基于Pro/ENGINEER的冲裁力和冲裁模压力中心确定

常州轻工职业技术学院模具系　都超平

利用Pro/ENGINEER软件系统可以快速查询实体物性的功能，通过建立和冲裁轮廓相对应的薄壁实体模型，快速得到各类冲裁方式中冲裁力数值大小和压力中心位置，方法简便，具有普遍的适应性和较强的实用性。

一、引言

冲裁力和冲裁模压力中心的计算确定，是设计冲裁模时工艺计算的主要内容之一。冲裁力是选用压力机和设计冲裁模的重要依据。模具的压力中心就是冲压力合力的作用点。为了保证模具和压力机的正常工作，应使模具的压力中心和压力机滑块的中心线相重合。否则，冲压时会使滑块承受偏心载荷，导致滑块导轨和模具导向部分不正常磨损，还会造成凸、凹模之间的间隙分布不均匀，从而影响制件质量和降低模具寿命甚至损坏模具。

一般手册和教科书介绍的冲裁力和压力中心的计算方法，较为繁琐、容易出错，适合于不是很复杂的形状的计算，在遇到不规则曲线等复杂情况时则难以计算，而利用Pro/ENGINEER强大的造型和分析功能，可以快捷、准确地得到所需参数。

二、Pro/ENGINEER系统应用分析原理

1.冲裁力的计算原理

冲裁力一般是根据剪切原理进行计算。当用普通平刃模具冲裁时，其冲裁力F的计算公式为：

式中：K为安全系数，一般取K=1.3；L为冲裁周边长度（剪切长度），单位为mm；t为板料厚度，单位为mm；τb为板料的抗剪强度，单位为MPa。

2.压力中心的计算原理

形状对称的冲裁件，其压力中心位于冲裁轮廓的几何中心上，一般不需计算。而对多凸模冲裁和形状复杂的单凸模冲裁的压力中心，按合力矩定理进行解析计算，如图1、2所示。

图1　复杂形状单凸模压力中心计算

图2　多凸模压力中心计算

因冲裁力F与冲裁周边长度成正比，所以式（2）、（3）也可用冲裁周边长度。

3.Pro/ENGINEER求解冲裁力和压力中心原理

由公式（1）、（4）和（5）可知，冲裁力和压力中心均和冲裁周边长度相关，单凸模冲裁各边和多凸模冲裁的各冲裁力均为空间平行力系，平行力系的合力大小等于各分力的代数和。平行力系合力的作用点即压力中心的位置，和冲裁周边各线段组成轮廓的质心重合。

在Pro/ENGINEER系统中，可以很方便地查询得到实体的体积、质心、惯性矩等参数。若按冲裁周边轮廓按拉伸薄板（加厚草绘）的方式，只要薄板厚度足够小，则拉伸实体的质心和压力中心位置在相当高的精度内重合，在轮廓平面内，质心的坐标值即压力中心的坐标值，如图3所示。

图3　薄板轮廓的质心

三、实例应用

图示冲裁件，材料为Q235钢，板料厚度t=1mm，分别确定冲裁外轮廓、复合冲裁、级进冲裁（多凸模冲裁）时冲裁力和压力中心。

图4　冲裁件零件图

在Pro/ENGINEER系统中，分别安装实际的冲裁轮廓画草图，选择拉伸（加厚草绘）的方式，薄板的厚度取δ=0.1mm，拉伸高度考虑实际显示效果，按H=3.5进行拉伸，则此时压力中心不变，质量数值亦即冲裁力的数值，单位为kN。图5～7为外轮廓冲裁、复合冲裁和级进冲裁（多凸模）三种冲裁情况。

图5　外轮廓冲裁

图6　复合冲裁

图7　级进冲裁（多凸模）

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图5～7中的三种冲裁情况的Pro/ENGINEER系统结果和手工计算的结果对比如表所示。

表 Pro/Engineer系统和手工计算结果对比

四、结语

从数据结果对比表1可以看出，当取加厚草绘（薄板厚度）δ=0.1mm进行轮廓拉伸时，Pro/ENGINEER系统生成的结果和手工计算的结果，在不同的冲裁模具形式中都是高度重合，其精度完全满足实际冲压的需要。用Pro/ENGINEER系统生成计算结果，更快捷高效，适应性广，尤其对于有复杂曲线轮廓的冲裁件，优势特别明显。

基于此原理，对于不等厚板材的冲裁，Pro/ENGINEER系统同样可以适用，只需对拉伸轮廓按厚板变化稍作处理。

从拉伸轮廓图容易看出，压力中心（轮廓质心）和冲裁件本身的重心是两个概念，一般情况下是不重合的。

Pro/ENGINEER系统的这种确定冲裁力和压力中心的方法，同样适用于其他三维软件。