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轉發自：第25卷 第3期 蘇州市職業大學學報 Vol.25，No.3

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

作者：談正光1，陳 偉2，張 雨2

(1.無錫鵬德汽車配件有限公司 工程技術部，江蘇 宜興 214211； 2.南京工程學院 汽車與軌道交通學院，江蘇 南京 211167)

精沖進行了韌性斷裂理論分析，并對軸對稱精沖件的成形過程進行了二維數值模擬；Zheng[3]開發了更新拉格朗日熱力耦合二維有限元程序和特殊設計的局部網格再劃分程序，分析了靜水壓力、熱效應、材料損傷、塑性應變、應變率集中對精沖過程的影響；Sutasn Thipprakmas[4]利用有限元模擬方法結合田口技術和方差分析技術，研究了V形齒圈壓板的參數（高度、位置和角度）對精沖過程的影響；方剛等[5]對精沖的韌性斷裂進行了數值模擬，預測了裂紋的產生和擴展.

經過長時間的發展，有限元分析方法已經被應用到工程分析的各個方面，較為成熟的有限元分析軟件包括ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC.對普通沖壓成形工藝，一些公司開發了單獨分析軟件，如 Autoform，Dynaform及Hyperwork中的Hyperform模塊.由于精沖工藝較普沖工藝在工藝過程和力學特性上都有較大區別，因此，精沖工藝無法使用現有的普沖分析軟件.為此，筆者結合齒圈壓板精沖工藝原理、力學特性及有限元理論，提出使用有限元分析軟件ABAQUS，建立針對齒圈壓板精沖工藝的力學模型.

1 精沖工藝的基本原理

精沖的工藝原理如圖1所示.精沖過程中，凸模接觸精沖材料之前，壓邊力ps壓緊材料，通過壓邊圈上的V形齒的內面產生橫向側壓力，將阻止金屬材料在剪切區內撕裂和橫向流動.在沖裁凸模壓入材料的同時，利用反壓板的反壓力將材料壓緊.板料在壓緊狀態下由沖裁力作用，沿著凹模刃口的形狀呈純剪切的形式沖裁零件.由于剪切區內的金屬處于三向壓應力狀態，從而提高了材料的塑 ?? 性.此時，材料沿凹模刃口形狀，以純剪切方式使材 ??? 料實現分離沖裁.

精沖模具工藝過程大體分為4個階段[2]. 

1) 彈性變形階段.沖孔工作開始，凸模接觸材料前施壓，使材料產生彈性壓縮而在凸模周圍發生材料聚集，形成不大的環狀突起.

2) 塑性變形階段.凸模及壓料板施加大壓力，達到材料的屈服點，材料向孔周圍流動并開始擠入凹模，產生定向塑性流動.

3) 剪切變形階段.當凸模繼續下行，材料停止向孔周圍流動，而大量擠入凹模洞口.此時凸模刃口部分的材料達到材料的抗剪強度.故首先在發生應力集中的鋒利刃口處產生顯微裂紋，但沒有剪裂.

4) 剪裂變形階段.凸模下行到一定程度，顯微裂紋在金屬材料內部擴展，并使材料沿凹模刃口出現剪切裂紋，開始斷裂.

2 精沖工藝的力學特性

精沖工藝的力學特性如圖2所示，圖2中，S表示材料厚度.

當凸模進入材料厚度的1/3時，沖裁力最大.本文的分析都是在談正光等：基于Abaqus的齒圈壓板精沖工藝有限元分析 2014年第3期

最大沖裁力下進行.模具在工作過程中，其受力情況非常復雜，主要存在沖裁力、壓邊力、反壓力的作用.

1） 沖裁力是成型產品零部件所需要的力，影響沖裁力的因素主要有零件尺寸、材料的機械性能、材料厚度等，計算公式為

ps=Lt Sσb f1， (1) 式中：ps為沖裁力；Lt為剪切線周長；S為材料厚度；σb為抗拉強度；f1為系數，f1=0.6～0.9.

2） 壓邊力阻止材料在剪切區內撕裂和金屬的橫向流動，以獲得光潔的剪切面，計算公式為 pR=0.5ps. (2)

3） 反壓力在精密沖裁過程中，不但提供靜水壓應力，而且還防止板料在加工過程發生彎曲.反壓力太小則板料在加工過程容易彎曲，而且精沖質量也不好；反壓力太大則沖裁力增大，增加了模具的載荷.反壓力計算公式為pc=0.2ps. 

