唐偉琴,李麗明,潘玉娜,李大永*

(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力與工程學(xué)院,上海 200240;2. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 軌道交通學(xué)院,上海 201418)

0 引 言

模具的品質(zhì)影響著產(chǎn)品的質(zhì)量,模具壽命是模具品質(zhì)的重要評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。因此,研究和預(yù)測(cè)模具磨損具有重要意義。模具磨損的研究方法主要包括實(shí)驗(yàn)研究和有限元分析。實(shí)驗(yàn)研究除了獲取材料的磨損參數(shù),還能直觀地揭示模具磨損的微觀機(jī)理,但是磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間,而有限元分析彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)研究的不足[1]。

隨著有限元分析技術(shù)的發(fā)展,商業(yè)軟件DEFORM, Dynaform和Autoform相繼開(kāi)發(fā)了模具磨損模塊?；谶@些軟件,學(xué)者們對(duì)擠壓、沖壓成型等模具磨損開(kāi)展了一系列的研究。但是,商業(yè)化軟件通常將磨損參數(shù)設(shè)定為常量,不能精確地反映模具的真實(shí)磨損情況[2]。一些學(xué)者基于修正Archard磨損理論,研究開(kāi)發(fā)了模具磨損模型,比較有代表性的有:HOFFM-ANN等[3]開(kāi)發(fā)的REDSY模具磨損模塊分析系統(tǒng),該系統(tǒng)考慮了模具磨損后幾何變化,比傳統(tǒng)的Archard模型精度更高;QIAO等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得磨損參數(shù)和硬度隨沖壓次數(shù)的變化曲線,用于更新磨損模型,更加精確地反映了模具多次沖壓的磨損情況;XIA等[5]引入磨損程度指數(shù)WSI評(píng)價(jià)模具的磨損,評(píng)估各個(gè)沖壓參數(shù)對(duì)模具磨損的影響;聶昕等[6]構(gòu)建了一種混合磨損動(dòng)態(tài)模型,預(yù)測(cè)精度高于傳統(tǒng)Archard模型。

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了修正的Archard磨損有限元模型,基于Abaqus二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)編譯成磨損仿真模塊,預(yù)測(cè)模具磨損深度。

1 修正Archard磨損模型有限元建模

經(jīng)典Archard模型基本理論認(rèn)為[7],模具的磨損量可表示為:

(1)

式中,W為模具磨損量(mm3),K為材料磨損系數(shù),H為材料硬度(N/mm2),P為接觸面法向力(mm),L為接觸面相對(duì)滑移位移(N)。

有限元計(jì)算的基本原理是將問(wèn)題離散后疊加。模型離散后,問(wèn)題演變?yōu)檠芯康趈步,節(jié)點(diǎn)i處(后簡(jiǎn)稱(chēng)為微元ij)的磨損量Wi, j。有限元計(jì)算可獲得微元ij處的接觸面法向壓強(qiáng)pi, j,相對(duì)滑移速度vi, j和時(shí)間步長(zhǎng)dtj,若假定微元ij處的面積為Ai, j,則

上式兩邊同時(shí)除以微元面積Ai, j,微元ij處的磨損量可表達(dá)為磨損深度

(3)

若總時(shí)間步數(shù)為n,一次沖壓成型后,在節(jié)點(diǎn)i處的總磨損深度

(4)

式(3)中,材料磨損參數(shù)Ki, j和Hi, j隨著節(jié)點(diǎn)和時(shí)間步數(shù)變化。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中,材料磨損參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的情況擬合成曲線代入式(4)計(jì)算。

2 磨損系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

模具磨損計(jì)算主要包括模具接觸模擬分析和根據(jù)理論公式計(jì)算模具磨損深度。本文作者基于Abaqus二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)的腳本接口,利用其中的odb對(duì)象模型[8],采用Python語(yǔ)言,編譯磨損計(jì)算子程序(Enhanced Archard Module, EAM)。圖1為EAM計(jì)算流程,從Abaqus輸出中獲取接觸面相對(duì)滑移速度vi, j和法向壓強(qiáng)pi, j等節(jié)點(diǎn)信息,通過(guò)用戶輸入模具材料磨損參數(shù)信息,計(jì)算各節(jié)點(diǎn)磨損深度,輸出模具磨損深度云圖。

3 磨損仿真系統(tǒng)精度校核

通過(guò)球—盤(pán)對(duì)磨磨損、杯形件10 000次沖壓成型后模具磨損這2個(gè)實(shí)驗(yàn)算例,檢驗(yàn)?zāi)p仿真子程序的計(jì)算精度。

