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1、 冲压模具局部构形应力数值分析党刚 虞钢中国科学院力学研究所 100080摘要：汽车覆盖件冲压模具在服役过程中由于各种复杂因素作用而产生磨损或疲劳破坏现象而失效，其失效部位与模具的应力分布密切相关。本文根据冲压模具设计规范，建立了冲压模具实体模型，借助有限元分析软件对冲压过程进行模拟。根据模拟结果分析冲压模具上局部构形的应力分布和对模具受力状况的影响，比较不同局部构形应力分布的异同，指出了可能损坏的部位，模拟结果和分析结论与实际情况符合较好。关键词：冲压模具 局部构形 数值模拟 应力分析 有限元1 引言汽车工业是一个国家工业水平的标志之一。我国为汽车行业服务的汽车模具行业是一个新发展起来的行业
2、，其规模和水平与发达国家相比有较大的差距。随着模具技术的不断发展，对模具的质量和模具材料性能的要求日益严格。各种汽车覆盖件冲压模具在服役过程中都要承受一定的机械负荷，有的还要经受热负荷和环境介质的作用。在这些因素作用下，经过一定的服役时间，模具可能会发生过量的变形、断裂和表面损伤等失效现象，所以一般模具需要进行表面强化处理以延长其使用寿命。模具表面的强化处理属于加工成型的后期工艺，对加工有很高的要求。首先在不增加模具表面拉应力的前提下提高材料表面的硬度，保持加工后的模具不发生变形，同时还需对不同材料、外型结构及尺寸的模具进行表面强化处理，然而传统的表面强化处理技术将很难同时满足这些要求。中国科
3、学院力学研究所启动的中国科学院知识创新工程重大项目集成化激光智能加工及柔性制造系统，开拓性地将激光与材料相互作用技术应用于汽车覆盖件冲压模具表面强化。该系统的核心工作就是采用高能量脉冲激光束相对模具工件运动，以很高的激光功率密度在极短的时间内与金属交互作用，对工件表面进行强化处理以提高模具的性能，延长其使用寿命以及对局部失效区域进行快速修复1。在冲压过程中，模具表面的局部构形会对模具的受力分布产生影响。在极短时间的高强度冲击作用下，应力分布的不均匀会导致模具的表层材料的力学性能分布不均匀。在实际加工过程中，加工轨迹上会分布形状大小各异的局部构形。对于加工轨迹上不同区域的材料的不同状况，加工时所
4、要求的强化量是不相同的，所以需要在预定的加工轨迹方案上针对局部情况对加工轨迹进行调整和优化。为确定加工轨迹上哪些局部构形的强化量需要特别规划，就需要搞清楚模具上这些局部构形在冲压过程中的受力状况如何，以及局部构形的尺寸形状对于应力分布的影响。冲压模具上常见的破坏形式为磨损破坏和疲劳破坏。根据磨损理论，磨损与表面剪切应力和亚表层剪切应力有很大关系，无论剥层还是擦伤都由表层和亚表层的塑性变形引起的。根据疲劳理论，疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部，特别是应力集中的构件表面处。疲劳裂纹的扩展则由最大剪应力控制的，形成的微裂纹与最大剪应力方向一致2。因此，冲压模具表面的应力分布状况与模具的失效是直接关
5、联的。在冲压过程中，模具的受力状况是非常复杂的。一方面是受到的力的种类多，另一方面是所受外力会随拉深的深度、坯料的流动、模具表面形状变化而变化。理论上要分析如此大规模的受力状况是不现实的。目前，国内实验测量数据还不多，而且实验过程复杂而艰难。国外研究人员普遍采用数值分析方法，如J.S. Sun等 3 用有限元静态分析方法研究了不同半径的圆角对冲压模具受力的影响。采用数值分析方法可以在较短的时间内方便地对研究的问题进行模拟，获取模具在冲压过程中的应力应变分布变化情况，对于了解冲压模具的局部构形对模具应力分布的影响起到重要的参考作用。2 有限元模拟过程 2.1 模具实体模型的建立模具实体模型的设计
6、必须严格依照汽车覆盖件冲压模具设计规范进行4。本文只关心拉深模在拉深过程中与毛坯作用的主要部分，而对于模芯，定位零件、压边装置、卸料和出件装置、支承和夹持零件、弹簧、螺钉和销钉等一系列装置，则不建立模型，其功能用等效的边界条件表示。参考该项目研究的汽车覆盖件样板，对样板中的局部构形进行简单的分类，归结出下面三类特征构形：棱脊、小凸起、小凹槽(图1)。棱脊是较大尺寸的平面或平缓曲面之间的长条形连接部分，一般出现在曲面大转折和产生阶梯构形的部位，是汽车覆盖件中最常见的一种局部构形。小凸起尺寸相对整个覆盖件的尺寸小得多（特征边长一般为2030mm），其形状和位置不固定，一般高度较小（10mm左右），
