免責聲明：本文援引自網絡（luò）或其他媒體（tǐ），與揚鍛官網無關。其原創性以及文中陳述文字和內容未經本站證實，對本（běn）文以及其中全部或者部分內（nèi）容（róng）、文（wén）字的真實性、完整性（xìng）、及時性本（běn）站不作任何保證或承諾，請讀者僅作參考，並請自行核實相關內容。揚州鍛（duàn）壓\揚州衝床\揚鍛\yadon\衝床廠（chǎng）家\壓力機廠家\鍛造廠家\

轉發自（zì）：模具工（gōng）業

作者：毛秀，張祥林，查想，曹傳亮

（華（huá）中（zhōng）科技大學材料成形及（jí）模（mó）具技術國家重點（diǎn）實（shí）驗室，湖北（běi）武漢430074）

形零件采（cǎi）取精衝成形加工方（fāng）法，帶齒的精衝件也越來越多。然而，在實際齒形零件精衝生產中，齒頂部分（fèn）常會（huì）出現塌角大、撕裂等缺陷，塌角（jiǎo）和撕裂（liè）會直接影響齒形零（líng）件（jiàn）的工作強度和有（yǒu）效齧合尺寸（cùn），甚至需要進一步的機（jī）械加工才能使零件達到尺寸精度要（yào）求2]。

角和撕裂形成的原因。

2有限元建模（mó）

以下（xià）利（lì）用Deform一3D軟件建立三維數值模擬模（mó）型，對齒輪的精（jīng）衝（chōng）過程進行計算機數值模擬，對比分析精衝（chōng）過（guò）程（chéng）中齒（chǐ）根、齒（chǐ）頂變（biàn）形區的（de）應力、應變狀態，並與實（shí）際精衝零件進行對比，探究齒頂部分塌齒輪（lún）零件如圖1所示（shì），材料為45鋼，齒（chǐ）形為標準漸開線齒形，模數m：2mm，壓力角。：20。，齒數z： 19。考慮到（dào）齒（chǐ）輪零件的對稱性（xìng），為節約模擬時間， 上件（jiàn）與模具均取一個齒形進行模擬研究，精衝模型如圖2所示。板料為直徑Omm的圓盤狀坯料，厚度為7 mm，凸、凹模圓角半徑分別為0·05 mm和 ，2mm，壓邊力和反頂力分別為20kN和10kN,凸模壓入（rù）速度為6mm/s，單邊衝裁間（jiān）隙為0．03 mm，摩擦因數取0，12。

圖1 齒輪零件

圖2齒輪零件精衝模型

將板料設為彈塑（sù）性體，凸模、凹模、壓板、反頂器為剛體。由於模具間隙小，精衝中板料的塑（sù）性變形集中在狹小的範圍內進行，將凸模刃口和板（bǎn）料接觸區域的網格進行細化，在提高效率的（de）同時保證模擬精（jīng）度，網格局部細化效果如圖3所示。模擬過程采用（yòng）網格自適應（yīng）技術，根據應（yīng）變梯度（dù）和表麵曲率自動對單元（yuán）進行細化（huà）。

2，2韌性斷裂準則

圖3網格局部細（xì）化效果

斷裂準則是（shì）板料剪切中最重要的理論之一，材料斷裂準則的選取對（duì）模擬（nǐ）過程非常重要（yào）。在Deform軟件中（zhōng），提（tí）供了多種斷裂準則，現采用斷裂模型（xíng）為Normalized Cockroft&Latham的斷裂準則“、 C*：了0 ! d為

式（shì）中：C*．一一一材料的臨界破壞值丿一一．．斷裂時的 女應變； 等效應變；伊*一一最大主應力（lì）；伊 等效應力：d一一一等效應（yīng）變增量（liàng）。

當c* = 0成立時，認（rèn）為材料發生了斷裂。采用單元消除（chú）的（de）方法處理模擬過程（chéng）中的斷（duàn）裂問題（tí），即當某單元的等效（xiào）應變滿足此式時，將該單元從模型中消除，在以後（hòu）的計算中該單元剛度為零。

