基于Pro/ENGINEER的沖裁力和沖裁模壓力中心確定

常州輕工職業技術學院模具系　都超平

利用Pro/ENGINEER軟件系統可以快速查詢實體物性的功能，通過建立和沖裁輪廓相對應的薄壁實體模型，快速得到各類沖裁方式中沖裁力數值大小和壓力中心位置，方法簡便，具有普遍的適應性和較強的實用性。

一、引言

沖裁力和沖裁模壓力中心的計算確定，是設計沖裁模時工藝計算的主要內容之一。沖裁力是選用壓力機和設計沖裁模的重要依據。模具的壓力中心就是沖壓力合力的作用點。為了保證模具和壓力機的正常工作，應使模具的壓力中心和壓力機滑塊的中心線相重合。否則，沖壓時會使滑塊承受偏心載荷，導致滑塊導軌和模具導向部分不正常磨損，還會造成凸、凹模之間的間隙分布不均勻，從而影響制件質量和降低模具壽命甚至損壞模具。

一般手冊和教科書介紹的沖裁力和壓力中心的計算方法，較為繁瑣、容易出錯，適合于不是很復雜的形狀的計算，在遇到不規則曲線等復雜情況時則難以計算，而利用Pro/ENGINEER強大的造型和分析功能，可以快捷、準確地得到所需參數。

二、Pro/ENGINEER系統應用分析原理

1.沖裁力的計算原理

沖裁力一般是根據剪切原理進行計算。當用普通平刃模具沖裁時，其沖裁力F的計算公式為：

式中：K為安全系數，一般取K=1.3；L為沖裁周邊長度（剪切長度），單位為mm；t為板料厚度，單位為mm；τb為板料的抗剪強度，單位為MPa。

2.壓力中心的計算原理

形狀對稱的沖裁件，其壓力中心位于沖裁輪廓的幾何中心上，一般不需計算。而對多凸模沖裁和形狀復雜的單凸模沖裁的壓力中心，按合力矩定理進行解析計算，如圖1、2所示。

圖1　復雜形狀單凸模壓力中心計算

圖2　多凸模壓力中心計算

因沖裁力F與沖裁周邊長度成正比，所以式（2）、（3）也可用沖裁周邊長度。

3.Pro/ENGINEER求解沖裁力和壓力中心原理

由公式（1）、（4）和（5）可知，沖裁力和壓力中心均和沖裁周邊長度相關，單凸模沖裁各邊和多凸模沖裁的各沖裁力均為空間平行力系，平行力系的合力大小等于各分力的代數和。平行力系合力的作用點即壓力中心的位置，和沖裁周邊各線段組成輪廓的質心重合。

在Pro/ENGINEER系統中，可以很方便地查詢得到實體的體積、質心、慣性矩等參數。若按沖裁周邊輪廓按拉伸薄板（加厚草繪）的方式，只要薄板厚度足夠小，則拉伸實體的質心和壓力中心位置在相當高的精度內重合，在輪廓平面內，質心的坐標值即壓力中心的坐標值，如圖3所示。

圖3　薄板輪廓的質心

三、實例應用

圖示沖裁件，材料為Q235鋼，板料厚度t=1mm，分別確定沖裁外輪廓、復合沖裁、級進沖裁（多凸模沖裁）時沖裁力和壓力中心。

圖4　沖裁件零件圖

在Pro/ENGINEER系統中，分別安裝實際的沖裁輪廓畫草圖，選擇拉伸（加厚草繪）的方式，薄板的厚度取δ=0.1mm，拉伸高度考慮實際顯示效果，按H=3.5進行拉伸，則此時壓力中心不變，質量數值亦即沖裁力的數值，單位為kN。圖5～7為外輪廓沖裁、復合沖裁和級進沖裁（多凸模）三種沖裁情況。

圖5　外輪廓沖裁

圖6　復合沖裁

圖7　級進沖裁（多凸模）

IM

圖5～7中的三種沖裁情況的Pro/ENGINEER系統結果和手工計算的結果對比如表所示。

表 Pro/Engineer系統和手工計算結果對比

四、結語

從數據結果對比表1可以看出，當取加厚草繪（薄板厚度）δ=0.1mm進行輪廓拉伸時，Pro/ENGINEER系統生成的結果和手工計算的結果，在不同的沖裁模具形式中都是高度重合，其精度完全滿足實際沖壓的需要。用Pro/ENGINEER系統生成計算結果，更快捷高效，適應性廣，尤其對于有復雜曲線輪廓的沖裁件，優勢特別明顯。

基于此原理，對于不等厚板材的沖裁，Pro/ENGINEER系統同樣可以適用，只需對拉伸輪廓按厚板變化稍作處理。

從拉伸輪廓圖容易看出，壓力中心（輪廓質心）和沖裁件本身的重心是兩個概念，一般情況下是不重合的。

Pro/ENGINEER系統的這種確定沖裁力和壓力中心的方法，同樣適用于其他三維軟件。