基于Deform應(yīng)用下的沖裁模具變量對(duì)凸模應(yīng)力的影響分析

洪健 ， 曾慶生， 吳柳飛

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421001）

0 引言

沖裁模具的沖裁間隙、刃口圓角半徑、沖裁速度、摩擦因數(shù)是模具設(shè)計(jì)的幾個(gè)重要的參數(shù)。1）研究表明，凸凹模間隙對(duì)沖裁質(zhì)量和模具壽命均有很大影響，一般情況下模具間隙增大凸模壽命也隨之增加[1]，與此同時(shí)凹凸模間隙越大毛刺的高度也就越大。2）在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中都會(huì)在凹凸模刃口處增加圓角工藝，在凹凸模的刃口加入適當(dāng)?shù)膱A角工藝有利于材料的塑性流動(dòng)，以延長(zhǎng)沖裁過(guò)程中的塑性剪切時(shí)間，有效地抑制裂紋的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的斷面質(zhì)量[2]。3）沖裁速度在一定程度上影響著生產(chǎn)效率，沖裁速度的增加可以縮短生產(chǎn)時(shí)間，但對(duì)于板料的塑性階段凸模的下行速度往往限制在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)沖裁速度也是造成模具磨損的一個(gè)重要工藝參數(shù)，沖裁速度的增加會(huì)導(dǎo)致沖裁模具磨損的增加[3]。因此，分析沖裁速度對(duì)于模具的影響也是很有必要的。4）潤(rùn)滑方式及潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)模具壽命影響也十分明顯，摩擦條件不合理不僅增大變形力、引起變形的不均勻，同時(shí)還會(huì)造成模具過(guò)快磨損、破裂,降低模具的使用壽命[4]。

這些因素的存在使得模具設(shè)計(jì)存在著許多不確定性和隨意性，因此在模具設(shè)計(jì)之前進(jìn)行仿真模擬分析是很有必要的。本文以某卡環(huán)的精密沖孔模為例，基于Deform軟件通過(guò)正交試驗(yàn)選取最合適的沖裁間隙、凹模圓角半徑、凸模模速度和摩擦因數(shù)組合，對(duì)模具設(shè)計(jì)具有很大的意義。

1 有限元建模與仿真實(shí)驗(yàn)

由于模具的體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，考慮有限元求解的精度與時(shí)間問(wèn)題，需要對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以在不破壞模具本身力學(xué)性能的前提下忽略一些標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)及細(xì)小特征[5]。根據(jù)模具及坯料的結(jié)構(gòu)，選取各零件的1/3部分以進(jìn)一步簡(jiǎn)化。制件沖裁成形與模具應(yīng)力計(jì)算分開(kāi)進(jìn)行，可降低計(jì)算成本，因此本文運(yùn)用SolidWorks三維軟件建模并導(dǎo)入Deform先進(jìn)行成形分析，最后應(yīng)用Die stress analysis模塊進(jìn)行模具應(yīng)力分析。建模時(shí)先將工件設(shè)置為塑性體，凹凸模設(shè)置為剛體，最后將模具設(shè)置為彈性體?？紤]計(jì)算精度與時(shí)間成本采用對(duì)材料進(jìn)行局部細(xì)化坯料網(wǎng)格，網(wǎng)格類(lèi)型為四面體網(wǎng)格，單元數(shù)目為90 000，局部細(xì)化比例為0.01。簡(jiǎn)化后的幾何模型如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化模具模型

模型凹凸模采用Cr12鋼，坯料材料參數(shù)如表1所示，本文選取近似材料，在現(xiàn)有的材料基礎(chǔ)上更改參數(shù)獲取所需的新材料。坯料斷裂準(zhǔn)則選取Cockroft&Latham準(zhǔn)則，斷裂閾值為4.5。

表1 材料參數(shù)表

2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)精沖模具的影響參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種用來(lái)科學(xué)地設(shè)計(jì)多因素多水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，正交設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是采用部分試驗(yàn)來(lái)代替全部試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)部分試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，從而能夠全面地了解到試驗(yàn)的情況，最終得到最佳工藝方案[6]。

2.1 參數(shù)的選取

由于沖裁間隙影響著精沖過(guò)程中變形區(qū)材料的應(yīng)力狀態(tài)及其分布，因此，為了在精沖變形區(qū)域內(nèi)更容易獲得靜水壓力，會(huì)使用比普通沖裁更小的沖裁間隙，以此提高精沖質(zhì)量。以此為依據(jù)，選取如下系列間隙：0.03 mm、0.05 mm、0.07 mm[7]。光潔沖裁圓角半徑一般為R≈0.1S[8]，選取如下系列圓角：0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm。沖裁速度不僅關(guān)系到生產(chǎn)效率，還影響制件的尺寸精度以及成形質(zhì)量，選用合適的沖裁速度可以延長(zhǎng)板料的塑性剪切變形過(guò)程，從而改善制件的斷面質(zhì)量，由于精沖是個(gè)準(zhǔn)靜力狀態(tài)過(guò)程，所以根據(jù)實(shí)際需要選取5、10、15 mm/s三個(gè)沖裁速度。在模具壽命分析中，如何減少磨損，避免局部磨損過(guò)大，合理選擇潤(rùn)滑劑，研究摩擦因數(shù)與工作狀態(tài)的關(guān)系，對(duì)提高模具使用壽命非常重要[9]。本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)常用的潤(rùn)滑方式，確定摩擦因數(shù)0.08、0.15、0.2。具體參數(shù)選取如表2所示。

表2 因素和水平

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)模擬出對(duì)沖裁間隙、凹模圓角半徑、沖裁速度、摩擦因數(shù)4種參數(shù)對(duì)模具的影響，通過(guò)最終得到的沖壓模具的應(yīng)力結(jié)果，可以有效并全面地考察對(duì)沖壓模具的影響。各參數(shù)在合理范圍內(nèi)取三個(gè)數(shù)值建立了9組模型，將模具設(shè)置成彈性體，利用Die stress analysis模塊進(jìn)行模具應(yīng)力分析，最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)果如圖2所示。

圖2 各參數(shù)下的凸模等效應(yīng)力云圖

圖2表示不同組合參數(shù)下所對(duì)應(yīng)的最大沖裁力下的模具等效應(yīng)力。由圖可看出，凸模所示最大等效應(yīng)力主要集中在刃口部位，這也同時(shí)印證了凸模刃口易磨損的原因。由圖不難看出，不同的組合參數(shù)下凸模刃口的應(yīng)力差別較大，最大應(yīng)力達(dá)到了1650 MPa，最小的為986 MPa，具體結(jié)果如表3所示。

3 結(jié)論

由表可知凹凸模間隙、刃口圓角與沖裁速度對(duì)模具應(yīng)力有一定的影響，符合實(shí)際情況。在保證斷面質(zhì)量的情況下凹凸模間隙與刃口圓角越大、沖裁速度越小，其模具所產(chǎn)生的應(yīng)力越小。最為理想的組合是A3B3C2D1，最不理想的組合是A2B1C2D3。由于正交設(shè)計(jì)方法的局限性，不能將所有的組合羅列出來(lái)進(jìn)行一一比較，摩擦因數(shù)對(duì)凸模應(yīng)力的影響還需進(jìn)一步的分析，因此還需結(jié)合上述歸納的較優(yōu)方案，對(duì)各因素進(jìn)行綜合平衡以確定最佳方案。

表3 正交表L9(34)

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