基于有限元分析改善落料沖孔模具上墊板零件的 應(yīng)力與應(yīng)變

楊仕杰

湖北江華機(jī)械有限公司 湖北襄陽 441000

1 序言

計(jì)算機(jī)輔助工程和有限元分析技術(shù)在提高生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面都具有極大的優(yōu)越性[1]，隨著我國模具行業(yè)的高速發(fā)展，模具設(shè)計(jì)人員素質(zhì)不斷提高，對(duì)模具設(shè)計(jì)的要求也不斷提高，結(jié)合有限元分析做模具設(shè)計(jì)成為從業(yè)人員的必備技能。通過有限元模擬分析，可以發(fā)現(xiàn)早期設(shè)計(jì)缺陷，優(yōu)化和改善設(shè)計(jì)方案，縮短產(chǎn)品的開發(fā)和制造周期并降低生產(chǎn)成本。

本文對(duì)某墊片零件落料沖孔模進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算其沖裁力，分析模具上墊板零件的受力情況，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行改善，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)以達(dá)到理想的模具使用效果。

2 典型零件結(jié)構(gòu)說明

現(xiàn)有厚度為5mm的墊片零件，零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其材料為45鋼，退火態(tài)。零件圓周上有均布的若干個(gè)孔，為實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)需要設(shè)計(jì)模具。

圖1 零件結(jié)構(gòu)

3 模具設(shè)計(jì)

零件精度要求為IT10級(jí)，為了保證零件上孔的位置精度并實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，需要分析零件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)落料沖孔復(fù)合模具，以滿足零件精度要求和生產(chǎn)需求。

3.1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具結(jié)構(gòu)如圖2所示，模具工作時(shí)，上模板2帶動(dòng)導(dǎo)套3下行，凹模12與卸料板21和板料接觸壓緊，凸模一15和凸模二14首先接觸板料進(jìn)行沖孔；隨著上模繼續(xù)下行，橡膠16被壓縮，凸凹模17上行，與凹模12共同完成落料沖裁；落料時(shí)，上模上行，打料桿5帶動(dòng)上推料板7下移，退料桿11帶動(dòng)推料板13下行后，繼續(xù)推動(dòng)推料板13完成零件卸料。

圖2 模具結(jié)構(gòu)

3.2 受力分析

零件沖裁中心位于圓周的中心處，根據(jù)模具結(jié)構(gòu)及工作原理可知，上墊板9主要受凸模一15和凸模二14沖孔時(shí)垂直向上的沖裁力作用，推料板13主要受落料時(shí)的沖裁力作用。

3.3 受力計(jì)算

根據(jù)模具結(jié)構(gòu)，凸模一和凸模二均采用平刃口結(jié)構(gòu)，可計(jì)算出沖孔時(shí)沖裁力

式中，F(xiàn)0是計(jì)算的理論沖裁力（N）；A0是沖（剪）切面的面積（mm2）；L0是沖裁件的沖裁線長度（mm）；t是沖裁件料厚（mm）；τ是材料的抗剪強(qiáng)度（MPa）。

材料的抗剪強(qiáng)度τ是一個(gè)變化較大的數(shù)值，會(huì)隨著剪切工具的結(jié)構(gòu)形式及剪切條件而變化，通常要在真實(shí)或相似的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，獲取接近實(shí)用的數(shù)據(jù)[2]。材料的抗拉強(qiáng)度σb與抗剪強(qiáng)度τ近似滿足下面關(guān)系

查詢資料可知，45鋼的抗拉強(qiáng)度σb為600MPa[3]。由式（1）和式（2）可計(jì)算出凸模一和凸模二沖孔和落料時(shí)所受的沖裁力，分別為877232.25N和833733.14N。由于考慮到實(shí)際生產(chǎn)過程中板料會(huì)有同板差，實(shí)際板厚會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)；沖裁刃口工作一段時(shí)間后會(huì)因逐漸磨損而變鈍，沖裁力會(huì)隨之增大；由于沖裁間隙分布不合理、不均勻，以及材料力學(xué)性能的波動(dòng)等因素，實(shí)際沖裁力會(huì)比計(jì)算的理論沖裁力增加10%～30%，所以要在理論計(jì)算沖裁力F0的基礎(chǔ)上，增加安全系數(shù)來計(jì)算平均沖裁力，即

