毕业设计（论文）-厚板料冲小孔模具设计及有限元模拟（全套图纸） .doc

题 目厚板料冲小孔模具设计及有限元模拟摘 要本文详细地阐述了厚板料冲小孔模具的设计及有限元模拟过程。首先简明叙述了现代国内外模具发展概况，通过有限元模拟分析模具可能出现的问题，然后重点设计了冲裁模具中相关部件，如凹凸模、模架设计以及压力机选择，并对冲压材料性能进行了分析。最后根据冲裁件的产品数量要求，以及结构要求，设计出来整套模具。整个设计过程都是用CAD、Pro/Engineering软件进行参数化设计，使整个模具设计过程简单明了。利用DEFORM软件进行有限元模拟分析，为模具设计和成型工艺的指定提供参照依据。 在设计过程中首先使用CAD软件设计成型零件以及非标零件，然后在Pro/Engineering软件中实现三维实体设计，最后导入DEFORM中，分析工件上选取点的应力、应变以及应变速率等相关因素，从而完成模具的整体设计以及有限元模拟，对直接指导生产有一定的意义。 关键词 ：厚板料；冲小孔；参数化设计；有限元模拟全套图纸三维，加153893706ABSTRACTThe design of a die used for punching small holes on thick sheets and its finite element simulation were investigated in this paper. Elaborated the modern die & mould development situation concisely. First， by using finite analysis Microsoft to simulate the deformation processing for avoiding serious problems that may occur， then focusing on the calculation of the relevant parts in mould design， such as designing the die、bump， and formwork and choosing for punching machine ， and analysis of material performance. Finally， according to the requirement of the structure and amounts of the product， we design the set of mold， and then carry out some related simulation analysis. We use CAD and Pro/Engineering software parameterization design in the process of whole designing， making the whole mold design process simple and clear to mend. Also， we use DEFORM software to provide reference basis of mould design and forming technology for the finite element analysis. First， using CAD software design molding parts and non-standard parts in the design process， then， designing the 3D entity in Pro/Engineering software， finally， put the 3D entity into DEFORM to analyze the stress、strain and strain rate of selecting points. Thus， complete the overall design and finite element simulation and analysis， there must be have certain significance to direct production.Key words thick sheet; blunt holes; parametric design; finite element simulation目 