基于ABAQUS的沖裁仿真方法*

熊威

(桂林航天工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

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基于ABAQUS的沖裁仿真方法*

熊威**

(桂林航天工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

基于有限元軟件ABAQUS，建立了沖裁過(guò)程的有限元模型，使用該模型對(duì)模具的刃口圓角半徑、模具的間隙對(duì)沖裁力和斷口形態(tài)的影響進(jìn)行了仿真。進(jìn)行了厚板沖裁的仿真，研究了板料厚度對(duì)沖裁力的影響。并且建立了精密沖裁模型，仿真了精密沖裁中模具間隙對(duì)斷口形態(tài)的影響。

沖裁；有限元；精密沖裁；厚板；ABAQUS仿真

沖裁是使用安裝在壓力機(jī)上的模具，使板料分離以獲得零件的一種沖壓工藝，包括落料、沖孔、切邊、切斷、切口、剖切、沖槽和修邊等[1]。沖裁生產(chǎn)具有效率高、質(zhì)量穩(wěn)定和材料利用率高的特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于航空航天、車(chē)輛工程和儀表儀器等工業(yè)領(lǐng)域。與彎曲、拉深等沖壓工藝不同，除了彈塑性變形之外，沖裁還涉及到材料的斷裂過(guò)程。沖裁是一個(gè)劇烈的局部塑性變形過(guò)程，在狹小的剪切帶上，材料發(fā)生極度的剪切流動(dòng)[2]。沖裁過(guò)程復(fù)雜，使用普通的分析方法，難以掌握沖裁過(guò)程的變形和斷裂分離機(jī)理[3]。隨著技術(shù)的革新，數(shù)值模擬方法越來(lái)越多的被應(yīng)用于沖裁過(guò)程的分析研究[4]。章寰[5]使用DEFORM有限元軟件對(duì)板料沖裁斷裂進(jìn)行了模擬；同樣使用DEFORM，李建華和張忠美[6]，模擬了負(fù)間隙精密沖裁過(guò)程；康鳳[3]和王宇昆[4]模擬了厚板的沖裁過(guò)程；余建華和李有文[7]模擬了鋼管長(zhǎng)圓孔的沖裁過(guò)程；基于LD-Dyna軟件，胡金龍和吳正剛等[2]，研究了板料的沖裁過(guò)程。目前對(duì)于普通的沖裁，有單獨(dú)的分析軟件，如Autoform，Dynaform以及Hyperwork中的Hyperform模塊[8]。本文使用ABAQUS/Explicit對(duì)沖裁過(guò)程進(jìn)行仿真，分析了沖裁力，以及厚板沖裁和精密沖裁等問(wèn)題，可供沖壓加工研究、設(shè)計(jì)和教學(xué)等方面參考。

1 本構(gòu)方程

零件的材料使用鋁合金，材料參數(shù)來(lái)自ABAQUS的幫助文件。在沖裁過(guò)程中，零件材料表現(xiàn)出彈性、塑性和損傷斷裂三種力學(xué)行為。由于原材料通常是軋制或擠壓成型的，實(shí)際材料是各向異性的，這里將材料的彈塑性行為近似作為各向同性處理，使用線彈性和Mises屈服準(zhǔn)則。

鋁合金板的失效可能是由于拉伸失效、剪切失效和頸縮失效等三種機(jī)制之一或者是機(jī)制的聯(lián)合作用[9]。在沖裁仿真中，可以只使用一種失效準(zhǔn)則，如臧勇[10]使用剪切失效準(zhǔn)則仿真了金屬薄板的滾壓沖裁、雷洪珠[11]使用Cockcroft & Latham準(zhǔn)則仿真了304不銹鋼的微沖裁。在此，出于重用建模時(shí)生成的Python腳本相關(guān)代碼的目的，同時(shí)定義了三種失效準(zhǔn)則。

