（材料加工工程专业论文）钢背无齿圈精冲成形模拟及工艺参数优化.pdf

摘要 汽车摩擦制动刹车片是汽车刹车系统中极为重要的一个零件，其质量的好坏 直接影响汽车制动性能，成为了人及车的保护伞，然而刹车片的质量受制于钢背 冲裁面质量。目前钢背生产主要采用普通冲裁技术，为此钢背冲裁面不可避免地 出现大量断裂面及毛刺，导致刹车噪音大、制动效果差，而且冲裁面硬度较低。 若使用精密冲裁，则不仅增加企业生产设备的投入，而且极大地增加了多型号、 小批量钢背件的生产成本，降低了产品竞争力。目前企业厂家通过改装普通压力 机，实现了钢背无齿圈精冲，使得上述问题得到了解决。然而钢背无齿圈精冲技 术尚没有技术指导，仅仅依靠经验进行试模，难以获得合理的工艺参数。因此开 发钢背精冲无齿圈精冲技术，总结钢背形状、工艺参数对其的影响规律无疑具有 重要的实际指导意义。 本文依据精冲技术原理，通过理论分析，求解了无齿圈精冲技术变形区域内 静水压力与外力的关系，从理论的角度分析了静水压力的影响因素。同时对精冲 冲裁面进行分析，得到了精冲件塌角面和毛刺的起因及其影响因素。继而利用 p r o e 三维软件建立钢背无齿圈精冲三维模型，并将此导入d e f o r m 3 d 模拟软 件建立钢背无齿圈精冲数值模拟模型。 钢背是一个形状复杂的非轴对称图形，不同的形状在无齿圈精冲过程中所获 得精冲质量不同。本文根据d e f o r m 3 d 数值模拟的结果，分析了钢背形状对 变形区域内静水压力分布的影响。并分析了不同形状区域内塌角面、光亮面、断 裂面所占的百分比，所得的结果有利于进一步分析工艺参数的影响规律。 通过设定不同的工艺参数，分析了压边力、冲裁间隙、凹模圆角、反顶力对 钢背无齿圈精冲的影响规律。数据表明压边力、冲裁间隙、凹模圆角、反顶力四 个工艺参数对钢背无齿圈精冲的影响较大，据此得到了单个因素下的最佳工艺参 数值。然后根据最佳工艺参数值，依据正交试验设计思想，对压边力、冲裁间隙、 凹模圆角、反顶力四个工艺参数进行了工艺优化，得到了四个工艺参数对该技术 的影响顺序以及最佳工艺参数组合。 关键词：钢背，无齿圈精冲，数值模拟，工艺参数，优化设计 a b s t r a e t a sav e r yi m p o r t a n tp a r to ft h ev e h i c l eb r a k es y s t e m ，a u t o m o t i v ef r i c t i o nb r a k e b l o c kh a sb e c o m et h eu m b r e l l ao ft h ep e o p l ea n dc a r sb e c a u s ei t sq u a l i t yh a sad i r e c t i m p a c to nv e h i c l eb r a k i n gp e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h eq u a l i t yo ft h eb r a k ei ss u b j e c t t ot h eq u a l i t yo fs t e e lb a c kb l a n k i n gs u r f a c e t h ec u r r e n ts t e e lb a c kp r o d u c t i o nm a i n l y u s e sc o n v e n t i o n a lb l a n k i n gt e c h n o l o g y , i t sp u n c h i n gs u r f a c ei n e v i t a b l ya p p e a ral a r g e n u m b e ro ff r a c t u r es u r f a c ea n db u r r , a n dc a u s e st h eb r a k en o i s e ，p o o rb r a k i n ge f f e c t a n dl o w e rp u n c h i n gs u r f a c eh a r d n e s s i fu s ep r e c i s i o nb l a n k i n g ，i tn o to n l yi n c r e a s e t h e p r o d u c t i o ne q u i p m e n ti n v e s t m e n t , b u t a l s o g r e a t l y i n c r e a s et h ec o s to f m u l t i m o d e l ，s m a l lq u a n t i t i e so fs t e e lb a c k , s or e d u c et h ec o m p e t i t i v e n e s so ft h e p r o d u c t s a tp r e s e n t ，t h ee n t e r p r i s em a n u f a c t u r e r sr e a l i z et h ef i n eb l a n k i n go fs t e e l b a c kp l