录1 前 言11.1模具行业发展的现状11.2我国模具发展的现状11.3参数化技术及有限元模拟慨述22 工件成型工艺性分析52.1钩钉块二维图52.2结构特征分析及成型工艺性分析52.2.1结构特性分析52.2.2成型工艺性分析62.2.3 冲裁件材料的基本性能63 厚板冲小孔有限元模拟及其相关分析83.1有限元模拟及厚板冲小孔概述83.1.1有限元模拟83.1.2厚板冲裁模拟概述83.1.3金属弹塑性大变形的有限元模拟93.1.4材料断裂准则及断裂模拟103.1.5有限元网格重划分113.2 导入deform前相关准备113.3 冲裁加工模拟的建模123.3.1前处理133.3.2模拟过程线框图153.3.3后处理器153.4 模拟结果及讨论173.5 结论184 模具结构设计194.1计算冲压力194.1.1 冲裁力194.1.2 卸料力及推料力194.1.3 总冲压力204.2冲裁间隙204.3凸凹模工作部分尺寸与公差204.4 冲孔凸模的结构设计224.4.1 冲孔凸模的长度尺寸224.4.2 冲孔凸模工作部分结构如下图224.4.3 冲孔凸模的强度校核234.5 凹模的结构设计234.5.1 凹模板的材料，外形和尺寸234.5.2 凹模板的厚度234.5.3 凹模板上孔壁的最小尺寸234.5.4 凹模工作部分结构图245 冲压成形工艺与设备255.1冲压工艺方案及模具形式的确定255.1.1 工序的确定255.1.2 模具形式的确定255.2 冲压设备的确定255.2.1 规格选用原则255.3 设备及相关模架确定265.3.1 压力机确定及其参数265.3.2 模架相关确定275.4模具整体设计形式326 填写冲压工艺卡和编写技术文件35参考文献37致 谢381 前 言1.1模具行业发展的现状模具行业是制造业中的一项基础产业，是技术成果转化的基础，同时本身又是高新技术产业的重要领域。模具技术水平的高低，决定着产品的质量、效益和新产品开发能力，它已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。1.模具行业的现状现代模具工业有“不衰亡工业”之称。世界模具市场总体上供不应求， 市场需求量维持在每年600 亿至650 亿美元， 同时， 我国的模具产业也迎来了新一轮的发展机遇。近几年， 我国模具产业总产值保持13%的年增长率( 据不完全统计， 2004 年国内模具进口总值达到600多亿， 同时， 有近200 个亿的出口) ， 到2005 年模具产值已达650 亿元， 模具及模具标准件出口2005 已达到2 亿美元左右。单就汽车产业而言， 一个型号的汽车所需模具达几千副， 价值上亿元， 而当汽车更换车型时约有80%的模具需要更换。2003 年我国汽车产销量均突破400万辆， 2004 年产销量各突破500 万辆， 轿车产量将达到260 万辆。另外， 电子和通讯产品对模具的需求也非常大， 在发达国家往往占到模具市场总量的20%之多。目前， 电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电、通讯和军工等产品中， 60%- 80%的零部件， 都要依靠模具成型。用模具成型的制件所表现出来的高精度、高复杂性、高一致性、高生产率和低消耗， 是其他加工制造方法所无法比拟。模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和开发能力。日前， 据第十一届中国国际模具技术和设备展览会主办方之一的中国模具工业协会透露，我国模具行业的生产企业和职工总数在世界上的排名已跃居第一， 生产销量排名世界第三。有关资料显示， 在我国， 模具直到1987 年才正式成为一个行业，与世界发达工业国家的模具业相比， 我国模具业的起步要晚几十年，但近20 年的努力发展取得了长足的进步。1.2我国模具发展的现状改革开放以来，随着国民经济的高速发展，市场对模具的需求量不断增长。近年来，模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展，模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化，除了国有专业模具厂外，集体、合资、独资和私营也得到了快速发展。浙江宁波和黄岩地区的“模具之乡”；广东一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业，科龙、美的、康佳等集团纷纷建立了自己的模具制造中心；中外合资和外商独资的模具企业现已有几千家。 