對(duì)于頸縮失效，ABAQUS/Explicit中有一系列的損傷萌生準(zhǔn)則，用于描述鈑金件失穩(wěn)的發(fā)生過(guò)程，包括：成形極限圖準(zhǔn)則(FLD)、成形極限應(yīng)力圖準(zhǔn)則(FLSD)、Müschenborn-Sonne成形極限圖準(zhǔn)則(MSFLD)和Marciniak-Kuczynski(M-K)準(zhǔn)則。MSFLD準(zhǔn)則的計(jì)算結(jié)果與M-K準(zhǔn)則的計(jì)算結(jié)果相近，但計(jì)算代價(jià)較小，所以使用MSFLD準(zhǔn)則描述材料的頸縮失效，并通過(guò)指定成形極限曲線的方式定義MSFLD準(zhǔn)則。

對(duì)于拉伸失效和剪切失效，ABAQUS提供了唯象損傷萌生準(zhǔn)則。通過(guò)指定作為三軸應(yīng)力和應(yīng)變率函數(shù)的、在拉伸損傷開(kāi)始時(shí)的等效塑性應(yīng)變的方式定義拉伸失效準(zhǔn)則。通過(guò)指定作為剪切應(yīng)力比和應(yīng)變率函數(shù)的、在剪切損傷開(kāi)始時(shí)的等效塑性應(yīng)變的方式定義剪切失效準(zhǔn)則。兩個(gè)準(zhǔn)則所要求的數(shù)據(jù)難以通過(guò)試驗(yàn)直接得到，但可以通過(guò)Hooputra等[9]提出的解析公式進(jìn)行估算，確定解析公式中的參數(shù)只需要少量的試驗(yàn)。

2 沖裁的有限元建模

本文中有限元仿真涉及到幾種不同的沖裁工藝，為能夠減少重復(fù)建模工作，將有限元模型錄制成Python腳本文件，對(duì)于不同沖裁的模型中相同的部分，只要復(fù)制腳本的相關(guān)段落就可以完成建模?；A(chǔ)的沖裁有限元模型的爆炸圖如圖 1所示。為了減少計(jì)算量和展示板料斷裂的過(guò)程，模型取整個(gè)系統(tǒng)的1/2進(jìn)行建模。模型自下而上由凹模、板料、卸料板和凸模四部分組成。凸模和凹模的刃口帶有圓角，并進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。凸模、凹模和卸料板均定義為離散剛體。卸料板在仿真中的作用是防止在沖斷之后，板料的剩余部分在自身彈性的作用下，沿凸模上升的現(xiàn)象。為了只在沖裁區(qū)域局部細(xì)化板料的網(wǎng)格，對(duì)板料進(jìn)行了剖分。剖分方法是先使用Partition Cell: Sketch Planar Partition功能在板料表面作出沖裁區(qū)域的輪廓，然后使用Partition Cell: Extrude/Sweep Edges功能，使用輪廓對(duì)板料進(jìn)行剖分。雖然沒(méi)有使用子程序，但在Field Output Requests中也要選擇輸出狀態(tài)變量(STATUS)，否則在Visualization模塊中，不能顯示網(wǎng)格刪除。沖裁斷裂的時(shí)間很短，而且使用ABAQUS/Explicit求解器求解時(shí)，計(jì)算消耗的時(shí)間和分析步定義的時(shí)間有關(guān)，所以將分析步的時(shí)間定義為0.001 s。接觸使用General Contact，在定義接觸之前分別將凸模的外表面、卸料板的下表面、凹模的上表面(包括凹孔)和板料的上下表面定義為Surface，在General Contact中定義前三者與板料上下表面的成對(duì)接觸。接觸的摩擦系數(shù)定為0.15。剛體的邊界條件定義在各自的參考點(diǎn)上，完全約束卸料板和凹模的參考點(diǎn)的6個(gè)自由度，約束凸模只能沿Y軸方向移動(dòng)，并使用定義凸模位移的方式進(jìn)行沖裁，凸模位移的Amplitude使用Equally Spaced方式。板料的對(duì)稱(chēng)面使用ZSYMM方式約束，在Z方向不能移動(dòng)，同時(shí)不能繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。板料使用C3D8R網(wǎng)格，剛體使用R3D4網(wǎng)格。

