基于Deform—3D的钢管冲裁长圆孔成形过程仿真研究

余建华 李有文

摘 要：为研究在钢管上冲裁长圆孔的加工新工艺，文章利用DEFORM-3D商业化有限元软件，采用结构设计合理的模具，用45号无缝钢管模拟仿真该成形过程。分析成形过程中材料变形的应力、应变分布情况和冲裁速度对变形的影响，找出变化规律，得到合理化工艺参数，为生产实践提供指导。

关键词：冲裁工艺；长圆孔；模具设计；有限元仿真

引言

冲压工艺是塑性加工基本方法之一，主要用于板料冲压，可分为分离工序和成形工序。落料、冲孔、裁剪等属于分离工序；弯曲、拉深、胀形等属于成形工序[1]。落料和冲孔统称为冲裁[2]。冲压工艺生产效率高，产品质量稳定，材料利用率高，广泛应用于机械制造、信息产业等工业，可冲压如汽车覆盖件、仪器仪表元件等。在管材外圆面上进行冲压比较困难，存在很多局限性和不完善的地方。本研究着力设计新结构的冷冲模，并运用Deform-3D[3]软件模拟仿真在45号无缝钢管上冲裁长圆孔的工艺过程，分析材料变形的应力、应变分布情况和冲裁速度对变形的影响，找出变化规律，得到合理化工艺参数，指导生产实践。

1 冲裁长圆孔工艺分析及模具设计

1.1 工艺分析

图1所示的45号无缝钢管零件图，内径φ36mm，壁厚3mm，左右两侧各开20mm×35mm的长圆孔，孔的轴线与管子的轴线在同一平面上。一般采用镗削、铣削或者线切割的机加工方法制成该长圆孔，但铣削易使管子变形，线切割工作效率低， 成本高。经工艺分析，认为采用冲裁的方法经济可行，但仍然存在以下困难：一方面冲裁过程中冲头与管材外圆面接触面积较小；另一方面管材圆弧半径使得同时刻冲头压入管材的深度不均，完全切断管材所需冲头行程有所增大。因此需采用合理的工艺方案和结构设计优良的冷冲模[4]去解决这些困难。

1.2 方案设计

毛坯管件采用环形压紧，须在φ36mm内孔中设计凹模，凹模与支撑块配合，保证凹模的型腔与冲头的位置正确。装配定位正确后，先以外圆面为基准，冲第一个孔；然后将工件转180°，以第一个孔为基准再冲第二个孔。

1.3 模具设计[4，5]

（1）间隙选择

冲裁间隙是指凸、凹模刃口间缝隙的距离，它是冲压工艺和模具设计中的重要参数，直接影响冲裁件的质量、冲裁力、模具寿命。根据材质类型，材料厚度，查表选择冲裁模初始较大双面间隙Zmax、Zmin值。

（2）凸、凹模刃口尺寸的确定

冲裁件的尺寸及公差主要靠凸、凹模刃口尺寸精度及其公差来实现和保证。采用互换加工法制造凸、凹模简单方便，精度易保证，所以本研究采用该方法设计凸、凹模，冲孔时刃口尺寸及公差计算公式如下：

（3）凸模长度确定

凸模长度一般根据模具结构需要而定，可用下列公式计算：

L=l1+l2+l3+l

式中：L-凸模总长度，单位mm；l1-凸模固定板厚度，单位mm；l2-卸料板厚度，单位mm；l3-导尺厚度，单位mm；l-附加长度，单位mm，一般取l=15～20mm。

基于上述设计原理，凸、凹模的主要尺寸参数见表1。

实现钢管上冲裁长圆孔工序的模具如图2所示。

2 冲裁长圆孔的有限元模拟关键技术

2.1 软件选用及几何模型

目前市场上出现的广泛运用于冲压、锻造等金属成形的专业软件有DYNAFORM、DEFORM、AUTOFORM等。DYNAFORM用于模拟板料拉深、弯曲等成形工序，而DEFORM-3D可模拟3D材料流动，适用于模拟冲裁工序。所以，本研究中选用该软件进行模拟分析。

在DEFORM-3D软件中不能直接建立三维几何模型，本研究先采用Pro/E建模，以STL格式保存文件，再导入DEFORM-3D中进行模拟设置。

2.2 网格划分及模拟设置

DEFORM-3D软件自带网格划分程序，分绝对尺寸和相对尺寸两种。网格类型是四面体，容易实现模拟过程中网格重划分，且重划分时工件体积损失最小，计算误差最小。DEFORM-3D软件中的求解器分稀疏矩阵求解器和共扼梯度求解器，采用共扼梯度求解器，工作效率高。

图3为前处理模型示意图，模拟设置为：管胚设为变形体， 网格数为70000（相对网格），采取网格自动重划分，模具均设为刚体。管坯材料设置为AISI-1045，[70F9（20C）]，凸模和凹模材料设置为AISI-D2。模拟过程中不考虑温度变化，设置为室温20℃。凸模与管胚、凹模与管胚的摩擦系数设为0.12，其余设置为0.01。凸模的运动设置为-z方向，速度10mm/sec，总行程20mm，模拟步数20步。

3 模拟结果与分析

3.1 等效应变、应力分析

图4为变形过程中材料的等效应变分布云图，图5为等效应力分布云图。分析可知，冲裁长圆孔的过程中，材料的等效应变和等效应力主要分布在模具刃口连线上，且均匀分布在长圆孔形的冲孔废料区内， 而区域外的等效应变和应力几乎为零。

随着凸模向下冲裁的行程增大，等效应变数值先增大后减小；最大等效应力数值在整个冲裁过程中基本保持不变，应力集中点沿模具刃口连线分布，且具有对称性。冲裁过程中，拉应力集中出现在靠近凸、凹模工作刃口处。凸模与管胚的顶端即长圆孔的长尺寸方向最先接触，使材料首先在此处产生断裂。凸模继续向下冲裁使管胚短尺寸方向上材料的对称裂纹逐步加深直至断裂，所以短尺寸方向上的材料在整个冲裁过程中，承受最大应力的时间最长。

3.2 冲裁速度对变形的影响

图6为材料损坏图，对应凸模冲裁速度分别为8mm/sec，10mm/sec。分析得，在冲裁长圆孔的过程中，冲裁速度越快，料达到同样的变形程度所需要的模拟步数越少，耗时越短。冲裁速度过慢或过快，都会使冲裁口毛刺增大，增加管胚网格重划分次数，计算量繁重。采用10mm/sec的速度冲裁长圆孔得到的冲裁效果最好，长圆孔的冲裁边缘较光滑平整，材料的最大损坏值也小。

4 结束语

文章主要实现了钢管上冲裁长圆孔工序的模具设计，并在DEFORM-3D软件中模拟仿真了冲裁工序的整个成形过程。分析等效应变、应力分布以及冲裁速度对变形的影响，合理选用冲裁速度以得到冲裁边缘平整光滑的高质量冲裁件。

参考文献

[1]李春峰.金属塑性成形工艺及模具设计[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]邓文英.金属工艺学[M].北京：高等教育出版社，1991.

[3]李传民，王向丽，闫华军.DEFORM5.03金属成形有限元分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4]刘靖岩.冷冲压工艺与模具设计[M].北京：中国轻工业出版社，2006.

[5]郝海滨.冲压模具简明设计手册（2版）[M].北京：化学工业出版社，2009.