式中，K是安全系數(shù)，通常K值為1.1～1.3。

根據(jù)式（1）～式（3）進(jìn)行計(jì)算可得：模具在工作中所受的沖孔總沖裁力為1140401.93N；落料時(shí)所受的總沖裁力為1083853.08N。

4 有限元模擬分析

由模具結(jié)構(gòu)可知，模具工作中上墊板9主要受沖孔時(shí)的沖裁力作用，且在受力方向上沒有支承零件，為懸空結(jié)構(gòu)；推料板受到?jīng)_裁力時(shí)有凸模固定板10等零件支承，可以近似假設(shè)為剛體。利用NX NASTRAN模擬軟件對(duì)上墊板9所受的沖裁力進(jìn)行有限元模擬分析。

4.1 模具零件受力分析

上墊板零件如圖3所示，材料為45鋼，熱處理硬度為42～47HRC。上墊板主要受垂直向上的應(yīng)力，范圍在φ90mm圓內(nèi)，材料的物理性質(zhì)見表1，網(wǎng)格劃分及邊界條件加載如圖4、圖5所示。

圖4 上墊板網(wǎng)格劃分

圖5 上墊板邊界條件加載

表1 45鋼的物理性質(zhì)

圖3 上墊板零件

4.2 模擬結(jié)果說明

應(yīng)力、應(yīng)變模擬計(jì)算結(jié)果分別如圖6、圖7所示。由計(jì)算結(jié)果可知，上墊板在沖孔時(shí)所受的最大應(yīng)力為3468.484MPa，最大位移量為1.335mm，應(yīng)力集中于孔位置，應(yīng)變最大處位于零件中心。

圖6 應(yīng)力模擬計(jì)算結(jié)果

圖7 應(yīng)變模擬計(jì)算結(jié)果

4.3 實(shí)際照片

模具制作后進(jìn)行試沖驗(yàn)證，試沖后的上墊板零件如圖8所示。上墊板在工作中已出現(xiàn)裂紋，不能滿足使用需要，實(shí)際試沖后的裂紋應(yīng)力、應(yīng)變位置和變形的形貌與有限元分析結(jié)果一致。

圖8 實(shí)際試沖后的上墊板

5 模具改進(jìn)及改進(jìn)后分析與計(jì)算

為了滿足模具的使用需要，同時(shí)提高設(shè)計(jì)使用效率和材料的利用率，減少加工制造成本，根據(jù)前文分析結(jié)果及試沖后的實(shí)際情況，在模具工作結(jié)構(gòu)不更改的前提下對(duì)上墊板結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，將上墊板厚度增加10mm，增加其強(qiáng)度以保證得到更好的抗應(yīng)力、應(yīng)變能力，更改后的上墊板零件如圖9所示。

圖9 更改后的上墊板零件

6 有限元分析計(jì)算

將更改后的零件進(jìn)行有限元分析計(jì)算，材料依然選擇45鋼，熱處理硬度為42～47HRC，應(yīng)力、應(yīng)變模擬計(jì)算結(jié)果分別如圖10、圖11所示。

圖10 更改后的應(yīng)力模擬計(jì)算結(jié)果

圖11 更改后的應(yīng)變模擬計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，在零件結(jié)構(gòu)更改后上墊板所受的最大應(yīng)力為1143.69MPa，所受的最大應(yīng)變?yōu)?.225mm，相較于更改前，應(yīng)力和應(yīng)變有了明顯改善，提高了使用性能。進(jìn)行實(shí)際試沖測(cè)試，發(fā)現(xiàn)零件更改后能夠滿足實(shí)際沖裁的使用要求。

7 結(jié)束語

模具工作時(shí)上墊板主要受凸模的沖裁力作用，受力形式為懸空結(jié)構(gòu)形式，對(duì)上墊板進(jìn)行有限元應(yīng)力、應(yīng)變分析，實(shí)物試沖結(jié)果與有限元分析結(jié)果一致，更改上墊板原結(jié)構(gòu)，有效減少了零件工作過程中的應(yīng)力、應(yīng)變，滿足了模具的使用需求。

20221212