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轉發自：模具工業

作者：毛秀，張祥林，查想，曹傳亮（liàng）

（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：運用有限元分析軟件對厚板齒形零件的精衝過程（chéng）進行了數值（zhí）模擬，對比分析了齒頂、齒根部位主要變形區靜水應力及應變（biàn）的分布情況。結果顯示，齒頂處靜水壓應力小於（yú）齒根處（chù）；齒頂應變區的（de）寬度大（dà）於齒根應變區的寬度，齒頂剪（jiǎn）切區變形程度大，硬化程度嚴重。齒根、齒（chǐ）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。探究了齒頂處形（xíng）成大塌角和易產生撕裂的原因。研究（jiū）結果為厚板齒形零件的精衝工藝提（tí）供了理論指導（dǎo）。

關鍵詞：厚板（bǎn）齒形；精衝成形（xíng）；數值（zhí）模擬；缺陷（xiàn）分析中圖分類號：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（děng）齒形零（líng）件是機械傳動中的 重要零件，其傳統加工方（fāng）法工藝複雜，加工效率低。精衝工藝（yì）作為一種先進（jìn）的精密塑性成形技術（shù）， 一次衝裁加工即可得到（dào）尺（chǐ）寸精度高（gāo）、剪切麵光（guāng）潔、具（jù）有一定立體形狀（zhuàng）的零件田。因此，越來越多的齒（chǐ）

收稿日期（qī）：2013一一。

作者簡介：毛秀（1988一），女（漢族），河南周口人，碩士研究（jiū）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（jù）使用

壽命分析。

形零件采取（qǔ）精衝成形加工（gōng）方法，帶齒的精衝（chōng）件也越來（lái）越多。然而，在實際齒形零件精衝生（shēng）產中，齒頂部分常會出現塌角大、撕裂等缺陷（xiàn），塌角和撕裂會直接影響齒形零件的工作強度和有效齧合尺寸，甚至需要進一步（bù）的機械（xiè）加工才能使零件達到尺寸精度要求2]。

角和撕裂形成的原因（yīn）。

2有限元建模

以下利用Deform一3D軟件建立三維數值模擬模型，對齒輪的精衝過程進行計算機數值模擬，對比（bǐ）分析精衝（chōng）過程中齒（chǐ）根、齒頂變形區的應（yīng）力、應變狀態，並與實際精衝零件進行對比（bǐ），探（tàn）究齒（chǐ）頂部分塌（tā）齒輪零件如圖（tú）1所示，材料為45鋼，齒形為標（biāo）準漸開線齒形，模數m：2mm，壓力角。：20。，齒數z： 19。考慮到齒輪零（líng）件的對稱性，為節約模擬時間， 上件與模具均取一個齒（chǐ）形進行（háng）模擬研究，精衝模型（xíng）如圖2所示。板料為直徑Omm的圓盤狀坯料，厚度為7 mm，凸、凹模圓角半徑分別（bié）為0·05 mm和 ，2mm，壓邊（biān）力和反頂力分別為20kN和10kN,凸模壓（yā）入速度為6mm/s，單邊衝裁（cái）間隙為0．03 mm，摩擦因數（shù）取0，12。

圖1 齒輪零件

圖2齒（chǐ）輪零件精衝模型

將板料設為（wéi）彈塑性體，凸模、凹模、壓板、反頂器為剛體。由於模具間隙小，精衝中板料的塑性變形集中（zhōng）在狹（xiá）小的範圍內進行，將（jiāng）凸模刃口和板料接觸區（qū）域的（de）網格進行細化，在提高（gāo）效（xiào）率（lǜ）的同時保證模擬精度，網格（gé）局（jú）部（bù）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（yīng）變梯度和表麵曲率自動對單元進行細化。

2，2韌性斷裂準則

圖3網格局部細化效果

斷裂準則（zé）是（shì）板料剪切中最重要的理論之一，材料斷裂準則的選取對模擬過程非常重要。在Deform軟件（jiàn）中（zhōng），提供了多種斷裂準則，現采用斷裂模型為Normalized Cockroft&Latham的斷裂（liè）準則“、 C*：了0 ! d為

式中：C*．一一一材（cái）料的（de）臨界（jiè）破壞值丿一一．．斷裂時的 女應變； 等效應變；伊*一一最大主應力（lì）；伊 等效應力：d一一一等效應變增量（liàng）。

當c* = 0成立時（shí），認為（wéi）材料發生了斷裂。采用單（dān）元消除（chú）的方法處理模擬過（guò）程（chéng）中的斷裂問題，即當某單元的（de）等（děng）效應變滿足此式時，將該單元從模型（xíng）中消除，在（zài）以（yǐ）後（hòu）的計算中該單元剛度為零。

3模（mó）擬結（jié）果分（fèn）析 3，1靜水應力分析

精密衝裁實現的一個必要（yào）條件是在剪（jiǎn）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）性變形貫穿整個（gè）衝裁過程，從而得到斷（duàn）麵質量較高的（de）製件閻（yán）。齒輪的（de）塑性變形區域集中在狹窄的凸模一凹模刃口連線（xiàn）附近，此處靜水應力場的分布（bù）區域和數（shù）值人小將決定（dìng）齒輪精衝質量（liàng）的好壞。

齒輪零件輪廓形狀複雜，模擬發現，齒頂、齒根處具有不（bú）同的（de）應力應（yīng）變狀態，因此，從（cóng）圖4所示的齒頂、齒根處（chù）剖切，分別分析兩處的靜水應力狀態。表1所（suǒ）示是凸模行程分別為2．5、4．0、5，0、6．Omm時齒根（gēn）、齒頂處（chù）的靜水應力分布。

齒根（gēn） 齒頂 齒圈剖切（qiē）麵剖切血 壓痕

圖4齒根、齒頂剖切麵位置

模具工業2014年（nián）第40卷第2期

由表1中的雲圖可見，板料（liào）剪切變形區基本上始（shǐ）終處於（yú）靜水壓應（yīng）力狀態，齒根部位的最大靜水壓 應力出現在凹（āo）模刃口附近，齒頂部位的最大靜水壓應力出（chū）現在凸（tū）模刃口附近。隨著凸模下（xià）行，板料剪切變形區的靜水壓應力逐漸減小（xiǎo），這是凸模切入板料後相對（duì）間（jiān）隙逐漸減小的緣故。對（duì）比齒根、齒頂（dǐng）處變形區的靜水應力分布情（qíng）況發現：在凸模行程（chéng）未達（dá）到2mm時，齒根、齒頂處均有較人的靜水（shuǐ）壓應力，在隨後的變形過程中，齒根處靜水壓應力明顯大於（yú）齒頂處，並（bìng）且在齒根處整個板厚範圍內均處於壓應力狀態，而齒頂處被凹模剪切過（guò）的己變形的部分存在拉應力。

表1靜水應（yīng）力分布

齒（chǐ）根部位靜水應力（lì） 齒頂部位靜水應力

6．0

應丿（piě）

If,'應丿/MPa

2000刁630刁（diāo）250 ·875 巧00 25 250 625 10（

模擬發現（xiàn），衝裁過程開始後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