基于雙側(cè)齒圈壓邊的厚板精密沖裁成形力學(xué)分析(一)

基于雙側(cè)齒圈壓邊的厚板精密沖裁成形力學(xué)分析(一)

Feb 29, 2024

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轉(zhuǎn)發(fā)自:第23卷第6期 塑性工程學(xué)報(bào) Vol.23 No.6

2016年12月 JOURNAL?。希啤。校蹋粒樱裕桑茫桑裕佟。牛危牵桑危牛牛遥桑危?Dec.?。玻埃保叮洌铮椋海保埃常梗叮梗辏椋螅螅睿保埃埃罚玻埃保玻玻埃保叮埃叮埃埃?/p>

作者:(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,青島?。玻叮叮担梗埃√K春建1 閆楠楠2 張曉東4 陸 順5

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,青島?。玻叮叮担梗埃⊥酢∏澹?/p>

摘 要:針對(duì)普通沖裁方式獲得的厚板沖裁件常存在尺寸精度低、斷面質(zhì)量差及翹曲嚴(yán)重等問(wèn)題,采用雙側(cè)齒圈壓邊的方式對(duì)厚板精密沖裁成形進(jìn)行模擬和力學(xué)分析,建立了厚板的精沖數(shù)學(xué)模型及有限元模型,研究了成形中應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題及靜水應(yīng)力、材料流動(dòng)的規(guī)律,并通過(guò)對(duì)6、8、10和12mm厚板進(jìn)行有限元模擬,探討了不同板厚對(duì)雙側(cè)齒圈壓邊精沖的影響,最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,分析結(jié)果表明雙側(cè)齒圈壓邊沖裁方式能夠增加厚板剪切變形區(qū)的靜水壓力,充分發(fā)揮材料的塑性,提高厚板沖裁件斷面質(zhì)量。

關(guān)鍵詞:厚板;雙側(cè)齒圈壓邊;精密沖裁;力學(xué)分析

中圖分類號(hào):TG386   文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A  文章編號(hào):1007-2012(2016)06-0051-07

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引 言

隨著厚板精沖技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,精沖工藝的研究已成為現(xiàn)代沖裁技術(shù)的重點(diǎn)。普通沖

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305241);山東省高等學(xué)??蒲杏?jì)劃項(xiàng)目(J12LA03);山東省泰山學(xué)者建設(shè)工程專項(xiàng)項(xiàng)目(tshw20130956)。

通訊作者:蘇春建 E-mail:suchunjian2008@163.com作者簡(jiǎn)介:蘇春建,男,1980年生,山東菏澤人,博士

(后),副教授,主要從事金屬板材精密塑性成形研究收稿日期:2015-11-25;修訂日期:2016-03-05

裁方式獲得的厚板沖裁件尺寸精度低、斷面質(zhì)量差[1-4]。本文提出一種雙側(cè)齒圈壓邊的精密沖裁方式,即只需在壓邊圈及凹模上設(shè)置齒圈就可以實(shí)現(xiàn)精沖工藝,對(duì)其進(jìn)行研究,能夠大幅減少由于昂貴的精沖設(shè)備而帶來(lái)的附加成本,有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

針對(duì)7mm以上中厚板沖裁件常出現(xiàn)的斷面質(zhì)量差等問(wèn)題,本文以AISI-1020鋼為研究對(duì)象,在雙側(cè)齒圈壓邊方式下用 DEFORM 軟件模擬分析8mm板材的精沖機(jī)理,分析變形區(qū)材料的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),并對(duì)6mm、8mm、10mm和12mm厚板進(jìn)行有限元模態(tài)分析,探討不同板厚對(duì)雙側(cè)齒圈壓邊精沖的影響。

1 金屬板材精密沖裁理論基礎(chǔ)

1.1 精密沖裁的機(jī)理

精密沖裁是塑性剪切過(guò)程,是在專用(三動(dòng))壓力機(jī)上借助特殊結(jié)構(gòu)的精沖模,在強(qiáng)力作用下使板材發(fā)生塑性剪切[5]。其成形原理如圖1所示,沖裁過(guò)程中凸模接觸板料之前,通過(guò)施加一定壓力使V形齒圈將材料壓緊在凹模上,從而在V形齒的內(nèi)面產(chǎn)生橫向側(cè)壓力,以阻止材料在剪切區(qū)內(nèi)撕裂和金屬橫向流動(dòng),在凸模壓入材料的同時(shí),利用頂出器的反壓力將材料壓緊,并在壓緊狀態(tài)中凸模向下運(yùn)行進(jìn)行沖裁,使剪切區(qū)的材料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài),進(jìn)而提高材料的塑性,使材料沿著凸凹模刃口形狀發(fā)生塑性分離。

圖1 精沖成形原理圖

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1.2 精沖變形區(qū)的力態(tài)分析

圖2所示為模具對(duì)板料進(jìn)行沖裁時(shí)的受力情況,當(dāng)凸模下降至與板料接觸時(shí),板料受到的外力和板料變形區(qū)內(nèi)存在的應(yīng)力如圖3所示。

