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轉發自：模（mó）具工業

作者：毛秀，張祥林，查想（xiǎng），曹傳亮

（華中科（kē）技大學材料成形及模具（jù）技術國（guó）家重點實驗室（shì），湖北武漢430074）

摘要：運用有限元分析軟件對厚板齒形零件的精衝過程進行了數值模擬，對比分析了齒頂（dǐng）、齒根部位主要變形區靜（jìng）水應力及（jí）應變的分布情況。結果顯示，齒頂處（chù）靜水壓應力小於齒根處；齒頂應變區的寬度大於齒根應變區的寬度，齒頂剪切區變形程度大（dà），硬化程（chéng）度嚴重。齒根（gēn）、齒頂處（chù）的應變分布與精（jīng）衝試驗（yàn）所得零（líng）件的（de）硬化程度相吻合（hé）。探究（jiū）了齒頂處形成（chéng）大塌（tā）角和易產生撕裂的原因（yīn）。研究結果為厚板齒形零件（jiàn）的精衝工藝提供（gòng）了理論指導。

關（guān）鍵詞（cí）：厚板齒形；精衝成形；數值模擬；缺陷（xiàn）分析中圖分類號：TG76；0242 ·21文（wén）獻標識碼：B文章（zhāng）編號：1001一（yī）2168（2014）02一開13一04

Numerical simulation and defect analysis Of fine blanking forming for thick plate tooth profile part

MAO Xiu, ZHANG Xiang-lin, ZHA Xiang, CAO Chuan-liang

(State Key Laboratory of Matenal Processmg and Die & Mould Techn010U，Huazhong

University of Science and Technolo，Wuhan, Hubei 430074，China)

Abstract：The numerical simulation was made on the fine blanking process Of thick plate tooth profile part by using the亢e element analysis software; and the disfribution Of hydrostatic stress and strain in the main deforrnation zone Of addendum記0山root were comparatively analyzed. The result shows that the hydrostatic stress in the addendum is less山an that the tooth root; the width Of strain zone in the addendum is larger山 that in the tooth r00 the deformation and hardening degree in the addendum shear zone is large. The strain distribution in the addendum and tooth root agrees to the hardening degree Of test samples. Finally the causes Of large comer collapse and tear problem easily formed in the addendum were explored.

Key words: thick plate t00山profile; fine blanking forming; numerical simulation; defect anal-

YSIS

1引

齒輪、棘輪、鏈輪等齒形零件是機械（xiè）傳動中的（de） 重要零件（jiàn），其傳統加（jiā）工方法工藝複雜，加工效率低。精（jīng）衝工藝（yì）作為一種先進的精密塑性成形技術， 一次衝裁加工即（jí）可得到尺寸精度高、剪切麵光潔、具有一定立體形狀的零件田。因此，越來越多的齒

收稿日期：2013一一（yī）。

作（zuò）者簡介：毛秀（1988一），女（漢（hàn）族），河南周口人，碩士研究生，主（zhǔ）要研究方向為金屬精密塑性成形彐（xún）《藝及數值模擬、模具使用

壽命分析。

形（xíng）零件采（cǎi）取精衝成形加工方法，帶齒的精衝件也越（yuè）來越多。然而，在實際齒（chǐ）形零件精衝生產中（zhōng），齒頂部分常會出（chū）現塌角大、撕裂（liè）等缺陷，塌角和撕（sī）裂會直接影響齒形零件的（de）工作強度和有效齧合（hé）尺寸，甚至需要（yào）進一步的機械加工才（cái）能使（shǐ）零件達到尺寸（cùn）精度要求（qiú）2]。

角和撕裂形成的原（yuán）因。

2有限元建模

以（yǐ）下利用Deform一3D軟件建立三維數值模（mó）擬模型，對齒輪的精衝過程進行計算機數值模擬，對比分（fèn）析（xī）精衝（chōng）過程中齒（chǐ）根、齒頂變形區的應力、應變狀態，並與實際精衝零件進行對比，探究（jiū）齒頂（dǐng）部分塌（tā）齒輪零件如圖1所示，材料為45鋼，齒形為標準漸開線齒形（xíng），模數（shù）m：2mm，壓（yā）力角。：20。，齒數z： 19。考慮到齒輪零件的對稱性，為節約模擬（nǐ）時間， 上件與（yǔ）模具均取（qǔ）一個齒形進行模擬研究，精衝（chōng）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（tū）、凹模圓角半徑分別為0·05 mm和 ，2mm，壓邊力和（hé）反頂力（lì）分別為20kN和10kN,凸模壓入（rù）速度為（wéi）6mm/s，單邊衝裁間隙為0．03 mm，摩擦因數（shù）取0，12。

