基于ABAQUS 的農(nóng)業(yè)機械銅鋼復合板彎片沖壓模擬與模具設計探究*

劉 潔 ，張志紅

（晉中信息學院智能工程學院，山西 晉中 030800）

機械模具加工涉及諸多的內(nèi)容，在實踐中為了實現(xiàn)機械模具加工科學化、合理化，要結合實際狀況對不同模塊進行綜合分析，實現(xiàn)管理規(guī)范化[1-2]。通過ABAQUS 技術進行軟件模擬以及綜合分析，可以采集農(nóng)機設備的信息數(shù)據(jù)，有利于優(yōu)化與完善沖壓技術。

1 基于ABAQUS 的農(nóng)業(yè)機械銅鋼復合板彎片沖壓模擬與模具設計分析

1.1 構建有限元模型

通過三維軟件構建農(nóng)業(yè)機械設備模型，利用CATIA 軟件設計板料以及模具幾何模型，綜合各項參數(shù)以及要求確定壓邊圈。分析數(shù)值計算收斂性，適當增加外形尺寸，設計沖壓模擬模具，在設計中分析彎片外壁確定凹模尺寸；參考彎片內(nèi)壁確定凸模尺寸參數(shù)。

1.2 條件設置

設置初始以及邊界條件，應用對稱性的邊界條件進行分析，對模型進行綜合模擬計算分析，溫度參數(shù)設置為600 ℃，分析在此溫度下銅板、鋼板的應力及其應變曲線參數(shù)。其中銅板彈性模量參數(shù)為125 GPa，泊松比為0.33；鋼板彈性模量為150 GPa，泊松比為0.302。在600 ℃狀態(tài)中的應力應變曲線如圖1所示。

圖1 600 ℃狀態(tài)中的應力應變曲線

在固定凹模中要預留一定間隙，以保障剛性邊壓裝置以及板料連接的穩(wěn)定性。綁定銅板和鋼板結構進行模擬連接，將摩擦系數(shù)設置為0.2，分析模擬中金屬的變化以及成形狀態(tài)，對準靜態(tài)的整體變化過程進行綜合性分析，在ABAQUS/Explicit 軟件支持之下進行計算分析。在計算中，要分析效率等因素，分析慣性力變化，如果慣性力不對模擬過程產(chǎn)生影響，則可以根據(jù)實際狀況調(diào)整，增加模擬的速率，在短時間內(nèi)進行模擬分析。通過對比判斷最終結果，獲得沖壓速率參數(shù)為5.88 m/s，而在模擬中總時長為0.05 s。在模擬分析中可以不考慮各個零部件在溫度變化下產(chǎn)生的影響[3]。

1.3 網(wǎng)格劃分

在沖壓處理中，對于板料以及凹凸模圓角接觸位置的精度要求嚴格，要根據(jù)實際狀況進行調(diào)整控制，保障符合技術要求。而對于其他位置則沒有嚴格的精度要求。因此在布局設置時要提高網(wǎng)格的精密性，重點處理板料以及凹凸模接觸位置，對于其余位置則可以通過整體優(yōu)化的方式進行布置。在分析中，忽略模具以及壓邊導致的形變等相關問題，將其設置為離散性剛性體結構，而單元則為基于R3D4 四節(jié)點形成的雙線性特征的剛性四邊形。板料具有三維可變形體的特征，在Shell 單元中優(yōu)化，單元結構為S4R 四節(jié)點曲面薄殼結構。

1.4 凹模圓角模擬

在凹模中壓入毛坯板料材質(zhì)，在處理中會產(chǎn)生一定的力矩以及摩擦，凹模受到影響會產(chǎn)生一定內(nèi)應力。如果凹模圓角參數(shù)過小，則會導致板料的徑向拉應力呈現(xiàn)增大的趨勢，這樣會在結構的表面上出現(xiàn)顯著的劃傷等問題；反之，如果凹模圓角參數(shù)過大，則會導致板料的懸空面積呈現(xiàn)顯著的增大趨勢，整體上導致壓邊的面積逐漸減小，進而造成板料褶皺等問題。

