（机械制造及其自动化专业论文）精冲分离过程的数值模拟与质量控制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 精冲技术是一种先进的金属板材加工技术，精冲工艺可获得几乎相当于磨 削的加工质量零件，尺寸公差为i t 8 7 级，剪切面粗糙度达r a o 1 8um o 1 4 pm ，可以直接用于机械的装配，省去后续工序。在精冲加工中，由于塑性变形 主要集中在凸、凹模间隙所限定的极窄范围内，变形异常剧烈，因此精冲技术的 数值模拟往往因为网格畸变等原因而难以实现。长期以来，人们对精冲过程中的 材料流动及坯料的受力、变形等的了解，都是通过工艺实验等传统方法得到的， 由于传统研究方法的局限，使得对精冲技术缺乏了解。不利于精冲工艺及模具的 优化设计。 精冲数值模拟涉及到大变形等几何非线性问题又有弹塑性变形等材料非线 性的问题。对这些问题进行分析和研究，可以揭示精冲剪切加工过程中的变形 机理和裂纹扩展机制，预测或控制剪切制件的端面特征，有助于提高控制精冲 件质量的水平。 本文在研究精冲模具结构特点的基础上，分析了精冲分离过程的运动特点， 介绍了金属成型有限元软件d e f o n n ，运用d e f 0 t m 3 d 对精冲分离过程进行数值模 拟仿真，通过模拟精冲分离过程中的齿圈压入，精冲冲裁不同阶段的运动过程， 仿真出精冲分离过程中不同阶段的应力应变，找出影响精冲件质量的关键因素， 并从精冲件剪切面质量，尺寸精度，毛刺，模具寿命四方面重点对精冲质量进 行研究。对成型缺陷进行预测。本研究可有效提高精冲模具设计效率，降低设 计成本。 由于时间及理论技术水平有限，本文对精冲分离过程仿真的研究还比较肤 浅，相关工作有待进一步深入，精冲仿真技术有待进一步提高和完善。 关键词：精冲，数值模拟，d e f o r m 3 d ，有限元，质量控制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef i n eb l 卸k i n gt e c h n o l o g yi so n eo fe x c e l l e n tm 渤lp l a t es t e e lt 0 0 l i n g t e c l l l l o l o g y ，t h ef i n eb l a n l 【i n gc r a f cc a l lb ea b l et oa c q u i r e 也eq u a l 姆e q u a lt ot l l e q l l a l 时o fg r i n d i n g n et o l e r a n c eo fd i m e n s i o ni s i t 8 i t 7 t h er o u g hd e g r e eo f s h e a rp i a l l ei sr a o 1 8 u m r a 0 1 4 u m t h ep r o d u c tc a i lb eu s e dt oa s s e m b i ed i r e c t l y n g t 1 1 ef i n eb l a r l k i n gp r o c e s s e s ，t h en o l l l i n e a rd e f o 咖m a i l l l yc o n c e n 仃a t ci n 也c p l a c ew h i c hi sl i m i t e db ym o u l dc l e f ta i l dt h ed e f o n a t i o ni ss h a r p s ot h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nt of i n eb l a n “n gp r o c e s sd e v e l o p e ds l o w l y f o ral o n gt h e ，也ep a m m e t e r s o ff m eb l a n k i n ga r ea q l l i r e d 丘d mc r me x p e r i m e n t b e c a u s eo ft t l el i m “o ft r a d i t i o n m e t h o d s ，吐l e 丘n eb l a n k i n gc r a f t 趾dm o l do p t i i n 眦s t r u c t u r ed e v e l o p e ds l o w l y n m e r i c a ls i m u l a t i o no ft l l e 矗n cb l a n k i n gp m c e s sf o rs t e e lw h i c hc o n 诅i n s e l a s t o p l a s t i cl a r g cd e f o n n a t i o ni sc o n d u c t e d 、v i t h 也es o f 研a r ed e f o r m t h e c o c k r o rt o c kd u c t i l ef r a c t u r ec r i t e r i o ni s u s e