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轉發自：第25卷（juàn） 第3期 蘇（sū）州市職業大學學報 Vol.25，No.3

2014年9月 Journal of Suzhou Vocational University Sep. ，2014

作者：談正光1，陳 偉2，張 雨2

(1.無錫鵬德汽車（chē）配件有限公司 工程技術部，江蘇 宜興 214211； 2.南京工程學院 汽車與軌道交通學院，江蘇 南京 211167)

分程序，分析了靜（jìng）水壓力、熱（rè）效應、材料損傷、塑性應變、應變（biàn）率集（jí）中對精衝（chōng）過程（chéng）的影響；Sutasn Thipprakmas[4]利用有限元模擬方法結合田口技術和方差分析技術，研究（jiū）了V形齒圈壓板的參數（高度、位置和角度）對精衝過（guò）程的影響；方剛等（děng）[5]對精衝的韌性斷裂進行（háng）了數值模擬，預測了裂紋的產生（shēng）和擴展.

經過長時間的發展，有限元分析方法已經被應用到工程分析的各個方麵，較為成熟（shú）的有（yǒu）限元分（fèn）析軟件包括ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC.對普通衝壓成形工藝，一（yī）些（xiē）公司開發了（le）單獨分析軟件（jiàn），如 Autoform，Dynaform及Hyperwork中的Hyperform模塊.由於（yú）精衝工藝較普衝工藝在工藝過程和力學（xué）特性上（shàng）都有較大區別，因此，精衝工藝無法使用現（xiàn）有的普衝分析軟件.為此，筆者結合齒圈壓板精衝工藝原（yuán）理、力學特性及有限元理論，提出使用有限元分析軟件ABAQUS，建立針對齒圈（quān）壓板精衝工藝的力學模型.

1 精衝工藝的基本原理

精（jīng）衝的工藝（yì）原理如圖1所示.精衝過程中，凸（tū）

ࠨ⁑ 模接（jiē）觸精衝材料之前（qián），壓邊力（lì）ps壓緊材料，通過（guò）壓邊圈上（shàng）的（de）V形齒的（de）內麵產生橫向側壓力，將阻止金

঻䗩സ 屬材料在剪切區內撕裂和橫向流（liú）動.在衝裁凸模壓入（rù）材料的同時，利用反壓板的反壓力將材（cái）料壓（yā）緊.板料（liào）在壓緊（jǐn）狀態下由衝裁力作用，沿著凹模刃

ඟᯉ 口的形狀呈純剪切的形式衝裁零件.由於剪切區內的金屬處於三向壓應力狀態，從而提（tí）高了材料的塑 ࠩ⁑ 性.此時，材（cái）料沿凹模刃口形狀，以純剪切方式使材 ৽঻ᶯ 料實現分離衝裁.

精衝模具工藝（yì）過程大體（tǐ）分（fèn）為（wéi）4個階段[2]. pg৽঻࣋

1) 彈性變形階段.衝孔工作開始，凸模接觸材 ഴ㋴ߨᐛ㢰৕⨼ഴ 料（liào）前施壓，使材料產生彈性（xìng）壓縮而在凸模周圍（wéi）發生材料聚集，形成不大的環狀突起.

2) 塑性變形階段.凸（tū）模及壓料板（bǎn）施加大壓力（lì），達到材（cái）料的屈服點，材料向孔周（zhōu）圍流（liú）動並開始擠入凹模，產生定向（xiàng）塑性流動.

3) 剪切變形階段（duàn）.當凸模繼（jì）續下行，材料停止向孔周圍流動，而大量擠入凹模洞口.此時凸模刃口部分（fèn）的材料達到材料的（de）抗剪強度（dù）.故首先在發生應（yīng）力集中的鋒利刃口（kǒu）處產（chǎn）生顯微裂紋，但沒有剪裂.

4) 剪裂變形階段.凸模下行到一定程度，顯微（wēi）裂紋在金屬材料內部擴展，並使材料沿凹模刃口出現剪切裂紋，開（kāi）始斷裂.