a t ew i t h o u tg e a rr i n gt h r o u g ht h em o d i f i c a t i o no fo r d i n a r yp r e s s ，m a k i n gt h e a b o v ep r o b l e ms o l v e d h o w e v e rt h e r ei s s t i l ln ot e c h n i c a lg u i d a n c ef o rt h i s t e c h n o l o g y , s od e p e n do n l yo ne x p e r i e n c et oc o m m i s s i o n i n gi sd i f f i c u l t t oo b t a i n r e a s o n a b l ep a r a m e t e r s t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gt h et e c h n o l o g yo ft h ef i n eb l a n k i n go f s t e e lb a c kp l a t ew i t h o u tg e a rr i n g ，s u m m i n gu pt h ei n f l u e n c el a wo ft h es h a p eo fs t e e l b a c ka n dp r o c e s sp a r a m e t e r su n d o u b t e d l yh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a c c o r d i n gt ot h ef i n eb l a n k i n gt e c h n o l o g yp r i n c i p l e s ，t h i sp a p e rs o l v e dt h e r e l a t i o no ft h eh y d r o s t a t i cp r e s s u r ei nf i n eb l a n k i n gw i t h o u tg e a rr i n gd e f o r m a t i o n r e g i o na n dt h e e x t e r n a lf o r c e s ，a n da n a l y z e dt h ei m p a c tf a c t o r so ft h eh y d r o s t a t i c p r e s s u r e f i , o mat h e o r e t i c a lp o i n t a tt h es a m et i m et h eb l a n k i n gs u r f a c eo ff i n e b l a n k i n gw a sa n a l y z e d ，a n dt h ec o l l a p s ea n g l ef a c eo ff i n eb l a n k i n ga n dt h ec a u s ea n d i t si n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h eb u r rw e r eo b t a i n e d a n dt h e nb u i l t3 dm o d e lo ft h ef i n e b l a n k i n go fs t e e lb a c kp l a t ew i t h o u tg e a rr i n gb yp r o es o r w a r e ，a n dt h e ni m p o r t e d i n t od e f o r m 3 ds i m u l a t i o ns o f t w a r et ob u i l dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lo f t h e f i n eb l a n k i n go fs t e e lb a c kp l a t ew i t h o u tg e a rr i n g s t e e lb a c kp l a t ei san o n s y m m e t r yp l a t ew i t hc o m p l i c a t e ds h a p e i nf i n e b l a n k i n gw i t h o u tr i n gg e a r s ，s h a p e h a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo ff i n e b l a n k i n gp r o d u c t a c c o r d i n gt h ed e f o r m - 3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e e f f e c to fs t e e lb a c kp l a t