3模擬結果分析 3，1靜水（shuǐ）應力分析

精密衝裁實現的一個必要條件是在剪切（qiē）變形區內要有足夠（gòu）人的靜水（shuǐ）壓應力，從而抑製衝裁過程（chéng）中裂紋的（de）產生和擴展（zhǎn），避免破裂，使（shǐ）塑性變形貫穿整個衝裁過程（chéng），從（cóng）而得到斷麵質量較高的製件閻。齒輪的塑性變形區（qū）域集中在狹窄的凸模一凹模刃口連線附近，此處靜水應力場的分布區域（yù）和數值人小將決定齒輪精衝質量的好壞。

齒輪零件輪廓形（xíng）狀複雜，模（mó）擬發（fā）現，齒頂、齒根（gēn）處具有不同的應力應變狀態，因此（cǐ），從圖4所示（shì）的齒頂、齒根處剖切，分別分析兩處的靜水應力狀態。表1所示是凸模行程分別為2．5、4．0、5，0、6．Omm時齒根、齒頂處的靜水應（yīng）力分布。

齒根 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（gōng）業2014年（nián）第40卷第2期

由表1中的雲圖（tú）可（kě）見，板料剪切變形區基（jī）本上始終處於靜水壓應力狀態，齒根部位的最（zuì）大靜（jìng）水壓 應力出現在凹（āo）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。隨著凸模下行，板料剪切變形區的靜水壓應力逐漸減小，這（zhè）是凸模切入板料後相對間隙逐漸減（jiǎn）小的（de）緣故。對（duì）比齒根、齒頂處變形區的靜水應力分布（bù）情況發現：在凸模行程未（wèi）達到2mm時（shí），齒根、齒頂（dǐng）處均有較人的靜水壓應力，在隨後的變形（xíng）過程中，齒（chǐ）根（gēn）處靜水壓應力明顯大於齒頂處，並（bìng）且在齒根處整個板厚範圍內均處於壓應力狀態，而齒頂處被凹模剪切過的己變形的部分存在拉應力。

表1靜水（shuǐ）應力分布

齒根部位靜水應力 齒頂部（bù）位靜水應力

模擬發現，衝（chōng）裁過程開始後齒頂處的塌角在凹模側開始形成（chéng），達到（dào）一定程度後在衝裁過程中基本保持不變，而齒根處始終沒有（yǒu）明顯的塌角。究其原因，這是由齒輪零件的外形輪廓（kuò）決定的（de），塌角是精衝時板料剪切變形區的材料隨凸模刃口向工們剪切麵轉（zhuǎn）移而形成的，具（jù）有一定的寬度和深度回。齒（chǐ） 輪的齒頂類（lèi）似（sì）於懸臂（bì），材料（liào）轉移涉及的區域重疊，使得齒頂部位的塌角較人。根據塑（sù）性變形體積（jī）不變的原則，齒頂（dǐng）處對應（yīng）的廢（fèi）料塌角（jiǎo）較小，同理，內凹的齒根部位塌角較小。

齒根部分輪廓內（nèi）凹，由（yóu）於模具對材料的約束而（ér）產生的應力可以提高此處的（de）靜水壓應力，另外塌（tā）角形成後齒頂塌角處反頂器與零件（jiàn）不能接觸（chù），這就使得反頂力不能直接施加到塌角後麵的精衝斷麵上，造成此處靜水（shuǐ）壓應力不足，這在表1中得（dé）到了體（tǐ）現，再（zài）加上齒（chǐ）頂處己（jǐ）變形部分存在拉應力的作用，不能很好地（dì）控製撕裂的產生和擴展，因此齒頂尖角部位容易產生撕裂而齒根部位完好。

3，2應變分析

圖5所示為衝裁結束後齒頂和齒根處的應變分（fèn）布雲（yún）圖，由圖5可見，從塌角側（cè）到毛刺（cì）側應變逐漸增大，越靠近衝裁麵應（yīng）變值越大，這是因為在（zài）衝（chōng）裁過程中，塌角側的（de）材料先完成變形，此時材料的變（biàn）形程度最低，隨後變形程度逐漸增大，到毛刺側（cè）變形程（chéng）度達到（dào）最大。齒頂處應（yīng）變值大於1的區域最（zuì）大寬度為1.3 mm，齒根處為0，53mm，齒頂處應變區的寬度超過齒根應變區的2倍，這是（shì）因為（wéi）齒頂為尖角部分，輪廓線長（zhǎng），其變形區域在此處疊加，從而使變形區較寬。

