基于數(shù)值模擬的厚板精沖擠壓過(guò)程分析

趙 軍，易際明

（廈門理工學(xué)院 機(jī)械工程系，福建 廈門 361024）

基于數(shù)值模擬的厚板精沖擠壓過(guò)程分析

趙 軍，易際明

（廈門理工學(xué)院 機(jī)械工程系，福建 廈門 361024）

針對(duì)厚板精密沖裁過(guò)程存在的缺陷（塌角與毛刺等），基于Deformed2D分析了10mm厚鋼板精密沖裁過(guò)程中雙齒V形壓料板對(duì)沖裁質(zhì)量的影響。采用V形壓料板可在一定程度上減小塌角的高度，但不能完全消除。隨后采用精沖擠壓方法對(duì)這一厚板的成形過(guò)程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：采用精沖擠壓成形工藝后，厚板零件表面塌角得到了完全消除，零件質(zhì)量得到提高。

機(jī)械制造；精沖擠壓；厚板；數(shù)值模擬

1 引言

精密沖裁是在普通沖壓技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種沖裁方法，可以取代扁平類零件的切削加工，具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、面廣的特點(diǎn)[1～3]。它是通過(guò)精沖模具，在專用壓力機(jī)或改裝的通用壓力機(jī)上，使板料在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下沿著所需要輪廓進(jìn)行純剪擠分離，能得到精度高、光潔、翹曲小、垂直度和互換性好的高質(zhì)量沖壓零件。由于剪切表面光潔而且尺寸精度高，故可以直接用作一般機(jī)器零件的工作面。精沖技術(shù)，特別是薄板精沖，目前已經(jīng)比較成熟，但是，對(duì)于厚板精沖的理論卻還不完善，且存在不可避免的缺陷如塌角、毛刺等[4～6]。

精沖擠壓是由精密沖裁工藝發(fā)展而衍生的一種復(fù)合工藝成形，它綜合利用了精密體積成形和精密沖裁兩種工藝的特點(diǎn)，成形后（與厚板精密沖裁相比）零件表面質(zhì)量更高，性能更優(yōu)良。通過(guò)擠壓，金屬在三個(gè)方向壓應(yīng)力作用下，從?？字袛D出或流入模腔內(nèi)不但可以提高金屬塑性，生產(chǎn)復(fù)雜截面形狀的制品，而且可以提高鍛件精度，改善零件力學(xué)性能，提高生產(chǎn)率，節(jié)約材料。

2 精密沖裁模擬分析

2.1 有限元模型建立與參數(shù)設(shè)置

材料42CrMo4鋼，采用雙齒V形壓料板，在齒圈壓板、凹模上分別設(shè)計(jì)V型凸臺(tái)。齒圈高度h依據(jù)材料厚度、力學(xué)性能、齒圈位置等因素取1.6mm，刃口到齒圈頂?shù)木嚯x3mm。凹模、凸模刃尖處設(shè)計(jì)0.2mm的小圓角，以抑制裂紋的發(fā)生，限制斷裂面的形成，有利工件斷面的擠光。模具單面間隙取0.1mm。施加反頂壓力，減小材料在成形過(guò)程中的彎曲[7]。建立的精沖數(shù)值模擬模型如圖1所示。采用軸對(duì)稱模型，將坯料設(shè)為塑性體，其他工具設(shè)為剛性體，忽略模具變形。模擬基本參數(shù)如下：

（1）工件材料42CrMo4，本構(gòu)關(guān)系模型

（2）材料損傷模型Cockroft&Latham，其損傷值C：

圖1 精沖有限元模型

（3）摩擦邊界條件：摩擦模型采用剪切模型，即：

式中：m——剪切摩擦因子，取m=0.12；

k——屈服極限。

（4）成形速度 v：v=10mm/s。

2.2 模擬結(jié)果與分析

采用雙刃口齒圈，工件平均應(yīng)力分布模擬結(jié)果如圖2所示。沖裁后工件斷面情況如圖3所示。從壓邊圈開始?jí)喝霑r(shí)產(chǎn)生靜水壓應(yīng)力，隨著壓下量的增加靜水壓應(yīng)力增大，當(dāng)齒高全部壓下時(shí)，靜水壓應(yīng)力達(dá)到最大，壓邊完成后，最大平均應(yīng)力-1060MPa。一般來(lái)說(shuō)，靜水壓應(yīng)力越大，對(duì)精沖質(zhì)量越有利。塌角高度0.52mm，光亮帶高度約8.11mm。較無(wú)刃口齒圈壓板時(shí)，斷面質(zhì)量得到了提高。