e s s h a p eo n t h ed i s t r i b u t i o no fh y d r o s t a t i cs t r e s si n d e f o r m a t i o na r e aw a si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r a n dt h ep e r c e n t a g eo ft h ec o l l a p s e s u r f a c e ，b r i g h ts u r f a c ea n df r a c t u r es u r f a c ei nd i f f e r e n ts h a p ea r e aw a so b s e r v e d t h e r e s u l t so f f e r e db a s i sf o rf u r t h e ra n a l y s i so np r o c e s sp a r a m e t e r s e f f e c t n b ys e t t i n gd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h el a wo fe f f e c to f b l a n kh o l d e rf o r c e ， b l a n k i n gc l e a r a n c e ，d i ef i l l e ta n dc o u n t e r f o r c eo nt h eq u a l i t yo ff i n eb l a n k i n gw a s i n v e s t i g a t e d d a t as h o w st h a tt h ef o u rf a c t o r sh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nf i n eb l a n k i n g w i t h o u tr i n gg e a r s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h eb e s tp r o c e s sp a r a m e t e ri ne v e r ys i n g l e f a c t o rc a nb eo b t a i n e dw h i c hc a np r o v i d eap r o c e s so p t i m i z a t i o no nb l a n kh o l d e rf o r c e ， b l a n k i n gc l e a r a n c e ，d i ef i l l e ta n dc o u n t e r f o r c eb yu s i n go r t h o g o n a lt e s tm e t h o d ，a n d a l s ot h ee f f e c to r d e ro ft h e s ef o u rf a c t o r so nf i n eb l a n k i n ga n dt h eb e s tc o m b i n a t i o no f p r o c e s sp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：s t e e lb a c kp l a t e ，f i n eb l a n k i n gw i t h o u tg e a rr i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , p r o c e s sp a r a m e t e r , o p t i m i z a t i o nd e s i g n i i i 武汉理i ：人。学硕十。仲论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着经济与社会的不断发展，如今越来越多的轿车走进千家万户，使得汽车 产业成为了当今时代的一个朝阳产业，并相继成为了国民经济的支柱产业。而且 汽车：1 二j 比也代表着一个国家的工业化程度，同时汽车的制造水平是汽车行驶性能 及安全性能的重要保障，成为世界各国竞相发展的行业。汽车摩擦制动刹车片是 汽车刹车系统中极为重要的一个零件，它是通过将汽车的动能及势能转化成热能 来达到汽车减速或制动停车的目的，主要分为盘式制动刹车片、鼓式制动刹车蹄 以及大卡车来令片，如图1 1 所示。其质量越好，则制动效果越好，质量越差， 则制动效果越差，成为了人及车的保护伞，一般寿命为3 1 0 4 5x1 0 4 o n1 2 - 4 1 。 因此作为汽车安全行驶重要保证的摩擦制动器的产生与发展始终与汽车技术相 生相伴，随着人们生活理念和汽车技术的不断发展，不管是组成成分，还是结构 及生产工艺都发生了巨大的变化1 5 j 。 图1 1 汽车摩擦制动刹车片 盯丁汽车摩擦制动刹车片是一种极为重要且消耗量巨大的产品，冈此我国j ) j 武汉理i ：人。硕 ：学位论文 有众多生产该零件的汽车j 家。