. 操作简洁方便。Workbench 所有设置和计算过程都在统一的界面下进行管理和操 作,Workbench 在分析软件中率先引入参数化技术,它也可以控制CAD 几何参数和材 料,力的方向,在分析过程中的温度和其他参数,在数据交换和处理的过程中则封装在 后台进行。 2. 与CAD 软件有很好的双向相关性。Workbench 与现在主流CAD 软件的接口, 通过插件体系结构和CAD 系统中一种独特的实体和双向CAD 软件相关的表面模型,可 以实现无缝连接,随着CAD 几何导入有一个更高的成功率,并很好的解决了相互传递 模型在CAD 软件和CAE 软件数据丢失问题的好办法。当CAD 模型的变化,不需要重 新应用于负载和支持应用,Workbench 可以方便地控制 CAD 模型,因此设计效率更迈 进了一步。 3. 强大的自动网格划分功能。ANSYS Workbench 在大型装配体的网格自动划分上 有很大的优势,能够自动生成高质量的网格大大节省了用户在处理网格生成上花费的大 量时间,并且系统默认的网格划分一般能够满足用户的要求,用户还可以凭自己的经验 对网格进行划分和局部细化。 4. 自动探测识别接触功能。Workbench 可自动检测在装配接触复杂的识别相邻的零 件和自动设置之间的接触关系,也可以根据实际接触类型的情况修改默认的接触类型, 对于修改接触的初始公差值可以根据经验数据。在大型的复杂装配体的有限元分析,接 -15- 第二章 有限元法基本原理以及相关CAE 软件介绍 触关系往往是众多的,许多现有的软件需要人工设定接触关系类型,既费时又容易遗漏 需要接触关系集,影响分析结果的准确性。 5. Workbench 集成结构分析、热分析、流体分析、电磁分析等多种分析功能为一体, 并能够进行多物理场的耦合分析,是具有强大的分析功能的CAE 软件。 本章通过限元方法基本理论和有限元法求解问题的基本过程的论述,并对本文所涉 及到的UG 软件和UG/Motion 模块,以及ANSYS 软件进行介绍,分析了UG 软件中运 动仿真模块和ANSYS Workbench 的具体应用及特点分析,为汽车覆盖件大型复合模具 多方位精密成形功能模块CAE 分析建立理论基础。 -16- 第三章 汽车覆盖件模具用斜楔机构CAE 分析及优化 第三章 汽车覆盖件模具用斜楔机构CAE 分析及优化 3.1 引 言 在一些冲压件加工零件时,由于其结构和形状等原因,需要型面进行侧向成型。由 于垂直冲压提供竖直方向的冲压力,解决不了侧向冲压问题,所以应该采用斜楔机构, 将垂直方向的冲压运动通过斜楔机构转换为任意方向的侧向冲压运动,从而完成零件需 要冲压特殊方向的工艺。斜楔机构尤其广泛应用于汽车覆盖件进行侧冲孔,切断,弯曲, 翻边,修边等模具中。然而在汽车覆盖件模具用于侧向成型的斜楔机构种类繁多,并且 其结构和受力及运动情况复杂,因此,在实际生产中的斜楔机构设计和使用方法是主要 困难之一。 本章针对汽车覆盖件复合模具精密侧向成型功能部件中的斜楔机构,根据天津鑫茂 天和机电科技有限公司生产制造的型号为SUWB 200-05-GAI 的斜楔机构建立模型,如 图3.1 所示。使用UG 软件中的UG/Motion 模块进行运动仿真,分析其机构运动状态, 检查机构运动干涉情况。同时,采用有限元模拟软件ANSYS 对斜楔机构的部件的强度 进行数值模拟分析。 图3.1 SUWB 200-05-GAI 斜楔机构图 Fig 3.1 The cam driver mechanism of SUWB 200-05-GAI 3.2 倾斜式斜楔机构的运动仿线 倾斜式斜楔机构的运动过程分析 本文以型号SUWB 200-05-GAI 的倾斜式斜楔机构建立模型,如图3.2 所示。