7、圆角部分很明显，且圆角的半径不大。圆形凸起周边弧度较大，较方形凸起其受力状况较为简单，所以选择方形凸起作为小凸起的代表。小凹槽可以看作是极窄的一端不贯穿的棱脊，其高度和圆角半径也很小（小于5mm），刻画起来比较困难。图1. 汽车覆盖件样板常见局部构形：(a)棱脊；(b)小凸起；(c)小凹槽。对这些局部构形依据设计规范分别建立实体模型布置到模具上。由于汽车覆盖件尺寸一般较大，如矩形覆盖件其短边边长一般在1000mm以上，而常见的局部构形尺寸较之则很小。建立模型时，对于每种局部构形是单独建立模型进行分析的。如果将一个边长20mm的正方形凸起布置在1000mm宽的矩形平面的中央，根据圣维南原理，仅粗
8、略地估计，方形凸起对周围材料的影响在距离其中心为其边长2倍的位置就微乎其微了，其余空旷区域不会受到其影响。凸模的实际高度可以为几百毫米到几千毫米，这主要是为增加动力，但与板材相互作用部分的有效厚度并不大，而动力可以在模拟中用载荷的形式给出，所以凸模的高度也只取适当值。综上所述，为了减少单元数目以缩短计算时间，对模具的尺寸进行适当缩小。以局部构形为方形凸起的模具为例给出机械图，见图1。其余局部构形的模具的整体尺寸相同，只是局部构形的几何形状、个别尺寸和位置不同。限于篇幅关系，其余模具的机械图就不给出了。(a)(b)图2. 局部构形为方形小凸起的模具实体模型机械图：(a)凹模机械图；(b)凸模机械
9、图。2.2 有限元分析模型的建立将模具实体模型设计为以X-Z平面和X-Z平面为对称面，这样只取模型的1/4进行分析，可以大幅度减小计算规模。本文采用ANSYS对各个布置有局部构形的模具建立有限元分析模型。图3.局部构形为方形小凸起的模具模型:(a)沿Y轴正向显示模型；(b)局部放大显示凸模、毛坯、凹模之间有等距间隙。本文中，模具的材料是球墨铸铁，板材的材料是普通Q235钢。分别用四面体单元Solid 164、和壳单元Thin Shell 163对模具和板材进行网格划分。图4.局部构形的网格划分:(a)凸模凹陷部分；(b)凹模凸起部分根据汽车覆盖件冲压过程，凸模在0.01秒沿Z轴负向移动50mm
10、，冲压板材成形后抽出，这个过程用一个时间载荷数组进行控制。表1. 时间载荷数组 图5. 时间载荷图由于板材在短时间内发生大位移塑性变形，ANSYS通常的求解器无法进行非线性动态模拟，计算过程只能借助优秀的非线性动力学分析软件LS-DYNA完成，而ANSYS与LS-DYNA之间已有接口连接，所以用ANSYS建立分析模型、设定好各项参数后就可导入LS-DYNA进行运算。3 模拟结果的分析与讨论通过动画显示模拟结果（如例图6所示）考察毛坯的变形情况，可以看到冲压成形过程中毛坯工作部分受到凸模的冲压和凹模限制作用，其厚度在多个部位发生变化，这种变形是极为复杂的，主要表现在：汽车覆盖件的成形过程中是拉深
11、和胀形变形同时存在的复合成形。汽车覆盖件的轮廓内部有局部形状，这些局部形状一般是凸模下行到一定深度时才开始成形，并在成形过程的最终时刻全部贴模。所以局部形状外部的毛坯难以向该部位流动，成形主要靠该部位毛坯在双向拉应力下的材料变薄来实现面积增大，这种内部局部变形为胀形变形。凹模内部的毛坯不是同时贴模，而是随着冲压过程的进行而逐步贴模。这种逐步贴模过程使毛坯保持塑性变形所需的成形力不断变化，毛坯各部位变形的主应变方向与大小、板平面内两主应变之比等情况也随之不断变化。图6. 模拟冲压过程动画显示图:(a)T=0.004s；(b)T=0.01s；(c)T=0.018s图7. Von-Mises Str
12、ess分布图: (a)T=0.01s，局部构形为大高度棱脊的凹模应力分布；(b)T=0.01s，局部构形为小高度棱脊的凹模应力分布图；(c)T=0.01s，局部构形为小凹槽的凸模应力分布图；(d)T=0.01s，局部构形为方形小凸起的凹模应力分布图与模具磨损和疲劳有关的应力主要是Von-Mises应力和最大剪应力。从这两种应力的分布图（图7和图8为筛选的图例）上可以看到，在冲压过程的各个时刻模具上的各个局部构形的应力值分布与周围的平面区域是不同的。底部的局部构形在圆角处会出现应力集中现象，尤以圆角顶端的各种应力值最大，比周围平面区域高出一个或两个数量级。这是因为板材在局部构形处成形贴模时首先接