h | ；j 订我国年产3 0 0 吨以上摩擦材料的企业有4 0 0 多家，这其中包括许多从欧美来投资的中外合资企业或外商独资企业，总年，l - j 虹 能力达到2 0 万吨以上，生产品种3 0 0 多个，规格3 0 0 0 多种，除满足国内需求以 外，近几年国外汽车大公司也棚继在中国投放大量订单f 6 】。因此如何提高产品质 量、降低制造成本，由此提升产品的竞争力成为了这些生产厂家所面临的一个迫 切、重要的难题。 汽车摩擦制动刹车片一般由钢背、粘性隔热层和摩擦块三部分构成，其钢背 又称为大倒角类冲压件，用于固定摩擦材料，如图1 2 所示，同时用于安装在刹 车系统上。而刹车片的质量受钢背断面质量的影响很大，其断裂面区域及其大小 直接关系着钢背能否使用及其使用效果，毛刺越大，断裂面越不平整，则刹车噪 音越大，制动效果越差。目前钢背主要采用普通冲压方法进行冲裁，其冲裁件冲 裁面不可避免地出现大量断裂面及毛刺，如图1 3 所示，从而影响钢背尺寸精度。 为此一些高档轿车或国外进口汽车常采用精冲工艺来生产此类零件，所生产的零 件不仅冲裁面上的塌角面高度为普通冲裁件的一半，光洁面能达到百分之八十或 九十，而且有一层硬度较高的硬化层附着在钢背冲裁面上，其平均硬度为原来基 体的两倍，甚至可达2 5 倍1 3 j 。 图1 3 大量毛刺的钢背零件 目前精冲：【艺设备主要采用三动精冲压力机设备。三动精冲压力机提供三向 动力，分别是作用在板料、齿圈、反顶板上的冲裁力、压边力、反顶力，是一种 精冲专用设备。然而三动精冲压力机较普通压力机相比，价格昂贵，且需要配套 的生产线，对于多规格、小批量生产大幅度的增加了成本，不利于企业柔性生产， 降低了企业的产品竞争力。 若能在普通压力机t 实现精冲工艺，无疑能解决使用三动精冲压力机生产钢 武汉理i ：人。学硕l ：。了：1 市沦文 背所i 带来的小足。普通压力机价格低廉，且一般生，虹厂商都具备此种设备，比较 普遍，且使用该种设备无须额外的配套系统，具有低廉、简便、易用等优点。闪 此人幅度的降低了多规格、小批量钢背乍产成本，且质量得到了提升，减少了生 产工序。同时，有利于减少资源消耗、节省能源消耗、降低三废排放。 1 2 精冲技术研究进展 1 2 1 精冲技术原理 冲裁是利用模具使板料产生分离的冲压工序，包括：整修、冲孔、切口、落 料、切边、剖切、精密冲裁等工艺。具有生产率高、材料利用率高、能耗量少、 生产成本低、产品重量轻、强度及刚度好等优点，不仅可以生产成品，也可以为 冷挤压、拉延、弯曲等其他工序提供半成品1 7 j 。为此该工艺广泛应用于汽车、电 器、仪器仪表、航空航天、船舶以及各种军、民用轻工等行业，是现代化生产的 重要手段和发展方向l 引。 但是普通冲裁的冲裁面具有2 3 的毛刺带，冲裁面质量低，尺寸精度低等缺 点，不能满足其工作面为冲裁面的产品精度要求。精密冲裁利用普通或者专用压 力机，采用专用精密冲裁模具，在强力压料状态下对板料进行冲裁，主要有落料、 冲孔两种工序，简称精冲成形。其零件具有精确度高、光洁度好、平面度高、垂 直度好等优点，能够改善普通冲裁所带来的不足，如图1 4 所示。目前广泛地用 于精密零件的牛产领域。 图1 4 精冲零件 精冲成形是以金属塑性为前提条件的一种金属塑性加工成形。余属塑性越 好，则表示该金属塑性成形适应能力越好，其产生的塑性变形量也越火；反之， 金属在成形过程中如有裂纹产生，则塑性加工无法进行。金属塑性的好坏与该金 属的化学成分及金像组织、变形温度、应变速率、变形力学条件、变形连续条件、 变形体体积大小密切相关1 7 j 。 通过卡尔曼的大理石和红砂石的实验表明：当静水压力越大，即j 生应力fj j l i 武汉理工大学硕士学位论文 应力个数越多、其数值越大，则金属塑性越好；反之，当静水压力越小，急主应 力下压应力个数小、其数值越小，则金属塑性越差【9 1 。应变对金属塑性也起着作 用，一般认为，压应变提高金属塑性，而拉应变则降低金属塑性。 匿匡 毳洇 乜 a d g 陈 i 蝴 x 、 蓬篚 l 壅浏 l bc 豳豳i ef 斑豳 h i 匿匿 篁虱 i 比 图卜5 精冲工艺全过程 精冲成形正是通过改变力学条件增加静水压力，提高金属在成形过程中的塑 性，已达到近塑性成形，甚至完全塑性成形。精冲成形工艺全过程如图1 5 所示。 a 、起程位置：b 、模具闭合，v 形环压边圈及压板压紧材料；c 、材料在完全压 紧的条件下开始冲裁：d 、冲裁结束，工件和废料分别进入凹模及凸凹模；e 、 4 武汉理工大学硕士学位论文 模具开启，压力释放；f 、卸料，顶件；g 、顶出工件，开始送料；h 、吹出工件 及废料；i 、结束送料，完成一个循环，准备下一次冲裁。 1 2 2 精冲技术发展状况 1 9 2 3 年，德国e s h c i e s s 通过试验研究获得精冲技术专利【1 0 1 ，此后精冲技术 主要应用于德国、瑞士的钟表工业；1 9 5 6 年，瑞士h s e h i e s s 公司制造了第一台 液压精冲机，直到小吨位的商品精冲机诞生后，精冲技术进入一个全新发展时期； 1 9 6 2 年，a g u i d i 第一次发表了有关精冲理论的论文，他领导的f e i n t o o l 公司生 产了机械式精冲压力机并投入市场j 。随后瑞士、德国、美国、日本等国相继将 精冲技术广泛应用于手表、家电、汽车等制造行业，形成了一整套完备的技术体 系。 