基于Deform应用下的冲裁模具变量对凸模应力的影响分析

2018-03-05洪健曾庆生吴柳飞

机械工程师 2018年2期

洪健，曾庆生，吴柳飞

（南华大学机械工程学院，湖南衡阳 421001）

0 引言

冲裁模具的冲裁间隙、刃口圆角半径、冲裁速度、摩擦因数是模具设计的几个重要的参数。1）研究表明，凸凹模间隙对冲裁质量和模具寿命均有很大影响，一般情况下模具间隙增大凸模寿命也随之增加[1]，与此同时凹凸模间隙越大毛刺的高度也就越大。2）在实际生产过程中都会在凹凸模刃口处增加圆角工艺，在凹凸模的刃口加入适当的圆角工艺有利于材料的塑性流动，以延长冲裁过程中的塑性剪切时间，有效地抑制裂纹的产生，提高产品的断面质量[2]。3）冲裁速度在一定程度上影响着生产效率，冲裁速度的增加可以缩短生产时间，但对于板料的塑性阶段凸模的下行速度往往限制在一定的范围内，同时冲裁速度也是造成模具磨损的一个重要工艺参数，冲裁速度的增加会导致冲裁模具磨损的增加[3]。因此，分析冲裁速度对于模具的影响也是很有必要的。4）润滑方式及润滑状态对模具寿命影响也十分明显，摩擦条件不合理不仅增大变形力、引起变形的不均匀，同时还会造成模具过快磨损、破裂,降低模具的使用寿命[4]。

这些因素的存在使得模具设计存在着许多不确定性和随意性，因此在模具设计之前进行仿真模拟分析是很有必要的。本文以某卡环的精密冲孔模为例，基于Deform软件通过正交试验选取最合适的冲裁间隙、凹模圆角半径、凸模模速度和摩擦因数组合，对模具设计具有很大的意义。

1 有限元建模与仿真实验

由于模具的体积较大，结构复杂，考虑有限元求解的精度与时间问题，需要对模具结构进行简化，可以在不破坏模具本身力学性能的前提下忽略一些标准结构及细小特征[5]。根据模具及坯料的结构，选取各零件的1/3部分以进一步简化。制件冲裁成形与模具应力计算分开进行，可降低计算成本，因此本文运用SolidWorks三维软件建模并导入Deform先进行成形分析，最后应用Die stress analysis模块进行模具应力分析。建模时先将工件设置为塑性体，凹凸模设置为刚体，最后将模具设置为弹性体。考虑计算精度与时间成本采用对材料进行局部细化坯料网格，网格类型为四面体网格，单元数目为90 000，局部细化比例为0.01。简化后的几何模型如图1所示。

图1 简化模具模型

模型凹凸模采用Cr12钢，坯料材料参数如表1所示，本文选取近似材料，在现有的材料基础上更改参数获取所需的新材料。坯料断裂准则选取Cockroft&Latham准则，断裂阈值为4.5。

表1 材料参数表

2 正交实验设计

对精冲模具的影响参数进行正交试验设计。正交试验设计是一种用来科学地设计多因素多水平的试验设计的方法，正交设计的特点是采用部分试验来代替全部试验，通过对部分试验的结果进行分析，从而能够全面地了解到试验的情况，最终得到最佳工艺方案[6]。

2.1 参数的选取

由于冲裁间隙影响着精冲过程中变形区材料的应力状态及其分布，因此，为了在精冲变形区域内更容易获得静水压力，会使用比普通冲裁更小的冲裁间隙，以此提高精冲质量。以此为依据，选取如下系列间隙：0.03 mm、0.05 mm、0.07 mm[7]。光洁冲裁圆角半径一般为R≈0.1S[8]，选取如下系列圆角：0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm。冲裁速度不仅关系到生产效率，还影响制件的尺寸精度以及成形质量，选用合适的冲裁速度可以延长板料的塑性剪切变形过程，从而改善制件的断面质量，由于精冲是个准静力状态过程，所以根据实际需要选取5、10、15 mm/s三个冲裁速度。在模具寿命分析中，如何减少磨损，避免局部磨损过大，合理选择润滑剂，研究摩擦因数与工作状态的关系，对提高模具使用寿命非常重要[9]。本文根据实际生产常用的润滑方式，确定摩擦因数0.08、0.15、0.2。具体参数选取如表2所示。

表2 因素和水平

2.2 正交实验结果

本文通过正交试验设计模拟出对冲裁间隙、凹模圆角半径、冲裁速度、摩擦因数4种参数对模具的影响，通过最终得到的冲压模具的应力结果，可以有效并全面地考察对冲压模具的影响。各参数在合理范围内取三个数值建立了9组模型，将模具设置成弹性体，利用Die stress analysis模块进行模具应力分析，最后对试验结果进行数据分析，得出结果如图2所示。

图2 各参数下的凸模等效应力云图

图2表示不同组合参数下所对应的最大冲裁力下的模具等效应力。由图可看出，凸模所示最大等效应力主要集中在刃口部位，这也同时印证了凸模刃口易磨损的原因。由图不难看出，不同的组合参数下凸模刃口的应力差别较大，最大应力达到了1650 MPa，最小的为986 MPa，具体结果如表3所示。

3 结论

由表可知凹凸模间隙、刃口圆角与冲裁速度对模具应力有一定的影响，符合实际情况。在保证断面质量的情况下凹凸模间隙与刃口圆角越大、冲裁速度越小，其模具所产生的应力越小。最为理想的组合是A3B3C2D1，最不理想的组合是A2B1C2D3。由于正交设计方法的局限性，不能将所有的组合罗列出来进行一一比较，摩擦因数对凸模应力的影响还需进一步的分析，因此还需结合上述归纳的较优方案，对各因素进行综合平衡以确定最佳方案。