基于Deform的板料冲裁过程有限元模拟与分析-刘杰.pdf
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1、装备制造技术 2 0 1 3 年第 5 期从表面上看, 似乎冲裁过程十分简单, 一个冲裁零件, 可以在压力机滑块的一次直线行程中, 用很短的时间就加工出来, 而且冲裁制件不发生弯曲, 依然保持板料的平面形状, 似乎没有发生塑性变形过程。事实上, 板料的冲裁加工异于一般的金属塑性加工。在冲裁过程中,沿冲裁件的轮廓线板料经历十分复杂的变形, 由塑性变形到最终的断裂分离, 整个过程变形集中在一个很狭窄的范围,同时变形过程涉及断裂问题, 这给有限元分析带来一定的困难。为了模拟板料的冲裁加工过程, 就要采取相应的处理措施。如: 当网格畸变程度严重时, 刚度矩阵奇异, 致使计算过程难以收敛, 要对变形网格
2、进行重新划分; 当满足断裂条件时, 要采用与实际相符的断裂准则, 将断裂引入计算过程中 1 。1 有限元前处理在剪切线为直线或轴对称的情况下, 为了节省计算时间, 可以运用 D e f o r m - 2 D进行模拟分析。模具及板料的几何参数和性能参数如表 1 所示。网格划分是有限元分析前处理中最重要的工作。对于冲裁加工而言,由于其变形过程集中于局部, 板料的变形集中在凸、 凹模刃口附近, 在通过网格删除的方法模拟板料的破坏过程中,为了减少计算误差,材料破坏区域的网格越小越好,但是网格(单元) 数量越多, 计算过程中网格重划的状态参数传递时间越久, 计算时间越长, 同时占用的存储空间越多。为了
3、合理的分配计算时间、 存储空间以及计算精度, 需要合理的分配网格密度, 在变形比较大的部位, 网格尺寸尽量小一些, 在其他地方, 网格尺寸可以适当大一些。D e f o r m的有限元前处理中, 可以实现用户自定义的网格划分,同时在 D e f o r m中有一种网格定义的跟踪技术, 可以局部定义网格尺寸窗口, 这些窗口可以与模具一起运动, 当网格重划时, 跟踪窗口定义的单元尺寸划分。本实验网格划分数量为D e f o r m - 2 D能划分的最大数量 1 0 0 0 0 。2 应力应变分析在冲裁加工时,由于用传统的理论方法只能对变形区的应力应变作定性分析, 变形区域的狭小, 又难以用实验研
4、究的方法对变形过程中的位移或应变进行预测, 因此, 很难得到变形区内精确的应力应变场, 这也是造成冲裁加工理论滞后, 难以解释冲裁加工中众多复杂现象的一个重要原因 2 。借助于有限元模拟技术,可以精确的得到变形区内的应力、 应变场, 这是研究冲裁加工的基础。冲裁加工中的很多问题, 如: 以抑制裂纹扩展为目的的精密冲裁技术,以促进裂纹扩展为目的的切断分离技术, 通过控制裂纹的延展来提高冲裁件质量、 降低冲裁振动噪音等, 都要首先计算出应力、 应变场的分布, 然后根据应力、 应变分布的具体情况, 提出冲裁加工工艺所要求的具体措施。基于 D e f o r m的板料冲裁过程有限元模拟与分析刘杰1,
5、南雷英2, 郭燕伶1(1 . 广州番禺职业技术学院, 广东 广州 5 1 1 4 8 3 ; 2 . 远东锻压设备有限公司, 山东 潍坊 2 6 1 0 0 0 )摘 要: 应用 Deform 商业有限元分析软件, 对不同厚度的板料冲裁过程进行模拟计算, 获得冲裁过程各阶段应力、 应变状态, 以及整个过程冲裁力的变化。分析了冲裁工艺参数对板料裂纹生成及板料断裂位置的影响。从而可以根据冲裁过程中材料的应力应变与滑块速度的关系来制定冲裁工艺, 编制冲裁力 - 行程曲线, 使得冲裁力变化缓慢, 延长贮存在压力机的弹性变形能的释放时间, 以大大降低机器的振动与噪声, 最终达到静音冲裁的目的。关键词:
