基于Abaqus的齿圈压板精冲工艺有限元分析

谈正光，陈 伟，张 雨

(1.无锡鹏德汽车配件有限公司 工程技术部，江苏 宜兴 214211；2.南京工程学院 汽车与轨道交通学院，江苏 南京 211167)

基于Abaqus的齿圈压板精冲工艺有限元分析

谈正光1，陈 伟2，张 雨2

(1.无锡鹏德汽车配件有限公司 工程技术部，江苏 宜兴 214211；2.南京工程学院 汽车与轨道交通学院，江苏 南京 211167)

利用有限元方法模拟精冲工艺的过程，用处理后的模拟结果分析精冲工艺参数对精冲成形件质量的影响.分析精冲工艺过程的基本原理及力学特性；结合精冲工艺的技术关键，建立变形区静水压应力状态方程，利用Abaqus有限元分析软件，针对汽车排气系统不锈钢厚法兰件，建立有限元网格力学模型，并模拟整个精冲过程；通过提取并计算精冲过程中10个行程步上静水压应力的均值，衡量不同参数对精冲质量的影响.分析结果得出：以不锈钢厚法兰精冲工艺中模具间隙为参数变量，当模具间隙为0.3 mm时，精冲质量较好.

精冲；有限元模拟；静水压应力

精冲是在普通冲压基础上发展起来的一种先进加工技术，由于其具有产品质量好、生产效率高、生产成本较低等优点而得到广泛的应用.精冲成形过程是一个复杂的力学过程，涉及弹性变形、塑性变形、损伤软化和韧性断裂等，因而精冲模具寿命相对较低；同时，不同的工艺参数对冲切断面质量、尺寸与形状精度有很大的影响.因此，选择合理的精冲工艺参数不但直接影响着精冲模具的寿命，同时也影响着精冲产品的质量和生产效率.

随着精冲技术广泛应用，精冲零件也向大、厚、硬、精等方向发展，技术难度不断地增大.由于计算机技术的不断发展和成熟，使用有限元分析方法模拟精冲加工过程，既可以缩短模具的设计制造时间，又可以进一步优化精冲工艺的参数配置，节约了成本，提高了效率.为此，国内外的学者针对精冲工艺做了许多相关研究.Lee等[1]采用刚塑性有限元法对精冲剪切进行了模拟，分析其应力、应变分布，对裂纹的产生进行了预测；贾建军等[2]对精冲进行了韧性断裂理论分析，并对轴对称精冲件的成形过程进行了二维数值模拟；Zheng[3]开发了更新拉格朗日热力耦合二维有限元程序和特殊设计的局部网格再划分程序，分析了静水压力、热效应、材料损伤、塑性应变、应变率集中对精冲过程的影响；Sutasn Thipprakmas[4]利用有限元模拟方法结合田口技术和方差分析技术，研究了V形齿圈压板的参数（高度、位置和角度）对精冲过程的影响；方刚等[5]对精冲的韧性断裂进行了数值模拟，预测了裂纹的产生和扩展.

经过长时间的发展，有限元分析方法已经被应用到工程分析的各个方面，较为成熟的有限元分析软件包括ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC.对普通冲压成形工艺，一些公司开发了单独分析软件，如Autoform，Dynaform及Hyperwork中的Hyperform模块.由于精冲工艺较普冲工艺在工艺过程和力学特性上都有较大区别，因此，精冲工艺无法使用现有的普冲分析软件.为此，笔者结合齿圈压板精冲工艺原理、力学特性及有限元理论，提出使用有限元分析软件ABAQUS，建立针对齿圈压板精冲工艺的力学模型.

1 精冲工艺的基本原理

精冲的工艺原理如图1所示.精冲过程中，凸模接触精冲材料之前，压边力ps压紧材料，通过压边圈上的V形齿的内面产生横向侧压力，将阻止金属材料在剪切区内撕裂和横向流动.在冲裁凸模压入材料的同时，利用反压板的反压力将材料压紧.板料在压紧状态下由冲裁力作用，沿着凹模刃口的形状呈纯剪切的形式冲裁零件.由于剪切区内的金属处于三向压应力状态，从而提高了材料的塑性.此时，材料沿凹模刃口形状，以纯剪切方式使材料实现分离冲裁.精冲模具工艺过程大体分为4个阶段[2].

图1 精冲工艺原理图

1)弹性变形阶段.冲孔工作开始，凸模接触材料前施压，使材料产生弹性压缩而在凸模周围发生材料聚集，形成不大的环状突起.

2)塑性变形阶段.凸模及压料板施加大压力，达到材料的屈服点，材料向孔周围流动并开始挤入凹模，产生定向塑性流动.