圖1 齒輪零件

圖2齒輪零件精衝模型

將板料設為彈塑性體，凸（tū）模、凹模、壓板、反（fǎn）頂器（qì）為剛（gāng）體。由於模具（jù）間隙小，精衝中（zhōng）板料（liào）的塑性變形集中在狹小的範圍（wéi）內進行（háng），將凸模刃口和板料接觸區域的網格進（jìn）行細化，在提高效率的同時保證模擬精度，網格局部（bù）細化效果如圖3所示。模擬過程采（cǎi）用網格自適應技術，根（gēn）據應變梯度和（hé）表麵（miàn）曲率自動對單元進行細（xì）化（huà）。

2，2韌性斷裂準則

圖3網格（gé）局部細化效果

斷裂準則是板料剪切中最重要的理論之一，材料斷裂準則的選取對模擬過程（chéng）非常重要。在（zài）Deform軟件中，提供了（le）多種（zhǒng）斷裂準則，現采用斷裂模型為Normalized Cockroft&Latham的（de）斷（duàn）裂準則“、 C*：了0 ! d為

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

當c* = 0成立時，認為材料發生了斷裂（liè）。采用（yòng）單元消除的方法（fǎ）處理模擬過程（chéng）中的斷裂問題，即當某單元的等效應變（biàn）滿足（zú）此式時，將該單元從模型（xíng）中消除，在（zài）以後的（de）計算中該單元剛度為零。

3模擬結果分析 3，1靜水應力（lì）分析

精密（mì）衝裁實現的一個必要條件是（shì）在（zài）剪切變形（xíng）區內要有足夠人的靜水壓應力，從而抑（yì）製衝（chōng）裁過程（chéng）中裂紋的產生和（hé）擴展，避免破裂，使塑性變形貫穿整個衝（chōng）裁過程，從而得到斷麵質量較高的製件閻（yán）。齒輪的塑性變形區域集中在狹窄的凸模一（yī）凹模刃口連（lián）線附近，此處靜水應力場（chǎng）的分布區（qū）域和數值人小將決定齒輪精衝質量的好壞。

齒輪零件輪廓形狀複雜，模擬發現，齒頂、齒（chǐ）根處具有不同的應力應變狀態，因此，從圖（tú）4所示的齒頂、齒（chǐ）根處剖（pōu）切，分別分析兩處的靜水應力狀態。表1所（suǒ）示是凸模行（háng）程分別為（wéi）2．5、4．0、5，0、6．Omm時齒根（gēn）、齒頂（dǐng）處（chù）的靜水應力分布。

齒根 齒頂 齒圈剖切麵剖切血 壓痕

圖（tú）4齒根、齒（chǐ）頂剖切麵（miàn）位置

模具工業2014年第40卷第2期

由表1中的雲圖可見，板料剪切變形區基本上始終處於靜（jìng）水壓應力狀態，齒根部位的最大靜水壓 應（yīng）力出現在凹模刃口附近，齒（chǐ）頂部位的最大靜水壓應力出現在凸模（mó）刃口附近。隨著凸模下行，板料剪切變形區的靜水壓應力逐漸減小，這是凸模切入板料後相對間隙逐漸減小的緣故（gù）。對比齒根、齒頂處變形（xíng）區的靜水應力（lì）分布情況發現：在凸模行程未達到2mm時，齒根、齒頂處均有較人的（de）靜（jìng）水壓應力，在隨後的變形（xíng）過程中，齒根處靜水壓應（yīng）力明顯大於齒頂處，並且在齒根處整個板（bǎn）厚範圍內均處於（yú）壓應力狀態，而齒頂處被凹模剪切過的己變形的部（bù）分存在拉應力。

表1靜（jìng）水應力分布

齒根部位靜（jìng）水應力 齒頂部位靜水（shuǐ）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（chōng）裁過程開始後齒頂（dǐng）處的塌角在凹模側開始形成，達到一定程度（dù）後在衝裁過程中基本保持不變，而齒根處始終沒（méi）有明顯的塌角。究其原因，這是由齒（chǐ）輪（lún）零（líng）件的外形輪廓決定的，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移而形成的，具有（yǒu）一定的寬度和深度回。齒 輪的齒頂類似於懸臂，材料轉移涉（shè）及的（de）區域重疊，使得齒頂部位的塌角較（jiào）人（rén）。根據塑性變形體積不變（biàn）的原則，齒頂處對應的廢料塌（tā）角較（jiào）小，同（tóng）理，內凹的齒根部位塌角較小。

齒根部分（fèn）輪廓內凹，由於模具（jù）對材料的約束而（ér）產生（shēng）的應力可以提高此處的靜水壓應力，另（lìng）外塌角形成後齒頂塌角（jiǎo）處反頂器與零件不能接（jiē）觸，這就使（shǐ）得反頂力不（bú）能直（zhí）接（jiē）施加到塌角後麵的精衝斷麵上，

巧