6、冲裁; 有限元; Deform; 模拟中图分类号: T G 3 8 1文献标识码: B文章编号: 1 6 7 2 - 5 4 5 X (2 0 1 3 ) 0 5 - 0 1 9 3 - 0 4收稿日期: 2 0 1 3 - 0 2 - 0 9基金项目: 广东省科技计划项目 (编号: 2 0 1 1 B 0 1 0 3 0 0 0 1 7 )作者简介: 刘 杰 (1 9 7 4 ) , 男, 内蒙古包头人, 讲师, 工学硕士, 研究方向: 模具 C A D C A M C A E 。表 1 模具及板料的几何参数和性能参数材料A I S I 3 0 4板料厚度( t )5 m m1 0 m m凸
7、模直径3 0 m m间隙( c )( 1 0 %) t ( 1 5 %) t剪切线长度3 0 m m材料常数 C取 0 . 3193Equipment Manufacturing Technology No.5,2013借助于有限元分析程序强大的后处理功能, 可以方便的得到冲裁过程任意位置的应力应变等值线图。 以下给出 5 m m厚度的板料冲裁裂纹开始出现时的应力应变分布情况, 分别为图 1 、 图 2 所示。从图 1 中可以发现,在板料冲裁时, x 方向上的应力值在凸模正下方和凹模正上方的多数区域为负值,而 y 方向上大部分区域的应力值都是负值。另外, 最大剪应力产生在间隙区附近, 如果将剪
8、切应力分布图局部放大,可以发现最大剪应力产生在刃口尖端附近, 其等值线向刃口侧面一直延伸至间隙区。从冲裁变形的模拟图形来看,裂纹首先在靠近凹模位置处产生, 继而靠近凸模位置裂纹产生, 直至上下裂纹重合,这与裂纹扩展的方向一般是沿剪切力最大方向的规律相符 3 。另外,从应变分布图 2 来看,几个图都比较相近,变形都主要集中在间隙区域及其周围的狭小区域内。最大应变发生在刃口附近,而且在刃口的附近, 应变梯度很大, 这些区域的变形非常剧烈。3 变形过程分析在成形过程中, 由于凸、 凹模刃口侧面静水压应力低于端面静水压应力,而且凹模刃口侧面的静水压应力最低,因此首先在凹模刃口侧面处的材料产生裂纹, 继
9、而在凸模刃口侧面产生裂纹, 继而上下裂纹扩展重合使材料断裂分离。如图 3 所示, 板料冲裁的变形过程从弹、 塑性变形开始, 以断裂分离告终,第一阶段为弹性变形阶段, 由于凸模所施加的压力,材料产生弹性弯曲及穹弯, 并略挤入凹模内, 在这一阶段, 如果卸载施加在板料上的冲裁力, 板料会自动恢复为原状; 随着凸模的下压, 凸模刃口压入材料, 并迫使材料进入凹模, 冲裁过程进入第二阶段塑性变形阶段。 当材料的内应力超过屈服点时产生塑性变形, 并且伴有纤维的弯曲和拉伸, 切口表面形成光亮带; 凸模继续下行, 板料抗剪面积逐渐减小, 当抗剪面积减小到某一大小的瞬间, 凸、 凹模刃口附近内应力达到抗剪强度
10、时, 便在刃口处出现微裂纹, 塑性变形阶段结束。接着进入第三阶段断裂分离阶段。凸模继续下压, 随着切入材料的深度增加, 抗剪面积相应的继续变小, 先后在凸、 凹模刃口侧面产生裂纹, 且裂纹沿最大切应力方向向材料内部扩展, 理想情况下在凸模进入材料三分之一料厚处产生裂纹,若凸、 凹模间隙合理, 则上下裂纹重合, 材料断裂分离 4 。由此看来, 在冲裁过程中, 沿冲件轮廓线板材金属经历有十分复杂的变形,由塑性变形直到破坏分离, 它所经历的过程比一般的冲压成形要复杂得多。另外, 冲裁时, 金属的变形与破坏, 都集中于一个很狭窄的范围内, 其中应力与应变的变化梯度大, 使研究工作十分困难。4 冲裁断裂