dt o n r ed i c t e l u c m ef r a c n l r ei nm ef i n e b l a l l k i n gp r o c e s s t h ed i s t r i b u t i o na i l dd e v e l o p i n g 订e n do ft l l eh y d r o s t a t i cs 雠e s s ， e q u i v a l e n ts t r e s s 肌de q u i v a l e n ts 台a i ni n 血ec o u r s eo fd e f o r m a t i o no f 也em a t e r i a l ， a 1 1 dt h ee m e r g e n c e ，d e v e l o p m e n ta n df i n a l 行a c t u r eo ft h ef i n ec r a c k si n 山en n a le n e b l a r 止i n gp r o c e s sa r ep r e d i c t e d i nt h i sp 印e r ，s 廿u c t u r ea 1 1 dc o m p o n e n t sd e s i g nm e t l l o d so ff i n eb 1 a i l ：k i n gm o u l d a r ea 1 1 a l y z e da sw e l la st h em o u l dm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n m 甜蛔d sb a s e do nd e f o r ma r ei n 拄o d u c e df o l l o w i n g b ye s t a b l i s h i n ga s s e m b l ym o d e l s o ff i n eb l a n k i n gm o u l d sw 曲d i 岱孙 mm o v i n gt y p e sa n dp r o c e c d i n gt h em o t i o n s i m u l a t i o no ff m eb l a i l k i n gp r o c e s s e sb a s e do nd e f o 】m ，e q u i v a i e n ts 订e s sa n d e q u i v a l e n ts t r a i n a c c o r d i n gt on u m e r i c a ls i m l l l a t i o n ，m em o u l dg t m c t u r e sa r e c o r r e c t e d t h ep r a c t i c eo fm o t i o ns i m u l a t i o ni sp l e a s e da r l da c l l i e v e s 恤ed e s i r c d r e s u l f st h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h r o u 曲t h em o t i o ns i m u j a t i o n ，d e s i g i le r r o r sc a nb e d i s c o v e r e de d y ，d e s i g ne m c i e n c ye n h a l l c e da i l dd e s i g nc o s tr e d u c e de & c t i v e l y b e c a u s er e s e a r c hd m ea 1 1 dm et l l e o r yt e c l l l l i c a ll e v e la r e1 i m i t e d ，也er e s e a r c ho n m o t i o ns i m u l a t i o no ff - m eb l a i l k i n gm o u l di s q u i t es u p e r f i c i a j c o r r e l a t i v ew o r k s h o u l db ed e e p e n e d ，a n dt l l es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yw a i t sf o r 缸曲e ri m p r o v c m e n ta n d c o n s u m m a t j o n k e yw o r d s ：f i n eb l a l l k i n g ，n u m e r i c a ls 证1 u l a t i o n ，d e f o r m 3 d ，f i l l i t ee l e m e n t ， q u a l 对c o n t r o l i i 亟堡望三查堂堡主堂焦丝茎 第1 章绪论 1 1 精冲技术及其发展现状 1 1 1 精冲技术及其特点 精冲技术是冲压技术发展的一个新领域，可以取代板类零件的部分或全部 的机械加工，由于精冲具有优质，高效及低消耗的特点，所以在钟表，仪器仪 表，精密机械，摩托车和汽车等现代工业中日益广泛地得到应用u j 。 