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轉發自：模具（jù）工業

作者：毛秀，張祥林，查想，曹傳亮

（華中科技大（dà）學材（cái）料成形及模具技術國家重點實驗室，湖北武漢（hàn）430074）

考慮到齒輪零件的對（duì）稱性，為節約模擬時間， 上（shàng）件（jiàn）與（yǔ）模具均取一個齒形進行模擬研（yán）究，精衝模型如圖2所示。板料為直徑Omm的圓盤狀坯料，厚（hòu）度為7 mm，凸、凹模圓角半徑分別為0·05 mm和 ，2mm，壓邊力和反頂力分別為20kN和10kN,凸模（mó）壓入速度為（wéi）6mm/s，單邊衝裁間隙為0．03 mm，摩擦因數取0，12。

圖1 齒輪零件

圖2齒輪零件精衝模型

將板料設為（wéi）彈塑性體，凸模、凹模、壓（yā）板、反頂器為剛體。由於模具（jù）間隙小，精衝中板料的塑性變形集中在狹（xiá）小的範圍內進行，將凸模刃口和板料接觸區域的網格進行細（xì）化，在提高效率的（de）同時保證模擬精度，網格局部細化效果如圖3所示。模擬過程采用網格自適應技術，根據應變梯度（dù）和表麵曲率自動對單元進行細化。

2，2韌性斷裂準則

圖3網格局部細（xì）化效果

斷裂準則是（shì）板料（liào）剪切中最重要的理論（lùn）之一，材料斷裂準則的選取對模擬過程非常重要（yào）。在Deform軟件中，提供了多（duō）種（zhǒng）斷裂準則（zé），現采用斷裂（liè）模型（xíng）為Normalized Cockroft&Latham的斷裂準則“、 C*：了0 ! d為（wéi）

式中：C*．一（yī）一一材料的臨界破壞值丿一一（yī）．．斷裂時的 女應（yīng）變； 等效應變；伊*一一最大主應（yīng）力；伊 等效應力：d一一一等效應變增量。

當c* = 0成（chéng）立時，認為材料發（fā）生了斷裂。采用單元消除的方法處理模擬過程中的斷（duàn）裂問題，即當某單元的等效（xiào）應變滿足此式時，將該單元從模型（xíng）中（zhōng）消除，在以後的計算中該單元剛度為零。

3模擬結果分析 3，1靜水應力分析

精（jīng）密衝裁實現的一（yī）個必要條件是在剪切變形區內要有足（zú）夠人的靜水壓應力，從而抑製衝（chōng）裁（cái）過程中裂紋的產生（shēng）和擴（kuò）展，避免破裂（liè），使塑性變形貫穿整個衝裁過程，從而得到斷麵質量較（jiào）高的（de）製件閻。齒輪的塑性變形區域（yù）集中在狹窄的凸模一凹模刃口連線附近，此處靜水應力場的分布（bù）區域和數值（zhí）人小將決定齒輪精衝質量的好壞。

齒輪零件輪廓（kuò）形狀複雜，模擬發現，齒頂、齒根處具有不同的應（yīng）力（lì）應變狀態，因此，從圖4所示的齒頂、齒根處（chù）剖切，分別分析兩處的（de）靜水應力狀態（tài）。表1所示是凸模行程分別為2．5、4．0、5，0、6．Omm時齒根、齒頂（dǐng）處的靜（jìng）水應力分布。

齒根 齒（chǐ）頂 齒圈剖切麵（miàn）剖切血 壓痕

圖4齒根、齒頂剖切麵位置

模具工業（yè）2014年第40卷第2期

由表1中的雲（yún）圖可見，板料剪切變形區基本上始終處於靜水壓應力狀態，齒根部（bù）位的最大靜水壓（yā） 應力出現在凹模刃口附（fù）近，齒頂部位的最大靜水壓應力出（chū）現在凸模刃（rèn）口（kǒu）附近。隨著凸模下行，板料剪（jiǎn）切變形區的靜（jìng）水（shuǐ）壓應力逐（zhú）漸減小，這是凸模切入板料後相（xiàng）對（duì）間隙逐漸減小的緣故。

對比齒根、齒（chǐ）頂處變形區的靜水應力（lì）分布情況發現：在凸模行程未達到2mm時，齒根、齒頂處均有較人的靜水（shuǐ）壓應力，在隨後的變形過程（chéng）中，齒根處靜水壓應力明顯大於齒頂處，並且在（zài）齒根處整個板厚範圍內均（jun1）處於壓應力狀態，而齒頂處被凹模剪切（qiē）過的己變形的部（bù）分存在拉應力（lì）。

表1靜水應力分布

齒根部（bù）位靜水應力 齒頂部位靜水應力模擬發現，衝裁過程開（kāi）始後（hòu）齒頂處的塌角在凹模側開始形成，達到一定程度後在衝裁過程中基本保持不變，而齒根處始終沒有明顯的塌角。

