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轉(zhuǎn)發(fā)自：第25卷 第3期 蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) Vol.25，No.3

2014年9月 Journal of Suzhou Vocational University Sep. ，2014

作者：談?wù)?，陳 偉2，張 雨2

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

摘 要： 利用有限元方法模擬精沖工藝的過程，用處理后的模擬結(jié)果分析精沖工藝參數(shù)對精沖成形件質(zhì)量的影響.分析精沖工藝過程的基本原理及力學(xué)特性；結(jié)合精沖工藝的技術(shù)關(guān)鍵，建立變形區(qū)靜水壓應(yīng)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(wǎng)格力學(xué)模型，并模擬整個(gè)精沖過程；通過提取并計(jì)算精沖過程中10個(gè)行程步上靜水壓應(yīng)力的均值，衡量不同參數(shù)對精沖質(zhì)量的影響.分析結(jié)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(dāng)模具間隙為0.3 mm時(shí)，精沖質(zhì)量較好.

關(guān)鍵詞： 精沖；有限元模擬；靜水壓應(yīng)力

中圖分類號(hào)：T G38；O242.21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008- 5475(2014)03- 0039- 05

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)

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

0.3mm，the quality is better.

Key words：fi ne-blanking；fi nite element simulation；hydrostatic stress

精沖是在普通沖壓基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種先進(jìn)加工技術(shù)，由于其具有產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、生

產(chǎn)成本較低等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用.精沖成形過程是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)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(shí)，不同的工藝參數(shù)對沖切斷面質(zhì)量、尺寸與形

收稿日期：2014- 06- 02；修回日期：2014- 06- 28 基金項(xiàng)目： 宜興市科技成果產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(20130422065315)；無錫鵬德汽車配件有限公司產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(PD20130202) 作者簡介： 談?wù)?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(shù)研究.

第25卷 蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)

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(shí)也影響著精沖產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率.

隨著精沖技術(shù)廣泛應(yīng)用，精沖零件也向大、厚、硬、精等方向發(fā)展，技術(shù)難度不斷地增大.由于計(jì)算機(jī)技術(shù)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(shè)計(jì)制造時(shí)間，又可以進(jìn)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(nèi)外的學(xué)者針對精沖工藝做了許多相關(guān)研究.Lee等[1]采用剛塑性有限元法對精沖剪切進(jìn)行了模擬，分析其應(yīng)力、應(yīng)變分布，對裂紋的產(chǎn)生進(jìn)行了預(yù)測；賈建軍等[2]對精沖進(jìn)行了韌性斷裂理論分析，并對軸對稱精沖件的成形過程進(jìn)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(shè)計(jì)的局部網(wǎng)格再劃分程序，分析了靜水壓力、熱效應(yīng)、材料損傷、塑性應(yīng)變、應(yīng)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(jié)合田口技術(shù)和方差分析技術(shù)，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(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展.

經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，有限元分析方法已經(jīng)被應(yīng)用到工程分析的各個(gè)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(dú)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(xué)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(jié)合齒圈壓板精沖工藝原理、力學(xué)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(xué)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(nèi)面產(chǎn)生橫向側(cè)壓力，將阻止金

??? 屬材料在剪切區(qū)內(nèi)撕裂和橫向流動(dòng).在沖裁凸模壓入材料的同時(shí)，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?jīng)_裁零件.由于剪切區(qū)內(nèi)的金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，從而提高了材料的塑 ?? 性.此時(shí)，材料沿凹模刃口形狀，以純剪切方式使材 ??? 料實(shí)現(xiàn)分離沖裁.

精沖模具工藝過程大體分為4個(gè)階段[2]. pg???

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(chǎn)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(dá)到材料的屈服點(diǎn)，材料向孔周圍流動(dòng)并開始擠入凹模，產(chǎn)生定向塑性流動(dòng).

3) 剪切變形階段.當(dāng)凸模繼續(xù)下行，材料停止向孔周圍流動(dòng)，而大量擠入凹模洞口.此時(shí)凸模刃口部分的材料達(dá)到材料的抗剪強(qiáng)度.故首先在發(fā)生應(yīng)力集中的鋒利刃口處產(chǎn)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(nèi)部擴(kuò)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(xué)特性

精沖工藝的力學(xué)特性如圖2所示，圖2中，S表示材料厚度.

當(dāng)凸模進(jìn)入材料厚度的1/3時(shí)，沖裁力最大.本文的分析都是在

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談?wù)獾龋夯贏baqus的齒圈壓板精沖工藝有限元分析 2014年第3期

最大沖裁力下進(jìn)行.模具在工作過程中，其受力情況非常復(fù)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(chǎn)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(jī)械性能、材料厚度等，計(jì)算公式為

ps=Lt Sσb f1， (1) 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(qiáng)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(nèi)撕裂和金屬的橫向流動(dòng)，以獲得光潔的剪切面，計(jì)算公式為 pR=0.5ps. (2)

3） 反壓力在精密沖裁過程中，不但提供靜水壓應(yīng)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(zhì)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(jì)算公式為

pc=0.2ps. (3)

3 精沖工藝的有限元分析

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