劉 潔 ，張志紅

（晉中信息學(xué)院智能工程學(xué)院，山西 晉中 030800）

機(jī)械模具加工涉及諸多的內(nèi)容，在實(shí)踐中為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械模具加工科學(xué)化、合理化，要結(jié)合實(shí)際狀況對(duì)不同模塊進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)管理規(guī)范化[1-2]。通過ABAQUS 技術(shù)進(jìn)行軟件模擬以及綜合分析，可以采集農(nóng)機(jī)設(shè)備的信息數(shù)據(jù)，有利于優(yōu)化與完善沖壓技術(shù)。

1 基于ABAQUS 的農(nóng)業(yè)機(jī)械銅鋼復(fù)合板彎片沖壓模擬與模具設(shè)計(jì)分析

1.1 構(gòu)建有限元模型

通過三維軟件構(gòu)建農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備模型，利用CATIA 軟件設(shè)計(jì)板料以及模具幾何模型，綜合各項(xiàng)參數(shù)以及要求確定壓邊圈。分析數(shù)值計(jì)算收斂性，適當(dāng)增加外形尺寸，設(shè)計(jì)沖壓模擬模具，在設(shè)計(jì)中分析彎片外壁確定凹模尺寸；參考彎片內(nèi)壁確定凸模尺寸參數(shù)。

1.2 條件設(shè)置

設(shè)置初始以及邊界條件，應(yīng)用對(duì)稱性的邊界條件進(jìn)行分析，對(duì)模型進(jìn)行綜合模擬計(jì)算分析，溫度參數(shù)設(shè)置為600 ℃，分析在此溫度下銅板、鋼板的應(yīng)力及其應(yīng)變曲線參數(shù)。其中銅板彈性模量參數(shù)為125 GPa，泊松比為0.33；鋼板彈性模量為150 GPa，泊松比為0.302。在600 ℃狀態(tài)中的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 600 ℃狀態(tài)中的應(yīng)力應(yīng)變曲線

在固定凹模中要預(yù)留一定間隙，以保障剛性邊壓裝置以及板料連接的穩(wěn)定性。綁定銅板和鋼板結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬連接，將摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2，分析模擬中金屬的變化以及成形狀態(tài)，對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)的整體變化過程進(jìn)行綜合性分析，在ABAQUS/Explicit 軟件支持之下進(jìn)行計(jì)算分析。在計(jì)算中，要分析效率等因素，分析慣性力變化，如果慣性力不對(duì)模擬過程產(chǎn)生影響，則可以根據(jù)實(shí)際狀況調(diào)整，增加模擬的速率，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行模擬分析。通過對(duì)比判斷最終結(jié)果，獲得沖壓速率參數(shù)為5.88 m/s，而在模擬中總時(shí)長(zhǎng)為0.05 s。在模擬分析中可以不考慮各個(gè)零部件在溫度變化下產(chǎn)生的影響[3]。

1.3 網(wǎng)格劃分

在沖壓處理中，對(duì)于板料以及凹凸模圓角接觸位置的精度要求嚴(yán)格，要根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行調(diào)整控制，保障符合技術(shù)要求。而對(duì)于其他位置則沒有嚴(yán)格的精度要求。因此在布局設(shè)置時(shí)要提高網(wǎng)格的精密性，重點(diǎn)處理板料以及凹凸模接觸位置，對(duì)于其余位置則可以通過整體優(yōu)化的方式進(jìn)行布置。在分析中，忽略模具以及壓邊導(dǎo)致的形變等相關(guān)問題，將其設(shè)置為離散性剛性體結(jié)構(gòu)，而單元?jiǎng)t為基于R3D4 四節(jié)點(diǎn)形成的雙線性特征的剛性四邊形。板料具有三維可變形體的特征，在Shell 單元中優(yōu)化，單元結(jié)構(gòu)為S4R 四節(jié)點(diǎn)曲面薄殼結(jié)構(gòu)。

1.4 凹模圓角模擬

在凹模中壓入毛坯板料材質(zhì)，在處理中會(huì)產(chǎn)生一定的力矩以及摩擦，凹模受到影響會(huì)產(chǎn)生一定內(nèi)應(yīng)力。如果凹模圓角參數(shù)過小，則會(huì)導(dǎo)致板料的徑向拉應(yīng)力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，這樣會(huì)在結(jié)構(gòu)的表面上出現(xiàn)顯著的劃傷等問題；反之，如果凹模圓角參數(shù)過大，則會(huì)導(dǎo)致板料的懸空面積呈現(xiàn)顯著的增大趨勢(shì)，整體上導(dǎo)致壓邊的面積逐漸減小，進(jìn)而造成板料褶皺等問題。

