基于有限元分析改善落料冲孔模具上垫板零件的应力与应变

摘    要：设计某垫片类零件落料冲孔模，计算冲裁力，根据落料冲孔模具结构分析模具上垫板零件受力情况，利用NX NASTRAN有限元分析软件对零件受力情况进行模拟。分析和试冲结果表明，零件受力情况与有限元分析结果一致，零件原结构不能满足模具工作需求，更改零件结构后应力和应变情况得到了明显改善，能满足模具的使用要求。

关键词：模具设计;落料冲孔;垫片;有限元;NX NASTRAN;模拟;冲裁力计算;

1 序言

计算机辅助工程和有限元分析技术在提高生产率、保证产品质量、降低生产成本和减轻劳动强度等方面都具有极大的优越性[1]，随着我国模具行业的高速发展，模具设计人员素质不断提高，对模具设计的要求也不断提高，结合有限元分析做模具设计成为从业人员的必备技能。通过有限元模拟分析，可以发现早期设计缺陷，优化和改善设计方案，缩短产品的开发和制造周期并降低生产成本。

本文对某垫片零件落料冲孔模进行设计，计算其冲裁力，分析模具上垫板零件的受力情况，对分析结果进行改善，优化模具设计以达到理想的模具使用效果。

2 典型零件结构说明

现有厚度为5mm的垫片零件，零件结构如图1所示，其材料为45钢，退火态。零件圆周上有均布的若干个孔，为实现批量生产需要设计模具。

图1 零件结构

3 模具设计

零件精度要求为IT10级，为了保证零件上孔的位置精度并实现大批量生产，需要分析零件结构，设计落料冲孔复合模具，以满足零件精度要求和生产需求。

3.1 模具结构设计

模具结构如图2所示，模具工作时，上模板2带动导套3下行，凹模12与卸料板21和板料接触压紧，凸模一15和凸模二14首先接触板料进行冲孔；随着上模继续下行，橡胶16被压缩，凸凹模17上行，与凹模12共同完成落料冲裁；落料时，上模上行，打料杆5带动上推料板7下移，退料杆11带动推料板13下行后，继续推动推料板13完成零件卸料。

图2 模具结构 

1—挡料钉2—上模板3—导套4—导柱5—打料杆6—模柄7—上推料板8、9—上垫板10—凸模固定板11—退料杆12—凹模13—推料板14—凸模二15—凸模一16—橡胶17—凸凹模18—凸凹模固定板19—垫板20—下模板21—卸料板

3.2 受力分析

零件冲裁中心位于圆周的中心处，根据模具结构及工作原理可知，上垫板9主要受凸模一15和凸模二14冲孔时垂直向上的冲裁力作用，推料板13主要受落料时的冲裁力作用。

3.3 受力计算

根据模具结构，凸模一和凸模二均采用平刃口结构，可计算出冲孔时冲裁力

式中，F0是计算的理论冲裁力（N);A0是冲（剪）切面的面积（m m2);L0是冲裁件的冲裁线长度（mm);t是冲裁件料厚（mm）；τ是材料的抗剪强度（MPa）。

材料的抗剪强度τ是一个变化较大的数值，会随着剪切工具的结构形式及剪切条件而变化，通常要在真实或相似的条件下进行试验，获取接近实用的数据[2]。材料的抗拉强度σb与抗剪强度τ近似满足下面关系

查询资料可知，4 5钢的抗拉强度σb为6 0 0 M P a[3]。由式（1）和式（2）可计算出凸模一和凸模二冲孔和落料时所受的冲裁力，分别为877232.25N和833733.14N。由于考虑到实际生产过程中板料会有同板差，实际板厚会在一定范围内波动；冲裁刃口工作一段时间后会因逐渐磨损而变钝，冲裁力会随之增大；由于冲裁间隙分布不合理、不均匀，以及材料力学性能的波动等因素，实际冲裁力会比计算的理论冲裁力增加10%～30%，所以要在理论计算冲裁力F0的基础上，增加安全系数来计算平均冲裁力，即

式中，K是安全系数，通常K值为1.1～1.3。

根据式（1）～式（3）进行计算可得：模具在工作中所受的冲孔总冲裁力为1140401.93N；落料时所受的总冲裁力为1083853.08N。

4 有限元模拟分析

由模具结构可知，模具工作中上垫板9主要受冲孔时的冲裁力作用，且在受力方向上没有支承零件，为悬空结构；推料板受到冲裁力时有凸模固定板10等零件支承，可以近似假设为刚体。利用NX NASTRAN模拟软件对上垫板9所受的冲裁力进行有限元模拟分析。

4.1 模具零件受力分析

上垫板零件如图3所示，材料为45钢，热处理硬度为42～47HRC。上垫板主要受垂直向上的应力，范围在φ90mm圆内，材料的物理性质见表1，网格划分及边界条件加载如图4、图5所示。

图3 上垫板零件

表1 45钢的物理性质

图4 上垫板网格划分

图5 上垫板边界条件加载

4.2 模拟结果说明

应力、应变模拟计算结果分别如图6、图7所示。由计算结果可知，上垫板在冲孔时所受的最大应力为3468.484MPa，最大位移量为1.335mm，应力集中于孔位置，应变最大处位于零件中心。

图6 应力模拟计算结果

图7 应变模拟计算结果 

4.3 实际照片

模具制作后进行试冲验证，试冲后的上垫板零件如图8所示。上垫板在工作中已出现裂纹，不能满足使用需要，实际试冲后的裂纹应力、应变位置和变形的形貌与有限元分析结果一致。

图8 实际试冲后的上垫板

5 模具改进及改进后分析与计算

为了满足模具的使用需要，同时提高设计使用效率和材料的利用率，减少加工制造成本，根据前文分析结果及试冲后的实际情况，在模具工作结构不更改的前提下对上垫板结构进行更改，将上垫板厚度增加10mm，增加其强度以保证得到更好的抗应力、应变能力，更改后的上垫板零件如图9所示。

图9 更改后的上垫板零件

6 有限元分析计算

将更改后的零件进行有限元分析计算，材料依然选择45钢，热处理硬度为42～47HRC，应力、应变模拟计算结果分别如图10、图11所示。

图1 0 更改后的应力模拟计算结果 

图1 1 更改后的应变模拟计算结果 

由计算结果可知，在零件结构更改后上垫板所受的最大应力为1143.69MPa，所受的最大应变为0.225m m，相较于更改前，应力和应变有了明显改善，提高了使用性能。进行实际试冲测试，发现零件更改后能够满足实际冲裁的使用要求。

7 结束语

模具工作时上垫板主要受凸模的冲裁力作用，受力形式为悬空结构形式，对上垫板进行有限元应力、应变分析，实物试冲结果与有限元分析结果一致，更改上垫板原结构，有效减少了零件工作过程中的应力、应变，满足了模具的使用需求。

参考文献

[1] 王迎春. CAE软件在模具设计过程中的应用研究[J].现代制造技术与装备，2010(6):18-19.

[2] 张正修.实用冲模结构设计手册[M].北京：化学工业出版社，2010.

[3] 国家标准化管理委员会.优质碳素结构钢：G B/T699-2015[S].北京：中国标准出版社，2016.

文章来源：金属加工（冷加工