究其原因，這是由（yóu）齒（chǐ）輪零件的外形（xíng）輪廓決定（dìng）的，塌（tā）角是精衝時板料（liào）剪切變形區的材料隨凸模刃口向工們剪切麵轉移（yí）而形（xíng）成的，具有一定的寬度和深度回。

齒 輪的齒頂（dǐng）類似（sì）於懸臂，材料轉移涉及的區（qū）域重疊（dié），使得齒頂部位的塌角（jiǎo）較人。根據塑性（xìng）變（biàn）形體積不變的原則，齒頂處對應的廢料塌角較小，同理，內凹的齒（chǐ）根部位（wèi）塌角較（jiào）小。

齒根部分輪廓內凹，由於模具對材料的約（yuē）束而產生的應力可以提高此（cǐ）處的（de）靜水壓應力，另外塌角形成後齒頂塌（tā）角處反頂器與零件不能接觸，這就使得反頂力不能直接施加到塌（tā）角後麵的精衝斷麵上，造成此處靜水壓應力不足，這在表1中得到（dào）了體現，再（zài）加上齒頂處己變形部分存在拉應力的作用，不能很好地控製撕裂的產生和擴展，因此（cǐ）齒頂尖角（jiǎo）部位容易產生撕裂而齒根（gēn）部（bù）位完好。

3，2應變分析

圖5所示為衝裁結束後齒頂和齒根處的應變分布雲圖，由圖5可見，從塌角側（cè）到毛刺側應變逐（zhú）漸增大，越靠近衝裁（cái）麵應變值越大，這是因為在衝裁過（guò）程中，塌角側的材（cái）料先完成變形，此時材料的變形程度最低，隨後變形程度逐漸（jiàn）增大，到毛（máo）刺側變形程度達到最大（dà）。齒頂（dǐng）處應變值大於1的區域最大寬度為1.3 mm，齒根處為0，53mm，齒頂處應變區的寬度超過齒根應變（biàn）區（qū）的2倍，這是因為齒頂為尖角部分，輪廓線（xiàn）長，其變形區域在此處疊（dié）加，從而使變形區較寬。

等效應變

（a）齒頂（dǐng）處應變分布雲圖等效應變

（b）齒根處應變分布雲圖

圖5齒頂、齒（chǐ）根處應變分布雲圖

圖6為（wéi）試驗精衝零（líng）件齒頂和齒（chǐ）根（gēn）變形區的硬度分布（bù）曲線，曲線顯示了在離衝裁麵不同距（jù）離的斷麵上，從塌角側到毛刺側不（bú）同板厚處的硬度人小（試驗力I N，保壓（yā）時間（jiān）巧s），山圖6可見，從塌（tā）角側到毛刺側硬度值逐漸（jiàn）增大（dà），這是因為精衝（chōng）零（líng）件從塌角側到毛刺側（cè）變形程度逐漸（jiàn）增人。不同斷麵上的硬度

變化趨勢（shì）相似，越靠近衝裁麵硬度值越大。對比圖 6（a）、（b）可知，齒頂硬化區的寬度大於齒根硬化區的寬度，在離衝裁麵相同距（jù）離的斷麵（miàn）上，齒頂剪切（qiē）區的硬度比齒根處的大（dà），這與圖5所示（shì）的應變分布相（xiàng）吻合。

如圖（tú）6（a）所示，在齒頂剪切區（qū）距離衝裁麵 0·巧mm的斷麵上（shàng），靠近毛刺側（cè）邊緣處的（de）維氏硬度增至近（jìn）400Hv，幾乎是基體硬度（188 ·4HV）的2倍。

硬度HV

（a） 齒頂處剪切區硬度分布

硬（yìng）度HV

（b） 齒根處（chù）剪切區硬度分布

圖6齒頂（dǐng）、齒根處變形區硬度分布

由以上分析（xī）可知，衝裁麵附（fù）近的剪（jiǎn）切區材料加工硬化現象嚴重，並使韌性降低，尤其是齒頂部位 容易達到材料的成形極限，同時材料中處於衝（chōng）裁麵 模具工業2014年第40卷第 2期

上的非常小的缺陷，如脆（cuì）而硬的片狀碳（tàn）化（huà）物等，都會引起衝裁麵（miàn）的撕裂。

4結束語（yǔ）

（1)隨著衝裁過程的（de）進行，板料（liào）剪切變形區的靜水應力逐漸減小，齒頂（dǐng）處（chù）變形（xíng）區的靜水應力小於齒根處。齒輪（lún）零件外形輪廓導致齒頂處有大的塌角，小的靜（jìng）水應力和己變形部分存在的（de）拉（lā）應（yīng）力使得齒頂部位容易產生（shēng）撕裂。

（2）從塌角側到毛刺側應變逐漸增大，越靠近衝裁麵應變值越大（dà），齒頂處應變區的寬度是齒根處的2倍多。試驗精衝所得（dé）零件齒頂和齒根剪切區的硬度（dù）分布（bù）曲線與應變分（fèn）布雲圖（tú）相吻合。嚴重的材料加工硬（yìng）化使得齒頂部位容易達到成形極（jí）限，同時分（fèn）離麵上很小的缺陷都會造成撕裂。

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