3.1 算例1球—盤(pán)對(duì)磨磨損

Cr12MoV球—盤(pán)對(duì)磨實(shí)驗(yàn)如圖2所示,摩擦球半徑為3 mm,試件尺寸為18 mm×18 mm×4 mm,摩擦球在試件上以380 rad·min-1速度轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為5 mm,摩擦球與試件的接觸壓力為10 N。

(a) HT-1000高溫摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)

(b) 試件固定座

(c) 摩擦球

圖3為摩擦球旋轉(zhuǎn)5 min后,試件的宏觀磨痕(圖3(a))和微觀形貌(圖3(b))。圖3(b)為采用3D光學(xué)表面輪廓儀,描繪和計(jì)算所得的試件表面形貌特征,磨痕寬度約為0.707 mm,試件平均磨損深度約為0.005 mm。

(a) 試件磨痕

(b) 微觀磨痕形貌

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,建立如圖4所示的球—盤(pán)對(duì)磨有限元模型。試件為變形體,摩擦球?yàn)閯傮w。在磨痕可能出現(xiàn)的區(qū)域,對(duì)試件網(wǎng)格進(jìn)行加密,網(wǎng)格最小尺寸為0.01 mm。圖5為EAM模擬所得試件的磨損深度云圖,磨損深度在1.668×10-3～8.334×10-3mm之間,磨痕寬度約為0.600 mm。試件磨痕形貌、寬度和深度的分析結(jié)果表明,EAM模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好,驗(yàn)證了EAM子程序?qū)τ诜治鰧?duì)磨磨損問(wèn)題的可靠性。

圖4 球-盤(pán)對(duì)磨實(shí)驗(yàn)有限元分析模型Fig.4 Finite element model for the ball-on-disk wear test

圖5 模擬所得試件磨痕和磨損深度云圖Fig.5 Wear trace and wear depth of the specimen-calculated by EAM

3.2 算例2杯形件10 000次沖壓成型模具磨損

根據(jù)ERSOY等[2]針對(duì)杯型件成型的磨損實(shí)驗(yàn),建立了如圖6所示的杯形件成型1/4對(duì)稱(chēng)有限元模型。表1所示為有限元建模參數(shù),板料厚度為0.8 mm,壓邊力為22.4 kN,凹模材料為L(zhǎng)aserform A6,板料材料為DC05。

圖6 杯形件沖壓成型過(guò)程中模具磨損有限元模型Fig.6 Wear analysis model for cup forming

表1 杯形件成型有限元模型參數(shù)

圖7所示為10 000次沖壓后凹模圓角處磨損深度,由圖可知:模擬所得凹模圓角入口處的最大磨損量為2.498×10-2mm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果為0.024 6 mm,與實(shí)驗(yàn)相比EAM模擬誤差率僅為4.08%。

(a) EAM計(jì)算結(jié)果 (b) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 磨損模型應(yīng)用實(shí)例

圖8所示為某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)外罩的1/2對(duì)稱(chēng)有限元計(jì)算模型。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)外罩成型過(guò)程包括合模、夾緊及成型。表2所示為有限元建模參數(shù),板料厚度為0.7 mm,凸凹模間隙設(shè)為板厚的1.1倍,壓邊力為100 kN,成型過(guò)程中凸模固定,凹模下壓速度為400 mm·s-1。

圖8 某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)外罩有限元計(jì)算模型Fig.8 Wear analysis model for an engine hood during stamping process

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)外罩成型有限元建模參數(shù)

圖9所示為EAM模擬一次成型后發(fā)動(dòng)機(jī)外罩凹模和凸模的磨損深度分布云圖,由圖9可知:凹模的最大磨損量比凸模大,凹模在凹槽和棱線處磨損程度較為嚴(yán)重,凸模在棱線處存在較大的磨損,模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[6]中的結(jié)論相一致。

(a) 凹模

(b) 凸模

5 結(jié) 論

本文基于Abaqus二次開(kāi)發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)并建立了模具磨損分析模塊,磨損參數(shù)可根據(jù)實(shí)際工況更新變化,得到如下結(jié)論:

1) 球—盤(pán)對(duì)磨磨損、杯形件沖壓過(guò)程中模具圓角處磨損的研究結(jié)果均表明:在相同工藝條件下,所設(shè)計(jì)的磨損模塊能夠準(zhǔn)確地模擬材料磨痕輪廓和磨損深度,模具磨損量的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差率在5%以?xún)?nèi)。

2) 采用磨損模塊分析了某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)外罩模具磨損,模擬所得的凸凹模危險(xiǎn)區(qū)域與文獻(xiàn)中結(jié)論相吻合,進(jìn)一步驗(yàn)證了本磨損模型用于分析實(shí)際問(wèn)題的可靠性。磨損模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)模具磨損嚴(yán)重區(qū)域,為后續(xù)的模具優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。