圖2 精密沖裁時(shí)作用于板材上的力圖

  注:P、Pd分別為頂件板對(duì)材料的垂直作用力;F為凸模作用于材料的上的沖裁力,F=P+Pd;N1、N2分別為凸、凹模對(duì)材料的側(cè)壓力;F1、F2分別為凸、凹模側(cè)面對(duì)材料的摩擦力;F3、F4分別為凸、凹模端面對(duì)材料的摩擦力;Pv為齒圈對(duì)材料的作用力。

Fig.2?。疲铮颍悖濉。幔悖簦蟆。铮睢。螅瑁澹澹簟。穑欤幔簦濉。椋睢。妫椋睿濉。猓欤幔睿耄椋睿?/p>

圖3 一點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)

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在精沖變形區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)O處取坐標(biāo)系XYZ,在該處取微元六面體,其上作用應(yīng)力如圖2、圖3所示。σy是由P引起的正應(yīng)力,σvx、σvy分別是由Pv

在X方向分量Pvx和Y方向分量Py引起的正應(yīng)力, σN為側(cè)壓力N引起的正應(yīng)力,σz是模具對(duì)材料的約束作用引起的正應(yīng)力,剪應(yīng)力τxy、τyx是由外摩擦力引起的。

在O點(diǎn)處的應(yīng)力張量為:

Tσ=Tεσ+Tσρ 式中?。?epsilon;σ———球形應(yīng)力張量

   Tσρ———應(yīng)力偏量 (1)

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(2)

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1(σy+σN+σvx+σvy+σz) (4) σm =

式中 σm———平均應(yīng)力

精沖時(shí)變形區(qū)的球形應(yīng)力張量Tεσ是O點(diǎn)所受的靜水壓,該張量影響O點(diǎn)材料的塑性[6-7]。從式(4)可以看出影響變形區(qū)靜水壓力的因素,可通過(guò)以下途徑來(lái)提高靜水壓力:1)增大σy,主要是通過(guò)增大頂件反力;2)增大σN,主要是通過(guò)在一定程度上減小凸凹模間隙;3)增大σvx+σvy,通過(guò)增大壓邊力Pv 來(lái)實(shí)現(xiàn);4)采用最佳壓邊圈齒形內(nèi)角 α。由圖1可知:

Pvx+Pvy=Pv(cosα+sinα)

  取極值:令d(Pvx+Pvy)=0,得:dα (5)

Pv(cosα-sinα)=0 (6)

  因?yàn)?,壓邊力P?一定,所以,cosα-sinα=0, α=π/4

2 厚板精沖的有限元模擬仿真分析

2.1 有限元模型的建立

在有限元模擬過(guò)程中,為保證有限元模型精確描述精沖過(guò)程,又能保證模擬結(jié)果的正確性,根據(jù)實(shí)際條件做簡(jiǎn)化處理,因此把精沖過(guò)程作為軸對(duì)稱問(wèn)題來(lái)研究[8-9]。圖4為精沖過(guò)程的有限元模型,采用V形齒圈是精沖與普通沖裁最顯著的區(qū)別之一,以點(diǎn)劃線為對(duì)稱軸,為了節(jié)省時(shí)間和計(jì)算機(jī)內(nèi)存,只選取工件的1/2模型進(jìn)行模擬分析,將板料設(shè)置塑性體,其他工件視為剛性體(即不變形體),忽略模具的變形。

圖4 精沖過(guò)程的有限元模型

Fig.4 Finite?。澹欤澹恚澹睿簟。螅椋恚酰欤幔簦椋铮睢。铮妗。妫椋睿濉。猓欤幔睿耄椋睿纭。穑颍铮悖澹螅蟊疚挠邢拊M選用直徑Φ20mm、板厚8mm的AISI-20鋼為研究對(duì)象,其他參數(shù)如下。

1) 模擬幾何參數(shù):凹模外直徑Φ50mm,模具間隙0.5mm,模具圓角0.03mm,板料厚度8mm,

V形齒圈速度2mm·s-1,凸模速度1mm·s-1。

2) 摩擦系數(shù)的選擇:由于是冷沖壓,設(shè)置冷摩擦系數(shù)為0.12;板料與其他零件的接觸容差為

0.001。

3) 網(wǎng)格劃分:板料作為塑性體分析,采用四節(jié)點(diǎn)單元。塑性剪切區(qū)域集中在模具刃口之間極窄的區(qū)域內(nèi),因此,在模具間隙處還需對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化。

4) 邊界條件的設(shè)定:沖裁方向是沿Y軸負(fù)方向,在X方向上不允許發(fā)生金屬流動(dòng),把配料的軸對(duì)稱面設(shè)為X方向固定不動(dòng)。

5) 沖裁力是選用壓力機(jī)和設(shè)計(jì)模具的重要依據(jù)之一,影響沖裁力的因素主要包括:材料機(jī)械性能及其厚度、零件尺寸、模具幾何參數(shù)等。

金屬板材軋機(jī)高壓液壓系統(tǒng)故障分析與改進(jìn)(二)
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