13、触局部构形的圆角部分，并且在板材最终完全贴模前圆角部分会一直受到由板材流动和挤压带来的高强度载荷，而两侧圆角的应力在顶端叠加产生最大应力。对比布置在同一模具上的斜侧面小方形凸起和底部的小方形凸起的应力分布状况，可以看到底部凸起的应力值要大于斜侧面上的凸起，这是因为随着拉深深度的增大，模具中单元的应力是不断增加的，所以高应力值会分布在底部。考察小凹槽构形部位，会发现集中现象很严重，其端部应力达到最大值。小凹槽本身宽度很小，凸模上对应的小条状凸起就非常窄，这个部位受到如此大的应力，被损坏的可能性就非常大。 图8. Max Shear Stress分布图:(a) T=0.01s，局部构形为大高度棱脊
14、的凹模应力分布图(b) T=0.01s，局部构形为小凹槽的凹模应力分布图考察局部构形周围区域应力分布的情况，可以看到尽管局部构形处的应力要较周围区域大很多，但是其影响范围还是很有限的。如局部构形为小凸起和棱脊的模具上，在距离大于其高度以外的区域，应力分布就十分均匀且应力值较小，即这两种局部构形对周围的影响范围尺度与其高度相当。而局部构形为小凹槽的模具上，由于小凹槽的宽度非常小，其对周围区域几乎没有什么影响。这些结果都符合圣维南原理，也证明了在建模时适当缩小模具整体尺寸是合理的。对比长宽相同但高度不同的两个棱脊构形的模具的应力分布图，则发现在冲压过程中较大高度的棱脊的应力分布与较小高度的棱脊的应
15、力分布相差无几，这表明局部构形的高度对局部构形的应力分布影响并不大。实际考察某经过修复的局部构形为较大高度棱脊的模具实物，如图9所示，图中银白色部分是经过修补的部分。从图中可以看出模具损坏的部分均分布在模具上局部构形的圆角部位。本文中的分析与之是吻合的。图9. 冲压模具实物损坏部位局部特写4 结论1. 使用有限元分析软件可以逼真地动态模拟汽车覆盖件冲压过程，可以较好地展现板材的变形情况和模具的应力分布及变化情况。2. 冲压过程中模具上局部构形部位的应力值较大，特别是圆角部位在冲压过程中受力状况最为恶劣，是容易受损的部位，需要特别关注。局部构形对冲压模具的应力分布是有影响的，但影响范围有限，与局
16、部构形的特征线度有关系。形状相同而高度不同的局部构形的应力分布状况非常相似。3. 局部构形处严重的应力集中现象将影响局部构形处材料的力学性能，对局部构形处材料的表面强化量需要单独确定。局部构形部位的激光表面强化在激光头轨迹规划中需要特别考虑。参考文献1 虞钢，虞和济.集成化激光智能加工工程.北京:冶金工业出版社,2002.12 刘家浚.材料磨损原理与其耐磨性.北京:清华大学出版社,19933 J.S.Sun, K.H.Lee, H.P.Lee. Effects of geometry and fillet radius on die stresses in stamping processes
17、. Journal of Materials Processing Technology, 104 (2000):2542644 涂光祺.冲模技术.北京:机械工业出版社,2001.8附：党刚（1981），男，四川乐山人，中国科学院力学研究所04级硕士研究生，一般力学与力学基础专业。通讯方式：地址：北京市海淀区北四环西路15号 中国科学院力学研究所 激光智能制造工艺力学实验室 邮编：100080 Tel.：01082682074 Email：danggang04AbstractThe failure of dies including wear, fatigue and so on is nea
18、rly related to the distribution of stresses in stamping progress. In this paper, a three-dimensional model is designed by FEM tools to simulate these problems according to the design criterion. The distributions of stresses on different locations are compared to analyze the effects of geometry on die stresses. Finally the possible failure parts of die are pointed out and it accords with the fact well.