r i d h ah 在2 0 0 1 年采用a b a q u s 有限元软件对精冲过程进行了模拟分析， 引入r i c e & t r a c e y 韧性断裂准则对l e m a i t r e 和e x p o n e n t i a l 两种破坏模型进行 了对比，最后通过实验验证证明e x p o n e n t i a l 模型更适合于精冲模拟分析【1 2 j 。c h e n z h 等人在2 0 0 2 年采用空穴增长模型和热力一耦合有限元法模拟研究了精冲成 形过程中裂纹的产生和扩展，首次分析了温度因素对精冲的影响，指出静水压应 力可以抑制裂纹的形成1 1 3 4 1 。目前，走在精冲技术最前沿的国家是瑞士，其代表 企业法因图尔公司( f e i n t o o l ) ，不仅可以提供精冲产品，还可以提供高品质 的精冲设备、精冲模具及辅助设备i l5 1 。 1 9 7 6 年，国内与f e i n t o o l 公司合作，首次引进精冲压力机。随后北京机电研 究所、济南铸锻研究所、西安交通大学以及西安仪表厂等单位相继展开了精冲技 术的研究，使得精冲技术从最初的手表行业逐步扩展到家电、汽车、航天等行业。 但长期以来，国内精冲技术存在诸多问题，如技术含量低、模具制造周期长、精 冲质量缺陷多，难以满足国内工业迅速发展的需求。 鉴此，近年来国内学者对精冲压力机、精冲模具、精冲工艺进行了深入的研 究。1 9 9 9 年，贾建军等人研究了精冲过程的韧性断裂j ；2 0 0 1 年，程万军等人 进行了齿圈压板精密冲裁的力学分析【1 7 1 ；2 0 0 5 年，赵震等人研究了精冲工艺参 数以及韧性断裂准则对精冲质量的影响【1 8 l 。 以武汉理工大学华林教授为首的研究团队对精冲技术展开了深入研究：华 林、刘胜林、曹振华等人通过有限元模拟技术对复合精冲工艺进行了研究，揭示 了复合精冲技术的成形特点【1 9 2 2 l ；兰箭、张沔利、张靖暹等人研究了精冲复合成 形件的毛坯设计方法，并开发了毛坯设计系统 15 , 2 3 1 ；赵玉民、胡俊伟利用仿真软 件a d a m s 建立了1 0 0 0 0 k n 精冲压力机虚拟样机模型，完成了1 0 0 0 0 k n 精冲压 武汉理工大学硕士学位论文 ：力机虚拟设计2 4 彩l ；黄尚宇、汤建云等人以汽车拨叉、摩擦片为零件，研究了精 冲技术在汽车零件的应用2 6 五7 1 ；胡建华、于静波、朱彦生等人通过有限元模拟及 实验方法分析了精冲模具应力、模具磨损等变化规律【2 8 0 1 ：朱春东、李福涛等人 采用d e f o r m 3 d 分析了汽车刹车片钢背精冲过程中工艺参数对精冲质量、模 具磨损的影响规律 3 , 3 1 】。 1 2 3 无齿圈精冲技术原理 无齿圈精冲技术又称之为平面压板精冲，同样具有三向作用力( 压边力、冲 裁力、反项力) ，所不同的是采用平面压板取代v 形齿圈压板来提供压边力，如 图1 - 6 所示。无齿圈精冲技术具有如下特点： ( 1 ) 、压边圈上没有v 形齿，为平面形状，冲裁开始前和冲裁过程中平面 压边圈均压紧材料，保持材料和冲裁方向垂直i | 7 】： ( 2 ) 、冲裁间隙取值和强力压边精冲不同，其间隙值更小； ( 3 ) 、压边圈上没有v 形齿，提高了材料的利用率，而且易于在经过改进 的普通压力机上实现生产。 昂一压边力b 冲裁力尼一反项力 图1 - 6 无齿圈精冲原理图 诚然，在其余条件一致的情况下，无齿圈精冲技术所获得精冲产品质量要逊 色于v 形齿圈精冲技术。但是在精冲件断面质量要求不高、企业柔性生产、降 低精冲件生产成本、加工设备最大化利用等方面，无齿圈精冲技术有着不可比拟 的优势。因此无齿圈精冲技术成为了开发既能满足产品质量要求又能降低生产成 本精冲技术的切入点。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 4 无齿圈精冲技术发展状况 s u t a s nt h i p p r a k m a s 等人利用二维有限元软件模拟了无齿圈( 平板) 精冲过 程，研究了金属组织在变形区域的流动机理，并模拟了轴对称零件无齿圈精冲过 程，研究了模具半径、压边力等各个工艺参数对精冲表面质量的影响【3 2 。3 3 】。 k h s h i m 等人利用有限元模拟铝箔、铜箔等薄箔片无齿圈精冲过程，研究了冲 压模圆角半径对毛刺及裂纹的影响f 3 4 1 。n o b u oh a t a n a k a , e k l o c k e 等人利用有限 元模拟了金属板料无齿圈精冲过程，研究了无齿圈精冲过程中剪切机理，并讨论 了间隙、压边力及材料性能对精冲件断面质量的影响【”确l 。n h a t a n a k a , e t i e n n e t a u p i n 等人对无齿圈精冲韧性断裂准则做了预测，并研究了3 m m 厚板在无齿圈 精冲过程中裂纹的产生和扩张1 3 7 - 3 9 。 目前，美国e b w a y 公司开发的挤出精冲和德国w a n z k e 公司开发的集成精 冲均属平面压边精冲，且都具有专用的精冲压力机进行批量化的生产。 