随着与国际接轨的脚步不断加快，市场竞争的日益加剧，人们已经越来越认识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。而模具制造是整个链条中最基础的要素之一，模具制造技术现已成为衡量一国产品制造水平的重要标志和发展程度的标志之一。 目前，我国的模具技术有了很大发展，模具的精密度、复杂程度和寿命都有很大提高。如，主要的汽车模具企业已能生产大型、精密的轿车覆盖件模具；体现高水平制造技术的多工位级进模的覆盖面增加；塑料模热流道技术日渐成熟，气体辅助注射技术开始采用；压铸工艺得到发展。此外，CAD/CAM/CAE技术得到广泛应用，高速加工、复合加工等先进的加工技术也得到进一步推广；快速原型进展很快；模具的标准化程度也有一定提高。但是，由于我国的模具行业起步较晚，与国外相比差距任然不小。在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具已供过于求，市场竞争激烈；一些技术含量不太高的中档塑料模具也有一些趋向于供过于求，然而精密加工设备还很少，一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍大量进口。许多先进的技术如技术的普及率还不高，我国塑料模具行业与其发展需要和国外先进水平相比，还存在很多方面的问题。现在国外发达国家模具标准化程度为7080，而我国只有30左右。如能广泛应用模具标准件，将会缩短模具设计制造周期2540，并可减少由于使用者自制模具件而造成的工时浪费。现在应用模具CADCAM技术设计模具已较为普遍，随着通用机械CAD/CAM技术的发展，塑料注射模CAD/CAM已经不断的深化。从上世纪60年代基于线框模型的CAD系统开始， 到70年代以曲面造型为核心的CAD/CAM系统，80年代实体造型技术的成功应用，90年代基于特徵的参数化实体/曲面造型技术的完善，为塑料注射模采用CAD/CAE/CAM技术提供了可靠的保证。目前在国内外巿场已涌现出一批成功应用于塑料注射模的CAD/CAE/CAM系统。而且通过推广使用模具标准件，实现了部分资源共享，这样就大大减少模具设计的工作量和工作时间，对于发展CADCAM技术、提高模具的精密度有重要意义。因此，模具成为国家重点鼓励与支持发展的技术和产品。现代模具是多学科知识集聚的高新技术产业的一部分，是国民经济的装备产业，其技术、资金与劳动相对密集。1.3参数化技术及有限元模拟慨述参数化技术是当前CAD技术重要的研究领域之一，通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现尺寸对图形的驱动。在设计过程中，系统自动地捕获用户的设计意图，并把各个设计对象以及对象之间的关系记录下来，当用户修改图纸中的设计参数时，系统能够自动地更新图纸，使图纸中反映用户设计意图的设计对象之间的关系依旧可以维持。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形功能，极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在慨念设计、初始设计、产品建模及修改系列设计、多方案比较、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用，并体现出很高的应用价值，能否实现参数化目前已成为评价CAD系统优劣的重要技术指标。PRO/ENGINEER 集合了零件设计、产品组合、模具开发、NC加工、钣金件设计、铸造件设计、自动量测、机构仿真、应力分析等功能于一体。是塑料模具实现参数化的一个必备的软件。EM×（E×pert Moldbase E×tension）是CAD系统中的一个外挂模块，专门用来建立各种标准模架及模具标准件和滑块、斜销等附件，能够建立冷却水管，能够自动产生模具工程图和明细表，还可以模拟模具开模过程进行动态仿真和干涉检查，并可将仿真结果输出成视频文件，是个功能非常强大且使用非常方便的模具设计工具。DEFORM-3D系统简介：DEFORM-3D是美国Battelle Columbus实验室开发的一套有限元分析软件。DEFORM-3D在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析，适用于热、冷、温成形，并提供极有价值的工艺分析数据。