圖1 沖裁有限元模型的爆炸圖

3 結(jié)果與討論

3.1 模具刃口對(duì)沖裁力的影響

固定板料的厚度為2 mm，凸凹模的間隙為0.2 mm，沖孔的直徑為20 mm。將凸模的參考點(diǎn)定義為一個(gè)Set，并在History Output Requests中指定輸出該Set的反力。仿真結(jié)束后，在Visualization模塊中選擇Result->History Output將反力在Y軸方向的分量(沖裁力)輸出為一組XY Data，然后通過(guò)Plug-ins->Tools->Excel Utilities可以將XY Data輸出到Excel表格中。當(dāng)模具的圓角半徑為0.2 mm時(shí)，沖裁力隨凸模位移的變化規(guī)律如圖2所示。圖中的沖裁力是負(fù)值，是因?yàn)闆_裁方向和Y軸方向相反。對(duì)比圖中結(jié)果和仿真結(jié)果，沖裁力先是線性增加，對(duì)應(yīng)板料的彈性變形階段；隨著加工硬化的發(fā)生，沖裁力非線性增大，并在網(wǎng)格失效前達(dá)到最大；在網(wǎng)格失效后，沖裁力迅速下降，并下降到幾乎為0。

圖2 沖裁過(guò)程中沖裁力的變化

凸凹模的圓角半徑定為0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm和0.25 mm，5 個(gè)水平。沖裁過(guò)程中最大沖裁力相對(duì)于圓角半徑的變化規(guī)律如圖 3所示。由圖可知，隨著圓角半徑的增加，最大沖裁力增加，但增大的幅度并不顯著。

圖3 模具圓角半徑對(duì)最大沖裁力的影響

3.2 模具的間隙

固定板料的厚度為2 mm，凸凹模的刃口圓角為0.25 mm，取凸凹模的單邊間隙為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm和1.0 mm，5個(gè)水平。計(jì)算模具間隙對(duì)最大沖裁力的影響，結(jié)果如圖 4所示。由圖可知，間隙越大，所需的最大沖裁力越小。而且交叉對(duì)比沖裁力隨凸模位移的變化曲線，模具的間隙越大，最大沖裁力出現(xiàn)的位置越晚；但沖裁力曲線最初的線性階段位置幾乎相同，所以模具間隙增大，使沖裁力曲線的非線性增長(zhǎng)階段延長(zhǎng)；并且間隙越大，沖裁力下降的越慢，因?yàn)槟＞唛g隙增大后，刃口受力較為分散，在仿真中斷裂是逐漸進(jìn)行的。對(duì)于斷面，模具間隙增大后，斷口質(zhì)量變差。

圖4 凸凹模間隙對(duì)最大沖裁力的影響

3.3 厚板的沖裁

通常認(rèn)為板料厚度超過(guò)4 mm時(shí)屬于厚板沖裁，分別取板料厚度為5.0 mm、7.5 mm、10.0 mm、12.5 mm和15.0 mm，5個(gè)水平，其它條件不變，計(jì)算板料厚度對(duì)最大沖裁力的影響，結(jié)果如圖 5所示。最大沖裁力隨板料厚度增加而增大，但隨著板料厚度的增加，最大沖裁力的增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩，意味著單位厚度的最大沖裁力會(huì)隨著板料的厚度的增大而減小。從應(yīng)力云圖上分析，板料厚度增加后，板料與刃口接觸部分的應(yīng)力梯度更大，在少數(shù)應(yīng)力集中點(diǎn)的材料失效后沖裁力就會(huì)下降；而薄板的應(yīng)力梯度小，失效是同時(shí)發(fā)生在較多的單元上的，所以需要的單位厚度的沖裁力會(huì)更大。

