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轉（zhuǎn）發自（zì）：模具工業

作者：毛秀，張祥林，查想，曹傳亮

（華中科技大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（yòng）有限元分析軟件對（duì）厚板齒形零件的精衝過程進行了數（shù）值模擬，對比（bǐ）分析了齒（chǐ）頂、齒（chǐ）根部位主要（yào）變形區靜水（shuǐ）應力及（jí）應變的分布情況（kuàng）。結果顯示，齒頂處靜水（shuǐ）壓應力小於（yú）齒根處（chù）；齒頂（dǐng）應變區的寬度大於齒根應變區（qū）的寬度，齒頂剪切區（qū）變（biàn）形程度大，硬化程度（dù）嚴重。齒根、齒頂處的應（yīng）變分布與精衝試驗所得零件的硬化程度相吻合。探（tàn）究了齒頂處形成大塌角和易產生撕裂的原因。研究結果（guǒ）為厚板齒形零件的精衝工（gōng）藝（yì）提供了（le）理論指導。

關鍵詞：厚板齒形；精衝成形；數值模擬；缺陷（xiàn）分（fèn）析中圖分類（lèi）號（hào）：TG76；0242 ·21文（wén）獻標識碼：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 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、棘輪、鏈輪等齒形（xíng）零件是機（jī）械傳動中的 重要零（líng）件，其傳統（tǒng）加工方法工藝複雜，加（jiā）工效（xiào）率低。精衝工藝（yì）作為一種（zhǒng）先進的精密塑性成形技術， 一次衝裁（cái）加工即可得到（dào）尺寸精度高、剪（jiǎn）切麵光潔、具有一定立體形狀的零件田（tián）。因（yīn）此，越來越多的齒（chǐ）

收稿日期：2013一一。

作者簡介（jiè）：毛秀（1988一（yī）），女（nǚ）（漢族），河南周口（kǒu）人，碩士研究生，主要研究方向為金（jīn）屬精密塑性成形彐《藝及數值（zhí）模擬、模具使用

壽命分析。

形零（líng）件采取精衝成形加工方法，帶齒的精（jīng）衝件也越來越（yuè）多。然而，在實際齒形零件精衝生產中，齒頂部分常會出現塌角大、撕裂（liè）等缺陷，塌角和撕裂會直接影響齒形零件的工作強度和有效齧（niè）合尺寸，甚至需要進一步的機械加工才能使零件達到尺寸精度要求2]。

角和撕裂（liè）形成的原因。

2有限元建模（mó）

以下利用Deform一3D軟件（jiàn）建立三維數值模擬模型（xíng），對齒輪的精衝過程進行計算機數值模擬（nǐ），對比分析精衝（chōng）過程中齒根、齒頂變形區的應（yīng）力、應變（biàn）狀態，並與實際精衝零件進行（háng）對比，探究齒頂部分塌齒輪零件如（rú）圖1所（suǒ）示，材料為45鋼，齒形為標準漸開線齒形，模數m：2mm，壓力角（jiǎo）。：20。，齒（chǐ）數z： 19。考慮到（dào）齒輪零件的對（duì）稱性，為節約（yuē）模擬時間， 上件與模具均取一個齒形進行模擬研究，精衝（chōng）模型如圖2所示。板料為直徑Omm的圓盤狀（zhuàng）坯料，厚度為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（hé）10kN,凸模壓入速度為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（jiàn）

圖2齒輪零件精（jīng）衝模型

將板料設為彈塑性（xìng）體，凸模、凹模、壓板、反頂器為（wéi）剛體。由於（yú）模具（jù）間隙小，精衝中板料的塑性變（biàn）形集中在（zài）狹小的範圍內進行，將凸模刃口（kǒu）和板料接觸區域的網格進行細化，在提高效率的同時保證模擬（nǐ）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（yīng）技術，根據應變梯度和表麵曲率自動對單元（yuán）進行細化。

2，2韌性斷裂準則

圖3網（wǎng）格局部細化（huà）效果

斷裂準（zhǔn）則是板料剪切中最重要的理（lǐ）論之一，材料（liào）斷裂準則的選取對模擬過程非常重（chóng）要。在（zài）Deform軟（ruǎn）件中，提供了多種斷裂準（zhǔn）則，現采用斷裂模型（xíng）為Normalized Cockroft&Latham的斷（duàn）裂準則“、 C*：了0 ! d為（wéi）

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

當c* = 0成立（lì）時，認為材料發生了斷裂（liè）。采（cǎi）用（yòng）單元消除的方法處理模擬過程中的斷裂問題（tí），即當某單元的等效應變滿足此式時，將該單元從模型中消除，在以後的計算中該（gāi）單元剛度為零。

3模擬（nǐ）結（jié）果分析 3，1靜（jìng）水應力分（fèn）析

精密衝裁實現（xiàn）的一（yī）個必要（yào）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和擴展，避免破裂，使塑（sù）性變形貫（guàn）穿整個衝（chōng）裁（cái）過程，從（cóng）而（ér）得到斷麵質量較高（gāo）的製件閻。齒（chǐ）輪的塑（sù）性變形區域集中在狹窄的凸模一凹（āo）模刃口（kǒu）連線附近，此處靜水應力場的（de）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，齒頂、齒（chǐ）根處具有不同的應力應變狀態，因此（cǐ），從圖4所示的齒頂、齒根處剖切，分別分析兩處的靜水應力狀態。表1所示是凸模行程分別為（wéi）2．5、4．0、5，0、6．Omm時齒根、齒頂處的靜水應（yīng）力分布。

齒根 齒頂 齒（chǐ）圈剖（pōu）切麵剖切血 壓痕

圖4齒根、齒頂剖（pōu）切麵位置

模（mó）具工業2014年第40卷第2期

由表1中的雲圖可見，板料剪切（qiē）變形區基本上始終處於（yú）靜水壓應（yīng）力（lì）狀態，齒根部位的最大靜水壓（yā） 應力出現在凹模刃口附近，齒頂部位的最大靜水壓應力出現在凸模刃口附近。隨（suí）著凸模下行（háng），板料剪切變形區的靜水壓應力逐漸減小，這是凸模切入板料後相對間隙逐漸減小的緣故。對比齒根、齒頂處變形區的靜水應力分布情況（kuàng）發（fā）現：在凸模行程未達到2mm時，齒根、齒頂處均有（yǒu）較人的靜水（shuǐ）壓應力，在隨後的（de）變形過程（chéng）中，齒根處（chù）靜水（shuǐ）壓應力明顯大於齒頂處，並且（qiě）在齒根處整個板厚範圍內均處於壓應（yīng）力狀態，而（ér）齒頂處被凹模剪切過的己變形的部分存在拉應力。

表1靜水應力分布

齒（chǐ）根部位靜水應力 齒頂部位靜水應力

6．0

應丿

If,'應丿（piě）/MPa

2000刁630刁250 ·875 巧00 25 250 625 10（