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轉（zhuǎn）發自（zì）：模具工業

作者：毛（máo）秀（xiù），張祥林，查想，曹傳亮

（華（huá）中科技大學材料成形及模（mó）具技術國家（jiā）重點實驗室，湖北武漢430074）

材料斷裂準（zhǔn）則的選取對模擬過程非（fēi）常重要。在Deform軟（ruǎn）件中，提供了多種（zhǒng）斷裂準則，現采用斷裂模型為Normalized Cockroft&Latham的斷（duàn）裂準則“、 C*：了0 ! d為

式中：C*．一（yī）一一材料的臨界破壞值丿一一．．斷裂時的 女應變； 等（děng）效應變；伊*一（yī）一最大主應力；伊 等效應力：d一一一（yī）等效應變增量。

當c* = 0成立時，認為材料發生了斷裂。采用單元消除的方（fāng）法處理模（mó）擬過程中的斷裂問題，即當（dāng）某（mǒu）單元的（de）等效應變滿足此（cǐ）式時，將該單元從模型中消除，在以後的計算中該單元剛（gāng）度為零。

3模擬結果分析 3，1靜水應力分析

精密（mì）衝裁實（shí）現的一（yī）個必要條件是在（zài）剪切變形區內要有足夠人的靜水壓應力，從而抑製衝裁過程中裂紋的產生和擴展，避免破裂，使塑性變形貫穿整個（gè）衝（chōng）裁過程，從而得到斷麵質量較高的（de）製件閻。齒輪的塑性變形區域集中在狹窄的凸模一凹（āo）模刃口連線附近（jìn），此處靜水應力場（chǎng）的分布區域和（hé）數值（zhí）人小將（jiāng）決定齒輪（lún）精衝質量的好壞。

齒輪零件輪廓形狀複雜，模擬發現，齒頂、齒根處具有不（bú）同的應力應變（biàn）狀態，因此，從圖4所示的（de）齒頂、齒根處剖切，分別分析（xī）兩處的靜（jìng）水應力狀態。表1所（suǒ）示是凸（tū）模（mó）行程分別為2．5、4．0、5，0、6．Omm時齒根、齒頂處的靜水應力分布。

齒根（gēn） 齒頂 齒圈剖切麵剖切血 壓痕

圖4齒根、齒頂剖切麵位置

模具工業2014年第40卷第2期

由表1中（zhōng）的（de）雲圖可見，板（bǎn）料（liào）剪切變形區基本上始（shǐ）終處於靜水壓應（yīng）力狀態，齒根部位的最大靜水壓 應力出現在凹模刃口附近，齒頂部位的最大靜水壓應力出現在凸模刃（rèn）口附近（jìn）。隨著凸（tū）模下行，板料剪切變形區的靜水壓應力逐漸減小，這是凸模（mó）切入板料後相對間隙逐漸減小的緣（yuán）故。對比齒根、齒頂處變形區的靜水應力分布情況發現：在（zài）凸模行（háng）程未達到2mm時，齒（chǐ）根、齒頂處均有較人的（de）靜水壓應力，在隨後的變形過程中，齒根（gēn）處（chù）靜水壓應（yīng）力明顯大於齒頂處，並且在齒根處整個板厚範圍內均處於壓應力狀（zhuàng）態，而齒頂處被凹模剪切過的（de）己變形的部分存在拉應力。

表1靜水應力分布

齒根部位（wèi）靜水應力 齒頂部位靜水應力

6．0

應丿

If,'應丿/MPa

2000刁630刁250 ·875 巧00 25 250 625 10（

模擬發現，衝裁過程開始後齒頂處的塌角在凹模側開始形（xíng）成，達到一定程度後在衝裁過程中基本保持不變，而（ér）齒（chǐ）根（gēn）處始（shǐ）終沒有明顯的（de）塌角（jiǎo）。究其原因，這（zhè）是由齒（chǐ）輪零（líng）件的外形輪廓決定的，塌角（jiǎo）是精衝時板料剪切變形區的材料（liào）隨凸模刃口向工們剪切麵（miàn）轉移而形成的（de），具有一定的（de）寬度和深度回。齒 輪的齒頂類似於懸（xuán）臂，材料轉移（yí）涉及的區域重疊，使得齒頂部位的塌角較人。根據塑性變形體積不變的原則，齒頂處對應的廢料塌角較小，同理，內（nèi）凹的（de）齒根部位塌角（jiǎo）較小。

