基于Abaqus的齒圈壓板精沖工藝有限元分析

談正光，陳 偉，張 雨

(1.無錫鵬德汽車配件有限公司 工程技術部，江蘇 宜興 214211；2.南京工程學院 汽車與軌道交通學院，江蘇 南京 211167)

基于Abaqus的齒圈壓板精沖工藝有限元分析

談正光1，陳 偉2，張 雨2

(1.無錫鵬德汽車配件有限公司 工程技術部，江蘇 宜興 214211；2.南京工程學院 汽車與軌道交通學院，江蘇 南京 211167)

利用有限元方法模擬精沖工藝的過程，用處理后的模擬結果分析精沖工藝參數(shù)對精沖成形件質量的影響.分析精沖工藝過程的基本原理及力學特性；結合精沖工藝的技術關鍵，建立變形區(qū)靜水壓應力狀態(tài)方程，利用Abaqus有限元分析軟件，針對汽車排氣系統(tǒng)不銹鋼厚法蘭件，建立有限元網格力學模型，并模擬整個精沖過程；通過提取并計算精沖過程中10個行程步上靜水壓應力的均值，衡量不同參數(shù)對精沖質量的影響.分析結果得出：以不銹鋼厚法蘭精沖工藝中模具間隙為參數(shù)變量，當模具間隙為0.3 mm時，精沖質量較好.

精沖；有限元模擬；靜水壓應力

精沖是在普通沖壓基礎上發(fā)展起來的一種先進加工技術，由于其具有產品質量好、生產效率高、生產成本較低等優(yōu)點而得到廣泛的應用.精沖成形過程是一個復雜的力學過程，涉及彈性變形、塑性變形、損傷軟化和韌性斷裂等，因而精沖模具壽命相對較低；同時，不同的工藝參數(shù)對沖切斷面質量、尺寸與形狀精度有很大的影響.因此，選擇合理的精沖工藝參數(shù)不但直接影響著精沖模具的壽命，同時也影響著精沖產品的質量和生產效率.

隨著精沖技術廣泛應用，精沖零件也向大、厚、硬、精等方向發(fā)展，技術難度不斷地增大.由于計算機技術的不斷發(fā)展和成熟，使用有限元分析方法模擬精沖加工過程，既可以縮短模具的設計制造時間，又可以進一步優(yōu)化精沖工藝的參數(shù)配置，節(jié)約了成本，提高了效率.為此，國內外的學者針對精沖工藝做了許多相關研究.Lee等[1]采用剛塑性有限元法對精沖剪切進行了模擬，分析其應力、應變分布，對裂紋的產生進行了預測；賈建軍等[2]對精沖進行了韌性斷裂理論分析，并對軸對稱精沖件的成形過程進行了二維數(shù)值模擬；Zheng[3]開發(fā)了更新拉格朗日熱力耦合二維有限元程序和特殊設計的局部網格再劃分程序，分析了靜水壓力、熱效應、材料損傷、塑性應變、應變率集中對精沖過程的影響；Sutasn Thipprakmas[4]利用有限元模擬方法結合田口技術和方差分析技術，研究了V形齒圈壓板的參數(shù)（高度、位置和角度）對精沖過程的影響；方剛等[5]對精沖的韌性斷裂進行了數(shù)值模擬，預測了裂紋的產生和擴展.

經過長時間的發(fā)展，有限元分析方法已經被應用到工程分析的各個方面，較為成熟的有限元分析軟件包括ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC.對普通沖壓成形工藝，一些公司開發(fā)了單獨分析軟件，如Autoform，Dynaform及Hyperwork中的Hyperform模塊.由于精沖工藝較普沖工藝在工藝過程和力學特性上都有較大區(qū)別，因此，精沖工藝無法使用現(xiàn)有的普沖分析軟件.為此，筆者結合齒圈壓板精沖工藝原理、力學特性及有限元理論，提出使用有限元分析軟件ABAQUS，建立針對齒圈壓板精沖工藝的力學模型.

1 精沖工藝的基本原理

精沖的工藝原理如圖1所示.精沖過程中，凸模接觸精沖材料之前，壓邊力ps壓緊材料，通過壓邊圈上的V形齒的內面產生橫向側壓力，將阻止金屬材料在剪切區(qū)內撕裂和橫向流動.在沖裁凸模壓入材料的同時，利用反壓板的反壓力將材料壓緊.板料在壓緊狀態(tài)下由沖裁力作用，沿著凹模刃口的形狀呈純剪切的形式沖裁零件.由于剪切區(qū)內的金屬處于三向壓應力狀態(tài)，從而提高了材料的塑性.此時，材料沿凹模刃口形狀，以純剪切方式使材料實現(xiàn)分離沖裁.精沖模具工藝過程大體分為4個階段[2].

