毛金勇201210617238材料成型CAE

河南工程学院《材料成型CAE》考查课

专业论文

DEFORM流动模拟分析报告

学生姓名：毛金勇

学院：机械工程学院

专业班级：材控1242

专业课程：材料成型CAE

任课教师：赵永涛

2015 年11 月20 日

1 概述

模具工业是制造业中的一项基础产业，是技术成果转化的基础，同时本身又是高新技术产业的重要领域，模具是“效益放大器”。从产值看，80年代以来，美、日等工业发达国家模具行业的产值已超过机床行业，并又有继续增长的趋势[1]。在国内由于受到金融危机原因，模具行业平越高的企业受冲击越小，水平越低的企业受冲击越大[2]。可见未来高水平的模具企业必然会创造更多价值。本文通过DEFORM-3D对冲裁件的流动规律进行研究。

2 对冲裁件应力变化分析的意义

冲压成形过程的计算机仿真实质上是利用数值模拟技术，分析给定模具板料变形全过程，从而判断模具和工艺方案的合理性。成熟的仿真技术可以减少试模次数，在一定的条件下还可以使模具和工艺设计依次合格从而避免修模[3]。这可以大大的缩短新产品的开发周期，降低开发成本，提高产品品质和市场竞争力。因此选用有限元分析可以从模拟结果分析冲压零件的可成性，判断冲压件的危险部位等。

3 通过DEFORM-3D对冲裁件的流动规律进行模拟

冲孔工艺过程大致可以分为以下四个阶段：

（1）弹性变形阶段材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。弹性变形的重要特征是其可逆性,即受力作用后产生变形,卸除载荷后,变形消失。这反映了弹性变形决定

，势能U处于最低于原子间结合力这一本质现象。原子处于平衡位置时，其原子间距为r

位置，相互作用力为零，这是最稳定的状态。当原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产生引力；原子间距减小时将产生斥力。这样，外力去除后，原子都会回到其原来的位置，所产生的变形便会消失，这就是弹性变形[4]。冲孔工作开始时，凸模接触材料前施压，是材料产生弹性压缩而在凸模周围发生材料聚集，形成环状突起。如图1:

图1 弹性变形阶段

（2）塑性变形阶段物质-包括流体及固体在一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。凸模及压料板施加大压力，达到材料的屈服点，材料向孔周围流动并开始挤入凹模，产生定向塑性流动。如图2

图2 塑性变形阶段

（3）剪切变形阶段当凹模继续下行，材料停止向孔周围流动，而大量挤入凹模洞孔。此时凸模刃口部分的材料达到材料的抗剪强度。故首先在发生应力集中的锋利刃口处产生显微裂纹，但没有剪裂。如图3

图3 剪切变形阶段

（4）剪裂变形阶段凸模下行到一定程度，显微裂纹在金属材料内部扩展，并使材料沿凹模刃口出现剪切裂纹，开始断裂。如图4

图4 剪裂变形阶段

3.1 不同间隙对冲裁件的工艺模拟分析冷冲模的冲裁间隙对冲裁件断面质量有极重要的影响，凸、凹模间的间隙，对模具的寿命、卸料力、推件力、冲裁力、及冲裁尺寸的精度等还有不同程度的影响。大的间隙对冲裁力的影响不是很大，但对卸料力、推件力影响显著，随着间隙的增大，卸料力、推件力都将减小。但是，事实上并不存在一个绝对合理的间隙数值，能同时满足各方面的要求。在冲压的实际生产中，间隙的选用应主要考虑冲裁件的断面质量和模具寿命这两个因素。一般来说对冲裁件断面质量较高时，选取较小的间隙值，而当冲裁件的质量要求不高时，则应尽可能地加大间隙值，以利于提高冲模的寿命。小间隙会增加模具的磨损，甚至使模具与材料之间产生粘结现象，并引起崩刃、凹模胀裂、小凸模折断、凸凹模之间互相啃刃等异常损坏，缩短模具的寿命[5]。

对于冲裁模具，冲裁间隙和凹模圆角半径的合理确定是模具设计的两个重要的参数。凸凹模间隙对冲裁质量、冲裁力和模具寿命均有很大影响，一般情况下凸模寿命随模具间隙的增大而增加；分析表明，当模具间隙大于0.2mm 时，随着模具间隙的增大，毛刺高度随模具间隙的增大而显著增大。

3.2 不同凹模圆角半径对冲裁件的工艺模拟分析凹模圆角半径的大小对凸模的受力也有着重要影响，如果圆角半径过小，不仅增大金属流动阻力，增加开裂的趋势，使冲压件难以成形，而且模具磨损也较大，适当增大圆角半径，可使模具寿命提高几倍，甚至几十

倍。常规刃口圆角选取一般通过试冲法逐步加大，使之达到需要的最小值。所以在模具的设计中经常会遇到理论计算与经验的脱节，使设计的产品存在不确定性和随意性。下面是不同凹模圆角所冲压出来的冲裁件的图片，可以清楚的看出的不同凹模圆角所对应毛刺大小的不同：

图3.2.1 凹模圆角20mm 图3.2.2 凹模圆角18mm

图3.2.3 凹模圆角22mm 图3.2.4 凹模圆角25mm 如图，可以清晰的看出毛刺之间的差距。本设计的标准凹模圆角半径选取20mm.如下图所示：

图3.2.5

有限元分析了模具间隙和凹模圆角对凸模应力应变的影响，分析表明在一定范围内随

着间隙和凹模圆角的增大，凸模应力、应变呈下降趋势。此规律的研究可以对模具的设计提供依据。

3.3 残余应力分析

图3.3.1 残余应力图一图3.3.2 残余应力图二残余应力是冲压件的一种内应力的一种形式，当冲压成型过程结束，冲压件由模具内脱离出来，外力完全消失，但原来存在于冲压毛坯中的内应力（加载应力与诱发应力）并不会完全消失，部分将以残余应力的形式保留下来。由于不存在外力的作用，所以冲压件中的残余应力一定是以相互平衡的拉应力和压应力的形式存在。残余应力并不影响冲压成型过程，但在有些情况下起作用不容忽视。如本次设计的冲压成形可以清楚的看见冲裁件之后的板料上存在开裂现象。残余应力是冲压毛坯经历了冲压变形和卸载两个过程之后形成的，与冲压成型过程中的毛坯内部应力状态和变形分布有关。

4 结语

（1）一般情况下凸模寿命随模具间隙的增大而增加，当冲裁件的质量要求不高时，则应尽可能地加大间隙值，以利于提高冲模的寿命。

（2）通过deform分析表明在一定范围内随着间隙和凹模圆角的增大，凸模应力、应变呈下降趋势。

（3）通过deform的模拟还可以研究残余应力对冲压成型的影响，判断是否会存在开裂现象。

（4）本文章只是粗略的分析了DEFORM3D里的应力应变及残余应力等方面的知识，其实DEFORM3D还可以进行例如压力，温度，塑性变形等多方面的分析与总结。

参考文献：

[1] 邓明.冲压工艺及模具设计[M]. 北京：化工业出版社,2009.

[2] 李硕本. 冲压工艺学[M]. 北京：机械工业出版社，2012.

[3] 张敏支撑轴挤压模具有限元分析及组合凹模优化[学位论文] 2007

[4]Chun B K;Fluhrer J Some recent simulation cases of cold forming with DEFORM-3D 2004

[5]高汉华有限元分析在组合凹模设计中的应用[期刊论文]-轻工机械 2006(02)