圖2 齒圈壓入工件平均應(yīng)力分布

對(duì)比分析沖裁后工件等效應(yīng)力分布情況如圖4、圖5所示?？梢钥闯?，采用雙刃口齒圈沖裁時(shí)，其應(yīng)力主要分布在齒圈附近及以下區(qū)域，無(wú)齒圈壓板沖裁時(shí)，其應(yīng)力主要分布在斷口區(qū)域。這主要是由于刃口齒圈壓入材料時(shí)，在剪切區(qū)以外產(chǎn)生較高的壓應(yīng)力，減小了沖裁時(shí)沖壓方向相垂直的水平側(cè)向力對(duì)沖件的影響，提高了被加工材料的塑性變形能力。

圖3 沖裁后斷面情況

圖4 雙刃口齒圈沖裁過(guò)程材料等效應(yīng)力分布

3 精沖擠壓模擬分析

圖5 無(wú)齒圈沖裁過(guò)程材料等效應(yīng)力分布

精沖擠壓模型如圖6所示。模擬過(guò)程基本參數(shù)與精密沖裁過(guò)程相同，在模具結(jié)構(gòu)上，與普通精密沖裁模具結(jié)構(gòu)對(duì)比，凹模由兩部分構(gòu)成，一部分為可移動(dòng)的下壓邊圈，開始階段起反壓頂板的作用，減小精密沖裁過(guò)程中材料的彎曲，同時(shí)增加壓應(yīng)力。后一階段，與下模構(gòu)成整體，作為擠壓模具。下模的下部尺寸設(shè)計(jì)成比上部尺寸正好小一個(gè)模具間隙。

精沖擠壓過(guò)程分為三個(gè)階段，如圖7所示。第一階段雙刃口齒圈壓入工件，完成壓邊過(guò)程，以產(chǎn)生強(qiáng)烈壓邊作用力，使塑性剪切變形區(qū)形成三向壓應(yīng)力狀態(tài)，增加變形區(qū)及其鄰域的靜水壓力，阻止剪切區(qū)以外的金屬，在剪切過(guò)程隨凸模流動(dòng)，從而在剪切區(qū)內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，使精沖過(guò)程類似于擠壓變形的塑性流動(dòng)，這一階段與精密沖裁過(guò)程相同。第二階段凸模切入材料，材料開始發(fā)生分離，隨著凸凹模進(jìn)入材料深度增加，材料開始被擠壓，直到材料完全分離。第三階段為材料發(fā)生擠壓變形，被完全擠入下模型腔，多余材料流入溢料穴中，直到斷面完全被擠光。

圖6 精沖擠壓模型

圖7 精沖擠壓成形過(guò)程

4 結(jié)論

（1）采用雙齒V形壓料板可在一定程度上減小精密沖裁過(guò)程中零件塌角的高度，提高光亮帶，但不能完全消除。

（2）通過(guò)精沖擠壓方法對(duì)厚板的成形過(guò)程進(jìn)行模擬分析表明，合理的模具結(jié)構(gòu)，可使零件塌角完全消除。

[1] 溫莉敏，許樹勤.壓邊圈齒距與精沖質(zhì)量的關(guān)系研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（1）:54-56.

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[3] 彭 群，趙彥啟，李榮洪，等.厚板精沖技術(shù)的工藝研究.材料科學(xué)與工藝，2004，（112）14:342-344.

[4] 鄒 盾，曹玉琴，張大為.超厚板沖裁模的研究與運(yùn)用.模具技術(shù)，2006，（1）：36-39.

[5] 鄧 明，孫成亮.低塑性厚板的精密輪廓對(duì)向凹模沖裁技術(shù)及應(yīng)用.中國(guó)機(jī)械工程，2007，17（20）：2179-2180.

[6] 王華君，孫育竹，等.厚板精沖塑性剪切帶熱力耦合分析與模具失效.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（3）：88-90.

[7] 王孝培.沖壓手冊(cè)（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

Study on fine-blanking and extrusion process of thick plate based on numerical simulation

ZHAO Jun，YI Jiming

（Department of Mechanical Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，F(xiàn)ujian China）

Collapse and burr are main defects during thick plate fine-blanking process.The effects of double teeth v-shaped pressure stripper plate on cutting quality during 10mm thick plate fine-blanking process have been analyzed based on Deformed2D simulation.It shows that the height of collapse angle has been reduced by use of double teeth v-shaped pressure stripper plate,but not been completely eliminated.Then,the forming process of fine-blanking and extrusion on thick plate has been analyzed.It shows that the collapse of part has been eliminated completely by adopting fine-blanking and extrusion process，and the quality of part has been improved.

Fine-blanking and extrusion；Thick plate；Teeth ring platen；Numerical simulation

TG386.2

B

1672－0121(2011)04－0071－02

廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目（3502Z20103040）

2011-05-03

趙 軍（1973-），男，博士，講師，從事模具CAD/CAM/CAE的教學(xué)與研究