3)剪切变形阶段.当凸模继续下行，材料停止向孔周围流动，而大量挤入凹模洞口.此时凸模刃口部分的材料达到材料的抗剪强度.故首先在发生应力集中的锋利刃口处产生显微裂纹，但没有剪裂.

4)剪裂变形阶段.凸模下行到一定程度，显微裂纹在金属材料内部扩展，并使材料沿凹模刃口出现剪切裂纹，开始断裂.

2 精冲工艺的力学特性

精冲工艺的力学特性如图2所示，图2中，S表示材料厚度.

图2 精冲工艺力学特性行程图

当凸模进入材料厚度的1/3时，冲裁力最大.本文的分析都是在最大冲裁力下进行.模具在工作过程中，其受力情况非常复杂，主要存在冲裁力、压边力、反压力的作用.

1） 冲裁力是成型产品零部件所需要的力，影响冲裁力的因素主要有零件尺寸、材料的机械性能、材料厚度等，计算公式为

式中：ps为冲裁力；Lt为剪切线周长；S为材料厚度；σb为抗拉强度；f1为系数，f1=0.6～0.9.

2） 压边力阻止材料在剪切区内撕裂和金属的横向流动，以获得光洁的剪切面，计算公式为

3）反压力在精密冲裁过程中，不但提供静水压应力，而且还防止板料在加工过程发生弯曲.反压力太小则板料在加工过程容易弯曲，而且精冲质量也不好；反压力太大则冲裁力增大，增加了模具的载荷.反压力计算公式为

3 精冲工艺的有限元分析

有限元法是以计算机为工具，根据变分原理求解数学和物理问题的一种现代数值计算方法.本文采用刚塑性有限元法对精冲加工过程进行仿真模拟.把变形区离散成多个单元，取一个无限小的正方体单元，分析该单元的应力状态，如图3所示.

图3中，py为凸模作用于材料的冲压力py=p'y+py''，p'y为顶件反力，py''为冲裁力.pv为V形齿内边作用于材料的力；N为作用于材料的侧向力；Fχ，Fy分别为模具表面作用于材料的摩擦力. σy是由py引起的正应力；σvχ，σvy分别由pv在χ方向的分量pvχ和y方向的分量pvy引起的正应力；σn为模具等对材料的约束作用而引起的正应力.

图3 单元应力状态

实现精冲技术的关键是在变形区建立静水压应力状态方程，静水应力可以表示为

则精冲工艺过程中变形区的静水压应力为

因此，只要改变式(5)中右边各项的数值，就可以达到提高静水压力的目的，进而能提高精冲件的质量.

4 Abaqus软件仿真过程

某汽车排气系统不锈钢厚法兰如图4所示，对其利用Abaqus软件进行精冲工艺有限元分析[7-12].由于现有分析软件中没有针对精冲工艺的分析模块，本文根据精冲工艺力学特性并结合有限元理论，构造精冲工艺的有限元模型并进行分析.

图5为不锈钢厚法兰件精冲工艺简易模具三维图，图中央部分表示初始平板坯料，其余部分表示凸模、凹模及压边圈等.

图6为有限元网格模型.针对精冲工艺中模具上的重要部位，如模具刃口、齿形压扁圈等，零件网格将局部细化，以提高模拟精度；针对受力较小或者受力较均匀的部位，网格划分将较粗略，以提高计算速度.

图4 不锈钢法兰件

图5 不锈钢厚法兰件精冲工艺简易模具三维图

图6 有限元网格模型

利用式(1)～式(3)分别计算法兰件的冲裁力、压边力和反压力，并在有限元分析中添加约束力及约束位移，使图6中的有限元网格模型能够模拟精冲工艺过程中的力学状态.研究表明[6]：在精冲过程中，提高变形区的静水压应力可以很好地改善精冲件质量.为此本文使用10个精冲行程步（10%，20%，…，100%行程），用变形区内各个单元的静水压应力均值来衡量不同工艺参数对精冲质量的影响.图7、图8分别为精冲行程20%和50%时静水压应力云图.

图7 精冲行程20%时的静水压应力云图

图8 精冲行程50%时的静水压应力云图

以模具间隙为变量，以精冲过程中静水压应力均值为衡量精冲质量的指标，探讨不同模具间隙对精冲件质量的影响.从图9中模拟结果数据可以看出，对于图4所示的不锈钢法兰件，模具间隙为0.3 mm时，精冲件的质量较好.这一结论与企业加工实际件的工艺参数设置相吻合，实际精冲件质量较好（光洁面宽度≥80%，塌角≤10%～25%料厚），证明模拟结果的有效性.

图9 精冲过程中静水压应力与模具间隙关系曲线

5 结论

1)分析了精冲工艺的基本原理及力学特性，为建立精冲工艺模拟的力学模型提供了基础.

2)结合有限元理论及精冲工艺的关键技术，以Abaqus软件为基础，对汽车排气系统不锈钢厚法兰件进行了有限元模拟仿真.

