Simufact在沖壓工藝與模具課程設(shè)計中的應(yīng)用

汪甜甜，劉孝光，程立艷，周亮亮

（池州學(xué)院 機電工程學(xué)院，安徽 池州 247100）

Simufact在沖壓工藝與模具課程設(shè)計中的應(yīng)用

汪甜甜，劉孝光，程立艷，周亮亮

（池州學(xué)院 機電工程學(xué)院，安徽 池州 247100）

沖壓工藝與模具設(shè)計是一門知識涵蓋面寬、實踐性強、綜合性強的課程.目前大部分院校對于這門課程的教學(xué)是以純理論教學(xué)為主，就教學(xué)現(xiàn)狀來看，無法達到培養(yǎng)具有本領(lǐng)域的基本知識和實踐能力的應(yīng)用型工程技術(shù)人才的目的.鑒于實際教學(xué)中存在的問題，將有限元模擬仿真軟件Simufact應(yīng)用在該課程中，實現(xiàn)該課程的仿真實踐化教學(xué)，提高本課程教學(xué)質(zhì)量.

沖壓工藝與模具設(shè)計；數(shù)值模擬；拉深模

1 引言

沖壓工藝與模具設(shè)計是機械設(shè)計及其自動化、材料成型及控制工程、車輛工程等專業(yè)的主干專業(yè)課.通過該課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生掌握沖壓變形的基本理論；掌握沖裁模、彎曲模和拉深模的結(jié)構(gòu)特點及其設(shè)計方法；掌握沖壓工藝的制定方法，能夠正確地設(shè)計一般沖壓模具結(jié)構(gòu)和主要的幾何參數(shù)；了解沖壓新工藝、新型模具及沖壓技術(shù)的發(fā)展方向，為畢業(yè)后從事模具設(shè)計與制造等相關(guān)技術(shù)工作奠定必要的基礎(chǔ).

在實際教學(xué)過程中，仍然沿襲傳統(tǒng)的以灌輸知識為主的教學(xué)模式，必然會使學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，學(xué)生學(xué)得累，有枯燥難懂的感覺；同時由于該課程包含內(nèi)容較多，學(xué)時有限，教師感覺時間緊，往往不能在重要知識點上進行深化，嚴重影響教學(xué)效果，使該課程難以達到應(yīng)有的培養(yǎng)目標；作為應(yīng)用型本科專業(yè)，培養(yǎng)的應(yīng)是具有本領(lǐng)域的基本知識和實踐能力的應(yīng)用型工程技術(shù)人才，所以傳統(tǒng)的只有理論知識的講授是達不到要求的.因此，教師應(yīng)探索一些先進的教學(xué)方法和手段，使一些抽象的理論和教學(xué)方法能夠達到深入淺出的目的，增強學(xué)生的感性認識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，以獲得良好的教學(xué)效果.有限元模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，就是先進方法之一.為此，本文結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗，探討如何在沖壓工藝與模具設(shè)計課程中應(yīng)用有限元分析軟件來輔助教學(xué)，培養(yǎng)出既懂模具設(shè)計又懂CAE分析技術(shù)的應(yīng)用型人才.

2 Simufact軟件

有限元法的應(yīng)用首先在于分析塑性加工過程的材料變形過程和機理，將很多不可視過程和高速變形過程轉(zhuǎn)化為可視化過程，從而可分析材料的變形規(guī)律、材料的流動規(guī)律，判斷材料的屈服過程和進入屈服的順序.例如板材的沖壓和彎曲變形過程中，板材各部分變形進入屈服狀態(tài)是不同的，了解屈服順序和變形過程對于設(shè)計工藝和模具非常重要.另外，通過變形過程分析還可以預(yù)測和了解材料的回彈規(guī)律，以便對模具設(shè)計進行調(diào)整.

大型數(shù)值模擬分析軟件Simufact是可以快速模擬各種冷熱成形、擠壓、軋制等塑性成形過程的工藝成形專用軟件，它可以實現(xiàn)對具有高度組合的非線性體成形過程的全自動數(shù)值模擬.Simufact是基于原Superform和Superforge開發(fā)出來的先進的材料加工及熱處理工藝仿真優(yōu)化平臺，包括輥鍛、楔橫軋、徑向鍛造、旋壓、擠壓、鐓鍛、板管的液壓脹形、彎曲等材料加工工藝均可用該軟件進行仿真.Simufact采用的求解器包括MARC（有限元法FEM）和DYTRAN（有限體積法FVM）兩種[1].

