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轉發自：模具工業

作者：毛秀，張祥林，查想，曹傳亮

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

摘要：運用有限元分析軟件對厚板齒形零件的精衝過程進行（háng）了數值模擬，對比分析了齒頂、齒（chǐ）根部位主要變形區靜水應（yīng）力及應變的分布情況。結果顯示，齒頂（dǐng）處靜水壓應力小於（yú）齒根處；齒頂應變區的寬度大於（yú）齒根應變區的寬（kuān）度（dù），齒頂剪切區變形程度大，硬化程（chéng）度嚴重。齒根、齒頂處的應變分布與精衝試驗所得零件的硬化程度相吻合。探究了齒頂處形成大塌角和易產生（shēng）撕裂（liè）的原因。研究結（jié）果為厚板齒形零件的精衝工藝提供了理論指導。

關鍵詞：厚板齒形；精衝成形；數值模擬；缺陷分析中圖分類（lèi）號：TG76；0242 ·21文獻標識碼（mǎ）：B文章編號：1001一2168（2014）02一開13一04

Numerical simulation and defect analysis Of fine blanking forming for thick plate tooth profile part

MAO Xiu, ZHANG Xiang-lin, ZHA Xiang, CAO Chuan-liang

(State Key Laboratory of Matenal Processmg and Die & Mould Techn010U，Huazhong

University of Science and Technolo，Wuhan, Hubei 430074，China)

Abstract：The numerical simulation was made on the fine blanking process Of thick plate tooth profile part by using the亢e element analysis software; and the disfribution Of hydrostatic stress and strain in the main deforrnation zone Of addendum記0山root were comparatively analyzed. The result shows that the hydrostatic stress in the addendum is less山an that the tooth root; the width Of strain zone in the addendum is larger山（shān） that in the tooth r00 the deformation and hardening degree in the addendum shear zone is large. The strain distribution in the addendum and tooth root agrees to the hardening degree Of test samples. Finally the causes Of large comer collapse and tear problem easily formed in the addendum were explored.

Key words: thick plate t00山profile; fine blanking forming; numerical simulation; defect anal-

YSIS

1引

齒輪（lún）、棘輪、鏈（liàn）輪等齒形（xíng）零件是機械傳動中的（de） 重（chóng）要零件，其傳統加工方法工藝複（fù）雜，加（jiā）工效率低（dī）。精衝工藝作為一種先進的精密塑性成形技術， 一次衝裁加工（gōng）即可得到尺（chǐ）寸精度高、剪切麵光潔、具（jù）有一定立體形狀的（de）零件田。因此，越（yuè）來（lái）越多的齒

收稿日期：2013一一。

作者簡介：毛秀（1988一），女（漢族），河南（nán）周口人，碩士研究生，主要研究方向為金屬（shǔ）精密塑性成形彐《藝及數值模擬、模具使用

壽命分析（xī）。

形零件采取精衝成形加工方法（fǎ），帶齒的精衝件也越來越多。然而，在實際（jì）齒形零件精衝生產中，齒頂部分（fèn）常會出現塌角（jiǎo）大、撕裂等缺陷，塌角和撕裂（liè）會直接影響齒形零件的工作（zuò）強度和有效齧合尺（chǐ）寸，甚（shèn）至需要進一步的機（jī）械加工（gōng）才能使零件（jiàn）達到尺寸精度要求2]。

角和撕裂形成的原因。

2有限元建模

以下利用Deform一3D軟件建立三維數值模擬（nǐ）模型，對齒輪的（de）精衝過程進行計算機數值模擬，對比（bǐ）分析精衝過程中齒根、齒頂變形區的應力、應變狀態，並與實際精衝零件進行對比，探究齒頂部分塌齒輪零件如圖1所（suǒ）示，材料為（wéi）45鋼，齒形為標準漸開線齒形，模（mó）數m：2mm，壓力角。：20。，齒數z： 19。考慮到齒輪零件的對稱性，為節約模（mó）擬時間， 上（shàng）件與模具均取一個（gè）齒形（xíng）進（jìn）行模擬研究，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（wéi）20kN和10kN,凸模（mó）壓入速度為6mm/s，單邊衝裁間隙為（wéi）0．03 mm，摩擦因數取0，12。