精冲属于无屑加工技术，是在普通冲压技术基础上发展起来的一种精密冲 裁方法，能在一次冲压行程中获得比普通冲裁零件尺寸精度高，冲裁面光洁， 翘曲小且互换性好的优质精冲零件，并以较低的成本达到产品质量的改善。 精冲按工艺方式主要可分为强力压板精冲和对向凹模( 凸模) 精冲，强力 压板精冲是采用强力压边齿圈使材料的变形区保持立体压应力状态，使之在不 发生裂纹的情况下利用塑性剪切而分离。而对向凹模( 凸模) 精冲是利用与负 间隙整修相似的切削机理，使材料在凹模和带凸起凹模的力的共同作用下，在 向外挤压冲裁废料的同时而进行剪切的方法1 2 副悼j 。 精冲是在三动压力机或借助于能实现三向压应力的专用模具伴之适宜的精 冲材料和润滑剂而进行的。它与普通冲裁不同，在材料分离的形式上，普通冲 裁是破坏式的，而精冲属于塑性变形，因此其尺寸精度，断面质量，毛刺，塌 角等成型特征均比普通冲压好得多，但精冲要实现三向剪切压应力，必须要求 在精冲机上或要求很高的模具上进行，因此前期成本非常大| 4 j 。 1 1 2 精冲技术的发展现状 ( 1 ) 精冲使用范围 精冲技术在5 0 年代以前主要用于钟表行业。6 0 7 0 年代逐步扩大到办公机 械，照相机，缝纫机，计算机和家用电器等工业。7 0 8 0 年代进入汽车，摩托 车工业，开始了厚板和立体成型件的精冲，目前，5 0 6 0 的精冲件用于汽车 行业f 5 】d ( 2 ) 精冲零件 武汉理工大学硕士学位论文 全世界约有精冲件一万多种，集中在瑞士，德国美国，日本，俄罗斯和 意大利等国精冲零件从平面零件到立体成形( 弯曲，拉深，翻边，冷挤，压 印和沉孔等) 零件。从简单到复杂几何形状零件的加工工艺，从薄板到厚板的 冲裁，从低强度到高强度合金材料的冲裁，从小尺寸到尺寸大型化。不断的向 大，厚，硬，精方向发展。 ( 3 ) 精冲机数量 精冲机的拥有量，是一个国家开发精冲工艺的显著标志之一。全世界现有 精冲机3 0 0 0 多台，其中f e i n t 。0 1 公司生产的精冲机1 6 8 0 台，占总数的6 0 。 各国的精冲机的拥有量为：德国4 1 5 台，俄罗斯2 7 0 台，美国1 6 5 台，意大利 1 4 0 台，日本1 2 0 台，波兰5 5 台，中国4 5 台，捷克3 5 台，韩国1 0 台，新加坡 6 台。最大的吨位的精冲压力机为1 4 0 0 吨，由瑞士f e i n t 0 0 1 公司制造，冲裁板 厚达2 4 m 。 我国精冲技术起步很早，但迈步很慢。1 9 6 5 年己开始圆刃角，负间隙，台 阶凸模精冲孔及齿圈压板精冲的工艺实验，接着引进国外精冲机和研制了由普 通压力机和液压机改装的精冲机及简易精冲模具。并将精冲件从最初的手表， 照相机，打字机工业逐步扩大到机械，光电工业，现正向汽车工业延伸。在我 国。从2 0 世纪6 0 年代起，北京机电研究所率先开展精冲技术的研究，对精冲 中厚板齿形件技术，精冲挤压复合技术进行深入研究，开发出近百套单工位及 多工位精冲模具，加工出汽车变速箱换挡全套拨叉的复杂三维精冲件，厚度达 8 5 m m ，材质不仅涉及碳钢，合金钢，也涉及铜合金和铝合金等有色金属【6 】【刀。 现在各大汽车生产厂家都已建立了自己的精冲生产基地，国内也拥有广州 精冲件制造公司，北京机电研究所，二汽冲模厂，上海星火模具厂及武汉长江 有线电厂等专业性精冲件生产厂家或精冲件生产点。 1 9 7 5 ，武汉长江有线电厂( 7 3 3 厂) 在国产压力机上自行设计和安装液压 装置进行强力齿圈压边精冲电传打字机零件获得成功，大大降低了原来花高 成本购买进口精冲机费用，使得小企业采用改装精冲机进行精冲生产成为现 实，对推动国内精冲技术发展，提高精冲件质量起了推波助澜的作用。 目前，上海大众汽车厂、武汉7 3 3 厂的精冲件在品种、数量及质量水平 都是国内较好的，并己基本达国际水平。 合格的精冲件具有很高的质量，可以免去后续工序，直接用于装配，但 关键是如何获得高质量的精冲件。精密冲裁的质量包含有尺寸精度、剪切面 2 茎堡堡三查堂堡主堂垡堡奎 一一 质量、塌角、毛刺高度和平面度等。精冲件的质量取决于模具的结构是否合 理、模具的制造精度、刃口的状况、被冲材料的塑性及金相组织、零件几何 形状的复杂程度、工艺润滑剂、力能参数以及压力机的调整等p 1 。 在实际生产中要获得高质量的精冲件并不是很容易的一件事。在剪切分 离过程中，要控制分离过程使之获得正常剪切面，使碍剪切面上具有l o o 的 光亮带，塌角比较小，毛刺大小也适中，首先模具必须要保持良好的工作状 态，模具间隙合理、导柱导套以及闭锁精度达到要求、保证模具上下对中， 冲切元件刃口圆角适度。 在实际生产中，很难时刻保持模具处于最佳状态，模具设计和生产人员 不可能将各方面因素都考虑周详。因此质量控制方面还是存在很多问题。 1 2 冲压数值模拟应用现状 自二十世纪九十年代开始，日本学者在这方面做了相对较多的工作。1 9 9 8 年，汤川伸树等学者，用f e m 对板料剪切时的断裂前的加工过程进行了模拟， 采用了刚塑性模型，三角形单元，得出了相对间隙和刃口圆角尺寸对应力、应 变分布的影响规律，提出了用有限元模拟得到的静水应力分布规律来预测板胚 中初始裂纹的发生点的方法。