倾斜 式斜楔机构在汽车覆盖件修边模具装配示意图,如图3.3 所示。倾斜式斜楔机构运动过 -17- 第三章 汽车覆盖件模具用斜楔机构CAE 分析及优化 程是驱动块装在汽车覆盖件修边模具的上模上,导轨和楔块装在汽车覆盖件修边模具的 下模上。汽车覆盖件修边模上模在冲压机的带动下向下行驶,使其压驱动块下行,驱动 块带动滑块与导轨接触,并推动滑块在导轨上沿一定角度滑行,没完成修边工作,模具 完全闭合后开启,驱动块随模具上模上行,滑块在驱动块上扒钩和复位弹簧作用下复位。 1.驱动块 2. 挡板 3. 压板 4. V 型导轨 5. 扒钩 6. 楔块 7. 滑块 图3.2 SUWB 200-05-GAI 倾斜式斜楔机构图 Fig. 3.2 The cam mechanism structure of SUWB 200-05-GAI 图3.3 模具装配图 Fig. 3.3 The die assembly parts drawing 3.2.2 倾斜式斜楔机构的结构干涉分析 倾斜式斜楔机构中的驱动块与斜楔滑块所设计的运动行程范围,没有在模具开模和 -18- 第三章 汽车覆盖件模具用斜楔机构CAE 分析及优化 闭合的行程范围内,就会造成在与斜楔滑块的运动过程中产生干涉现象,如图3.4 红色 区域所示,或是滑块没有运动到工作点而无法进行成形和冲裁工序。并且由于模具进行 成形和冲裁工序时,压力机对模具加载很大的成形力,而且斜楔机构的运动是反复滑动 的,所以驱动块与斜楔滑块干涉现象,会造成机构在反复运动中使驱动块与斜楔滑块不 断地碰撞,造成倾斜式斜楔机构使用寿命降低,并使汽车覆盖件制品侧成型精度降低。 如果斜楔机构部件在工作工程中产生干涉严重,就会造成机构意外破坏,造成危险。 图3.4 斜楔机构干涉图 Fig. 3.4 The structure interference of cam mechanism 3.2.3 倾斜式斜楔机构的复位分析 倾斜式斜楔机构复位弹簧弹力变化如图3.5 所示。在模具闭合时,斜楔机构运动到 工作位置时弹簧弹力为4903.2N 。斜楔机构由模具上死点运动到下死点,复位弹簧是压 缩的,弹簧的弹力值由3813.6N 变化到4903.2N 。斜楔机构由模具闭合状态回到模具开 合状态的过程中,倾斜式斜楔机构的驱动块跟随模具的上模开启运动到上死点,而斜楔 滑块依靠复位弹簧的弹力,运动到模具开合状态。 图3.5 弹簧力 Fig.3.5 The spring force -19- 第三章 汽车覆盖件模具用斜楔机构CAE 分析及优化 3.2.4 倾斜式斜楔机构的斜楔滑块速度分析 倾斜式斜楔机构中的斜楔滑块在运动过程中的速度变化,如图3.6 所示。斜楔滑块 速度变化几乎呈曲线mm/s 时为分别是在模具在开模状态下,和模具 闭模后机构停止运动的间隙时间。由图3.6 看出,斜楔机构运动在模具闭合和开启刚开 始时,即机构运动在第一个循环和最后一个循环时,由于施加的压力不稳及复位弹簧弹 力作用,导致斜楔滑块加速度变化呈离散化,所以斜楔滑块速度变化不稳定。斜楔机构 运动在模具闭合和开启过程中,即在第二个循环和倒数第二个循环之间的运动过程中 时,由于压力机加载的压力稳定及复位弹簧起到缓冲复位的作用,所以斜楔滑块加速度 变化平稳,速度随之平稳变化,所以机构整个工作运动过程是连续平稳的。 图3.6 速度变化图 Fig.3.6 Speed changes 3.2.5 倾斜式斜楔机构运动仿真后结构优化建议 型号SUWB 200-05-GAI 的倾斜式斜楔机构根据运动仿真后设计的主要零件尺寸如 图3.7 所示。