3 精沖工藝的有限元分析

有限元法是以計算機為工具，根據變分原理求解數學和物理問題的一種現代數值計算方法.本文采用剛塑性有限元法對精沖加工過程進行仿真模擬.把變形區離散成多個單元，取一個無限小的正方體單元，分析該單元的應力狀態，如圖3所示.

圖3中，py為凸模作用于材料的沖壓力 py=p'y+py''，p'y為頂件反力，py''為沖裁力.pv為

V形齒內邊作用于材料的力；N為作用于材料的側向力；Fx，Fy分別為模具表面作用于材料的摩擦力. σy是由py引起的正應力；σvx，σvy分別由pv在x方向的分量pvx和y方向的分量pvy引起的正應力；σn為模具等對材料的約束作用而引起的正應力.

實現精沖技術的關鍵是在變形區建立靜水壓應力狀態方程，靜水應力可以表示為

? ? ? ?m ? ? x ? ?y z ? ， (4) 則精沖工藝過程中變形區的靜水壓應力為

? ???m ?? ? ? ? ?vx ? ? ? ?n y vy z ? . (5) 因此，只要改變式(5)中右邊各項的數值，就可以達到提高靜水壓力的目的，進而能提高精沖件的質量.

4 Abaqus軟件仿真過程

某汽車排氣系統不銹鋼厚法蘭如圖4所示，對其利用Abaqus軟件進行精沖工藝有限元分析[7- 12].由于現有分析軟件中沒有針對精沖工藝的分析模塊，本文根據精沖工藝力學特性并結合有限元理論，構造精沖工藝的有限元模型并進行分析.

圖5為不銹鋼厚法蘭件精沖工藝簡易模具三維圖，圖中央部分表示初始平板坯料，其余部分表示凸模、凹模及壓邊圈等.

圖6為有限元網格模型.針對精沖工藝中模具上的重要部位，如模具刃口、齒形壓扁圈等，零件網格將局部細化，以提高模擬精度；針對 受力較小或者受力較均勻的部位，網格劃分將較粗略，以提高計算速度.

利用式(1)～式(3)分別計算法蘭件的沖裁力、壓邊力和反壓力，并在有限元分析中添加約束力及約束位移，使圖6中的有限元網格模型能夠模擬精沖工藝過程中的力學狀態.研究表明[6]：在精沖過程中，提高變形區的靜水壓應力可以很好地改善精沖件質量.為此本文使用10個精沖行程步（10%，20%，? ，100%行程），用變形區內各個單元的靜水壓應力均值來衡量不同工藝參數對精沖質量的影響.圖7、圖8 分別為精沖行程20%和50%時靜水壓應力云圖.

以模具間隙為變量，以精沖過程中靜水壓應力均值為衡量精沖質量的指標，探討不同模具間隙對精沖件質量的影響.從圖9中模擬結果數據可以看出，對于圖4所示的不銹鋼法蘭件，模具間隙為0.3 mm時，精沖件的質量較好.這一結論與企業加工實際件的工藝參數設置相吻合，實際精沖件質量較好（光潔面寬度≥ 80%，塌角≤ 10%～25%料厚），證明模擬結果的有效性. 

5 結論

1) 分析了精沖工藝的基本原理及力學特性，為建立精沖工藝模擬的力學模型提供了基礎.

2) 結合有限元理論及精沖工藝的關鍵技術，以Abaqus軟件為基礎，對汽車排氣系統不銹鋼厚法蘭件進行了有限元模擬仿真.

3) 通過提取并處理仿真結果數據，能夠有效地判斷精沖工藝各種參數設置對精沖工藝質量的影響.針對不銹鋼厚法蘭的精沖參數分析，當模具間隙為0.3 mm時，精沖質量較好.

談正光等：基于Abaqus的齒圈壓板精沖工藝有限元分析 2014年第3期參考文獻：

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(責任編輯：李 華)

(上接第21頁)

作為示例，此外，還在每個學號文件夾中生成了一個“ XX批改報告.txt”，圖5選取第3位學生的批改報告作為示例.

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4 結論

在PC上，一次自動批改30道Excel操作題共耗時約2 min，而人工批改耗時約2 h，相比人工批改，效率提高了約60倍，若PC配置更高，則耗時更少，效率更高.只要涉及Excel軟件操作，無論是作業練習，還是考試考核，均可借助該程序框架輕松實現針對具體Excel操作題的自動批量批改或判卷程序. 參考文獻：

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(責任編輯：李 華)