1 9 9 7 年，小森和武等人采用节点分离及网格重划 分技术，对冲裁加工进行了分析。香港理工大学的z h c h e n 等用f e m 模拟了 精密冲裁过程，需要抑制裂纹的产生，以获得最大光亮带的要求，为此对冲裁 过程进行了细致的分析，给出了应力、应变的分布规律，在计算过程中采用了 不同的算法，解决了计算过程中的大转动和卸载问题。荷兰的y w s t e g e m a n 等 采用弹塑性v o n m i s e s 模型对冲裁加工过程进行了模拟，得到了剪切速度对剪切 力的影响，还采用了精确的网格试验法，在变形区画上网格，用显微镜对网格 的变形进行观测，得出冲裁过程中模具切入量和材料应变分布的关系7 【8 】。 在国内，彭成允等人根据塑性成型理论和厚板小孔冲裁机理并结合生产实 际，运用主应力法和上限法对冲裁过程建立了力学模型进行了应力分析。秦泗 吉等人提出当材料性能等其它条件一定时，冲裁力随着板厚的增大而增大，但单 位板厚上的冲裁力则随着板厚的增加而减小，并且在有限元模拟和实验分析的 基础上，提出了计算冲裁力的新方法【8j 1 9 】。张纪梁等分析了材料厚度对冲裁力大 小的影响原因。提出了精冲力计算应以诺谟图为准进行，并给出了新的精确计算 3 武汉理工大学硕士学位论文 的公式，同时对影响最大冲裁力的因素如冲裁力与凹模积件的关系，与下死点的 关系以及与凸模表面粗糙度的关系进行了分析。 由于断裂或破坏问题的复杂性，迄今为止用物理方法还不能定性的描述断 裂过程的许多特点，涉及断裂过程的弹塑性断裂力学的理论还不完善，对此类 问题的研究还有许多困难。利用连续介质力学的理论，借助于数值计算技术， 目前可以求出在某外力作用下物体内的应力场和位移场等。但正如许多研究者 指出的那样，精确确定位移场和应力场的方法与下一步关于断裂或破坏问题的 及粗糙的估算之间有明显的差异。 尽管存在很大困难，断裂或破坏问题一直是塑性加工中值得关注的问题， 对板料剪切加工方式中的断裂问题的研究都是近几年的事。b p p ag o u v e i a 等 考虑了多种破坏准则下的裂纹扩展模型，但这种模型并不适用于板材剪切时的 裂纹扩展。s l j e o n g 等根据损伤理论，将断裂机理用于板材剪切加工的分析中， 在f e m 分析时，将过度损伤的单元消除。s e c i 谂等，为了考察金属成型过程 中的断裂问题，用数值模拟的方法采用几种断裂准则，分析了裂纹的扩展，并 和试验结果做了对照，但采用的模型只适于特定的工艺和几何形状；在分析板 料的断裂行为时，许多学者采用了a l 卿s o n 给出的板材加工时的断裂模型。 此外在板材剪切加工中采用的破坏准则包括：最大塑性应变准则；静水压应力 准则：硬化梯度最大准则。把这些破坏准则应用到板材剪切加工分析中，还需 要一些特殊的方法【9 j 。 1 3 课题研究的目的意义及论文主要内容 1 3 1 课题研究的目的意义 精密冲裁是一种新型的金属压力加工方法，可以取代扁平类零件的机械 加工，具有优质、高效、低耗的特点，技术经济效果十分显著，特别是汽车 工业方面，是降低成本、提高性能、增加产量的重要技术措施之一。 本课题通过使用基于过程模拟系统的被金属成形软件d e f o r m 对精冲分离过 程进行数值模拟仿真，找出影响精冲件质量的关键因素，对成型缺陷进行预测， 通过优化相关参数，改进精冲技术，从而提高精冲件的质量。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 论文主要内容 本文将分六章对精冲过程及质量进行介绍和研究主要内容如下： 第l 章绪论：介绍精冲技术的发展现状与发展趋势以及本课题的研究目的 和论文结构； 第2 章精冲变形机理：介绍精冲塑性变形过程及力态分析。 第3 章精冲有限元分析理论基础：介绍精冲有限元理论基础和d e f o 删软 件； 第4 章：精冲过程数值模拟：通过建立有限元模型，用d e f o r m 对精冲过程进 行数值模拟。分析不同阶段的应力应变，同时对精冲间隙和圆角对精冲的影响 进行了分析。 第5 章：精冲实验研究与质量控制：通过采用一定的工艺制造简易精冲模对 数值模拟结果进行实验研究。根据模拟的实验条件，得出不同的实验结果曲线 进行比较，主要从剪切面，尺寸精度，毛刺，模具寿命四方面研究分析质量控 制的途径。 第6 章总结与展望：总结本课题研究工作的经验与不足，对后续研究工作 做一定展望。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章精冲变形机理 2 1 精冲工作原理 精冲是在专用( 三动) 压力机上，借助于特殊结构的精冲模，并伴之适宜 的精冲材料和润滑剂而进行的。在冲裁过程中( 见图2 1 ) ，凸模1 接触材料9 之 前，通过压边力p r 使v 形齿圈8 将材料压紧在凹模上，从而在v 形齿的内面产生横 向侧压力，以阻止材料在剪切区内撕裂和金属的横向流动。在冲裁凸模压入材 料的同时，利用顶件板4 的反压力p g ，将材料压紧，并在压紧状态中，在冲裁力 p s 作用下进行冲裁。剪切区内的金属处于三向压应力状态，从而提高了材料的 塑性。此时，材料就沿着凹模的刃边形状，呈纯剪切的形式冲裁零件。 