在進行凹模圓角設計中，要做好厚度參數(shù)控制，根據(jù)模具尺寸等相關參數(shù)進行綜合分析，保障不高于板料厚度的5 倍[4]。在進行模擬分析時，要做好各項參數(shù)設置，其中銅板料則要通過三種圓角進行熱沖壓成型處理，分析最大應力變化。通過分析發(fā)現(xiàn)銅板、鋼板彎片的內(nèi)弧中均出現(xiàn)了最大成型應力，而如果其參數(shù)變量沒有出現(xiàn)變化，通過增大模具的圓形半徑可以有效避免出現(xiàn)成型彎片應力集中等問題，這樣可以達到控制彎片的最大成型應力的目的。不同圓角半徑鋼板和銅板的最大應力數(shù)值如表1 所示。通過熱沖壓進行成型處理之后，分析厚度變化以及各項數(shù)值，如表2所示。

表1 不同圓角半徑鋼板和銅板的最大應力數(shù)值

表2 不同圓角半徑鋼板和銅板厚度以及主要變化率

分析在R80 mm 的圓角參數(shù)狀態(tài)之下，鋼板和銅板在成型之后的厚度獲得結果：分析符合鋼板結構，主要在外弧、彎片內(nèi)弧中存在增厚的問題；彎片內(nèi)弧為減薄區(qū)域。對比分析厚度參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在其他參數(shù)穩(wěn)定狀態(tài)之下，通過增加圓角半徑可以進行增厚率的調(diào)節(jié)，達到降低減薄率的目的。由此可見，彎片成型處理中的最佳模具參數(shù)圓角半徑為80 mm。

1.5 凸凹模間隙模擬分析

凸凹模間隙是對沖壓成形結果產(chǎn)生直接影響的重要因素之一，板料受到模具影響會出現(xiàn)不同程度的形變，二者的間隙越小，則產(chǎn)生的結構更為精密。拉伸間隙屬于板料、凸凹模板的單邊間隙類型。如果凹凸模間隙的參數(shù)過大，則會導致工件出現(xiàn)褶皺等問題，嚴重影響整體的精度。如果凸凹模間隙相對較小，則會導致整體的摩擦問題嚴重，容易出現(xiàn)表面結構拉裂等隱患問題。對此，進行模擬分析時，要根據(jù)實際狀況進行間隙參數(shù)的調(diào)整與控制，其中，模擬間隙設置為0.5 mm、1 mm、2 mm。在模擬分析中，要做好彎片厚度以及最大應力參數(shù)的數(shù)值分析，了解數(shù)值波動。獲得不同凹凸模間隙鋼板、銅板最大應力參數(shù)，如表3所示。

表3 不同凹凸模間隙鋼板、銅板最大應力

分析間隙應力則可以確定各項參數(shù)的變化。不同凹凸模間隙鋼板、銅板及其厚度的變化率如表4所示。

表4 不同凹凸模間隙鋼板、銅板及其厚度的變化率

通過綜合分析可以確定，在各項變量參數(shù)穩(wěn)定的狀態(tài)下，通過對凸凹模間隙以及板料的應力變化進行控制，如果凸凹模間隙參數(shù)大于1 mm，則厚度參數(shù)穩(wěn)定性更高。

綜合分析彎片外形以及具體的尺寸要求，了解銅板和鋼板在模擬中的厚度參數(shù)以及應力集中等相關問題，則可以確定在凸凹模間隙參數(shù)為1 mm的時候，能有效提高板料成型的整體精度，充分保障了成型作業(yè)的質(zhì)量[5]。

2 試驗驗證分析

通過模擬分析可以確定最佳參數(shù)變化。為了便于對比和模擬分析，確定制作參數(shù)和各項數(shù)據(jù)，通過ABAQUS 進行沖壓成型試驗分析，測量成型之后獲得的最大厚度及其最小厚度參數(shù)，如表5所示。

表5 彎片厚度以及主要變化率

通過測量對比可以發(fā)現(xiàn)，沖壓成型處理之后獲得的成品精良，彎片的外形結構光順，沒有褶皺，尺寸參數(shù)符合公差范圍。進行試驗操作可確定模具符合成型處理的需求。分析數(shù)據(jù)則可以發(fā)現(xiàn)與模擬數(shù)值參數(shù)并沒有顯著差異。

3 結語

基于ABAQUS 軟件分析農(nóng)業(yè)機械銅鋼復合板彎片沖壓模擬與模具設計的要點，通過軟件模擬，構建有限元模型進行驗證，通過數(shù)據(jù)分析可以確定彎曲半徑整體相對較小。因此，在內(nèi)弧的區(qū)域中還是存在大面積的減薄區(qū)域，在設計和應用實踐中要綜合分析減薄區(qū)域產(chǎn)生的影響，根據(jù)要求和精度等諸多因素進行綜合分析[6-10]。