圖5 板料厚度對(duì)最大沖裁力的影響

3.4 精沖的仿真

精密沖裁的仿真模型如圖 6所示，仍然只取整個(gè)系統(tǒng)的1/2進(jìn)行建模，圖中零件從上到下，依次為凸模、壓邊圈、板料、凹模和反壓板(頂件板)，其中壓邊圈和反壓板使用實(shí)體定義，材料為鋼材，只定義彈性屬性，彈性模量210 000 MPa，泊松比0.33，密度為7.9×10-9t/mm3。板料厚2 mm，壓邊圈上的V型梗高度為0.5 mm，并且V型梗正對(duì)在板料的網(wǎng)格細(xì)化區(qū)。凸凹模的單邊間隙0.01 mm，圓角半徑0.25 mm。仿真過(guò)程分為兩個(gè)分析步。在第一個(gè)分析步中，壓邊圈向下移動(dòng)，將V型梗壓入板料，同時(shí)凸模保持不動(dòng)，通過(guò)在反壓板的底部施加一個(gè)均布向上的反壓壓力，保持反壓板的位置不變。因?yàn)橥鼓Ｊ褂玫氖莿傮w定義，如果在分析步中不約束，會(huì)導(dǎo)致分析失敗。在第二個(gè)分析步中，壓邊圈保持不動(dòng)，凸模向下移動(dòng)，進(jìn)行沖裁。第一個(gè)分析步的時(shí)間定義為0.000 5 s，第二個(gè)分析的時(shí)間定義為0.000 8 s。

圖6 沖裁有限元模型的爆炸圖

精沖的基本原理是通過(guò)V型梗和反壓板，使剪切區(qū)的材料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，因而提高材料的塑性，使材料以純剪切的方式進(jìn)行沖裁。仿真結(jié)果顯示，使用精沖時(shí)，截面上只有與間隙重合的一列單元發(fā)生失效，符合純剪切的理論分析。對(duì)于形成斷面的單元格，有變形存在。其中對(duì)于剩余材料的斷口，最上和最下表面都有一個(gè)單元格向下傾斜，而對(duì)于被沖裁下來(lái)的材料，斷口最下表面的一個(gè)單元格傾斜明顯。有限元網(wǎng)格是對(duì)連續(xù)體的離散化，仿真結(jié)果中的單元格傾斜，實(shí)際中應(yīng)當(dāng)是一個(gè)小的圓角。仿真試驗(yàn)顯示，如果增大反向壓力，對(duì)于落料，邊緣單元格的傾斜會(huì)減少。在仿真中，如果將模具的單邊間隙增大到一個(gè)網(wǎng)格尺寸以上(0.3 mm)，即使使用較大的反壓力和直徑較小的V型梗，還是會(huì)出現(xiàn)板料上下表面不在同一垂直線上的網(wǎng)格，分別發(fā)生失效，裂縫擴(kuò)展最終貫通，使用落料出現(xiàn)毛刺的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

在ABAQUS中建立了板材沖裁仿真的有限元模型，仿真了模具的刃口半徑和間隙對(duì)沖裁力的影響、厚板的沖裁過(guò)程，以及精密沖裁過(guò)程。仿真結(jié)果顯示，凸凹模間隙越大，最大沖裁力出現(xiàn)的越晚；厚板沖裁時(shí)，刃口處應(yīng)力梯度較大，板料越厚，單位厚度上的沖裁力越小。精密沖裁時(shí)，如果模具單邊間隙小于單列網(wǎng)格的寬度，斷裂過(guò)程中單列網(wǎng)格失效；如果間隙大于單列網(wǎng)格寬度，斷裂過(guò)程中相臨的兩列網(wǎng)格各有部分網(wǎng)格失效，使落料出現(xiàn)毛刺。

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(責(zé)任編輯 陳葵晞)

桂林航天工業(yè)學(xué)院2016年度教學(xué)改革研究項(xiàng)目《對(duì)接通航產(chǎn)業(yè)的飛行器制造工程本科專(zhuān)業(yè)體系建設(shè)與研究》(2016JA01)。

TG386.2

A

2095-4859(2016)03-0333-04

**作者簡(jiǎn)介：熊威，男，湖北武漢人。講師，博士。研究方向：材料成形與仿真、復(fù)合材料。