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(yè)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(guī)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(tǒng)稱為沖裁[2]。沖壓工藝生產效率高，產品質量穩(wěn)定，材料利用率高，廣泛應用于機械制造、信息產業(yè)等工業(yè)，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(guī)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(yōu)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(huán)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(yè)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(qū)內， 而區(qū)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(xù)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(yè)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(yè)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(yè)出版社，2009.