图2 1 精冲过程 l 一凸模；2 凹模：3 一内形凹模：4 一项件板；5 一顶杆；6 一导向压板； 7 一压杆；8 一齿圈；9 一精冲材料；1 0 一精冲件；1 1 一内形废料；s p 一精冲间隙 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 精冲时金属的塑性变形 精冲从形式上看是分离工序，但实际上零件和板料在最后分离之前，始终 保持为一个整体。精冲过程中材料自始至终是塑性形变过程。而剪切面的形成 则是塑性变形的结果 10 】f 1 3 l 【1 8 1 。 精冲时，当凸模进入材料一定深度，剪切区即产生变形，其变形特点是： ( 1 ) 剪切区的材料产生了强烈的塑性流动。剪切区材料的变形，显示着材 料在高压下产生的一股金属流。从冲裁的力学角度来看，它与材料性能，应力 状态有关。而塑性流动取决于应力偏量。 冲胡黥 7 ，。7 7 ，77 医晚7 么! n 洪 。? j ? ， p v y 测f 材# 蜷筹嘲聋元s l 【一划 l 1 l l 、也一 琊蠹 j 3 k l - j _ 、? 、j 图2 2 精冲剪切区的变形 ( 2 ) 剪切区的材料贯穿着塑性延伸。剪切区内材料的变形如图2 2 所示， 从精冲时材料的塑性延伸情况显示出精冲件的外形表层从凹模侧到凸模侧的变 形程度逐渐增加，在凸模侧处达到最大值，而精冲件的内形表层则情况相反， 从凸模侧到凹模侧逐渐增加，在凹模侧达到最大值【1 4 】。 边缘纤维的变形，具有特别重要的意义。因为，对落料来说通过冲裁凸模 7 武汉理工大学硕士学位论文 刃口的变形纤维形成冲压废料上的冲裁面，而通过冲裁凹模刃口的变形纤维形 成被冲零件上的冲裁面。 精冲时，沿零件周向变形为o ，故其应变状态为平面应变状态。 假设冲裁凸模和凹模的刃口不锋利，且材料的变形仅处于刃口半径下或冲 裁间隙内进行。现考虑如图2 2 所示的边缘纤维为正方形的材料单元，其对角 线长度为l o ，边长为刃口圆角半径r k 和间隙s p 之和。在纯剪切应力的作用下， 形成在对角线方向上最大的长度变化川。 如果冲裁凸模行程与料厚相符，则材料纤维的平均变形程度e 为： s = 孚= 如争 ， 式中厶变形前材料单元的原始长度： 变形届的长度。 冲裁开始时，图2 2 所示的材料单元的原始长度 f 0 = ( 乱+ 咯) 2 ( 2 2 ) 冲裁结束时，变形后的长度l l ： = 0 一) + s ；+ 石吒2 ( 2 3 ) 由此得出平均变形程度e ： = 如 ( 2 4 ) 式中 s 材料厚度： s r 冲裁单边间隙； r k 刃口圆角半径。 通常，在精冲时料厚s 大于刃口圆角半径r k ( s r k ) ，而刃口圆角半径r k ， 实际上又大于冲裁间隙s p ( r k s p ) ，即，s r k s p 。 简化上式，可近似计算出材料边缘纤维的变形程度： 当r k o 时， 8 r 岫壶 他吒 g 臀 武汉理工大学硕士学位论文 当r k = o 时， 铲向击 协e ， 上式表明：变形程度的大小是由s r k 或s s p 而定。 图2 3 所示为精冲落料时剪切区的几何关系。此时凹模刃口带有圆角，而 凸模刃口无圆角。为了比较凹模及凸模刃口处材料的变形程度，按图2 2 的方 法在两处取对角线长分别为l r o 及l k 0 的材料边缘纤维的正方形单元。在冲裁 间隙s p 相对于凹模圆角半径较小的情况下，由上面计算边缘纤维的变形程度。 对于落料件，其剪切面是由通过凹模刃口的边缘纤维形成的，如凹模圆角半径 选择合适，则可以保证其变形程度不超过材料的塑性极限，而形成连续的光滑 的冲裁面。对如图2 3 所示的落料件，由于通过凸模刃口的边缘纤维的变形程 度过大，超出了材料所能承受的变形极限而破坏( 图2 3 ) 。 。i 讲1 司 广一一 i 广 一“ 材料边缘纤维单元! or 1 _ 删一j 。斗一：j f 凹模，1 一，、i 顶件器、 7 t p ：k r 、j 4 一j l 二- ：一 j 图2 3 精冲落料时的几何关系 因此，为保证所得到的零件的冲裁面光洁，要注意刃口倒圆的作用。 落料时将凹模刃口倒圆，凸模刃口保持锋利：冲孔时，将凸模刃口倒圆， 凹模刃口保持锋利。然而，为了保持精冲件尽可能小的弯曲，决不能进行凸模 和凹模同时倒圆。 当冲裁刃口半径r k 为板厚s 的5 ( r k = o 0 5 s ) 时，边缘变形程度e r 为； 9 武汉理工大学硕士学位论文 e r 2 6( 2 7 ) 当冲裁间隙s p 为板厚s 的5 ( s p = o 0 5 s ) 时，边缘变形程度e r 为； e r 5 0( 2 8 ) 显然，这样高的变形程度，对一般材料来说，在无叠加的静水压时，是不 可能达到的。 ( 3 ) 剪切区的材料和零件，在冲裁过程中始终保持着个整体。如图2 3 所示，在冲裁接近结束时，零件与板料仍联结在一起。直至冲裁凸模冲透板厚 时，才分离并产生毛刺【1 4 】1 1 卯。 2 3 精冲的力态分析 精冲时作用于材料的外力和变形区的应力，如图2 4 所示。 图中： 齿圈 一盯： 、h ) 图2 4 精冲时作用于材料的外力及变形区承受的应力 砂凸模作用于材料的冲压力； 砂= 毋+ 缈”： ( 2 9 ) 助“顶件反力； 户y 冲裁力； 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 j d v v 形齿内边作用于材料的力； 作用于材料的侧向力； a ，毋模具表面作用与材料的摩擦力。 