基于Deform—3D的鋼管沖裁長圓孔成形過程仿真研究

余建華 李有文

摘 要：為研究在鋼管上沖裁長圓孔的加工新工藝，文章利用DEFORM-3D商業化有限元軟件，采用結構設計合理的模具，用45號無縫鋼管模擬仿真該成形過程。分析成形過程中材料變形的應力、應變分布情況和沖裁速度對變形的影響，找出變化規律，得到合理化工藝參數，為生產實踐提供指導。

關鍵詞：沖裁工藝；長圓孔；模具設計；有限元仿真

引言

沖壓工藝是塑性加工基本方法之一，主要用于板料沖壓，可分為分離工序和成形工序。落料、沖孔、裁剪等屬于分離工序；彎曲、拉深、脹形等屬于成形工序[1]。落料和沖孔統稱為沖裁[2]。沖壓工藝生產效率高，產品質量穩定，材料利用率高，廣泛應用于機械制造、信息產業等工業，可沖壓如汽車覆蓋件、儀器儀表元件等。在管材外圓面上進行沖壓比較困難，存在很多局限性和不完善的地方。本研究著力設計新結構的冷沖模，并運用Deform-3D[3]軟件模擬仿真在45號無縫鋼管上沖裁長圓孔的工藝過程，分析材料變形的應力、應變分布情況和沖裁速度對變形的影響，找出變化規律，得到合理化工藝參數，指導生產實踐。

1 沖裁長圓孔工藝分析及模具設計

1.1 工藝分析

圖1所示的45號無縫鋼管零件圖，內徑φ36mm，壁厚3mm，左右兩側各開20mm×35mm的長圓孔，孔的軸線與管子的軸線在同一平面上。一般采用鏜削、銑削或者線切割的機加工方法制成該長圓孔，但銑削易使管子變形，線切割工作效率低， 成本高。經工藝分析，認為采用沖裁的方法經濟可行，但仍然存在以下困難：一方面沖裁過程中沖頭與管材外圓面接觸面積較小；另一方面管材圓弧半徑使得同時刻沖頭壓入管材的深度不均，完全切斷管材所需沖頭行程有所增大。因此需采用合理的工藝方案和結構設計優良的冷沖模[4]去解決這些困難。

1.2 方案設計

毛坯管件采用環形壓緊，須在φ36mm內孔中設計凹模，凹模與支撐塊配合，保證凹模的型腔與沖頭的位置正確。裝配定位正確后，先以外圓面為基準，沖第一個孔；然后將工件轉180°，以第一個孔為基準再沖第二個孔。

1.3 模具設計[4，5]

（1）間隙選擇

沖裁間隙是指凸、凹模刃口間縫隙的距離，它是沖壓工藝和模具設計中的重要參數，直接影響沖裁件的質量、沖裁力、模具壽命。根據材質類型，材料厚度，查表選擇沖裁模初始較大雙面間隙Zmax、Zmin值。

（2）凸、凹模刃口尺寸的確定

沖裁件的尺寸及公差主要靠凸、凹模刃口尺寸精度及其公差來實現和保證。采用互換加工法制造凸、凹模簡單方便，精度易保證，所以本研究采用該方法設計凸、凹模，沖孔時刃口尺寸及公差計算公式如下：

（3）凸模長度確定

凸模長度一般根據模具結構需要而定，可用下列公式計算：

L=l1+l2+l3+l

式中：L-凸模總長度，單位mm；l1-凸模固定板厚度，單位mm；l2-卸料板厚度，單位mm；l3-導尺厚度，單位mm；l-附加長度，單位mm，一般取l=15～20mm。