數(shù)值模擬對于塑性加工成形工藝是強有力的設(shè)計、分析和優(yōu)化的工具，可以預(yù)測成形期間零件形狀的變化、最終應(yīng)變分布、缺陷形成區(qū)域等，如預(yù)測板料的表面質(zhì)量、彎曲件的回彈、拉深過程中容易出現(xiàn)的起皺和拉裂等，通過改善模具設(shè)計中的參數(shù)，在零件生產(chǎn)前最大限度地優(yōu)化工藝參數(shù).因此在教學(xué)過程中嘗試用Simufact軟件：一方面可以使學(xué)生鞏固所學(xué)的基本建模軟件如UG、Solidwork等；另一方面在硬件設(shè)施有限的條件下，通過模擬仿真的直觀表達激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量；同時使學(xué)生盡早的接觸先進的設(shè)計方法及工具，為以后步入社會打下良好的基礎(chǔ).本文以拉深件的模擬仿真為例，來演示Simufact在教學(xué)中的應(yīng)用.

3 基本尺寸及幾何模型的建立

沖壓工藝與模具課程設(shè)計中，拉深工藝及模具設(shè)計是教學(xué)的主要內(nèi)容之一.位于壓邊圈和凹模之間的坯料在凸模的作用下，平板圓形坯料的凸緣彎曲繞過凹模圓角然后拉直形成帶凸緣的豎直筒壁.拉深變形過程中主要包括五個部分，分別為：平面凸緣部分、凹模圓角部分、筒壁部分、凸模圓角部分、圓筒底部分，其中主要變形區(qū)為平面凸緣部分[2].在拉深成形的過程凸緣區(qū)起皺是主要的質(zhì)量問題，其影響因素主要是切向壓應(yīng)力引起板料失穩(wěn)而產(chǎn)生彎曲，而防止起皺的措施是在拉深過程中采用壓邊圈.在實際教學(xué)過程中，對于以上內(nèi)容的抽象的文字描述及簡單的圖片講解很難使學(xué)生真正的理解掌握.因此，本文以厚度為2mm，材料為304不銹鋼帶凸緣的圓筒形件為例，運用Simufact軟件模擬有壓邊圈和無壓邊圈兩種情況下的拉深成形過程，通過模擬結(jié)果及動畫演示，使學(xué)生在直觀感受的基礎(chǔ)上更加容易理解掌握理論概念，理論和實踐相結(jié)合，明顯的提高了教學(xué)質(zhì)量.

3.1 帶凸緣圓筒形件毛坯尺寸的計算

帶凸緣圓筒形件零件圖，材料厚度為2mm，故按板厚中徑尺寸計算.根據(jù)零件的相對直徑，取修邊余量為△=6mm.拉深毛坯尺寸的計算仍按等面積原理進行，其計算公式如下[3]：

式 中 ，d4=350+2 △=362mm，r=5mm，d2=d+2r=308mm，H=78mm.由此計算出毛坯直徑：D=471mm.

3.2 拉深次數(shù)和壓邊裝置的計算

a.拉深次數(shù)的確定

根據(jù)零件的相對高度查表得出零件總的拉深系數(shù)大于其極限拉深系數(shù)，判斷可以一次拉深成形.

b.判斷是否需要壓邊裝置

本零件采用普通平面凹模拉深，毛坯首次拉深不起皺的條件為：

計算得出：t/D=2/471=0.42%，總拉深系數(shù)m=d2/D=308/471=0.65，因此(0.09～0.17)(1-m)=0.0315～0.0595，則(0.09～0.17)(1-m)，因此該零件拉深成形時需要使用壓邊圈.

3.3 壓邊力的計算

施加壓邊圈是為了防止毛坯在拉深過程中的起皺.壓邊力過小起不到防止起皺的作用，壓邊力過大會增加危險斷面處的拉應(yīng)力導(dǎo)致破裂，因此壓邊力要取合理的值.在生產(chǎn)中，一次拉深時的壓邊力可按拉深力的1/4選取，即：FQ=0.25F1(N)，通過該公式計算得出壓邊力FQ=340815(N).