i 变形区内任一点的应力张量 在变形区内任一点d 取坐标系x y z ，在该处取一基元六面体，其上作用的应 力示于图2 4 b 。q 系由0 而引起的正应力，仃v ，分别由只在x 方向的分 量和y 方向的分量只，引起的正应力，为侧向力n 引起的正应力，盯，为模 具等对材料的约束作用而引起的正应力，剪应力由外摩擦力而引起c 1 4 j f l 6 j 。 d 点的应力张量以疋表示 乙= 丁。+ r 。 ( 2 1 0 ) 式中 r 。球形应力张量； ，应力偏量。 l = n 霹：f 一争一生：1 l oo 一j 一= 一；( + 吒+ q + + 吒) 球形应力张量系0 点所受的静水压，它影响该点材料的塑性。 俜哆+ + 嘎) 毛( 吒+ 晖) 。 r l ： ；魄+ c ；：+ ：专晦+ 呦；魄+ + 三+ 呦专旺 应力偏量巧包括一对剪应力t 。，t ，和由 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 一1 4 ) 盯 2 3 d 一 1 ) 一 v 2 口 ( h o o q 盯+ 盯 ，一3 一塞望里王奎堂堡主堂垡堡茎 一一_ 一一。 等i ( 盯。+ 吒) 一；( q + 相= ) 1 ， r11 l 专( q + ) ；( 盯。+ 竹：) l 构成的二对剪应力，应力编量使材料在精冲过程中产生塑性变形。 2 关于提高变形区静水压力分析 精冲时变形区的球形应力张量为 e ：俺一舅：1 e = l o 一 o z l b ) lu u 一 是该区所受的静压力。而 一盯。= 一去( + + q + + 盯：) ( 2 一1 6 ) 因此从上式可以知道影响变形区静水压力的因素，从而找到提高静水压的途径： ( 1 ) 增大d 。 仃，：口：+ 盯：，盯；系冲裁力所引起的正应力，吒在材料一定时为一定值，哕 系顶件反力彤所引起的正应力，因此增加q 只能通过增加d ；来实现，就是说 增大顶件反力是提高精冲变形区静水压的途径之一。 ( 2 ) 增大以 仃。为侧向力引起的正应力，它与凸凹模间隙及刃口的圆角密切相关，间隙 偏大盯将降低，因此小间隙是实现精冲的关键因素。当然采用小间隙的目的不 仅是为了提高盯。在生产当中或在精冲试模时，如果发现工件某局部出现撕裂 采取措旖仍不能克服时，可将相应部位的凹模刃口倒圆，借增加吒来提高静水 压，作为消除局部撕裂的一种方法。 ( 3 ) 增大( + 气) 因为吒：、后两，显然增大( + 仃，) 可通过增大只来实现，就是说增 大压边力是提高糟冲变形区静水压的途径之一。 ( 3 ) 采用最佳压边圈齿形内角o l 当压边力定肘，还存在着压边圈齿形内角取何值时，( 口k + d 0 ) 有最大 值的问题。 由于为足引起的应力，为名引起的应力，所以( 口。+ ) 的极值问 题，可以归结为求( 匕+ 盯，) 的极值问题。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 由图2 4 知： 惫三是黼 ( 2 1 7 ) 己= 只s i n a ( 2 一l 砭+ & = 只( c o s 0 + s i n “) 取极值： ! 亟型：o( 2 一1 8 ) 西c 得只( c o s a s i n 位) + c 圮( c o s a + s i n a ) = o 因压边力为一定，只为定值，识= o 故： c o s 毡一s i i l 伐= o ( 2 1 9 ) ：三( 2 2 0 ) 4 以上结果表明，齿形内角d = 4 5 。时，( 最+ ) 或( + ) 有极大值，此时 精冲变形区材料所受得静水压力最大1 6 】f 1 8 】。 ( 4 ) 关于仃的分析 从静水压的关系式中知盯，增加也可提高静水压。但盯，为模具等对材料约束 而引起的应力，它取决于工件的形廓，在工件轮廓内凹的部分盯值比较大，这 些部分压边圈的齿形不必沿工件轮廓线分布，就能使变形区有足够的静水压， 从而使精冲过程获得完美的结果。 2 4 本章小结 本章从精冲原理，精冲塑性变形，精冲力态三方面介绍了精冲变形机理， 精冲从形式上看是分离工序，但实际上工件和条料在最后分离前始终保持为一 个整体。精冲变形过程中材料自始至终是塑性变形过程，精冲的目标就是使材 料在精冲过程中始终是塑性变形而不产生撕裂。实际过程中精冲在变形过程中 处于三向压应力状态，静水压压应力值越高越有利于材料塑性的发挥，金属破 坏时的极限变形程度越大，越有利于剪切面的成型质量。 1 3 一 茎堡墨三查堂堡主堂垡笙塞 第3 章精冲的有限元理论基础 3 1 基于相似理论的模型分析 由于塑性加工过程的复杂性，在此过程中发生的一些物理现象很难用定量 关系来描述。如金属的流动、接触面上的摩擦、塑性变形过程中热量的产生和 传递、材料显微组织和性能与过程条件之间的关系等，都很难预测和定量分析。 对于成形过程进行理论分析、有限元模拟或试验模拟时，都要对所研究的问题 进行抽象以及必要的简化，即对变形体及受力的模型进行简化，以便于进一步 的分析和研究。对于塑性加工过程进行物理模拟时，应首先对所研究的问题进 行模拟分析【l ”。 