基于Deform應用下的沖裁模具變量對凸模應力的影響分析

洪健 ， 曾慶生， 吳柳飛

（南華大學機械工程學院，湖南衡陽 421001）

0 引言

沖裁模具的沖裁間隙、刃口圓角半徑、沖裁速度、摩擦因數是模具設計的幾個重要的參數。1）研究表明，凸凹模間隙對沖裁質量和模具壽命均有很大影響，一般情況下模具間隙增大凸模壽命也隨之增加[1]，與此同時凹凸模間隙越大毛刺的高度也就越大。2）在實際生產過程中都會在凹凸模刃口處增加圓角工藝，在凹凸模的刃口加入適當的圓角工藝有利于材料的塑性流動，以延長沖裁過程中的塑性剪切時間，有效地抑制裂紋的產生，提高產品的斷面質量[2]。3）沖裁速度在一定程度上影響著生產效率，沖裁速度的增加可以縮短生產時間，但對于板料的塑性階段凸模的下行速度往往限制在一定的范圍內，同時沖裁速度也是造成模具磨損的一個重要工藝參數，沖裁速度的增加會導致沖裁模具磨損的增加[3]。因此，分析沖裁速度對于模具的影響也是很有必要的。4）潤滑方式及潤滑狀態對模具壽命影響也十分明顯，摩擦條件不合理不僅增大變形力、引起變形的不均勻，同時還會造成模具過快磨損、破裂,降低模具的使用壽命[4]。

這些因素的存在使得模具設計存在著許多不確定性和隨意性，因此在模具設計之前進行仿真模擬分析是很有必要的。本文以某卡環的精密沖孔模為例，基于Deform軟件通過正交試驗選取最合適的沖裁間隙、凹模圓角半徑、凸模模速度和摩擦因數組合，對模具設計具有很大的意義。

1 有限元建模與仿真實驗

由于模具的體積較大，結構復雜，考慮有限元求解的精度與時間問題，需要對模具結構進行簡化，可以在不破壞模具本身力學性能的前提下忽略一些標準結構及細小特征[5]。根據模具及坯料的結構，選取各零件的1/3部分以進一步簡化。制件沖裁成形與模具應力計算分開進行，可降低計算成本，因此本文運用SolidWorks三維軟件建模并導入Deform先進行成形分析，最后應用Die stress analysis模塊進行模具應力分析。建模時先將工件設置為塑性體，凹凸模設置為剛體，最后將模具設置為彈性體。考慮計算精度與時間成本采用對材料進行局部細化坯料網格，網格類型為四面體網格，單元數目為90 000，局部細化比例為0.01。簡化后的幾何模型如圖1所示。

圖1 簡化模具模型

模型凹凸模采用Cr12鋼，坯料材料參數如表1所示，本文選取近似材料，在現有的材料基礎上更改參數獲取所需的新材料。坯料斷裂準則選取Cockroft&Latham準則，斷裂閾值為4.5。

表1 材料參數表

2 正交實驗設計

對精沖模具的影響參數進行正交試驗設計。正交試驗設計是一種用來科學地設計多因素多水平的試驗設計的方法，正交設計的特點是采用部分試驗來代替全部試驗，通過對部分試驗的結果進行分析，從而能夠全面地了解到試驗的情況，最終得到最佳工藝方案[6]。

2.1 參數的選取

由于沖裁間隙影響著精沖過程中變形區材料的應力狀態及其分布，因此，為了在精沖變形區域內更容易獲得靜水壓力，會使用比普通沖裁更小的沖裁間隙，以此提高精沖質量。以此為依據，選取如下系列間隙：0.03 mm、0.05 mm、0.07 mm[7]。光潔沖裁圓角半徑一般為R≈0.1S[8]，選取如下系列圓角：0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm。沖裁速度不僅關系到生產效率，還影響制件的尺寸精度以及成形質量，選用合適的沖裁速度可以延長板料的塑性剪切變形過程，從而改善制件的斷面質量，由于精沖是個準靜力狀態過程，所以根據實際需要選取5、10、15 mm/s三個沖裁速度。在模具壽命分析中，如何減少磨損，避免局部磨損過大，合理選擇潤滑劑，研究摩擦因數與工作狀態的關系，對提高模具使用壽命非常重要[9]。本文根據實際生產常用的潤滑方式，確定摩擦因數0.08、0.15、0.2。具體參數選取如表2所示。

表2 因素和水平

2.2 正交實驗結果

本文通過正交試驗設計模擬出對沖裁間隙、凹模圓角半徑、沖裁速度、摩擦因數4種參數對模具的影響，通過最終得到的沖壓模具的應力結果，可以有效并全面地考察對沖壓模具的影響。各參數在合理范圍內取三個數值建立了9組模型，將模具設置成彈性體，利用Die stress analysis模塊進行模具應力分析，最后對試驗結果進行數據分析，得出結果如圖2所示。

圖2 各參數下的凸模等效應力云圖

圖2表示不同組合參數下所對應的最大沖裁力下的模具等效應力。由圖可看出，凸模所示最大等效應力主要集中在刃口部位，這也同時印證了凸模刃口易磨損的原因。由圖不難看出，不同的組合參數下凸模刃口的應力差別較大，最大應力達到了1650 MPa，最小的為986 MPa，具體結果如表3所示。

3 結論

由表可知凹凸模間隙、刃口圓角與沖裁速度對模具應力有一定的影響，符合實際情況。在保證斷面質量的情況下凹凸模間隙與刃口圓角越大、沖裁速度越小，其模具所產生的應力越小。最為理想的組合是A3B3C2D1，最不理想的組合是A2B1C2D3。由于正交設計方法的局限性，不能將所有的組合羅列出來進行一一比較，摩擦因數對凸模應力的影響還需進一步的分析，因此還需結合上述歸納的較優方案，對各因素進行綜合平衡以確定最佳方案。

表3 正交表L9(34)

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