等效應（yīng）變

（a）齒頂處應變分布雲圖等效（xiào）應變

（b）齒根處應變分布雲圖

圖5齒（chǐ）頂、齒根處應變分布雲圖

圖6為試驗精衝（chōng）零件（jiàn）齒頂和齒根變形區的硬（yìng）度分布曲（qǔ）線，曲線顯示了在離衝裁麵不（bú）同距離的斷麵上，從（cóng）塌角（jiǎo）側到毛刺側（cè）不同板厚處的硬度（dù）人小（試驗力I N，保壓（yā）時間巧s），山圖6可見，從塌角側到毛刺側硬度值逐漸增（zēng）大，這是因為精衝零件從塌角側到毛刺（cì）側變形程度逐漸增人。不同斷麵（miàn）上的（de）硬度變化趨勢相（xiàng）似，越靠近衝裁麵硬度值越大。

對比圖（tú） 6（a）、（b）可知，齒頂硬化區的寬度大於齒根硬化區（qū）的（de）寬（kuān）度，在（zài）離衝裁（cái）麵相同距（jù）離的斷麵上，齒頂（dǐng）剪切區的硬度（dù）比齒根處的大，這與圖5所示（shì）的應變分布相吻合。如圖6（a）所示（shì），在齒（chǐ）頂剪切區（qū）距離衝裁麵 0·巧mm的斷麵上，靠近毛刺側邊緣（yuán）處的（de）維氏硬度增（zēng）至近400Hv，幾乎是基體硬度（188 ·4HV）的2倍。

（a） 齒頂處剪切區（qū）硬度分布

2傭250 3傭350 4開

（b） 齒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，衝裁麵附近的剪切區（qū）材料加（jiā）工硬（yìng）化（huà）現象嚴重，並（bìng）使（shǐ）韌性降低，尤其是齒頂部位 容易達到（dào）材料的成形極限，同時材（cái）料中處（chù）於衝裁麵 模具工業2014年第40卷第 2期

上（shàng）的非常小的缺陷，如脆而硬的片（piàn）狀碳化物等，都會引起（qǐ）衝裁麵的撕裂。

4結束語

（1)隨著衝裁過（guò）程的進行（háng），板料剪切變形區的靜水應力逐漸（jiàn）減小，齒頂處變形區的靜水應力小於齒根處。齒輪零件外形輪廓導致齒頂處有大的塌角，小的靜水（shuǐ）應（yīng）力和己變形部分存在（zài）的拉應力使得（dé）齒（chǐ）頂部位容易產生撕裂。

（2）從塌角側到（dào）毛刺側應變逐漸增大，越靠近衝裁麵應變值越（yuè）大，齒頂處應變區的（de）寬度是齒根處的2倍多。試驗精衝所得零件齒頂和齒根剪切區的硬度分布曲線與應變（biàn）分布雲圖相吻合。嚴重的材料加工硬化使得齒頂（dǐng）部位容易達到成形極限，同時分離麵上很小的缺陷都會造（zào）成撕裂。

參考文獻：

[I]LANGE K,BIRZER D I,MUKHOTY A,et al.CoId formmg and fineblanking-A handbook on clod processing, material propenties,component design[M].Switzerland:

Edelstahlwerke Buderus AG，1997：203一207·

[2]易際明，趙軍，黃桂美·離合器星輪精衝擠（jǐ）壓工藝分析與（yǔ）模具設計[J]·模具工業，2012，38（5）：58一60·

[3]COCKCROFT M G,LATHAM D J.Ductility and the workability of metals[J].Journal The Institute Met s，1968，96：33一39，

[4]方剛，雷麗萍，曾攀（pān）·金屬塑性成形過程延性斷裂的準則及其數值模擬湃機械工（gōng）程學報，2002，38（(l)：21一25 ·

[5]崔慶·齒形和三維零件精衝工藝技術研究[D]·北京：北京航空航大大（dà）學（xué），20：34一36·

[6]塗光祺·精衝技術[M].北京（jīng）：機械工業出版社，2006： 116-118.