精沖壓邊形式的研究

黃 晶，徐小兵，官 強(qiáng) (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北 荊州 434023)

精沖壓邊形式的研究

黃 晶，徐小兵，官 強(qiáng) (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北 荊州 434023)

應(yīng)用DEFORM-2D有限元軟件，對(duì)平面壓邊、單V齒壓邊、雙V齒壓邊這3種壓邊形式下的圓盤落料件的精沖過程進(jìn)行模擬，研究了不同形式的壓邊圈對(duì)精沖件斷面質(zhì)量的影響。模擬結(jié)果顯示，采用V形齒圈強(qiáng)力壓邊技術(shù)對(duì)提高精沖件斷面質(zhì)量具有顯著作用。

精沖；壓邊圈；DEFORM-2D；數(shù)值模擬

精沖是在普通沖裁技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種精密加工方法。它具有優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、鐘表、儀器儀表、精密機(jī)械等現(xiàn)代工業(yè)中[1]。

在精沖加工過程中，壓邊圈是影響精沖質(zhì)量的一個(gè)重要因素。在以往的研究中，人們關(guān)注的焦點(diǎn)是V形壓邊圈尺寸(包括齒高和齒距)對(duì)精沖質(zhì)量的影響，而很少關(guān)注壓邊圈的形式對(duì)精沖質(zhì)量的影響。筆者以典型的圓盤落料件為研究對(duì)象，運(yùn)用DEFORM-2D進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，研究不同形式的壓邊圈對(duì)精沖件斷面質(zhì)量的影響。

1 有限元分析

1.1建模

對(duì)于典型圓盤落料件，對(duì)應(yīng)于平面壓邊圈、單V齒壓邊圈、雙V齒壓邊圈形式，可建立3種軸對(duì)稱力學(xué)模型，如圖1所示。

精沖模擬過程一般分2步：①V齒圈壓板壓入板料中；②在V齒圈與反頂器上施加壓力，使凸模向下運(yùn)動(dòng)沖切材料，完成整個(gè)精沖過程。圖1(a)平面壓邊模型由于沒有V齒圈，直接進(jìn)行第2步模擬。

圖1 不同壓邊形式下的精沖力學(xué)模型

圖2 V形齒圈形狀

V形齒圈形狀如圖2所示。其中A表示齒距，h、H分別表示上、下齒圈的齒高，r、R分別表示上、下齒圈的齒根的圓角半徑。齒圈相關(guān)參數(shù)[2]：A為2.5mm；h、H分別為0.5mm、0.8mm；r、R分別為0.2mm、0.8mm。

圓盤件的材料為AISI45(冷軋，退火)，材料的抗拉強(qiáng)度為510MPa。假定材料是剛塑性的各向同性，忽略彈性變形，材料本構(gòu)關(guān)系式[3,4]為：

表1 精沖工藝參數(shù)

(1)

1.2韌性斷裂的準(zhǔn)則

在精沖模擬過程中，斷裂準(zhǔn)則的選擇十分重要，目前應(yīng)用的韌性斷裂準(zhǔn)則都是基于應(yīng)力、應(yīng)變累積破壞計(jì)算，根據(jù)材料的最大破壞值是否達(dá)到了臨界值來判斷材料的斷裂與否。筆者所選擇的斷裂模型為Normal Camp;L斷裂準(zhǔn)則：

(2)

圖3 精沖變形區(qū)網(wǎng)格細(xì)化圖

當(dāng)?=C*成立，即等效應(yīng)變達(dá)到了材料破壞值時(shí)，認(rèn)為材料發(fā)生了斷裂，DEFORM就將該單元網(wǎng)格刪除[3,4]。在單元?jiǎng)h除網(wǎng)格時(shí)，為了防止材料體積的大量流失而導(dǎo)致模擬結(jié)果失真，要求在材料的變形區(qū)(主要為剪切區(qū))內(nèi)將網(wǎng)格劃分得十分細(xì)密。模擬中對(duì)變形區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2 結(jié)果及討論