如:材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。DEFORM-3D还具有以下特点:不需要人工干预，全自动网格再剖分;前处理中自动生成边界条件，确保数据准备快速可靠;单步模具应力分析方便快捷，适用于多个变形体、组合模具、带有预应力环时的成形过程分析;材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料及自定义类型;实体之间或实体内部的热交换分析既可以单独求解，也可以耦合在成形模拟中进行分析。这些特点使DEFORM2，3D这一有限元分析软件在工业生产中显得实用而可靠。 DEFORM-3D的内部结构DEFORM23D的结构由前处理器、模拟处理器和后处理器三大模块组成。 前处理器前处理器包括三个子模块数据输入模块，便于数据的交互式输入，如: 初始速度场、温度场、边界条件、冲头行程以及摩擦系数等初始条件。网格的自动划分与自动再划分模块。数据传递模块，当网格重划分后，能够在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件等数据的传递，从而保证计算的连续性。 模拟处理器真正的有限元分析过程是在模拟处理器中完成的，DEFORM 运行时，首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线形方程组， 然后通过直接迭代法和Newton2Raphson法进行求解，求解的结果以二进制的形式进行保存，用户可在后处理器中获取所需要的结果。 后处理器后处理器用于显示计算结果，结果可以是图形形式，也可以是数字、文字混编的形式。可获取的结果可为每一步的有限元网格; 等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等色图;速度场; 温度场; 行程载荷曲线等。此外用户还可以列点进行定点跟踪，对个别点的轨迹、应力、应变、温度等进行跟踪观察，并可根据需要抽取数据。382 工件成型工艺性分析2.1钩钉块二维图图1 钩锭块二维图2.2结构特征分析及成型工艺性分析2.2.1结构特性分析该塑件为钩锭块，其二维图尺寸如图2.1所示，工件的壁厚为4.5mm，为大批量生产，材料为Q235A.F，成型工艺性一般，尺寸较小，厚度较厚，批量较小，属普通冲压件。2.2.2成型工艺性分析冲压件的工艺性是指冲压件对冲压工艺的适应性。冲裁件的工艺性是否合理，对冲裁件的质量、模具寿命和生产率有很大影响，在一般情况下，对冲压件工艺性影响最大的几何形状尺寸和精度要求。良好的冲压工艺性应能满足材料较省、工序较少、模具加工较容易、寿命较高、操作方便及产品质量稳定等要求。该冲裁件工艺性分析如下：（1）此冲裁件的形状不规则，尺寸较小，厚度较厚，批量较小，属普通冲压件；（2）此冲裁件的外形转角处都有适当的圆角，这样可以延长模具寿命，此冲裁件标出了冲裁边的交角；（3） 此冲裁件孔到零件边缘的距离都符合要求，能够使模具强度和制件质量达到要求 ；（4）此冲裁件孔R=1.25冲头须有一定的凸模强度和稳定性；（5）此冲裁件精度采用IT12级；（6）此冲裁件的平面度和直线度的公差等于被测表面最大轮廓尺寸的0.5%；（7）此普通冲裁件的孔壁的表面粗糙度值为12.5，毛刺高度要求不大于0.25，不许有严重开裂；（8）由于冲切对象上一道的落料工序为了延长模具寿命，采用大间隙，会使得工件边缘的塌角较大。这样一来，在冲孔时，容易使得冲头在接触工件塌角表面后打滑，显著降低冲头的稳定性。综上所述，该锭钩块冲小孔工序的工艺性较差，在模具结构上应该尽量保证模具的结构刚性、模具工作部件的夹装牢固，同时应该允许一定的冲头的报废率。2.2.3 冲裁件材料的基本性能Q235是普通碳素结构钢，屈服极限235MP左右，并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗框钢等型钢，中厚钢板。大量应用于建筑及工程结构。用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅 炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不太高的机械零件。C、D级钢还可作某些专业用钢使用。