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转发自：第25卷 第3期 苏州市职业大学学报 Vol.25，No.3

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

作者：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)

摘 要： 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.

关键词： 精冲；有限元模拟；静水压应力

中图分类号：T G38；O242.21 文献标志码：A 文章编号：1008- 5475(2014)03- 0039- 05

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)

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

0.3mm，the quality is better.

Key words：fi ne-blanking；fi nite element simulation；hydrostatic stress

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

收稿日期：2014- 06- 02；修回日期：2014- 06- 28 基金项目： 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) 作者简介： 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.

第25卷 苏州市职业大学学报

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

ࠨ⁑ 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

঻䗩സ 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

ඟᯉ 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 ৽঻ᶯ 料实现分离冲裁.

精冲模具工艺过程大体分为4个阶段[2]. pg৽঻࣋

1) 弹性变形阶段.冲孔工作开始，凸模接触材 ഴ㋴ߨᐛ㢰৕⨼ഴ 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.

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

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谈正光等：基于Abaqus的齿圈压板精冲工艺有限元分析 2014年第3期

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

ps=Lt Sσb f1， (1) 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 pR=0.5ps. (2)

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

pc=0.2ps. (3)

3 精冲工艺的有限元分析