一般的，当成形制件尺寸过大或过小、成形材料强度高、成形条件苛刻( 如 成形温度高、成形力大) 等，为了节省试验费用和缩短试验周期，多根据模型相 似的原理，降低实际成形条件，进行模拟实验，然后将实验结果推广到实际成 形过程。进行数值模拟时，也同样涉及模拟分析问题，对成形过程中的各种因 素进行假设和抽象及简化，如材料模型、几何模型、接触条件、对称性、热生 成及传递、组织变化等。 在精冲加工过程中，当剪切线为直线时，一般板坯沿剪切线长度方向的尺 寸远大于板厚和模具的间隙，而剪切加工的变形区是在间隙区附近，这样沿剪 切线方向的变形可以忽略，因此，可以认为精冲加工时板料处于平面应变状态， 即沿剪切线长度的变形为零【2 “。在不考虑刃口形状( 认为刃口圆角为零) 的情况 下，精冲的初期变形模型较为简单，若不考虑压料板和剪刃的间隙，模具相对 间隙c t ( 间隙与厚度之比) 完全决定了这种加工方式情况下几何模型的形状， 而相对间隙c t 是实际设计模具选用的主要工艺参数，且当使用要求( 一般按 使用要求确定间隙) 和材料相同时，相对间隙是不变的，故可采用相似理论对精 冲加工模型进行简化分析 2 l 】【2 ”。 3 2 有限元分析的塑性理论基础 塑性理论是有限元分析的基础，这方面的内容很多，以下只就网格重划技 术中涉及的理论问题，主要是增量理论的基本理论加以简要的综述。 1 4 墓坚望三查兰堕主兰垡造茎 一一一一 塑性材料的基本特征是应力应变之间不存在唯一的对应关系，而依赖于变 形的历史。根据应力应变全量关系建立起来的形变理论的应用受到很大的限制， 特别是涉及卸载、重复加载和循环加载等情况时，形变理论是不适用的1 2 “。而 根据应力应变之间的增量关系建立起来的增量理论可以真实的反映材料的塑性 行为，同时有限元法可以克服利用增量理论寻找解析解时遇到的困难，因此作 为弹塑性有限元分析的基础，这里只讨论增量理论的有关内容【2 4 l 。 3 2 1 屈服准则 处于塑性状态的点，其应力分量的函数满足屈服准则汹1 ” ，( ) = 0 如果用偏应力分量表示，则屈服准则可表示为： ，( 巩) = o d e f o l l d 软件分析塑性问题时采用v o nm i s e s 屈服准则 ，= 3 以一盯= o 式中 1 j 12 = 鼍仃y t d q ? 或 ，1 ：= 吉 ( 吒一q ) 2 + ( q 一吒) 2 + ( 吒一t ) 2 + 6 。2 + t ，2 + t 。2 ) 3 2 2 流动准则 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 塑性应变增量与应力状态的关系采用p r a n t le r e u s s 准则 曦k d 九等 4 ) 其中d ，塑性应变增量； f 一屈服函数； d 比例系数。 式( 3 4 ) 表明，塑性应变增量张量与f = o 曲面垂直，也称垂直流动准则， 或相关流动准则。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 3 硬化准则 硬化准则规定材料进入塑性变形后的后继屈服函数( 或称加载函数) 。一般 的，加载函数能采用如下形式 f ( ，“，j i ) = o ( 3 5 ) 其中k 是硬化参数，它依赖于变形的历史。现时的塑性应变不一定显示的 出现在加载函数中，可能由k 隐式的包含在函数f 中。 对于各向同性的硬化材料，进入塑性变形以后，加载曲面在各方向均匀的 向外扩展。采用m i s e s 屈服条件，各向同性硬化的后继屈服函数可以表示成： ，( ，七) = 厂一= o ( 3 6 ) 式中厂= 1 2 墨，瓯 尼= l 3 正2 材料硬化准则一般有三种：各向同性硬化准则、运动硬化准则、混合硬化 准则。弹塑性问题一般采用各向同性硬化准则，此法则规定材料进入塑性变形 以后，随着塑性应变的增加，屈服面形状、中心点及在应力空间的方位均保持 不变，而加载曲面在各方向均匀的向外扩张。 各向同性硬化的后继屈服满足v 0 nm i s e s 屈服条件，式( 3 6 ) 成立，式中， os 是现时的后继屈服应力，它是等效塑性应变7 的函数，可以表示成： ；9 = p ；= 玎去d s 。，d e 。， 1 7 2 c 。一， 显然，后继屈服函数只与等效塑性应变和应力状态有关。 3 2 4 加载与卸载 该准则用以判别从一塑性状态是继续塑性加载还是弹性卸载，这是计算过 程中判定是否继续塑性变形以及决定是采用弹塑性本构关系，还是弹性本构关 系所必须的。可以表述如下： ( 1 ) 若f ：o ，要d 吩 o ，则继续塑性加载 0 0 。 ： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 若f = o ，兰d o ，则由塑性按弹性加载 d d i ? 若降。，苦拈，一o ， 对于硬化材料，此情况为中性变载，即仍保持在塑性状态，但不发生新的 塑性流动( 磊”= o ) 。 3 2 5 断裂问题的处理 断裂是研究板材剪切加工不可回避的问题，正是由于剪切加工包括断裂过 程而变得非常复杂。 涉及塑性加工中断裂问题的理论主要有：稳定性理论、裂纹理论、损伤累 积理论和断裂概率理论等 2 6 】【2 8 1 4 1 】。