為了便于學(xué)生理解掌握壓邊圈存在與否對拉深成形中起皺現(xiàn)象的影響，利用Simufact軟件對有無壓邊圈的成形過程進行模擬仿真.

3.4 有限元模型的建立

在三維軟件中完成拉深部件和零件的造型設(shè)計，并導(dǎo)入Simufact軟件中，劃分網(wǎng)格，定義毛坯、工具，設(shè)置工藝參數(shù)，定義工具運動曲線及力的曲線，建立有限元模型.

坯料網(wǎng)格劃分采用三維四面體單元，坯料初始網(wǎng)格劃分為絕對網(wǎng)格劃分，共計12612個單元.

模型中要設(shè)置的初始條件有材料類型、摩擦類型和工藝條件等.零件所采用的材料為S304不銹鋼，厚度為2mm，材料的物理性能(熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱容和熱膨脹系數(shù))隨溫度變化，流變應(yīng)力為熱力學(xué)參數(shù)(變形程度、變形速度和變形溫度)的函數(shù)；模具與沖壓件之間的摩擦設(shè)為剪切摩擦類型，根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，在有潤滑劑的條件下摩擦因子設(shè)為0.3[4]；參照實際生產(chǎn)經(jīng)驗，坯料初始溫度設(shè)為1200℃；凸模、凹模、壓邊圈視為恒溫剛性體，溫度設(shè)定為150℃.拉深過程中工具的行程速度為3000mm/s，壓邊力采用計算得到的數(shù)值為340815N.將以上參數(shù)設(shè)置完成，提交求解計算.通過后處理觀察零件的模擬結(jié)果.

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

當(dāng)無壓邊圈的情況下，得到制件應(yīng)力分布圖如圖1(a)所示；當(dāng)采用壓邊圈的情況下，得到制件的應(yīng)力分布如圖1(b)所示.

圖1 制件應(yīng)力分布圖(a)無壓邊圈(b)有壓邊圈

從模擬結(jié)果可以直觀的看出拉深件變形區(qū)較大，金屬流動較大.從圖1(a)中可以看出，拉深過程中凸緣區(qū)產(chǎn)生了起皺，而圖1(b)中由于壓邊圈的存在，在凸緣部分并未發(fā)生起皺.通過采用動畫演示模擬過程不僅向?qū)W生直觀的展現(xiàn)了拉深變形過程及變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變變化過程，同時驗證了壓邊圈的存在可以起到防皺的作用，模擬結(jié)果和沖壓工藝與模具設(shè)計理論教學(xué)過程中的拉深工藝十分吻合，彌補了理論教學(xué)的不足，進一步加深了印象.

學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上可以修改有限元模型，例如改變速度、摩擦、力的大小等影響因素，重新進行模擬仿真，得到自己想驗證的理論結(jié)果，加深對本課程中理論知識的掌握.

5 結(jié)語

將有限元分析法與沖壓工藝與模具設(shè)計課程教學(xué)相結(jié)合，利用Simufact進行模擬分析和直觀的動圖顯示功能，把模具設(shè)計過程中抽象的理論和概念用十分直觀的形式表達出來，對工藝設(shè)置、缺陷的表現(xiàn)和解決措施等有了更加具體、生動、深刻的理解，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，解決了教學(xué)過程中的一些疑難問題，有效的提高了教學(xué)質(zhì)量.

〔1〕劉勁松，肖寒，段小亮.Simufact在材料成型與控制工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2012.1-5.

〔2〕成虹.沖壓工藝與模具設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2006.

〔3〕楊超，王瑞花.圓筒形件拉深尺寸計算和成形過程模擬[J].科技與企業(yè)，2015（24）:106.

〔4〕胡忠.塑性有限元數(shù)值模擬的二維及三維網(wǎng)格重劃技術(shù)[J].清華大學(xué)學(xué)報，1996,32(2):78-83.

G642；G376

A

1673-260X（2017）09-0183-02

2017-06-03

2016年池州學(xué)院質(zhì)量工程項目：基于Simufact虛擬過程的沖壓工藝與模具設(shè)計課程仿真與教學(xué)實踐（2016XJYXM41）