（1）下面是在对应条件下Q235-A.F钢的化学成分，力学性能以及许用应力表1钢的化学化学成分(%)C Si Mn P S 0.140.22 0.07 0.300.60 0.045 0.050 表2 钢板的力学性能板厚（mm) b(Mpa) s(Mpa) s(%) 23 375500 235 20 >33.5 21 >3.54 22 >416 375500 235 25 表3 钢板在下列温度下的许用应力（Mpa) 板厚（mm)20 ()100()150()200()250()34 113113113105944.516 113113113105943 厚板冲小孔有限元模拟及其相关分析3.1有限元模拟及厚板冲小孔概述3.1.1有限元模拟随着冲压技术的快速发展及其应用范围的不断扩大，许多结构零件、受力构件等采用厚钢板冲制而成.这不仅能保证零件有足够的强度和刚度提高劳动生产率，并降低生产成本。但是厚钢板冲裁时，特别是t>4，d/t冲孔，由于冲头受力条件恶劣，在设计、制造、使用过程中的各种原因都可能导致冲头弯曲、崩刃、折断、磨损严重使模具寿命过低以致于无法实施生产，模具寿命是衡量模具技术和经济水平的重要指标，大幅度提高模具寿命是我国模具工业发展中的一个重要内容。综合借鉴国内外大量技术资料的基础上，针对工厂中常用的厚板材条件下(4<t<6，d/t1)的冲孔，采用理论分析，结合数值模拟技术和工程实验对厚钢板小孔冲裁机理、受力状态进行了研究，对该类模具的失效形式及原因进行了分析，并对有效提高模具寿命的措施主要进行了模具材料耐磨性能实验研究.具体工作如下: 1.理论上分析了厚钢板小孔冲裁的变形过程以及影响成形工艺的参数。 2.运用DEFORM2D、DEFORM3D分析软件，孔冲裁过程进行了模拟，对板料的变形过程以及应力应变进行了分析。3.1.2厚板冲裁模拟概述冲裁是利用模具使板料产生分离的冲压工序，包括落料、冲孔、切口、剖切、修边等。用它可以制作零件或为弯曲、拉伸成型等工序准备毛坯。冲裁作为一种常用的重要锻压工艺，得到了大量的研究，但与其他工艺，例如弯曲、拉深等相比，在理论研究，尤其在数值模拟方面比较少，其中一个主要原因是由于剪切带成形的范围很窄，而且缺乏一种合适的断裂判断标准，所以剪短的过程模拟起来比较困难。由于冲裁是一个涉及到弹塑性变形和断裂的剪切工艺，与其他锻压工艺相比，冲裁工艺的主要目的不但是是金属产生塑性变形，而且还要是金属产生断裂分离。因此在冲裁加工中，不同的工艺参数会影响不同的断面质量与裂纹扩展方式。研究冲裁断裂对防止工件缺陷、抑制撕裂及控制裂纹走向有重要意义。冲裁工艺的数值模拟主要目的是预测断裂的开始和延伸，在整个冲裁工艺中材料的行为是非线性的，经历了复杂的应力、应变状态。在撕裂之前，材料要经历裂纹的萌生、扩展和延伸等。为了描述材料的行为，需要对材料的加工硬化、断裂破坏等现象进行模拟。随着弹塑性力学、断裂力学、计算力学、有限元方法和计算机技术的发展，近年来，针对剪切、冲裁等工艺的有限元模拟技术有了较大的发展。下面介绍冲裁工艺有限元模拟的基本原理和关键技术，并理由商业化得有限元分析软件DEFORM-3D对碳素结构钢AISI_1020(对应材料为Q235A)冲裁工艺进行的模拟。3.1.3金属弹塑性大变形的有限元模拟金属板料冲裁加工过程是一个复杂的非线性问题，具体体现在以下三个方面。（1）材料的非线性在在金属的变形进入到塑性阶段材料的应力应变关系不遵守Hooke定律，而且与应变速率、温度等有关，在进行有限元分析中，一般采用的是Parandtl-Reuss假设和Mises屈服准则，在金属冲裁加工中还要考虑加工硬化的影响。（2）几何非线性。在金属冲裁加工的塑性变形过程是一种大位移变形以及有限应变的弹塑性问题，除了考虑材料的非线性外还要考虑几何非线性问题。在这种情况下，位移和应变之间的关系是非线性的，在结构分析中的小变性问题都忽略了二次倒数项，简化为线性关系。另外，在小变形中经常忽略刚体转动的影响，在大变形的过程中包含了刚体的转动，在建立弹塑性有限变形的有限元方程时有两种描述方法。一种是Lagrange描述方法，以材料的初始位置为参考来描述，又称为质点坐标系描述，有限元网格随材料变形而变化；另一种是Euler描述方法，以材料的变形后的位置为参考来，又成为流动坐标系描述，在Euler法中，有限元网格不随材料的变形而变动，在DEFORM-3D有限元程序中，采用的是Larange方法。（3）边界条件的非线性，这里主要是指接触问题，在冲裁加工中的模拟中，材料的所有边界条件不是在计算开始前就可以出材料与模具的接触是通过计算得到的，并且是动态变化的。3.1.4材料断裂准则及断裂模拟金属的韧性断裂是由空穴的聚结而引起的，这些空穴是由位错堆积，第二项粒子或其他缺陷而产生的，在塑性变形的影响下，空穴能够增长、扩大直至许多空穴聚集在一起产生裂纹。