基于数值模拟的薄板冲裁过程应力分析

1、2006年第6期冲压STAMPINGC M E T 锻压装备与制造技术1引言薄板,一般是指厚度在0.02mm 0.6mm 范围内的板料,在现代冲压加工特别是精密级进模高速冲压中薄板冲裁占有很高的比例1。冲裁约束条件对板料冲裁过程的应力状态有很大影响,是决定裂纹产生、成长和断面质量的一个重要因素。决定冲裁约束条件的因素主要包括两个方面:第一是有无压边圈,第二个是冲裁轮廓是否对称。研究不同约束条件下薄板冲裁过程的应力状态,对了解裂纹扩展方式、断面质量的影响机理,预防工件缺陷,抑制裂纹产生,控制裂纹走向具有重要意义。目前,这方面的实验研究仍然比较困难,现行冲压工艺书籍中所分析的主要是无压料板双面冲裁

2、的应力状态2-3。数值模拟是目前比较实用的技术,利用它可以方便的对不同的约束条件下的应力状态进行分析。本文就是利用商业化的有限元分析软件DEFORM-2D T M ,对冲裁工艺进行了模拟,着重分析了有压料板双面冲裁的应力状态,并将其与无压料板情况进行了对比。2有限元分析模型的建立本文冲裁模拟所用板料是锡磷青铜(QSn6.5-0.1。该材料在电子产品级进模高速冲压生产中应用非常广泛。图1所示是QSn6.5-0.1材料的真实应力应变曲线,该曲线是参照文献45及金属材料物理试验方法标准,使用单向拉伸试验确定的。图2是利用DEFORM-2D T M进行冲裁模拟的模型示意图,其中板厚t=0.3mm ,冲

3、裁单面间隙c=0.1mm ,板料宽度L=8mm ,凸模宽度Lp=6mm ,凸凹模圆角r =0.002mm 。断裂准则采用Cockcroft&Latham ,C=1.2。在网格划分时采用网格密度窗口以提高运算速度。冲裁工艺有限元模拟方法可参考文献678。3模拟结果及分析3.1无压料情形图3为无压边状态下的冲裁过程,板料变形,裂纹产生、生长,断裂的过程符合文献23无压边冲裁过程的描述。图4为薄板开始断裂前的刃口的静水应力状态,由应力状态看出,凸、凹模端面的静水压应力比凸、凹模侧面的静水压应力大,凸模端面的静水压应力最高。凸、凹模侧面的某些区域还表现为静水拉应力,而凹模侧面的静水应力代数值最

4、大,所基金项目:2004粤港关键领域重点突破资助项目(2004A10402002收稿日期:2006-09-12作者简介:郭雷(1980-,男,硕士生,主攻板料成形及其数值模拟文章编号:1672-0121(200606-0059-02基于数值模拟的薄板冲裁过程应力分析郭雷,黄珍媛,黄敏飞,阮锋(华南理工大学机械学院,广东广州510640摘要:冲裁过程中的约束条件对冲裁裂纹的产生和成长有很大影响,是决定断面质量的一个重要因素。有无带压边圈和冲裁轮廓是否对称是决定约束条件的两个重要因素。本文通过自建材料模型,运用Cock-croft &Latham 断裂准则对有压边和无压边情形下的双面薄板冲

5、裁过程进行了有限元模拟,并根据模拟结果分析了有压边双面冲裁的应力状态,得出了与实际相符的模拟结果。关键词:机械制造;冲裁;薄板;约束条件;有限元模拟中图分类号:TG386.41文献标识码:B图1真实应力-应变曲线600500应变应力图2模拟模型及网格密度窗口定义密度0.125密度0.015上模密度1压边圈板料下模LpLCt图3无压边双面冲裁过程592006年第6期冲压STAMPINGC M E T 锻压装备与制造技术以首先在凹模刃口侧面处板料中产生裂纹,继而才在凸模的刃口侧面处产生裂纹,裂纹重合后工件分离。3.2有压料板的情况级进模薄板冲裁中最常见的是带压料板双面冲裁的情形。由于添加了压料板,

6、产生了压边力,这使得冲裁过程应力变化非常复杂。从图5的模拟结果能发现,在有压料板的冲裁中,裂纹首先从凸模侧刃口产生,这与无压料板双面冲裁过程明显不同。裂纹产生初始点的不同对断面质量会造成影响。图6所示为有压料板冲裁在凸模下行板料厚度20%时的应力状态。从图6a 、b 可以看出,作为平面应变问题的冲裁加工,在凸、凹模刃口下面的区域附近为两向压应力,表明这个区域为三向压应力状态,其他区域为一拉一压。凸、凹模刃口侧面最大主应力代数值高于凸、凹模端面最大主应力,且凸模刃口侧面的最大主应力又高于凹模侧面。而从整个冲裁过程来看,如图6c ,静水应力绝大部分为负值,由于静水应力一定程度上反应了物体体积的改变