国内，秦泗吉、杨蔓丽等人在无齿圈精冲精冲机理的基础上，利用有限元法 系统分析了阶梯形刃口精冲主要工艺参数对精冲质量的影响【3 9 j ；罗云华、王磊 等人提出了设计氮气弹簧式精冲模具方案，使得能够在普通压力上完成无齿圈精 冲，并利用d e f o r m 2 d 有限元软件对曲柄系列零件进行了数值模拟，优化了 精冲工艺参数【删。 虽然无齿圈精冲技术有了以上的研究，但是无齿圈精冲技术成形机理非常复 杂，经历了弹性变形、塑性变形、剪切断裂甚至撕裂，涉及到几何非线性、材料 非线性、接触非线性的塑性非稳态大变形过程。而目前无齿圈精冲工艺参数( 压 边力、反顶力、间隙、凹模圆角、板厚) 对产品光亮带的分布变化规律尚无研究 和结论，同时对于不同形状的零件，其形状对无齿圈精冲效果的影响规律尚无研 究和结论。 1 3 课题来源与主要研究内容 1 3 1 课题来源 图1 7 所示为某公司生产某型号汽车摩擦制动刹车片钢背零件图。当普通冲 裁时，钢背产生大量毛刺，使得企业一直以来要增加一道打磨工序用于消除毛刺， 该零件的生产工艺如下：下料一落料_ 冲孔一毛刺打磨，如图1 8 所示。但即使 有了这道工序，所得到的产品质量仍没有光亮带良好的精冲件质量好，且断面处 的硬度不如精冲的好，而且还无形之中增加了该零件的生产成本。然而精冲压力 7 武汉理i ：人。学倾卜学何论文 机价格昂贵，其价格在普通压力机5 6 倍以上，而且需要专用的生产系统进行配 置，不利于小批量生产。因_ i i - l i ! i i 碍了氽业柏：柔性，| i 产、降低_ 三产成本、竹能减排 等方面的发展。 图1 7 汽车制动刹车片钢背 ( b ) 钢背冲裁工序( c ) 钢背打磨工序 图1 8 钢背生产工序 基于此类问题，本课题旨在普通压力机上丌发钢背无齿圈精冲技术，研究工 武汉理i 人。学硕十学f 妒论文 艺参数、钢背形状对钢背无齿圈精冲技术的影响规律，使得满足钏背产品质量要 求及使用性能。来源于，“东省教育厅科技部产学研合作项【：= i “汽i 制动刹乍片无 齿圈精冲技术研究”( 项目编号：2 0 11b 0 9 0 4 0 0 15 7 ) 1 3 2 研究方法 金属塑性加工是一个多因素的复杂系统，如锻压、挤压、冲压和轧制等加工 过程中不仅工件的几何形状复杂，而且工具与材料问的摩擦力与材质、温度和润 滑条件等许多因素有关；另方面，材料在塑性变形状态下本构关系的非线性， 塑性变形引起的材料各向异性以及大变形带来的几何非线性等，使得塑性加工成 形问题很难求得精确解。随着科学技术的发展以及计算机技术的普及，目前大量 的科研工作由计算机来完成，使得科研工作变得准确、快捷、节能、节材。 为此，本课题在现有精冲理论基础上，通过理论分析，结合企业实际生产情 况，如图1 - 9 所示。利用数值模拟技术研究方法，对在普通压力机上实现钢背无 齿圈精冲工艺展开研究，将得到钢背形状、工艺参数对该钢背精冲质量的影响规 律，山此进行工艺参数优化，并指导实际生产工作。 1 3 3 主要研究内容 图1 - 9 企业生产的钢背 ( 1 ) 对无齿圈精冲变形区域进行力学分析，建立静水压力与外力之问的关 系，分析静水压力的影响因素。分析精冲冲裁面的组成成分及其成因和影响因素。 ( 2 ) 以汽车摩擦制动刹车片钢背作为研究对缘，采用p r o e 三维软件建立 模型，继而利用三维有限元软件d e f o r m 一3 d 设定数值模拟参数并完成钢背无 齿圈精冲数值模拟。 ( 3 ) 对不同形状变形区域内静水压力值及分布进行分析，以不同形状区域 内钢背冲裁面的质量进行分析，找f j 变形区域内最难形成静水压力的形状、塌角 9 武汉理j c 大学硕士学位论文 面最大的形状以及断裂面最大的形状。 ( 4 ) 根据第三条所得到的结果，设定不同的工艺参数( 压边力、反压力、 模具间隙、凹模圆角) ，分析这些工艺参数对无齿圈精冲过程中静水压力、钢背 冲裁面、凸模载荷的影响规律，找出其中的最优值。 ( 5 ) 根据第四条所得到的最优值，采用正交试验方法对其进行模拟，从模 拟结果中找出质量最好的工艺参数组合，达到钢背无齿圈精冲优化的目的。 1 4 本章小结 本章概述了汽车制动刹车片的生产状况、精密冲裁技术的原理及国内外发展 状况、无齿圈精冲技术的原理及国内外发展状况。阐述了无齿圈精冲技术存在的 问题以及汽车制动刹车片采用无齿圈精冲技术的原因和实际生产问题，并说明了 本课题的来源、意义及主要研究内容。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章钢背无齿圈精冲理论分析及建模 2 q1 引言 无齿圈精冲也称之为平板精冲，采用平面压板的方式取代v 形齿圈对板料 施加压边力。由于该种精冲没有齿圈，平面压板所施加的压边力无法提供在变形 区域内侧压力，导致在变形区域内很难形成静水压力，由此加大了平面压板实现 精冲目的的难度。钢背无齿圈精冲是一个多因素的复杂的变形过程，其中涉及到 材料性能、零件形状、工艺参数等因素，以及变形过程中几何非线性的本构关系、 各向异性等，使得该问题很难精确求解。计算机有限元法通过网格划分把变形体 分解成有限个单元体，利用力学关系、几何原理等相关知识求解单个单元体，从 而使得变形体问题得以求解。目前已成为了处理非线性问题最理想的分析工具。 本章从力学知识的角度，分析无齿圈变形区域内静水压力与外力之间的关系，并 研究冲裁面塌角面、光洁面、断裂面的形成及影响因素。