空穴聚结的过程是由两个空穴之间的很小面积内变形的局部性来决定的，经常会引起局部的小规模空穴现象。空穴之间的韧带破坏会引起空穴联接，导致断裂的开始，断裂的传播是通过周围有很多空穴的裂纹的逐次聚结而进行的。冲裁工艺的模拟的重点和难点主要是建立合理的模型来模拟材料剪切断裂的过程。目前发变得关于冲裁工艺模拟的文献中，主要的区别就是在断裂准则的建立和断裂过程的模拟上。Popat等人在1989年开始用有限元方法模拟冲裁工艺时，之模拟了从工艺开始到出现宏观裂纹的阶段。Leem等人也用刚塑性有限元模拟了冲裁工艺，没有提到对断裂的模拟。这些模型能够分析出变形区域的应力、应变趋势，但不能模拟出裂纹的发展过程，这说明他们仅对材料断裂的初期使用。Post等人在Abdali等人使用了弹塑性连续破坏方法模拟了材料的断裂。在材料断裂的模拟中断裂准则的选取很重要。目前材料韧性断裂准则有很多，但大多是应用与结构分析中局部断裂破坏的预测。这些准则建立在材料的弹性行为基础上塑性区仅局限在裂纹尖端。应用这些方法可以的带一些结果，但他们没有从概念上描述材料实际分析的过程。再冲才过程中，材料发生的断裂行为属于宏观断裂行为，并不能完全用这些准则来分析，在冲裁过程的数值模拟中材料的断裂准则应该满足以下两个条件（1）准则对各种裂纹都合理（表面裂纹和内部裂纹）（2）能够将其应用到有限元程序中目前应用在材料加工的韧性断裂中符合上述条件的有CockroftLatham准则、McClintock准则等。这两个准则都是与研究破坏相关的，因为他们都是基于应力、应变以累计破坏计算的。应用这两个准则时，都是根据材料的最大破坏值是否达到了临界值来判断材料的断裂与否，临界破坏值虽然会受到加工条件的影响，但是还是将其视为像屈服应力、强度极限一样的材料常数，在1979年，Kobayasshi等通过实验发现以上两种准则是相关的。在DEFORM软件中，提供了CockroftLatham，McClintock、Frenudenthal等10种材料的破坏准则，另外也可以通过二次开发定义材料破坏准则，在本文的模拟中选择了Cockroft和Latham模型（1）式中等效应力；最大应力，当最大主应力时，当时，；材料发生断裂时的应变；材料的临界破坏值。在材料破坏准则选取之后，与之相配合的就是怎么样在有限元程序中应用该准则，实现材料断裂分析的模拟。目前，在冲裁工艺材料断裂的模拟中，广泛采用的是非连续裂纹方法和单元删除法，前者在模拟时与网格的密度无关，但是比较复杂，与有线原程序实现起来比较困难。单元删除法可以与一些断裂准则相配合，当单元的某一物理量（应力、应变或能量）达到临界值时，就认为该单元处材料已经断裂，将其删去。这种方法可以很好的模拟剪切、冲裁和切削等工艺，但是这种方法对网格的密度要求很高，否则的话会造成过多的面积（体积）损失，对模拟结果产生影响。在DEFORM-3D中，材料的韧性断裂主要通过删除单元来实现。3.1.5有限元网格重划分在塑性成形模拟中，经常遇到塑性变形区内材料发生较大应变，在Lagrange法秒速的有限变形中，有限元网格会产生严重畸变只是模拟结果失真或模拟过程终止（发生Jacobi矩阵出现负值）。另外，弓箭和模具解除表面的相对速度有时很大，有时会产生相互嵌入的不正常现象。为了解决上述问题，计算过程需要暂停进行网格重划分，在冲裁加工模拟中材料断裂是靠删除单元来实现的，当模型中的一些单元被删除后网格也需要重新调整。网格重新划分要通过三步来实现，第一，抽取边界，根据前一步材料变形的结果重新定义边界；第二，重新划分网格，这与最初划分网格的过程相同；第三，讲究网格在上一步时间步的计算信息映射到同一位置的新网格上。冲裁过程是一个典型的局部变形，只在凹、凸模刃口附近的材料发生大应变变形。在通过网格删除的方法模拟材料破坏的过程中，为了减少计算误差材料破坏区内的网格越小越好，但是网格（单元）越多计算量将成倍的增加，为了节省计算时间和存储空间需要合理的分配网格密度在变形比较严重的部位网格密度应该密一些，在其他地方网格可以疏一些，在一般有限元前处理中可以实现用户定义密度的网格划分。但是在自动冲划分网格时，程序应该能够自动根据需要实现网格的密度合理分配。在DEFORM中，有一种网格密度的跟踪技术可以定义网格密度窗口（density windows），这些窗口可以与模具一起运动。当重新划分网格是，根据跟踪窗口定义的密度划分。3.2 导入deform前相关准备 根据工件所需冲孔大小设计凸模，然后以凸模为基准确定冲裁间隙从而确定凹模尺寸。