基于有限元分析改善落料沖孔模具上墊板零件的 應力與應變

楊仕杰

湖北江華機械有限公司 湖北襄陽 441000

1 序言

計算機輔助工程和有限元分析技術在提高生產率、保證產品質量、降低生產成本和減輕勞動強度等方面都具有極大的優越性[1]，隨著我國模具行業的高速發展，模具設計人員素質不斷提高，對模具設計的要求也不斷提高，結合有限元分析做模具設計成為從業人員的必備技能。通過有限元模擬分析，可以發現早期設計缺陷，優化和改善設計方案，縮短產品的開發和制造周期并降低生產成本。

本文對某墊片零件落料沖孔模進行設計，計算其沖裁力，分析模具上墊板零件的受力情況，對分析結果進行改善，優化模具設計以達到理想的模具使用效果。

2 典型零件結構說明

現有厚度為5mm的墊片零件，零件結構如圖1所示，其材料為45鋼，退火態。零件圓周上有均布的若干個孔，為實現批量生產需要設計模具。

圖1 零件結構

3 模具設計

零件精度要求為IT10級，為了保證零件上孔的位置精度并實現大批量生產，需要分析零件結構，設計落料沖孔復合模具，以滿足零件精度要求和生產需求。

3.1 模具結構設計

模具結構如圖2所示，模具工作時，上模板2帶動導套3下行，凹模12與卸料板21和板料接觸壓緊，凸模一15和凸模二14首先接觸板料進行沖孔；隨著上模繼續下行，橡膠16被壓縮，凸凹模17上行，與凹模12共同完成落料沖裁；落料時，上模上行，打料桿5帶動上推料板7下移，退料桿11帶動推料板13下行后，繼續推動推料板13完成零件卸料。

圖2 模具結構

3.2 受力分析

零件沖裁中心位于圓周的中心處，根據模具結構及工作原理可知，上墊板9主要受凸模一15和凸模二14沖孔時垂直向上的沖裁力作用，推料板13主要受落料時的沖裁力作用。

3.3 受力計算

根據模具結構，凸模一和凸模二均采用平刃口結構，可計算出沖孔時沖裁力

式中，F0是計算的理論沖裁力（N）；A0是沖（剪）切面的面積（mm2）；L0是沖裁件的沖裁線長度（mm）；t是沖裁件料厚（mm）；τ是材料的抗剪強度（MPa）。

材料的抗剪強度τ是一個變化較大的數值，會隨著剪切工具的結構形式及剪切條件而變化，通常要在真實或相似的條件下進行試驗，獲取接近實用的數據[2]。材料的抗拉強度σb與抗剪強度τ近似滿足下面關系

查詢資料可知，45鋼的抗拉強度σb為600MPa[3]。由式（1）和式（2）可計算出凸模一和凸模二沖孔和落料時所受的沖裁力，分別為877232.25N和833733.14N。由于考慮到實際生產過程中板料會有同板差，實際板厚會在一定范圍內波動；沖裁刃口工作一段時間后會因逐漸磨損而變鈍，沖裁力會隨之增大；由于沖裁間隙分布不合理、不均勻，以及材料力學性能的波動等因素，實際沖裁力會比計算的理論沖裁力增加10%～30%，所以要在理論計算沖裁力F0的基礎上，增加安全系數來計算平均沖裁力，即

式中，K是安全系數，通常K值為1.1～1.3。

根據式（1）～式（3）進行計算可得：模具在工作中所受的沖孔總沖裁力為1140401.93N；落料時所受的總沖裁力為1083853.08N。

4 有限元模擬分析

由模具結構可知，模具工作中上墊板9主要受沖孔時的沖裁力作用，且在受力方向上沒有支承零件，為懸空結構；推料板受到沖裁力時有凸模固定板10等零件支承，可以近似假設為剛體。利用NX NASTRAN模擬軟件對上墊板9所受的沖裁力進行有限元模擬分析。

4.1 模具零件受力分析

上墊板零件如圖3所示，材料為45鋼，熱處理硬度為42～47HRC。上墊板主要受垂直向上的應力，范圍在φ90mm圓內，材料的物理性質見表1，網格劃分及邊界條件加載如圖4、圖5所示。

圖4 上墊板網格劃分

圖5 上墊板邊界條件加載

表1 45鋼的物理性質

圖3 上墊板零件

4.2 模擬結果說明

應力、應變模擬計算結果分別如圖6、圖7所示。由計算結果可知，上墊板在沖孔時所受的最大應力為3468.484MPa，最大位移量為1.335mm，應力集中于孔位置，應變最大處位于零件中心。

圖6 應力模擬計算結果

圖7 應變模擬計算結果

4.3 實際照片

模具制作后進行試沖驗證，試沖后的上墊板零件如圖8所示。上墊板在工作中已出現裂紋，不能滿足使用需要，實際試沖后的裂紋應力、應變位置和變形的形貌與有限元分析結果一致。

圖8 實際試沖后的上墊板

5 模具改進及改進后分析與計算

為了滿足模具的使用需要，同時提高設計使用效率和材料的利用率，減少加工制造成本，根據前文分析結果及試沖后的實際情況，在模具工作結構不更改的前提下對上墊板結構進行更改，將上墊板厚度增加10mm，增加其強度以保證得到更好的抗應力、應變能力，更改后的上墊板零件如圖9所示。

圖9 更改后的上墊板零件

6 有限元分析計算

將更改后的零件進行有限元分析計算，材料依然選擇45鋼，熱處理硬度為42～47HRC，應力、應變模擬計算結果分別如圖10、圖11所示。

圖10 更改后的應力模擬計算結果

圖11 更改后的應變模擬計算結果

由計算結果可知，在零件結構更改后上墊板所受的最大應力為1143.69MPa，所受的最大應變為0.225mm，相較于更改前，應力和應變有了明顯改善，提高了使用性能。進行實際試沖測試，發現零件更改后能夠滿足實際沖裁的使用要求。

7 結束語

模具工作時上墊板主要受凸模的沖裁力作用，受力形式為懸空結構形式，對上墊板進行有限元應力、應變分析，實物試沖結果與有限元分析結果一致，更改上墊板原結構，有效減少了零件工作過程中的應力、應變，滿足了模具的使用需求。

20221212