2 精衝工藝的力學特性

精衝工藝的力學特性如圖2所示，圖（tú）2中，S表示材料（liào）厚度.

當凸模進入材料厚度的1/3時，衝裁力最（zuì）大.本文的分析都是在

㋴ഴߨᐛ㢰࣑ᆜ⢯ᙝ㺂ぁഴ

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談正光等：基於Abaqus的齒圈壓板精衝工藝有限（xiàn）元分析 2014年第3期

最大衝（chōng）裁力（lì）下進行.模具在工（gōng）作（zuò）過程（chéng）中，其受力情況非常複（fù）雜，主要存在衝裁力、壓邊力（lì）、反壓力的作（zuò）用.

1） 衝裁力是成型產品零部件所需要的力，影響衝裁力的因素主要有（yǒu）零件尺寸、材料的機械性能、材料厚度等，計算公式為

ps=Lt Sσb f1， (1) 式（shì）中：ps為衝裁力；Lt為剪切線周長；S為材料厚度；σb為抗拉強度（dù）；f1為係數，f1=0.6～0.9.

2） 壓邊力阻止材料在剪切區內撕裂和（hé）金屬（shǔ）的橫向流動，以獲得光潔的剪切麵，計（jì）算公式為 pR=0.5ps. (2)

3） 反壓力在精密衝裁過程中，不但提供靜水壓應力，而且還（hái）防止板料在加（jiā）工過程發（fā）生彎曲.反壓力太小則板（bǎn）料在加工過程容易彎曲，而且精衝質量也不好；反壓力太大則衝裁力增大，增加了模具的載荷.反壓力計算公式為

pc=0.2ps. (3)

3 精衝工藝的有限元分（fèn）析

有限元法是以（yǐ）計算機為工具，根據變分原（yuán）理（lǐ）求解數學和物理問題的一種現代數值（zhí）計（jì）算方法.本文采用（yòng）剛塑性有限元法對精（jīng）衝（chōng）加工過程（chéng）進（jìn）行仿真模擬.把變形（xíng）區離散成多個單元，取一個無限小的正方體單元，分析該單元的應（yīng）力狀（zhuàng）態（tài），如圖3所示.

圖3中，py為（wéi）凸模作用於材料的衝壓力 py=p'y+py''，p'y為頂件反（fǎn）力（lì），py''為衝（chōng）裁力.pv為

V形齒內邊作用於材料的力；N為作用於材 ঋഴݹᓊ࣑⣬ᘷ

料（liào）的側向力；Fx，Fy分別（bié）為模具（jù）表麵作用（yòng）於材料的（de）摩擦力. σy是由py引起的正應力；σvx，σvy分別由pv在x方向的（de）分量pvx和y方向的（de）分量pvy引起的正應力；σn為模具等對材料的約束作用而引起的正應力.

實現精衝技術（shù）的關鍵是在變形區建立（lì）靜水壓應（yīng）力狀態方程，靜水應力可以表示為

   m   x  y z  ， (4) 則精衝工藝過程中變形區的靜水壓應力為

 m     vx    n y vy z  . (5) 因此，隻要改變式(5)中右邊各（gè）項的（de）數值（zhí），就可以達到提高靜水壓力的目的，進而能提高精衝件的質量.

4 Abaqus軟（ruǎn）件（jiàn）仿真過程

某汽車排氣係統不鏽鋼厚法蘭如圖4所示，對其利用（yòng）Abaqus軟件（jiàn）進行精衝工藝有限（xiàn）元分（fèn）析[7- 12].由（yóu）於現（xiàn）有分析軟件中沒有針對精衝工藝的（de）分（fèn）析模塊，本文根據精衝工（gōng）藝力學特性並結合有限元理論，構造精衝（chōng）工藝的有限元模型（xíng）並進行（háng）分析.

圖（tú）5為不鏽鋼厚法蘭件精衝工藝簡易模（mó）具三維（wéi）圖，圖中（zhōng）央部分表示初（chū）始平板坯（pī）料，其餘部分表示凸模、凹模及壓邊圈等.