同时介绍计算机有限元 钢塑性原理及三维软件d e f o r m 3 d ，并对钢背无齿圈精冲设定模拟参数以及模 拟过程分析。 2 2 变形区域的力学分析 2 2 1 加载于板料的外力 无齿圈精冲时，加载于板料上的外力如图2 1 所示。图中，压板对板料作用 压边力p r ，凸模对工件作用冲裁力p s ，反顶板对工件作用反顶力p g ，则总冲压 力p 为： p = p s + p g + a r ( 2 - 1 ) 在精冲过程中，随着凸模的压入，板料对凸模、凹模会产生力学作用，有反 作用定律可知，凸模、凹模对板料将产生侧压力n 。由于板料作用在凹模上，且 压板对板料施加了压边力p r ，因此凹模对板料将作用的支反力r 。由于这些外 力的作用，凸模与板料、凹模与板料、压板与板料、反顶板与板料间作用着摩擦 力e 、f ；、f x 、f y 、p r 。、v o j ，即： e = 2 3 p s ( 2 - 2 ) e = 2 3 n ( 2 3 ) f 。= r (2934 2 - 4 ) x2 () 武汉理工大学硕士学位论文 f y = 3 4 n p 蠢= a 1 3 p r f g 。= 5 3 p g 1 压板2 凸模3 板料4 凹模5 反顶板 图2 1 无齿圈精冲时作用于变形区的外力示意图 2 2 2 变形区的应力状态 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 如图2 1 所示，在精冲变形区域建立笛卡尔坐标系o x y z ，并在该区域内任 取一个单元六面体。由于精冲工艺本身可消减甚至消除材料沿冲裁线周向流动， 则z 方向的位移可视为零，即可将单元六面体视为平面变形。因此z 面上的三个 应变分量以及两个剪应力分量均为零，即： 6 z = 0 ，= 岛= 0 ( 2 8 ) f a = f 计= 0 ( 2 9 ) 因z 面上的正应力仃：为主应力，同时为平均正应力仃m 及中间主应力盯2 ， 所以得到： 仃：= 仃m - - - o 2 = 去p 。+ 仃，) ( 2 1 0 ) 当上式计算出的c r m 值为负值时，又称为静水压力。此时变形区域内任何一 点的应力状态可用应力单元体来表示，如图2 - 2 所示， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 三仅 图2 2 单元体应力状态图2 3 单元体的应力分量与外力的关系 2 2 3 静水压力分析 众所周知，压应力能阻止或减小晶间变形，随着三向压缩作用的增强，晶间 变形越加困难，因而可提高材料的塑性。因此尽管静水压力不会影响材料的屈服， 但对材料的塑性有很大的影响。静水压力值越大，则材料塑性越好，变形区域内 材料发生断裂的时间越晚，所得到的精冲质量越好。 忽略弯矩、摩擦力的作用，利用金属应力求解方法可将点的应力分量与外力 建立关系【4 l 】，如图2 3 所示，即： 仃。= k , o n x ( 2 11 ) o r y 之k 2 c r s x + k 3 c r i u + k 4 0 c , y ( 2 1 2 ) 仃：= 去g l 仃n x + 七2 盯s y + 七3 0 r y - l - k 4 0 g y ) ( 2 1 3 ) 式中：仃n 。侧压力n 在x 方向的应力； o s y 冲裁力p s 在y 方向的应力； o r y 压边力p r 在y 方向的应力； 反顶力p g 在y 方向的应力； 所以静水压力仃m 为： 仃m = 丢 l 仃n 。+ 七2 0 s y + k 3 0 r y + 七4 仃g y ) ( 2 1 4 ) 上式可知，系数k l 、k 2 、屯、屯不会因外力的变化而发生变化，因此静水 压力值仃m 只随着压边力p r 、侧压力n 、冲裁力p s 及反顶力p g 的大小而发生变 武汉理工大学硕士学位论文 化。在x 轴上，由于无齿圈精冲没有齿圈进行压制板料，因此压边力产生不了应 力作用，只有侧压力n 产生应力作用，而侧压力n 主要受间隙、刃口倒角、零 件形状的影响，但由于小间隙会增加模具的受力，刃口圆角过大会使塌角增大， 因此受到一定的限制。在y 轴上，有压边力p r 、冲裁力p s 以及反顶力p g 均产生 应力作用，因此在此方向上能够较轻松获得压应力，通过提高压边力p r 、反顶 力p g 即可，但同时会增加模具的受力以及冲裁力，因此也受到一定的限制。 2 3 精冲件冲裁面分析 无齿圈精冲零件的质量主要由零件精度及冲裁面质量来决定，其中零件精度 包含尺寸精度和形位精度，零件的冲裁面则由光洁面、断裂面、撕裂面、塌角面、 毛刺面组成。 ( a ) 冲孔冲裁面质量分布( b ) 落料冲裁面质量分布 图2 _ 4 板料冲裁面质量 无齿圈精冲零件的冲裁面虽然有众多面组成，但大致可分为三个部分，即塌 角面、光洁面、断裂面，其中断裂面包含着撕裂带和毛刺，如图2 - 4 所示。a 为 塌角面，又称为圆角带，是当模具刃口刚压入板料时，材料随模具刃口向工件剪 切面转移而形成的，具有一定的高度和宽度。b 为光洁面，发生在塑性变形阶段， 由于凸模压入板料，板料受到剧烈的挤压和摩擦所致，与工件基面垂直。c 为断 裂面，是在断裂阶段形成，是由于刃口处产生的微裂纹在拉应力作用下，不断扩 展而形成的断裂面。d 为毛刺，是冲裁面断面模具侧形成的不规则凸起。 