7、,所以冲裁过程中板料主要区域处于受压状态。模拟结果表明,随着凸模切入深度增加,在间隙区静水应力有向正值发展的趋势,反应了裂纹产生的区域受剪切力作用。开始断裂前,刃口主要为压应力区,随着凸模下行,靠近凸模刃口的间隙区首先产生静水拉应力。从图6d 来看,等效应力在间隙区内数值较大,在刃口处取得最大值,变形主要集中在间隙区,断裂前凸模刃口处的变形梯度最大,变形剧烈。所以,根据以上的分析可说明有压料板冲裁中,裂纹必然首先在凸模刃口侧面处产生,继而在凹模刃口侧面产生。在板料冲裁中,特征区域处一般可分为如下5个:凸模侧面、凸模端面、剪切区、凹模侧面和凹模端面。根据平面应变理论,可假设1为最大主应力,2为最

8、小主应力,平面应力3=12(1+2。可以得出在有压料板双面冲裁条件下,裂纹产生之前,板料各个区域的应力状态,如图7所示。这与文献2中无压料板特征点的应力有明显区别。4结论本文通过自建材料模型并利用DEFORM-2D T M 软件,对有压料板和无压料板薄板双面冲裁过程进行了模拟,并着重对精密级进模冲裁中常见的有压料板冲裁条件下的板料应力状态进行了分析,得到以下结论:(1验证了Cockcroft &Latham 断裂准则应用在韧性金属的冲裁加工的数值模拟中的可行性,应用其可以模拟出与实际相符的冲裁工艺过程。(2通过对模拟结果进行的应力分析,可以很好的解释冲裁加工裂纹产生过程,说明利用数值模

9、拟的方法进行冲裁过程的应力分析是可行且合理的。(3通过对有压料板冲裁过程各个特征区域进行的应力分析,得出了在此状态下冲裁区域的应力状态图,进一步证明利用数值模拟的方法解释冲裁加工中的各种现象,对于优化冲裁间隙圆角、摩擦条件、模具形状等工艺参数有着十分积极的意义。图4静水应力状态图5带压料板双面冲裁过程图6有压料板冲裁应力分布(a 最大主应力(b 最小主应力(c 静水应力(d 等效应力图7有压料板情形的应力状态示意图133212133212321压料板凹模凸模ADC B E DABCE602006年第6期冲压STAMPINGC M E T 锻压装备与制造技术【参考文献】12肖景容,姜奎华,主编.

10、冲压工艺学(第1版.北京:机械工业出版社,1999:5-40.冶金工业部信息标准研究院标准研究部编.金属材料物理试验方法标准汇编(第2版.北京:中国标准出版社,2002.工业出版社,2002.2001,37(6:657-657.7Stress Analysis of Thin Sheet Blanking Based on Numerical SimulationGUO Lei,HUANG Zhenyuan,HUANG M infei,RUAN Feng(School of M echanical Engineering South China Univ.of Tech.,Guangzhou

11、510640,Guangdong China Abstr act:The double sides blanking processes w ith and w ithout blank holder have been studied based on Cockroft -Latham ductile fracture damage model using DEFORM-2D T M .The stress states diagram of double side blanking w ith blank holder has been obtained by the stress ana

12、lysis.The simulation results agreed w ith the practice very much.Keywor ds:M achinery manufacture a Blanking a Thin sheet a Constraint condition a FE simulation1前言在板料拉深成形过程中,影响板料成形质量的因素有很多,诸如压边力大小、凹凸模圆角半径、拉深材料性能、拉深模具参数、摩擦润滑条件以及坯料形状和大小等等都是重要的影响因素。其中,压边力(Blank Holder Force ,BHF 的大小对板料拉深成形质量影响尤为明显1,且它也

13、是最易于控制和调节的参数2。板材拉深的主要缺陷是起皱和破裂。为了防止零件发生起皱,一般都采用压边圈和足够大的压边力,大的压边力尽管可以防止或消除起皱,但可能引起拉裂。传统模具设计中,通常凭经验给一个压边力进行试冲,再根据零件拉深的结果调整压边力,有时反复多次也不能确定一个使零件既不产生起皱也不被拉裂的压边力,不仅造成材料的浪费,无疑也增加了模具的制造周期。由于计算机仿真技术在薄板冲压成形中的应用,这一工程中的难题得到了有效的解决3。在冲压成形工艺与模具设计课程的教学过程收稿日期:2006-09-03作者简介:胡志华(1980-,女,硕士生,助教,主攻金属材料成形及模具CAD/CAE /CAM文章编号:1672-0121(200606-0061-03典型圆筒件拉深的压边力控制数值模拟胡志华1,2,杨屹2(1.成都电子机械高等专科学校,四川成都610031;2.四川大学制造科学与工程学院,四