齒（chǐ）根部分輪廓（kuò）內凹，由於模具對材料的約束而產生的（de）應力可以提高此處的靜水壓（yā）應力，另外塌角形成後齒頂塌角處反（fǎn）頂器與零件不能接觸，這（zhè）就使得反頂力不能（néng）直接施加到塌角後（hòu）麵的精衝斷麵上，

巧

造成此處靜水壓應力不足，這（zhè）在表1中得到（dào）了（le）體現，再加上齒頂處己變形部分存在拉應力的作（zuò）用，不能很好地控（kòng）製撕裂的產生和擴（kuò）展，因此齒頂尖角部位容易產生撕（sī）裂而齒根部位完好。

3，2應變分（fèn）析

圖5所示為衝裁（cái）結束後齒頂和齒根處的應變分布雲圖，由圖5可見，從（cóng）塌角側到毛刺側應（yīng）變逐漸增大，越靠近衝裁麵應（yīng）變值越大（dà），這是（shì）因為在衝裁過程中，塌角側（cè）的（de）材料先（xiān）完成（chéng）變形，此時材料（liào）的變形程度最低，隨（suí）後變形程度逐漸增大，到毛刺側變形程度達到（dào）最大。齒頂處應變值大於1的區域最大寬度為1.3 mm，齒根處為0，53mm，齒頂處應變區的（de）寬度超過齒根應變（biàn）區的2倍，這是因為（wéi）齒（chǐ）頂為尖角部分，輪廓線長，其變形（xíng）區域在此處疊加，從而使變形（xíng）區較寬。

等效應變

5．00

4，00

3 00

2．00 L00

o．000

（a）齒頂處應變分布雲圖等效應變

6．00

5 00

4．00

3，00

2．00 1，00

o，000

（b）齒根處應變分布雲圖

圖（tú）5齒頂、齒根處應變分布雲圖

圖6為試驗精（jīng）衝零件齒頂和齒根變形區的硬（yìng）度分布曲線（xiàn），曲線顯示了在離衝裁麵不同距離的斷麵上，從塌角（jiǎo）側（cè）到毛刺側不同板厚處的硬度人小（試驗力（lì）I N，保（bǎo）壓時間巧（qiǎo）s），山圖6可見，從塌角側到毛刺側硬度值（zhí）逐漸增大，這是因為精衝零件從塌角側到毛（máo）刺側變形程度（dù）逐漸增人。不同斷麵上的硬度

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變化（huà）趨勢相似，越靠近衝裁麵硬度值越大。對比（bǐ）圖 6（a）、（b）可知，齒頂硬化區的寬度大於齒根硬化區的寬度，在離衝裁麵（miàn）相同距離的斷麵上，齒頂剪切區的硬度比齒根（gēn）處的大，這與圖5所示的應變（biàn）分布相吻合。如圖6（a）所示，在齒頂剪切區（qū）距（jù）離衝裁麵 0·巧mm的斷麵上，靠近毛刺側邊緣處的維氏硬度增至近400Hv，幾乎（hū）是（shì）基體硬度（188 ·4HV）的2倍。

硬度HV

（a） 齒頂處剪切區硬（yìng）度分布

2傭250 3傭350 4開

硬度HV

（b） 齒（chǐ）根處剪切區硬度分布

圖6齒頂、齒根處變形區硬度分布

由以上分析可知（zhī），衝裁麵附（fù）近的剪切（qiē）區材料加工硬化現象嚴重，並使韌性降低，尤其（qí）是齒頂部（bù）位 容（róng）易達到材（cái）料的成形極限，同時材料中（zhōng）處於衝裁麵（miàn） 模具工業2014年第40卷第 2期

上的非（fēi）常小的缺陷，如脆而硬的片狀碳化物等，都會引起衝裁麵的撕裂。

4結束語

（1)隨（suí）著衝裁過程的進行，板料（liào）剪切變形區的靜水應力逐漸減小，齒頂處變形區的靜水應（yīng）力小於齒根處。齒輪零件外形輪廓導致齒（chǐ）頂處有大的塌（tā）角（jiǎo），小的靜水應力（lì）和己變形部（bù）分（fèn）存在的拉應力使得齒頂部位容易產生撕裂。

（2）從塌角側到毛刺側應變逐漸增大，越（yuè）靠近衝裁麵（miàn）應變值越大，齒頂處（chù）應變（biàn）區的寬度是齒根處（chù）的2倍多。試驗精衝（chōng）所得零件齒頂和齒根剪切區的硬度分布曲線與應變分布雲圖相吻合（hé）。嚴重的材料加工硬化使（shǐ）得齒頂部位容易達到成形極限，同時分離麵上很小的缺陷都會造成撕裂。

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