模具工业２００８年第３４卷第１０期 管材无凹模冲孔变形机理分析与有限元模拟 魏公际 ，龚小涛 ，彭成允２’王亚峰 ，任小萍 （１．西安航空职业技术学院航空制造工程系，陕西西安７１００８９； ２．重庆工学院材料科学与工程学院，重庆４０００５０） 摘要：通过对管材无凹模冲孔后废屑以及管件断面的分析，得出了无凹模冲孔变形机理以及无凹模冲 孔断面示意图；运用Ｄｅｆ￣ｍ－３Ｄ软件对冲孔过程的应力应变进行分析，可为无凹模冲孔的工艺优化提供 依据。 关键词：管材；无凹模冲孔；变形机理；有限元分析 中图分类号：０２４２．２１； ．４１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—２１６８（２０ｏ８）１０—００３６—０３ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ—ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｏｆ ｐｉｐｅ ｆｒｅｅ ｏｆ ｃａｖｉｔｙ ｄｉｅ ＷＥＩ Ｇｏｎｇ－ｊｉ ，Ｇ０ＮＧ）【ｉａｏ－ｔａｏ ，ＰＥＮＧ Ｃｈｅｎｇ－ｙｕｎ。，Ｗ ＩＧ Ｙａ４ｅｎｇ ，Ｉ砸Ｎ Ｘｉａｏ－ｐｉｎｇ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７１０Ｏ８９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｔｅｒ ａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｗａｓｔｅ ｉｎ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｏｆ ｐｉｐｅ ｆｒｅｅ ｏｆ ｃａｖｉｔｙ ｄｉｅ，ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｅｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｆｏｒｍ－３Ｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ．ｓｔｒａｉｎ ｏｆ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｅｌｅ ｏｆ ｃａｖｉｔｙ ｄｉｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｉｐｅ；ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｏｆ ｐｉｐｅ ｆｒｅｅ ｏｆ ｃａｖｉｔｙ ｄｉｅ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ １引言 段，在弹性变形阶段，板料发生弹性压缩、弯曲和拉 管材无凹模冲孔时，由于管内无凹模支撑必然 伸；进入塑性变形阶段，刃口附近产生塑性剪切变形 要产生凹坑、塌陷等缺陷，凹坑、塌陷的大小直接影 而形成光亮带，剪切面边缘由于凸、凹模存在间隙而 响管件的使用，在无凹模冲孔过程中，壁厚、材质、 产生弯曲和拉伸，形成圆角；断裂分离阶段。由于裂 压紧力等多种因素都会影响冲裁质量。为了研究管 纹的产生、扩展与分离，材料产生断裂带和毛刺。 材无凹模冲孔中各种缺陷与冲裁工艺参数的关系， 钢管无凹模冲孔过程同有凹模冲孔既有联系， 有必要研究管材无凹模冲孔变形机理与变形过程 又有区别。有凹模冲孔，板料受到凹模支撑，与凸模 中应力应变情况，这对提高管件质量有重要意义。 一起形成相对剪切之势；无凹模冲孔，由于底部材料 无凹模支撑，材料的断裂和分离只能靠管壁自身材 ２无凹模冲孔变形机理分析 料支撑，管材在受力方式和变形机理上与有凹模冲 在冲裁过程中，凸、凹模之间有一定的间隙，当 裁不同。无凹模冲孔工件和废屑如图１、２所示。 凸模下降时，板料受到凸、凹模的作用力，凸模继续 下压，板料受剪切而分离。有凹模冲裁时，冲裁过程 分为弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂分离阶 收稿日期：２０Ｏ８—０２—１８。 基金项目：重庆市教委应用技术研究基金资助项目（Ｋ１０６０６１２）。 作者简介：魏公际（１９６０－），男，陕西西安人，副教授，主要研究 方向为模具设计与制造，地址：陕西省西安市阎良区人民西路４８ 号西安航空职业技术学院航空制造工程系，（电话）０２９— ８６８９３８２９，（电子信箱）ｇｉｗｅｉ＠ｘ￣．