文/張祥林，肖祥芷·華中科技大學(xué)材料學(xué)院材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

精沖模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化與制造技術(shù)

文/張祥林，肖祥芷·華中科技大學(xué)材料學(xué)院材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

復(fù)合精沖模具結(jié)構(gòu)有限元分析與改進(jìn)研究

本文采用Ansys Workbench結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行了含有模具的變形計(jì)算，對(duì)多副模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，進(jìn)而優(yōu)化模具設(shè)計(jì)。復(fù)雜精沖模具的有限元分析存在零件多、受力復(fù)雜（廣泛存在靜不定）、結(jié)構(gòu)彈性與板料塑性變形同時(shí)存在等問(wèn)題，常規(guī)核算式設(shè)計(jì)難以滿足要求。本文以某企業(yè)密封蓋零件（圖1）成形模具的FEM分析為例，探討了模具結(jié)構(gòu)分析的一般方法。

圖1 密封蓋零件

有限元計(jì)算過(guò)程關(guān)鍵問(wèn)題分析

該零件采用三個(gè)工步成形：第一工步完成中心定位孔以及條料兩側(cè)的兩個(gè)定位孔的成形；第二工步完成沿圓周分布的5個(gè)倒角半沖孔的成形；第三工步成形倒角半沖孔中的5個(gè)小孔，中間異形孔以及落料。該零件在試模中，常出現(xiàn)沿圓周分布的5個(gè)半沖孔相對(duì)位置精度低的問(wèn)題，為了找出原因并加以解決，本文通過(guò)有限元模擬對(duì)密封蓋模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析。模具完整的結(jié)構(gòu)分析流程如圖2所示。

⑴模型簡(jiǎn)化。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，在導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行分析前必須對(duì)模具的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。簡(jiǎn)化分為三個(gè)層次：裝配級(jí)簡(jiǎn)化、零件級(jí)簡(jiǎn)化（忽略部分輔助零件和連接件）、特征級(jí)簡(jiǎn)化（簡(jiǎn)化或忽略零件的細(xì)節(jié)特征，如不重要的倒角等）。模型簡(jiǎn)化的前提取決于FEM計(jì)算的目的和層次，一般首先進(jìn)行整副模具的計(jì)算，即計(jì)算各沖頭、傳力桿、凹模鑲件、反頂桿、各板件（尤其壓邊圈）的變形和應(yīng)力，此時(shí)各螺栓和螺紋孔可以簡(jiǎn)化掉。在總體計(jì)算分析的基礎(chǔ)上可對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行局部計(jì)算。

⑵材料和接觸設(shè)置。在有限元分析計(jì)算時(shí)，材料設(shè)置只需要根據(jù)材料的物性參數(shù)編輯材料屬性，并存入材料庫(kù)。而接觸設(shè)置比較復(fù)雜，Ansys Workbench可以自動(dòng)探測(cè)到零部件之間的接觸，由于精沖模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件間的接觸往往達(dá)數(shù)百個(gè)，分析時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置合理的接觸類型，工作量比較大。本課題組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的模塊，可以自動(dòng)地設(shè)置零件之間的接觸類型。

⑶力的加載及邊界條件設(shè)置。①一次壓力成形過(guò)程板料要進(jìn)行塑性變形，模具構(gòu)件發(fā)生彈性變形，二者接觸面上是耦合邊界，精確計(jì)算復(fù)雜。為得到工程結(jié)果，可在成形過(guò)程運(yùn)動(dòng)分析基礎(chǔ)上選取一些關(guān)鍵行程點(diǎn)進(jìn)行靜力計(jì)算。②在考慮壓力機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)對(duì)模具的影響時(shí)，應(yīng)將機(jī)身和模具整體建模分析。一般情況可不需考慮壓力機(jī)的影響，將上模座的上平面和下模座的下平面當(dāng)作固定端約束。③條料的處理要分區(qū)域進(jìn)行。壓邊力在壓邊圈齒圈以外，齒圈以內(nèi)、沖頭部分以外區(qū)域的壓強(qiáng)可單獨(dú)設(shè)置。沖頭對(duì)應(yīng)的條料部分可省去，同時(shí)在相應(yīng)的凸模、凹模和反頂桿上施加分布力。分布力的大小可以簡(jiǎn)單地由經(jīng)驗(yàn)公式和精沖力-行程曲線算出，也可通過(guò)DEFORM軟件模擬得到。特別是對(duì)于負(fù)間隙的半沖孔成形，也屬于擠壓型凸臺(tái)，力的大小用經(jīng)典公式很難準(zhǔn)確計(jì)算，較科學(xué)的辦法是通過(guò)塑性仿真確定，或者通過(guò)仿真對(duì)比后選擇合適的計(jì)算公式。