11、位置与冲裁参数的关系4 . 1不同板厚材料的冲裁力曲线冲裁过程的模拟是为最终降低压力机的冲裁振动与噪音提供依据, 由于压力机控制精度的原因, 这里选取 6 m m 、 7 m m 、 8 m m 、 1 0 m m的板料作为研究对象。对剪切线为圆的轴对称问题,刃口圆角半径为零, 取冲裁间隙为 1 0 %t , 其他各项参数相同, 利用有限元计算后得到的冲裁力与板厚的关系工艺曲线如图 4 所示, 断裂时的凸模相对行程如图 5 所示。(a )X方向应力分布(b )Y方向应力分布(c )剪切应力图 1 应力分布图(a )X方向应变分布(b )Y方向应变分布(c )剪切应变图 2 应变分布图图 3 冲
12、裁过程裂纹形成与发展194装备制造技术 2 0 1 3 年第 5 期将图 3 与图 4 对应,由于在 D e f o r m中忽略了材料的弹性变形,因此冲裁力变形曲线直接进入塑性变形, 进入塑性变形后, 虽然承受冲裁力的材料的横截面面积减少了, 但是由于材料加工硬化的影响, 变形程度迅速增加,变形力也增加很快,在这一过程中, 加工硬化对冲裁力的影响是主要的, 当剪切面积和材料硬化对冲裁力的影响相互抵消时,冲裁力达到最大值,这时,板料在靠近凹模位置开始产生裂纹, 随后裂纹在板料靠近凸模位置产生, 直至上下裂纹相遇, 板料断裂分离, 冲裁力急剧下降, 之后凸模克服摩擦力将板料推出 5 。综上可知,
13、不同板厚材料冲裁断裂时的相对凸模行程各不相同。随着板料厚度的增加, 材料产生裂纹时的凸模行程相对增加,材料断裂分离所需的凸模行程同样增加。4 . 2冲裁间隙对板料断裂的影响图 6 是厚度为 8m m板料冲裁时不同的冲裁间隙对应的板料断裂位置与凸模相对行程。不难发现,对不同的间隙, 断裂时对应的凸模行程存在差异, 这可以从两方面进行解释:一是因为小间隙的情况下刃口附近的应力集中加剧, 变形区域小, 允许的凸模行程较小; 其二是因为小间隙时, 刃口附近的静水压应力值较大, 这样允许较大的凸模行程。图 7 说明,在相对间隙 8 1 5 %t 范围内, 断裂时的凸模行程随着间隙的增大而有所增加, 但并
14、非线形增加。4 . 3刃口圆角对板料断裂的影响在通常情况下,凸、凹模刃口并非采用锋利状态, 当冲裁塑性较好的材料时, 常常会采用一定的凹模小圆角。 对剪切线为圆时, 板厚为 5 m m的板料, 取不同的刃口小圆角, 其他各项参数相同, 利用有限元计算得到图 8 所示的冲裁力曲线。从计算结果可以看出,采用合适的凹模小圆角,虽然冲裁力有所增加, 但是延缓了裂纹的产生及板料的断裂, 这是因为冲裁过程中, 由于凹模小圆角的存在, 产生较小的应力集中, 有利于材料的塑性流动, 从产品质量的角度来讲, 推迟裂纹的产生, 可以增加冲裁件的光亮带,提高工件的品质 5 。(1 . 9 5 , 1 0 . 3 )
15、0 . 0 0 03 1 7 4 16 3 4 8 29 5 2 2 31 2 6 9 6 41 5 87 0 5YL o a d(N )L o a d P r e d i c t i o n0 . 0 0 0 0 . 4 8 4 0 . 9 6 91 . 4 51 . 9 4 2 . 4 2S t r o k e(m m )L o a d P r e d i c t i o n0 . 0 0 03 6 9 4 37 3 8 8 71 1 0 8 3 01 4 7 7 7 41 8 4 7 1 7YL o a d(N )0 . 0 0 0 0 . 5 2 0 1 . 0 41 . 5 62 .
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