圖1 齒輪零件

圖（tú）2齒輪零件精衝模型

將板料設為彈塑性體，凸模、凹模、壓板、反頂器（qì）為剛體。由於模具間（jiān）隙小（xiǎo），精衝中板料的塑性變形集中在狹小的範圍內（nèi）進行，將凸模刃口和板料接觸區（qū）域的網格進行細（xì）化，在提高（gāo）效率（lǜ）的同（tóng）時保證模擬精度，網格局部細化（huà）效果如圖3所（suǒ）示。模擬過程采（cǎi）用網格自適應技術，根據（jù）應變梯度和表麵（miàn）曲率自動對單元進行細化。

2，2韌性斷裂（liè）準則

圖3網格局部（bù）細化效果

斷裂準則是板料剪切（qiē）中最重要的理論之（zhī）一，材料斷裂準則的選取（qǔ）對模擬過程非常重要。在Deform軟件中，提供了（le）多種斷裂準（zhǔn）則，現采用斷裂（liè）模型為Normalized Cockroft&Latham的斷裂準則“、 C*：了0 ! d為

式中：C*．一一（yī）一（yī）材料（liào）的臨界破壞（huài）值（zhí）丿一一．．斷裂時（shí）的 女應變； 等效應變；伊*一一最大主應力；伊 等效應力：d一（yī）一（yī）一等效應（yīng）變（biàn）增（zēng）量。

當c* = 0成立時，認為材料發生了斷裂。采用（yòng）單元消除的方法處理模擬過程中的斷裂問題，即當某單元的等效應變（biàn）滿足此式（shì）時，將該（gāi）單元從模型中消除，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

精密（mì）衝裁實現的一個必要條件是在剪切變形區內要有足夠人的靜水壓應力，從而抑製衝裁過程中裂紋的產生（shēng）和擴展，避免破裂（liè），使塑性變形貫穿整個衝裁過程，從而（ér）得（dé）到斷麵質量較高的製件閻。齒輪的塑性變形區域（yù）集中在狹窄的凸模一凹模刃口（kǒu）連線（xiàn）附近，此（cǐ）處（chù）靜水應力（lì）場的分布區域和數值人小將決定齒輪精衝質量的好壞。

齒輪零件輪廓形狀複雜，模擬發現，齒（chǐ）頂、齒根處具（jù）有不同的應力應變狀態，因此，從圖4所示的齒頂、齒根處剖（pōu）切，分別分析兩處（chù）的靜水應力狀（zhuàng）態。表1所示是凸模行程分別為2．5、4．0、5，0、6．Omm時齒根、齒（chǐ）頂處的靜水（shuǐ）應力分（fèn）布。

齒根 齒頂 齒圈剖（pōu）切麵剖切血 壓痕

圖4齒根、齒（chǐ）頂剖切麵位置

模具工業2014年第40卷（juàn）第2期

由表1中的雲圖（tú）可（kě）見，板料剪切變形區基本上始終處於靜水壓應力狀態，齒根部位的最大靜水壓（yā） 應力出現在凹模刃（rèn）口附近，齒頂部位的（de）最大靜水壓應力出現在凸模刃口附（fù）近。隨著凸模下行，板料剪切變形區的靜水壓應力逐漸減小，這是凸（tū）模切入板料後相（xiàng）對間隙逐漸（jiàn）減（jiǎn）小的（de）緣故。對比齒根、齒（chǐ）頂處變形區的（de）靜水應力分布情況發現：在凸模行程未達到（dào）2mm時，齒根、齒頂處均有較人的（de）靜（jìng）水壓應力，在隨後的變形過程