圖1 精沖工藝原理圖

1)彈性變形階段.沖孔工作開始，凸模接觸材料前施壓，使材料產生彈性壓縮而在凸模周圍發(fā)生材料聚集，形成不大的環(huán)狀突起.

2)塑性變形階段.凸模及壓料板施加大壓力，達到材料的屈服點，材料向孔周圍流動并開始擠入凹模，產生定向塑性流動.

3)剪切變形階段.當凸模繼續(xù)下行，材料停止向孔周圍流動，而大量擠入凹模洞口.此時凸模刃口部分的材料達到材料的抗剪強度.故首先在發(fā)生應力集中的鋒利刃口處產生顯微裂紋，但沒有剪裂.

4)剪裂變形階段.凸模下行到一定程度，顯微裂紋在金屬材料內部擴展，并使材料沿凹模刃口出現(xiàn)剪切裂紋，開始斷裂.

2 精沖工藝的力學特性

精沖工藝的力學特性如圖2所示，圖2中，S表示材料厚度.

圖2 精沖工藝力學特性行程圖

當凸模進入材料厚度的1/3時，沖裁力最大.本文的分析都是在最大沖裁力下進行.模具在工作過程中，其受力情況非常復雜，主要存在沖裁力、壓邊力、反壓力的作用.

1） 沖裁力是成型產品零部件所需要的力，影響沖裁力的因素主要有零件尺寸、材料的機械性能、材料厚度等，計算公式為

式中：ps為沖裁力；Lt為剪切線周長；S為材料厚度；σb為抗拉強度；f1為系數(shù)，f1=0.6～0.9.

2） 壓邊力阻止材料在剪切區(qū)內撕裂和金屬的橫向流動，以獲得光潔的剪切面，計算公式為

3）反壓力在精密沖裁過程中，不但提供靜水壓應力，而且還防止板料在加工過程發(fā)生彎曲.反壓力太小則板料在加工過程容易彎曲，而且精沖質量也不好；反壓力太大則沖裁力增大，增加了模具的載荷.反壓力計算公式為

3 精沖工藝的有限元分析

有限元法是以計算機為工具，根據(jù)變分原理求解數(shù)學和物理問題的一種現(xiàn)代數(shù)值計算方法.本文采用剛塑性有限元法對精沖加工過程進行仿真模擬.把變形區(qū)離散成多個單元，取一個無限小的正方體單元，分析該單元的應力狀態(tài)，如圖3所示.

圖3中，py為凸模作用于材料的沖壓力py=p'y+py''，p'y為頂件反力，py''為沖裁力.pv為V形齒內邊作用于材料的力；N為作用于材料的側向力；Fχ，F(xiàn)y分別為模具表面作用于材料的摩擦力. σy是由py引起的正應力；σvχ，σvy分別由pv在χ方向的分量pvχ和y方向的分量pvy引起的正應力；σn為模具等對材料的約束作用而引起的正應力.

圖3 單元應力狀態(tài)

實現(xiàn)精沖技術的關鍵是在變形區(qū)建立靜水壓應力狀態(tài)方程，靜水應力可以表示為

則精沖工藝過程中變形區(qū)的靜水壓應力為

因此，只要改變式(5)中右邊各項的數(shù)值，就可以達到提高靜水壓力的目的，進而能提高精沖件的質量.

4 Abaqus軟件仿真過程

某汽車排氣系統(tǒng)不銹鋼厚法蘭如圖4所示，對其利用Abaqus軟件進行精沖工藝有限元分析[7-12].由于現(xiàn)有分析軟件中沒有針對精沖工藝的分析模塊，本文根據(jù)精沖工藝力學特性并結合有限元理論，構造精沖工藝的有限元模型并進行分析.

圖5為不銹鋼厚法蘭件精沖工藝簡易模具三維圖，圖中央部分表示初始平板坯料，其余部分表示凸模、凹模及壓邊圈等.

圖6為有限元網格模型.針對精沖工藝中模具上的重要部位，如模具刃口、齒形壓扁圈等，零件網格將局部細化，以提高模擬精度；針對受力較小或者受力較均勻的部位，網格劃分將較粗略，以提高計算速度.