在進(jìn)行凹模圓角設(shè)計(jì)中，要做好厚度參數(shù)控制，根據(jù)模具尺寸等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行綜合分析，保障不高于板料厚度的5 倍[4]。在進(jìn)行模擬分析時(shí)，要做好各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，其中銅板料則要通過三種圓角進(jìn)行熱沖壓成型處理，分析最大應(yīng)力變化。通過分析發(fā)現(xiàn)銅板、鋼板彎片的內(nèi)弧中均出現(xiàn)了最大成型應(yīng)力，而如果其參數(shù)變量沒有出現(xiàn)變化，通過增大模具的圓形半徑可以有效避免出現(xiàn)成型彎片應(yīng)力集中等問題，這樣可以達(dá)到控制彎片的最大成型應(yīng)力的目的。不同圓角半徑鋼板和銅板的最大應(yīng)力數(shù)值如表1 所示。通過熱沖壓進(jìn)行成型處理之后，分析厚度變化以及各項(xiàng)數(shù)值，如表2所示。

表1 不同圓角半徑鋼板和銅板的最大應(yīng)力數(shù)值

表2 不同圓角半徑鋼板和銅板厚度以及主要變化率

分析在R80 mm 的圓角參數(shù)狀態(tài)之下，鋼板和銅板在成型之后的厚度獲得結(jié)果：分析符合鋼板結(jié)構(gòu)，主要在外弧、彎片內(nèi)弧中存在增厚的問題；彎片內(nèi)弧為減薄區(qū)域。對(duì)比分析厚度參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在其他參數(shù)穩(wěn)定狀態(tài)之下，通過增加圓角半徑可以進(jìn)行增厚率的調(diào)節(jié)，達(dá)到降低減薄率的目的。由此可見，彎片成型處理中的最佳模具參數(shù)圓角半徑為80 mm。

1.5 凸凹模間隙模擬分析

凸凹模間隙是對(duì)沖壓成形結(jié)果產(chǎn)生直接影響的重要因素之一，板料受到模具影響會(huì)出現(xiàn)不同程度的形變，二者的間隙越小，則產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)更為精密。拉伸間隙屬于板料、凸凹模板的單邊間隙類型。如果凹凸模間隙的參數(shù)過大，則會(huì)導(dǎo)致工件出現(xiàn)褶皺等問題，嚴(yán)重影響整體的精度。如果凸凹模間隙相對(duì)較小，則會(huì)導(dǎo)致整體的摩擦問題嚴(yán)重，容易出現(xiàn)表面結(jié)構(gòu)拉裂等隱患問題。對(duì)此，進(jìn)行模擬分析時(shí)，要根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行間隙參數(shù)的調(diào)整與控制，其中，模擬間隙設(shè)置為0.5 mm、1 mm、2 mm。在模擬分析中，要做好彎片厚度以及最大應(yīng)力參數(shù)的數(shù)值分析，了解數(shù)值波動(dòng)。獲得不同凹凸模間隙鋼板、銅板最大應(yīng)力參數(shù)，如表3所示。

表3 不同凹凸模間隙鋼板、銅板最大應(yīng)力

分析間隙應(yīng)力則可以確定各項(xiàng)參數(shù)的變化。不同凹凸模間隙鋼板、銅板及其厚度的變化率如表4所示。

表4 不同凹凸模間隙鋼板、銅板及其厚度的變化率

通過綜合分析可以確定，在各項(xiàng)變量參數(shù)穩(wěn)定的狀態(tài)下，通過對(duì)凸凹模間隙以及板料的應(yīng)力變化進(jìn)行控制，如果凸凹模間隙參數(shù)大于1 mm，則厚度參數(shù)穩(wěn)定性更高。

綜合分析彎片外形以及具體的尺寸要求，了解銅板和鋼板在模擬中的厚度參數(shù)以及應(yīng)力集中等相關(guān)問題，則可以確定在凸凹模間隙參數(shù)為1 mm的時(shí)候，能有效提高板料成型的整體精度，充分保障了成型作業(yè)的質(zhì)量[5]。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

通過模擬分析可以確定最佳參數(shù)變化。為了便于對(duì)比和模擬分析，確定制作參數(shù)和各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過ABAQUS 進(jìn)行沖壓成型試驗(yàn)分析，測(cè)量成型之后獲得的最大厚度及其最小厚度參數(shù)，如表5所示。

表5 彎片厚度以及主要變化率

通過測(cè)量對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，沖壓成型處理之后獲得的成品精良，彎片的外形結(jié)構(gòu)光順，沒有褶皺，尺寸參數(shù)符合公差范圍。進(jìn)行試驗(yàn)操作可確定模具符合成型處理的需求。分析數(shù)據(jù)則可以發(fā)現(xiàn)與模擬數(shù)值參數(shù)并沒有顯著差異。

3 結(jié)語

基于ABAQUS 軟件分析農(nóng)業(yè)機(jī)械銅鋼復(fù)合板彎片沖壓模擬與模具設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，通過軟件模擬，構(gòu)建有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證，通過數(shù)據(jù)分析可以確定彎曲半徑整體相對(duì)較小。因此，在內(nèi)弧的區(qū)域中還是存在大面積的減薄區(qū)域，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)踐中要綜合分析減薄區(qū)域產(chǎn)生的影響，根據(jù)要求和精度等諸多因素進(jìn)行綜合分析[6-10]。