SUWB 200-05-GAI 的斜楔机构的特点是:滑块和楔块之间的配合并连接均 采用了V 型导向面的结构形式,滑动块的V 型导向面结构为整体式,楔块上固定安装 了单独加工的V 型导块,斜楔机构采用 V 型导向面结构提高其导向精度和改善了导向 力的平稳性。 -20- 第三章 汽车覆盖件模具用斜楔机构CAE 分析及优化 (a )驱动块尺寸图 (a) The driver block dimensions (b )滑块尺寸图 (b) The slide dimension (c )型导轨尺寸图 (c) V-shaped guide rail dimension -21- 第三章 汽车覆盖件模具用斜楔机构CAE 分析及优化 (d )楔块尺寸图 (d) The wedge dimension 图3.7 斜楔机构主要结构尺寸图 Fig. 3.7 The main structure size of cam mechanism 为了避免倾斜式斜楔机构的驱动块与斜楔滑块的干涉情况而增加限位块,来防止驱 动块与滑块干涉相撞,如3.8 (a )图红框区域所示,限位块尺寸如3.8 (b )图所示,实 物图如图3.8 所示。并且在设计斜楔机构时应根据斜楔机构力线图,提前对驱动块和斜 楔滑块的运动行程进行计算校核。 (a) 限位块装配图 (b) 限位块尺寸图 (a ) The limit block assembly drawing (b) The limit block dimensioned drawing 图3.8 限位块图 Fig. 3. 8 Limit block -22- 第三章 汽车覆盖件模具用斜楔机构CAE 分析及优化 3.3 倾斜式斜楔机构的结构强度模拟分析 3.3.1 倾斜式斜楔机构有限元模型建立 根据型号为SUWB 200-05-GAI 的斜楔机构,对于明显不会影响整体模拟数值分析 的部位进行简化处理,建立有限元分析模型,如图3.9 所示。驱动块,滑块,楔块材料 为HT300 ,V 型导轨和导向本体为铜合金,其他机构部件材料为45#钢,材料性能如附 表1 所示。 图3.9 斜楔机构有限元模型图 Fig.3.9 The cam mechanism model 斜楔机构模型采用四面体单元,单元尺寸为5mm,单元划分如图3.10 所示。楔块 与模具下模固定,所以楔块下端面为全约束,即下端面使其沿 X,Y,Z 三个方向的自 由度均为零。在驱动块的上端面加载工程压力为 65kN ,驱动块上端面驱动块上端面面 2 积约为60567mm ,所以驱动块上端施加载荷为1.073MPa,在弹簧销上加载复位弹簧力 为4903.2N ,如图3.11 所示。 图3.10 斜楔机构网格划分图 图3.11 斜楔机构加载示意图 Fig.3.10 The meshing of cam mechanism Fig.3.11 The loading of cam mechanism -23- 第三章 汽车覆盖件模具用斜楔机构CAE 分析及优化 3.3.2 倾斜式斜楔机构有限元结果分析 1. 倾斜式斜楔机构整体模拟结果分析 (1)倾斜式斜楔机构整体变形分析 倾斜式斜楔机构在工程压力65kN 载荷作用下,斜楔机构位移数值由楔块到驱动块 逐渐增加,其值由0mm~0.054017mm,变形量非常小,几乎可认为无变形,如图3.12 所示。楔块与下模板固定,V 型导体与楔块固定,由于下模板固定支撑作用,当模具闭 合时楔块和V 型导体基本不变形,而驱动块与上模板固定,并且尾部悬空,所以在模具 闭合压力机施加压力时,驱动块尾部有微小位移变化,即机构驱动块顶部红色区域为最