圖4 不銹鋼法蘭件

圖5 不銹鋼厚法蘭件精沖工藝簡易模具三維圖

圖6 有限元網格模型

利用式(1)～式(3)分別計算法蘭件的沖裁力、壓邊力和反壓力，并在有限元分析中添加約束力及約束位移，使圖6中的有限元網格模型能夠模擬精沖工藝過程中的力學狀態(tài).研究表明[6]：在精沖過程中，提高變形區(qū)的靜水壓應力可以很好地改善精沖件質量.為此本文使用10個精沖行程步（10%，20%，…，100%行程），用變形區(qū)內各個單元的靜水壓應力均值來衡量不同工藝參數(shù)對精沖質量的影響.圖7、圖8分別為精沖行程20%和50%時靜水壓應力云圖.

圖7 精沖行程20%時的靜水壓應力云圖

圖8 精沖行程50%時的靜水壓應力云圖

以模具間隙為變量，以精沖過程中靜水壓應力均值為衡量精沖質量的指標，探討不同模具間隙對精沖件質量的影響.從圖9中模擬結果數(shù)據(jù)可以看出，對于圖4所示的不銹鋼法蘭件，模具間隙為0.3 mm時，精沖件的質量較好.這一結論與企業(yè)加工實際件的工藝參數(shù)設置相吻合，實際精沖件質量較好（光潔面寬度≥80%，塌角≤10%～25%料厚），證明模擬結果的有效性.

圖9 精沖過程中靜水壓應力與模具間隙關系曲線

5 結論

1)分析了精沖工藝的基本原理及力學特性，為建立精沖工藝模擬的力學模型提供了基礎.

2)結合有限元理論及精沖工藝的關鍵技術，以Abaqus軟件為基礎，對汽車排氣系統(tǒng)不銹鋼厚法蘭件進行了有限元模擬仿真.

3)通過提取并處理仿真結果數(shù)據(jù)，能夠有效地判斷精沖工藝各種參數(shù)設置對精沖工藝質量的影響.針對不銹鋼厚法蘭的精沖參數(shù)分析，當模具間隙為0.3 mm時，精沖質量較好.

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(責任編輯：李 華)

圖4 前3位學生的Excel操作題成績

圖5 第3位學生的批改報告

4 結論

在PC上，一次自動批改30道Excel操作題共耗時約2 min，而人工批改耗時約2 h，相比人工批改，效率提高了約60倍，若PC配置更高，則耗時更少，效率更高.只要涉及Excel軟件操作，無論是作業(yè)練習，還是考試考核，均可借助該程序框架輕松實現(xiàn)針對具體Excel操作題的自動批量批改或判卷程序.

[1]Jonathan Bennett & AutoIt Consulting Ltd.AutoIt automation and scripting language [EB/OL].(2013-12-30)[2014-03-20].http：//www. autoitscript.com/site/autoit/.

[2]孫華峰. 信息技術實驗指導[M]. 北京：高等教育出版社，2013：169-180.

(責任編輯：李 華)

The Finite Element Analysis of Ring Gear Gag Fine-blanking Based on Abaqus

TAN Zheng-guang1，CHEN Wei2，ZHANG Yu2
(1.Center of Engineering Technology，Wuxi Pengde Vehicle Parts Co.，LTD.，Yixing 214211，China 2. School of Automotive and Rail Transit，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China)

The finite element method is introduced to simulate the process of fine blanking，then the simulation result to analyze the infuence of the fne blanking process parametres on the quality of fne blanking forming parts. Firstly，the basic principle and the mechanical properties of fne blanking process are analyzed. Secondly，the fnite element mesh mechanics model is set up for the thick stainless steel fange of the automobile exhaust system by combining the key technologies of fne blanking process，and using the abaqus fnite element analysis software. Finally，the mean values of hydrostatic stress in 10 steps of the whole fne blanking process are extracted and calculated after the whole process of fne blanking is simulated to evaluate the infuence of different parameters. The die clearance of fne blanking process is considered to be a variable. When the die clearance is 0.3mm，the quality is better.

fne-blanking；fnite element simulation；hydrostatic stress

TG38；O242.21

A

1008-5475(2014)03-0039-05

2014-06-02；

2014-06-28

宜興市科技成果產業(yè)化項目(20130422065315)；無錫鵬德汽車配件有限公司產學研合作項目(PD20130202)

談正光(1969-)，男，江蘇宜興人，工程師，主要從事鋼板沖壓件及拉伸件精密成型技術研究.