ｍｇ．锄．∞。 图１无凹模冲孔后圆管的断面 模具工业２００８年第３４卷第１０期 ３７ 性变形阶段，管材在刃口处发生压缩和弯曲，刃Ｅｌ周 边材料和底部材料则发生拉伸。塑性变形阶段，凸 模开始挤入管壁，刃口附近材料因凸模的挤入而形 成光亮的断面，凸模周边的材料由于弯曲和拉伸，逐 渐形成凹坑，底部材料则继续发生拉伸。断裂分离 图２无凹模冲孔后的废屑 阶段，塑性变形达到极限产生微裂纹，直至扩展分 离，此时凸模刃口处的材料和底部材料都受到拉伸 对于塑性断裂而言，材料始终会由弹性变形发 作用出现颈缩而产生塑性断裂，无凹模冲孔过程如 展到塑性变形，因此管材无凹模冲孔过程同样有弹 图３所示。图４所示为有凹模冲孔废料同无凹模冲 性变形阶段、塑性变形阶段、断裂和分离阶段。在弹 孔废料的比较。 一（ａ）弹性变形阶段 一（ｂ）塑性变形阶段 一（ｃ）断裂分离阶段 一（ｄ）断裂分离阶段 图３无凹模冲孔过程 爨 咖 ９０６ （ａ）有凹模冲裁废利断面 （ｂ）无凹模冲裁废料断面 图４有凹模与无凹模冲裁废料断面示意图 １．毛刺２．断裂带３．光亮带４．圆角带 ３ Ｄｅｆｏｍａ应力应变数值模拟 玑 溺 ■■● ３ 毒售啪 ７●● ３．１应力分析 图５剖切面示意图 Ｏ Ｏ 在有限元模拟过程中，选用Ｄｅｆｏｍａ－３Ｄ软件进 行模拟分析，管材规格３８ｒｒｒｎＸ ２ｒｉｍ，材料２０钢，冲 孔采用平底凸模，管件支撑方式为上、下半圆夹 持。模拟选用的屈服准则为密席斯方程，流动方程 类型为 ＝ （ ，；，Ｔ），模拟设置步距为０．０３５砌，摩 擦因数０．１２，网格在刃口附近采用局部细分（模拟 参数设置下同）。图５所示为沿管件轴线垂直剖切 面示意图。 图６所示为凸模载荷一行程曲线。由曲线图可 知，最初随着凸模行程的增加。载荷增加和行程增 加基本成比例，为弹性变形阶段；随着凸模行程的 图６载荷一行程曲线 继续增加，冲压力平稳增加，并且具有一定的波动 性，为塑性变形阶段；最后载荷随着凸模行程的增 应图７中的（ａ）～（ｆ），图中显示的皆为 向应力（沿 加不断下降，裂纹产生；后面冲压力有小的上升，随 轴线方向）下材料的变形情况。由材料力学规定，正 之材料发生撕裂分离。冲压力逐渐减小至０。 应力表示拉伸，负应力表示压缩。从图中可以看出， 根据图６选取不同阶段作为研究对象，具体对 图７（ａ）为初始状态，未发生任何变形；图７（ｂ）上表 ３８ 模具＿ｒ－，＿Ｉｋ ２００８年第３４卷第ｌ０期 （ｅ） 图７无凹模冲孔变形过程 面刃口处的材料受到压缩，远离刃口处周围材料受 到拉伸，下表面则刚好相反，刃口下方的材料受到 拉伸。而远离刃口下方的材料受到压缩；图７（ｃ）和 图７（ｂ）接近，只是压力进一步增加；图７（ｄ）在刃口 附近材料全面进入拉伸阶段，这也预示塑性变形大 大加强，为裂纹的产生提供了应力准备；图７（ｅ）刃 口附近材料继续受到拉伸，应力达到屈服极限，开 始产生裂纹；图７（ｆ）显示材料发生断裂。 （ａ）等效应变 （ｂ）最大应变 ３．２应变分析 选择塑性成形区中的一步进行分析，分别取有 效应变、最大应变、中间应变和最小应变进行分 析。图８（ａ）、（ｂ）中深色区域为拉应变，图８（ｃ）、（ｄ） 中深色区域为压应变。从应变分布可以看出，几个 图都比较相近，变形都主要集中在凹坑区域。最大 应变发生在刃口附近和凹坑拐角内，而且在刃口的 （ｃ）中问应变 （ｄ）最小应变 附近，应变梯度很大，这些区域的变形非常剧烈。从 图８应变模拟图 图８还可看出压应变主要集中在凸模下方附近，而 拉应变位于凹坑（刃口附近）的边缘部分及凸模对 【１】彭成允，谭文娟，龚小涛．管材无凹模冲孔工艺与模具 应的下表面突出区域。对比应力图分析，得出的结 设计［Ｊ】．模具工业，２００６，３２（１２）：２２－２４． 果一致，即材料发生断裂以拉应变为主。 【２】谭文娟，彭成允，陈和清，等．钢管无凹模冲孔凸模结构 设计与优化【Ｊ】．模具工业，２００７，３３（６）： ３３． ４结束语 通过对管材无凹模冲孔后废屑和圆管剖面的 欢迎订阅２００９年《模具工业》 研究，得出了管材无凹模冲孔的变形机理，并且用 各地邮局即将开始征订２００９年度期刊，欲 Ｄｅｆｏｍａ软件对冲裁过程的应力应变进行了模拟，得 订阅＜模具工业）杂志的新老读者，请及时到当 出了变形过程和材料应力应变的关系。 地邮局办理订阅手续。＜模具工业＞２００９年定价 每本１０元，全年１２０元。邮发代号４｛Ｂ一３１，也可 参考文献： 直接汇款到本编辑部订阅。