圖2 模具結(jié)構(gòu)有限元分析流程

⑷網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分遵循計(jì)算精度和計(jì)算耗費(fèi)的平衡原則，高密度的網(wǎng)格能提高計(jì)算精度，但對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件配置要求較高，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況合理地劃分網(wǎng)格。在應(yīng)力集中的部位以及應(yīng)力變化比較劇烈的部位，單元應(yīng)劃分得密一些，即采用較小幾何尺寸的單元。單元大小不等時(shí)，要逐漸過(guò)渡。

⑸結(jié)果計(jì)算及后處理。前處理完成后進(jìn)行計(jì)算，后處理可以得到模具的應(yīng)力、變形圖等。圖2e為模具的等效應(yīng)力分布，由FEM結(jié)果可知，模具整體最大應(yīng)力值為2593MPa，位于壓邊圈上。

有限元結(jié)果應(yīng)用分析

密封蓋模具最初設(shè)計(jì)是將第二工步和第三工步的凹模鑲件作為整體，凹模鑲件變形如圖3a所示，壓邊圈、傳力桿變形如圖3b所示。

圖3 凹模鑲件、壓邊圈、傳力桿變形

由密封蓋模具的FEM結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

⑴模具在第三工位處受到較大的力，在落料以及沖異形孔時(shí)模具的變形最大。第三工步?jīng)_裁過(guò)程中，凹模鑲件產(chǎn)生的變形大而且分布不均。模具長(zhǎng)期使用后，必然會(huì)造成凹模鑲件的磨損甚至永久變形，所以生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)半沖孔相對(duì)位置精度低的問(wèn)題。

⑵相對(duì)而言，插入環(huán)、上傳力桿、壓邊圈上有很大的變形，且變形非常不均勻。壓邊圈第一工步處（左側(cè)）比第三工步處的變形更大，模具在工作過(guò)程中產(chǎn)生了傾斜，壓邊圈存在明顯翹曲狀態(tài)。模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不理想，特別是上模13根傳力桿位置和尺寸設(shè)計(jì)不合理使得模具產(chǎn)生了偏載，造成了模具較大的變形，對(duì)模具的壽命以及產(chǎn)品的精度都有不利的影響，需進(jìn)一步進(jìn)行分析和改善，才能使模具結(jié)構(gòu)更加合理，提高模具的壽命。

針對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的5個(gè)半沖孔的相對(duì)位置精度低的問(wèn)題，對(duì)密封蓋模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，采取的方案是將凹模鑲件分割成兩個(gè)鑲件，即第二工步和第三工步用不同的鑲件，圖4為凹模鑲件分開(kāi)式的三維圖。

圖4 鑲件分割后的兩部分

將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入Ansys Workbench，在相同的外部條件設(shè)置下進(jìn)行模擬。最后計(jì)算得到的模具最大變形值為0.675mm，比優(yōu)化前的模具整體變形稍有減小。圖5為優(yōu)化后凹模鑲件的變形圖，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第二工步鑲件的變形分布更加均勻。企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐證明，按上述改進(jìn)后5個(gè)半沖孔的相對(duì)位置精度得到了明顯提高。

圖5 優(yōu)化后凹模鑲件的變形

模具結(jié)構(gòu)FEM總結(jié)與討論

對(duì)另外幾副模具的FEM分析與改進(jìn)也取得了較好的生產(chǎn)效果，在設(shè)計(jì)階段采用結(jié)構(gòu)FEM可以有效預(yù)測(cè)模具的剛度、沖頭的側(cè)向受力，可以從受力角度優(yōu)化倒角形式和尺寸等。上述應(yīng)用可嘗試板料塑性和模具結(jié)構(gòu)彈性變形耦合仿真，采用疲勞壽命計(jì)算等精確預(yù)測(cè)模具件壽命等。對(duì)設(shè)備、模具、板料同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)有限元計(jì)算等對(duì)仿真精度有所提高，但需要考慮計(jì)算量的平衡。

模具制造相關(guān)問(wèn)題的探討

模具材料選取與延緩失效

模具不同部分的要求不一樣，失效形式主要是崩刃和折斷，其次才是磨損。前者的本質(zhì)主要是疲勞破壞，即裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)散導(dǎo)致開(kāi)裂。所以模具材料的選取要盡可能采用高的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)要保證較好的韌性。