基于上述設計原理，凸、凹模的主要尺寸參數見表1。

實現鋼管上沖裁長圓孔工序的模具如圖2所示。

2 沖裁長圓孔的有限元模擬關鍵技術

2.1 軟件選用及幾何模型

目前市場上出現的廣泛運用于沖壓、鍛造等金屬成形的專業軟件有DYNAFORM、DEFORM、AUTOFORM等。DYNAFORM用于模擬板料拉深、彎曲等成形工序，而DEFORM-3D可模擬3D材料流動，適用于模擬沖裁工序。所以，本研究中選用該軟件進行模擬分析。

在DEFORM-3D軟件中不能直接建立三維幾何模型，本研究先采用Pro/E建模，以STL格式保存文件，再導入DEFORM-3D中進行模擬設置。

2.2 網格劃分及模擬設置

DEFORM-3D軟件自帶網格劃分程序，分絕對尺寸和相對尺寸兩種。網格類型是四面體，容易實現模擬過程中網格重劃分，且重劃分時工件體積損失最小，計算誤差最小。DEFORM-3D軟件中的求解器分稀疏矩陣求解器和共扼梯度求解器，采用共扼梯度求解器，工作效率高。

圖3為前處理模型示意圖，模擬設置為：管胚設為變形體， 網格數為70000（相對網格），采取網格自動重劃分，模具均設為剛體。管坯材料設置為AISI-1045，[70F9（20C）]，凸模和凹模材料設置為AISI-D2。模擬過程中不考慮溫度變化，設置為室溫20℃。凸模與管胚、凹模與管胚的摩擦系數設為0.12，其余設置為0.01。凸模的運動設置為-z方向，速度10mm/sec，總行程20mm，模擬步數20步。

3 模擬結果與分析

3.1 等效應變、應力分析

圖4為變形過程中材料的等效應變分布云圖，圖5為等效應力分布云圖。分析可知，沖裁長圓孔的過程中，材料的等效應變和等效應力主要分布在模具刃口連線上，且均勻分布在長圓孔形的沖孔廢料區內， 而區域外的等效應變和應力幾乎為零。

隨著凸模向下沖裁的行程增大，等效應變數值先增大后減小；最大等效應力數值在整個沖裁過程中基本保持不變，應力集中點沿模具刃口連線分布，且具有對稱性。沖裁過程中，拉應力集中出現在靠近凸、凹模工作刃口處。凸模與管胚的頂端即長圓孔的長尺寸方向最先接觸，使材料首先在此處產生斷裂。凸模繼續向下沖裁使管胚短尺寸方向上材料的對稱裂紋逐步加深直至斷裂，所以短尺寸方向上的材料在整個沖裁過程中，承受最大應力的時間最長。

3.2 沖裁速度對變形的影響

圖6為材料損壞圖，對應凸模沖裁速度分別為8mm/sec，10mm/sec。分析得，在沖裁長圓孔的過程中，沖裁速度越快，料達到同樣的變形程度所需要的模擬步數越少，耗時越短。沖裁速度過慢或過快，都會使沖裁口毛刺增大，增加管胚網格重劃分次數，計算量繁重。采用10mm/sec的速度沖裁長圓孔得到的沖裁效果最好，長圓孔的沖裁邊緣較光滑平整，材料的最大損壞值也小。

4 結束語

文章主要實現了鋼管上沖裁長圓孔工序的模具設計，并在DEFORM-3D軟件中模擬仿真了沖裁工序的整個成形過程。分析等效應變、應力分布以及沖裁速度對變形的影響，合理選用沖裁速度以得到沖裁邊緣平整光滑的高質量沖裁件。

參考文獻

[1]李春峰.金屬塑性成形工藝及模具設計[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]鄧文英.金屬工藝學[M].北京：高等教育出版社，1991.

[3]李傳民，王向麗，閆華軍.DEFORM5.03金屬成形有限元分析實例指導教程[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]劉靖巖.冷沖壓工藝與模具設計[M].北京：中國輕工業出版社，2006.

[5]郝海濱.沖壓模具簡明設計手冊（2版）[M].北京：化學工業出版社，2009.