3)通过提取并处理仿真结果数据，能够有效地判断精冲工艺各种参数设置对精冲工艺质量的影响.针对不锈钢厚法兰的精冲参数分析，当模具间隙为0.3 mm时，精冲质量较好.

参考文献：

[1]Lee T C，Chen L C，Zheng P F. Application of the fnite element deformation method in the fne blanking process [J]. Journal of Materials Producing Technology，1997，63(1/3)：744-749.

[2]贾建军，彭颖红，阮雪榆. 精冲断裂过程的有限元模拟[J]. 上海交通大学学报，2003，37(7)：1064-1067.

[3]Zheng P F. Finite element analysis of the combined fne blanking and extrusion process[D]. HongKong：Hong Kong Polytechnic University，2000.

[4]Sutasn Thipprakmas. Application of taguchi technique to investigation of geometry and position of V-ring indenter in fne-blanking process[J]. Materials and Design，2010(3)：2496-2500.

[5]方刚，曾攀. 金属板料冲裁过程的有限元模拟[J]. 金属学报，2001，37(6)：653-657.

[6]谢晓龙. 基于Oyane损伤和断裂模型的厚板精冲过程数值模拟和缺陷预测[J]. 上海交通大学学报，2006，40(6)：927-931.

[7]Chen Z H，Tang C Y，Lee T C，et al. Large deformation fnite element analysis of strain localization in fne-blanking process[J]. Metals and Materials，1998，4(3)：529-532.

[8]Tang B T，Zhao Z，Lu X Y . Fast thickness prediction and blank design in sheet metal forming based on an enhanced inverse analysis method[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2007，49(9)：1018-1028.

[9]Yi Dongbao，Hoon H. Optimum design of trimming line by one-step analysis for auto body parts[J]. Journal of Materials Processing Technology，2006(3)：187-188.

[10]Kim S B，Hoon Huh，Bok H H，et al. Forming limit diagram of auto-body steel sheets for high-speed sheet metal forming[J]. Journal of Materials Processing Technology，2011，211(5)：851-862.

[11]Chebbah M S，Naceurb H，Gakwaya A. A fast algorithm for strain prediction in tube hydroforming based on one-step inverse approach[J]. Journal of Materials Processing Technology，2011，211(11)：1898-1906.

[12]Zhuang Xincun. Numerical simulation and optimization of process parameters in fne blanking process[J]. Journal of Southeast University，2006，22(4)：514-518.

(责任编辑：李 华)

图4 前3位学生的Excel操作题成绩

图5 第3位学生的批改报告

4 结论

在PC上，一次自动批改30道Excel操作题共耗时约2 min，而人工批改耗时约2 h，相比人工批改，效率提高了约60倍，若PC配置更高，则耗时更少，效率更高.只要涉及Excel软件操作，无论是作业练习，还是考试考核，均可借助该程序框架轻松实现针对具体Excel操作题的自动批量批改或判卷程序.

[1]Jonathan Bennett & AutoIt Consulting Ltd.AutoIt automation and scripting language [EB/OL].(2013-12-30)[2014-03-20].http：//www. autoitscript.com/site/autoit/.

[2]孙华峰. 信息技术实验指导[M]. 北京：高等教育出版社，2013：169-180.

(责任编辑：李 华)

The Finite Element Analysis of Ring Gear Gag Fine-blanking Based on Abaqus

TAN Zheng-guang1，CHEN Wei2，ZHANG Yu2
(1.Center of Engineering Technology，Wuxi Pengde Vehicle Parts Co.，LTD.，Yixing 214211，China 2. School of Automotive and Rail Transit，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China)

The finite element method is introduced to simulate the process of fine blanking，then the simulation result to analyze the infuence of the fne blanking process parametres on the quality of fne blanking forming parts. Firstly，the basic principle and the mechanical properties of fne blanking process are analyzed. Secondly，the fnite element mesh mechanics model is set up for the thick stainless steel fange of the automobile exhaust system by combining the key technologies of fne blanking process，and using the abaqus fnite element analysis software. Finally，the mean values of hydrostatic stress in 10 steps of the whole fne blanking process are extracted and calculated after the whole process of fne blanking is simulated to evaluate the infuence of different parameters. The die clearance of fne blanking process is considered to be a variable. When the die clearance is 0.3mm，the quality is better.

fne-blanking；fnite element simulation；hydrostatic stress

TG38；O242.21

A

1008-5475(2014)03-0039-05

2014-06-02；

2014-06-28

宜兴市科技成果产业化项目(20130422065315)；无锡鹏德汽车配件有限公司产学研合作项目(PD20130202)

谈正光(1969-)，男，江苏宜兴人，工程师，主要从事钢板冲压件及拉伸件精密成型技术研究.