塌角面的大小取决于工件的几何形状，材料的强度和厚度。经分析，顶尖角 和圆角半径增大，塌角面高度减小；材料厚度减小，塌角面高度减小；材料强度 提高，塌角面高度减小；反顶力越小，塌角面高度越小。由于无齿圈精冲，没有 v 形齿圈的作用，因此塌角面高度与压边力值无太大关系。断裂面的大小取决于 材料塑性、工件厚度、几何形状以及工艺参数。经分析，冲裁间隙越大，断裂面 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 高度越大；凹模圆角半径越小，断裂面高度越大；反顶力越小，断裂面高度越大； 压边力越小，断裂面高度越大。 对于无齿圈精冲，由于没有齿圈的作用，光洁面所占的百分比会减小，而断 裂面与塌角面所占的百分比会增加。因此须通过调整工艺参数，使得无耻圈精冲 零件的塌角和毛刺控制最小，最大限度的获得高质量的精冲零件。 2 4 数值模拟基本理论 2 4 1 刚塑性有限元法 刚塑性有限元法是由李( c h l e e ) 和小林史郎于1 9 7 3 年提出来的【4 2 1 。此方 法采用列维一米席斯( l e v y m i s e s ) 率方程和米席斯( v o n m i s e s ) 屈服准则，求解未 知量为节点位移速度，通过对速度的积分来求解离散空间内几何非线性问题【4 3 1 。 其解法简单，且效率高，精度能满足工程要求，同时易于实现编程，因而可方便 地用于解决稳态及非稳态塑性变形问题。虽然刚塑性有限元法计算精度不如弹塑 性有限元法高，但是对于塑性变形远大于弹性变形的塑性加工问题，却能得到接 近真实的结果，因此得到了广泛的应用，也成为众多商业软件( 如m s c 、 s u p e f f o r g e 、d e f o r m ) 的核心算法。 刚塑性有限元法的理论是以刚塑性材料的变分原理为基础，它以能量积分形 式把塑性偏微分方程组的求解问题变成了泛函极值问题，从而建立了有限元法的 基本方程。变分原理也成为马克夫变分原理( m a r k o vp r i n c i p l e ) 。它基于满足几 何方程、体积不可压缩条件以及边界位移速度条件的一切运动容许速度场订中， 使泛函1 4 驯 n2 j 丽d y jp ，q 。搬( 2 1 5 ) p s - 取驻值来求解刚塑性边界问题的精确解。对于塑性加工问题，它的物理意义是刚 塑性变形体的总能耗率，等于变形工件内部的塑性变形功率( 泛函兀第一项) 减 去变形工件与模具接触界面的摩擦功率( 泛函兀第二项) 。 2 4 2d e f o r m 有限元分析软件 2 0 世纪7 0 年代，美国加州伯克利加利福尼亚大学小林研究室在美国军方的 支持下开发出了有限元软件a l p i d ，并在此基础上开发了d e f o r m 软件【4 4 1 。该 软件由前处理器、求解器、后处理器和用户处理器等四大模块组成。其用户处理 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 器可以添加自定义的材料模型、自行编程对其系统进行二次开发，为此该软件广 泛应用于金属变形处理过程的模拟分析。 d e f o r m 3 d 是一套基于工艺模拟系统的有限元系统，专门设计用于分析各 种金属成形过程中的三维( 3 d ) 流动，提供极有价值的材料流动、模具行腔填 充、成形载荷、模具应力、微观组织变化和缺陷发生发展情况等工艺分析数据。 其运算精度高，结果可靠，被国际成形模拟领域公认为第一。在计算精度要求较 高的区域，可以进一步细化网格，同时在运行过程中遇到网格严重畸变，该软件 能够自动划分网格。此外该软件还具有2 d 切片功能、点迹追踪、镜面反射等一 系列后处理功能，能够有效的揭示工件在成形过程中，材料内部金属组织的流动 及成形规律1 4 5 4 7 1 。 因此越来越多的科技工作者利用d e f o r m - 3 d 进行材料成形数值模拟研究。 通过d e f o r m 3 d 进行精密冲裁数值模拟研究可以解除用d e f o r m 一2 d 进行研 究所带来的限制，如零件不局限于轴对称零件、可以更加直观、准确的研究精冲 内部组织变化，所以其模拟结果较2 d 模拟结果更有利于实际生产指导作用。由 于汽车刹车片钢背为非轴对称零件，利用d e f o r m 2 d 难以获得理想的分析结 果。为此本文使用d e f r o m - 3 d 进行汽车刹车片钢背精冲研究，以揭示不同形 状在精冲过程中静水压力、冲裁面的变化情况，从而进一步优化精冲工艺参数。 2 5 建模及其参数设置 有限元模型构建及其参数设置是有限元模拟的关键步骤，其模型构建是否真 实以及参数设置是否合理，直接关系到模拟结果是否具有真实性和实用性。其主 要内容包括零件三维几何模型建立、网格划分、材料模型建立、工件边界条件设 置、摩擦系数设置以及每步时长设置。 2 5 1 几何建模 根据钢背c a d 图( 图1 7 ) ，在三维软件p r o e 中建立三维模型。由于该零 件为左右对称零件，为了简化精冲模拟过程，节省磁盘内存、运行时间，取该零 件一半用于模拟。分别建立精冲过程中凸模、压板、板料、凹模、反顶板等零件 三维模型，如图2 - 5 所示，由此装配成钢背精冲三维模型，如图2 - 6 所示。 1 6 武汉理i ：人学硕十。何论文 2 5 2 参数设置 鬻