⑴模具材料選擇對(duì)模具壽命的影響。表1是常用的模具材料優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。試驗(yàn)?zāi)＞哌x擇某企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)所用的門(mén)鎖棘爪精沖模具，選用SKD11、QHZ、S790三種不同的模具鋼加工制備相同規(guī)格的沖孔凸模，凸模尺寸規(guī)格如圖6所示。

為了比較不同材料所制備的模具的沖裁壽命和失效方式，經(jīng)過(guò)實(shí)際沖裁，得到如下結(jié)論：從力學(xué)性能方面比較，S790粉末冶金鋼性能最優(yōu)，適用于工況復(fù)雜、沖裁力較大的模具上，但韌性相對(duì)較低，不適用于復(fù)雜薄壁件；QHZ由于含碳量低，相對(duì)韌性較好，但硬度較低，易磨損，可通過(guò)表面涂層進(jìn)行改善；SKD11由于受碳化物顆粒局限，韌性較低，強(qiáng)度較低，適用于簡(jiǎn)單工況下的精沖模具。

表1 幾種優(yōu)質(zhì)精沖模具材料的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

圖6 門(mén)鎖棘爪精沖凸模

⑵沖裁過(guò)程中模具硬度降低研究。模具材料為XW-41，試驗(yàn)?zāi)＞邽殚T(mén)鎖棘爪凸凹模，經(jīng)過(guò)一次沖裁后，比較沖裁前后模具端面的洛氏硬度，沖裁前58～60HRC，沖裁后57HRC。推測(cè)認(rèn)為：經(jīng)過(guò)多次循環(huán)載荷作用，模具端面局部出現(xiàn)疲勞損傷，宏觀表面為硬度下降，且損傷具有一定的深度，目前正在深入研究該問(wèn)題。

⑶防止模具崩刃與折斷。方法可以是抑制裂紋源和緩解裂紋的擴(kuò)張速度。

模具涂層技術(shù)

PVD涂層具有優(yōu)異的力學(xué)性能以及良好的耐磨、耐腐蝕、紅硬性和熱穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于精沖模具的表面保護(hù)涂層，可以提高精沖模的表面硬度和延長(zhǎng)模具使用壽命。但涂層中的殘留應(yīng)力限制其發(fā)揮這些優(yōu)越性能，同時(shí)涂層對(duì)精沖模表面應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)產(chǎn)生影響。

⑴涂層性能及對(duì)模具表面的影響。研究采用多弧離子鍍技術(shù)在S790高速鋼上沉積不同厚度（1.6～2.5μm）TiN，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示TiN涂層的組織織構(gòu)隨著涂層厚度的增大而增大，這種擇優(yōu)取向在一定程度上決定了涂層的力學(xué)性能，主要表現(xiàn)在整體上TiN涂層的顯微硬度隨著涂層厚度增大而增大，TiN涂層的殘余應(yīng)力隨著涂層厚度增大而減少。

雖然涂層在一定程度上提高了模具的耐磨性，進(jìn)而提高模具壽命，但涂層制備所造成的模具表面殘余應(yīng)力在某種程度上起到消極的影響，因此需要進(jìn)一步研究去除基體殘留拉應(yīng)力的具體辦法。

⑵涂層對(duì)模具摩擦磨損性能影響。涂層前后模具表面粗糙度無(wú)明顯變化，涂層前后模具表面摩擦系數(shù)略有改善，得出的結(jié)論是PVD涂層在一定程度上減小模具表面的摩擦系數(shù)，進(jìn)而改善沖裁過(guò)程中的摩擦狀態(tài)。涂層前后模具表面顯微硬度有很大提高，說(shuō)明PVD涂層可以有效改善模具表面的耐磨性。

模具溫度測(cè)量研究

通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)＞邷y(cè)量對(duì)中厚板（5mm）條料精沖生產(chǎn)模具的溫度進(jìn)行了測(cè)量和仿真驗(yàn)證，刃口溫度只有52℃，這樣就否定了模具使用中可能發(fā)生回火的推斷，金相實(shí)驗(yàn)也得以驗(yàn)證。但模具溫度的升高與降低會(huì)導(dǎo)致模具刃口產(chǎn)生交替的熱應(yīng)力，使模具產(chǎn)生疲勞，影響模具壽命。

結(jié)束語(yǔ)

精沖的模具壽命影響因素較多，本文從模具結(jié)構(gòu)CAE分析、模具選材、涂層等方面進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究與理論分析，希望對(duì)企業(yè)有所參考或啟發(fā)。經(jīng)過(guò)幾年的摸索，筆者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與分析，可以澄清一些理論推論或者設(shè)想的合理與否，這樣可使對(duì)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的分析更加明確和科學(xué)。