圖6為有限元網格模型（xíng）.針對精衝工藝中模具上的重要部位，如模具刃口、齒形壓扁（biǎn）圈等（děng），零件網格將局部細化，以提高模擬精度；針（zhēn）對 ഴу䬾䫘⌋ަԬ

第25卷 蘇州市職業大學學報

㋴Ԭަ⌋৐䫘䬾уഴߨᐛ㢰ㆶ᱉⁗ޭп㔪ഴ 䲆ᴿഴݹ㖇Ṳ⁗ශ

受（shòu）力較小或者受力較均勻的部位，網格劃分將較粗略，以提高計算速度.

利用式(1)～式(3)分別計算法蘭（lán）件的衝裁力、壓邊力和反壓力，並在有限元分析中添（tiān）加約束力及約束位移，使圖6中的（de）有限（xiàn）元網格模型能夠模擬精衝工藝過程中的力學狀態.研究表明[6]：在精衝過程中，提高變形區的靜水壓應力可以很好地（dì）改善精衝件質量.為此本（běn）文使用10個精衝行程步（10%，20%，⋯ ，

100%行程），用變形區內各個單元的靜水壓應力均值（zhí）來衡量（liàng）不同工藝（yì）參數（shù）對精衝質量的影響.圖7、圖8 分別為精衝行（háng）程20%和（hé）50%時靜水（shuǐ）壓應力雲圖.

以模具間隙為變量，以（yǐ）精（jīng）衝過程中靜水壓應力均值為衡（héng）量精衝質量的指標，探討不同模具間隙對精衝件質量的影響.從圖（tú）9中模擬結果數據可以看（kàn）出，對於（yú）圖4所示的（de）不鏽鋼法蘭件，模具間隙為0.3 mm時，精衝件的質量較好.這一結論與（yǔ）企業加工實際件的工藝參數設置相吻合，實際精衝件質量較好（光潔麵寬度≥ 80%，塌角（jiǎo）≤ 10%～25%料厚），

證明模擬結果的有效性. ⁑ާ䰤䳉mm

5 結論

1) 分析了精衝工藝的基本原理及力學特性，為建立（lì）精衝工藝模擬的力學模（mó）型提供了基礎.

2) 結合有限元理論及精（jīng）衝工藝的關鍵技術，以Abaqus軟（ruǎn）件為（wéi）基礎，對汽車排氣係統（tǒng）不鏽鋼厚法（fǎ）蘭件進（jìn）行了有限元模擬仿真（zhēn）.

3) 通過提取並處理仿真結果數據，能夠有效地判（pàn）斷精衝工藝各種參數設置對精衝工藝質量的影響.針對不（bú）鏽鋼厚法（fǎ）蘭的精衝參數分析，當模（mó）具間隙為0.3 mm時（shí），精衝質量較好.

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談（tán）正（zhèng）光等：基於Abaqus的齒（chǐ）圈壓板精衝工藝有限元分析 2014年第3期參考文獻：

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(責任編輯：李 華)

(上接第21頁)

作為示例，此外，還在每個學號文件夾中生成了一個“ XX批改報告.txt”，圖5選取第3位學生的批改報告作為示例.

ᬃOHF[(Ⲻ⭕ᆜփࢃഴ֒從ᡆ㔟 ഴㅢփᆜ⭕Ⲻ᢯᭯ᣛ઀

4 結論

在PC上，一次自動批改30道Excel操作題共（gòng）耗時約2 min，而人工批改耗（hào）時（shí）約2 h，相（xiàng）比人工批改，效率提高（gāo）了約60倍，若PC配（pèi）置（zhì）更高（gāo），則耗時更少，效率更高.隻要（yào）涉及Excel軟件操作，無論是作業練習，還是考試考核，均（jun1）可（kě）借（jiè）助該程序框架輕鬆實現針對具體Excel操作題的自動批量批改或判卷程序. 參（cān）考（kǎo）文獻：

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(責任編輯：李 華)