除了稳定性理论可用于解决均匀变形中的失 稳断裂问题外，其他理论还不太完善，但是在不少的文献资料中可以看到，对 这些理论作一定的简化后，已用于解决塑性加工中的实际断裂问题。 目前，用于塑性加工中的韧性断裂准则多是以空穴理论为基础建立的，空 穴理论属于损伤累积理论。 c o c k r o f t 和l a t h e m 将静水应力的作用作了最简单的表达，即最大拉应力 沿应变积分，其值达到固有值时，材料开始断裂，即： 一 一 【。d = c l ( 3 8 ) 式中：等效应变； d 等效应变增量； o 【i l a x 最大应力； c l 材料常数。 对板材剪切加工，若认为断裂的最大拉应力为常数，可进一步将c o c k r o f t 和l a t h e m 断裂准则进行简化，即当下式成立时，认为材料发生了断裂： 三，= c + ( 3 9 ) 式中c 为材料常数，可以通过实验测得板料裂纹产生时的模具压下量并通过 数值计算最大等效应变来得到。这种简化处理的方法已被一些学者采用。在模 拟精冲的实际过程中，本文采用了消除单元的方法用于处理剪切过程中的断裂 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 问题，即当某单元的等效应变满足式( 3 9 ) 时，认为该单元表示的实际材料产生 了断裂，将该单元从总模型中消除，即在以后的计算中认为该单元的刚度为零。 本文计算所采用的值，按照与平均延伸率成比例的方法，参照文献 2 0 给出的c 值确定( 当n = 0 2 2 时，船= 3 8 8 ) 。材料的延伸率由已知条件给出， 或由实验方法确定1 2 。 精冲的冲裁加工过程是一个复杂的非线性问题，具体体现在以下三个方面： 3 2 5 1 材料的非线性 在金属的变形进入到塑性阶段，材料的应力一应变关系不遵守h 0 0 k e 定 律，而且与应变速率、温度等有关，在弹塑性有限元分析中，一般采用的是 p r a n d t l 一r e u s s 假设和m i s e s 屈服准则。在金属冲裁加工中，还要考虑加工 硬化的影响 2 7 【3 0 】【3 8 1 。 3 2 5 2 几何非线性 金属冲裁加工的塑性变形过程是一种大位移变形以及有限应变的弹塑性问 题，除了考虑材料的非线性外，还要考虑几何非线性问题。在这种情况下，位 移和应变之间的关系是非线性的，在结构分析中的小变形问题都忽略了二次导 数项，简化为线性关系。另外，在小变形中经常忽略刚体转动的影响，在大变 形过程中包含了刚体的转动。在建立弹塑性有限变形的有限元方程时有两种描 述方法：一种是l a g r a n g e 描述方法，以材料的初始位置为参考来描述，又称 为质点坐标系描述，有限元网格随材料的变形而变化；另一种是e u l e r 描述方 法，以材料的变形后的位置为参考来描述，又称为流动坐标系描述，在e u l e r 法中，有限元网格不随材料的变形而变动。在d e f o r m 有限元模拟中，采用的 是l a g r a n g e 方法【2 l 】。 3 2 5 3 边界条件的非线性 这里主要是指接触问题。在冲裁加工中的模拟中，材料的所有边界条件不 是在计算开始前就可以给出的，材料与模具的接触是通过计算得到的，并且是 动态变化的。 金属的韧性断裂是由空穴的聚结而引起的，这些空穴是由位错堆积、第二 相粒子或其他缺陷而产生的。在塑性变形的影响下，空穴能够增长、扩大，直 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 至许多空穴之间的很小面积内变形的局部性来决定的，经常会引起局部的小规 模空穴现象。空穴之间的韧带破坏会引起空穴连接，导致断裂的开始。断裂的 传播是通过周围有很多空穴的裂纹的逐次聚结而进行的【2 8 l 【2 9 1 。 在材料的断裂的模拟中，断裂准则的选取很重要，目前材料的韧性断裂准 则有很多，但大多是应用于结构分析中局部断裂破坏的预测，这些准则建立在 材料的弹性行为基础上，塑性区仅局限在裂纹尖端。应用这些方法可以得到一 些结果，但是它们从概念上描述材料的实际分离过程。在冲裁中，材料发生的 断裂行为属于宏观断裂行为，并不能完全用这些准则来分析。在冲裁过程的数 值模拟中， 材料的断裂准则应该满足以下两个条件： ( 1 ) 准则对各种裂纹都合理( 表面裂纹和内部裂纹) ； ( 2 ) 能够将其应用到有限元程序中。 目前应用在材料加工的韧性断裂中，符合上述条件的有c o c k r o f t l a t h a m 准则、m c c l i n t o c k 准则等，这两个准则都是与研究破坏相关的，因为他们都是 基于应力、应变以累积破坏计算的。 应用这两个准则时，都是根据材料的最大破坏值是否达到了临界值来判断 材料的断裂与否。临界破坏值虽然会受到加工条件的影响，但还是将其视为像 屈服应力、强度极限一样的材料常数。在1 9 7 9 年，k o b a y a s s h i 等通过实验发 现以上两种准则是相关的口”。 在d e f o r m 软件中，提供了c o c k r o f t l a t h a m ，m c c lin t o c k ，f r e u d e n t h a l 等1 0 种材料的破坏准则，另外用户也可以通过二次开发，定义材料破坏准则。 在本文的模拟中，选择了n o