圖4 不同壓邊形式下材料出現(xiàn)斷裂的損傷分布圖

圖5 不同壓邊形式下的精沖斷面質(zhì)量

采用不同的壓邊形式，材料開始出現(xiàn)斷裂的損傷分布及模擬得到的精沖件質(zhì)量分別如圖4、圖5所示。

圖4中，平面齒圈壓邊、單V齒壓邊、雙V齒壓邊下，材料開始出現(xiàn)斷裂的位置分別在斷面的76%、80%、91%處。斷裂帶被限制在狹窄的凹凸模間隙內(nèi)。

圖5中，平面齒圈壓邊、單V齒壓邊、雙V齒壓邊下，模擬得到的精沖件斷面光亮帶百分比分別為76.22%，80.32%，91.42%。平面壓邊圈由于沒有V形齒，只起到壓緊材料的作用，而強(qiáng)力壓邊V齒圈，除了有壓緊材料的作用，其V形齒還可以防止剪切變形區(qū)以外的材料在剪切過程中隨凸模流動(dòng)，增大了變形區(qū)材料的壓應(yīng)力。因此在相同參數(shù)條件下，強(qiáng)力壓邊比平面壓邊精沖的斷面光亮帶比例要高。而強(qiáng)力壓邊技術(shù)中，光亮帶比例的高低與壓邊圈防止剪切區(qū)材料流動(dòng)的能力有關(guān)，因?yàn)榕c單V齒壓邊形式相比，雙V齒壓邊形式除了有上齒圈，還有下齒圈來抑制剪切區(qū)材料流動(dòng)，因而得到的斷面光亮帶比例更高。

塌角是精沖中易出現(xiàn)的一種缺陷。3種壓邊形式下的塌角寬度和高度如表2所示?？梢钥闯?，單V齒壓邊圈下的塌角寬度和高度略低于平面壓邊圈下的塌角寬度和高度，而雙V齒壓邊圈下的塌角寬度和高度低于單齒壓邊圈下的塌角寬度和高度。這是由于塌角是由變形區(qū)的材料轉(zhuǎn)移而成的，V形齒有防止剪切變形區(qū)以外的材料在剪切過程中隨凸模流動(dòng)的作用。

表2 不同壓邊條件下的塌角寬度和高度

3 結(jié) 論

1) 精沖中所使用的壓邊圈形式對(duì)精沖件斷面光亮帶比例影響較大。強(qiáng)力壓邊形式比平面壓邊形式更有利于斷面光亮帶比例的提高，而強(qiáng)力壓邊形式下得到的斷面光亮帶比例的高低與壓邊圈防止剪切區(qū)材料流動(dòng)的能力有關(guān)，壓邊圈防止剪切區(qū)材料流動(dòng)的能力越大，斷面光亮帶比例越高。

2) 精沖中所使用的壓邊圈形式對(duì)精沖件斷面的塌角形成也有一定的影響。強(qiáng)力壓邊形式比平面壓邊形式更能抑制塌角的形成，而強(qiáng)力壓邊形式下，塌角寬度和高度的大小與壓邊圈防止剪切區(qū)材料流動(dòng)的能力有關(guān)，壓邊圈防止剪切區(qū)材料流動(dòng)的能力越大，塌角寬度和高度就越小。

3) 相同參數(shù)條件下，使用強(qiáng)力壓邊技術(shù)比使用平面壓邊技術(shù)更能防止剪切區(qū)材料的流動(dòng)，因而能得到斷面質(zhì)量更高的產(chǎn)品。

[1]涂光祺.精沖技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2]張正修.確定精沖齒圈壓力的新方法[J].電子工藝技術(shù),1983,(7):21～23.

[3]方剛，雷麗萍，曾攀.金屬塑性成形過程延性斷裂的準(zhǔn)則及其數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002，38(Z1):21～25.

[4]謝水生,王祖堂.金屬塑性成形工步的有限元數(shù)值模擬[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1997.

[編輯] 李啟棟

TG386.2

A

1673-1409(2009)01-N088-03

2008-12-18

黃晶(1983-)，女，2006年大學(xué)畢業(yè),碩士生,現(xiàn)主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論方面的研究工作。