由工件材料为Q235，初步选取凹凸模材料都为高速工具钢W18Cr4V。冲裁间隙是指凸凹模刃口间隙的距离。考虑到模具制造的偏差及模具使用过程中的磨损，生产中通常选择某一适当的范围作为合理间隙，这个范围的最小值称为最小合理间隙，最大值称为最大合理间隙，模具在使用过程中的磨损会使间隙增大，故设计与制造新模具时要选用最小合理间隙。查使用冲压工艺及模具设计手册表3-6得：当Q235材料厚度为4.5mm时，最小间隙为0.36mm，最大间隙为0.5mm.取间隙值为0.4mm。由于导入deform模拟分析工件塑性变形工程中的应力、应变曲线等，只用模拟出凹凸模和工件的情况，故先按照前面设计的相关尺寸在Proe/Engineering绘出凹凸模及工件，确定相对位置确定如下图所示 图2 工作主视图 图3 工作俯视图3.3 冲裁加工模拟的建模 用AISI_1020（Q235A）碳素结构钢来模拟冲裁加工过程，在模拟中建立了如下图5的所建立的轴对称模型。板料为弹塑性材料，模具为刚性材料，所一直对工件进行了有限元网格划分，模拟中的材料及在冲裁加工的参数见表4。在网格划分时剪切变形区的网格密度远远大于板料其他地方，因为变形区主要集中在凹、凸模具间隙附近，所以在建模时在这一区域划分了较密的网格，如图2a所示，工件材料AISI1020的本构关系采用的是流动引力与等效塑性应变、等效塑性应变速率和温度线性相关的模型 （2） 在本文模拟中，没有考虑温度对材料本构关系的影响，在下图中列出的是等效塑性应变速率为1.6和2.0时的流动应力值。图4 Q235应力应变曲线表4 在DEFORM中的参数 有限元模拟材料和相关参数（应变速率为2 S-1）材料AISI 1020 COLD(Q235A)温度20（68F）杨氏模量29909N/ m2泊松比3.0屈服极限125Mpa（）175Mpa（）220 Mpa（）断裂准则（Cockroft-Latham）C=0.45网格数60000摩擦系数0.12冲裁速率1.0mm/s3.3.1前处理 (1)将数据输入模块按照要求设置初始条件；(2) 网格的自动划分与自动再划分模块；(3) 数据传递模块，网格重划分，在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件等数据的传递，保证计算的连续性。网格化后的工件如下图图5 网格化3.3.2模拟过程线框图 图6 冲裁断裂模拟3.3.3后处理器后处理器用于显示计算结果,结果可以是图形形式,也可以是数字、文字混编的形式。可获取的结果可为每一步的(1) 有限元网格; (2) 等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等色图; (3) 速度场; (4) 温度场; (5) 压力行程曲线等。此外用户还可以列点进行跟踪，对个别点的轨迹、应力、应变、破坏程度进行跟踪观察，并可根据需要抽取数据。下面对相关参数进行模拟分析处理首先在工件断面取点，取点如图所示图7 取样点标记1、等效应力、应变、应变速率及破坏跟踪模拟分析、 图8 应力模拟曲线 图9 应变模拟曲线 图10 应变速率模拟曲线 图11 破坏跟踪模拟曲线 由图8有限元模拟应力曲线可知，在厚板冲小孔的过程中开始，各点受到的应力值随着时间的增加而急剧增大，其中P6、P5点从冲裁开始到结束持续受到应力，可以推测在该点附近受到的破坏最大，由图9、图10、图11分别可以看出P6、P5点的应变、应变速率以及破坏都是最大，P1点曲线斜率在短时间变化最大，可推知受到的应力先是急剧增加然后急剧减小，由其所受最大应力值可知其所受应力最小，由破坏跟踪模拟曲线很明显可以看出P6、P5的破坏最大。3.4 模拟结果及讨论 金属一般都能承受一定的塑性变形而不破裂，同理冲裁过程也必定是塑性变形增大到一定值时断裂才开始从模拟的结果中可以看出材料在冲裁加工中的断裂过程。首先材料在凸模的作用和凹模的约束下发生了塑性变形（图6b），接着随凸模行程的增加（图6c），材料在凹模刃口侧面处出现了严重裂纹，在凸模行程达到一定值时（图6d），材料在凸模的刃口侧面也出现了裂纹，当凸模行程继续增加时上下裂纹即将分离（图2e），行程再次增加时上下两条裂纹会和（图2f）工件发生分离。以上模拟裂纹产生发展和材料断裂的现象与实际基本吻合。 图12是冲裁过程中裂纹开始生成前工件等效应变的分布，从图中可以看出，在凹模刃口出的等效应变达到了最大值，最大主应力达到了最大值（图8）。 图12 应变时间图3.5 结论通过对AISI 1020碳素结构钢冲裁加工过程的模拟，证明将Cockfoft-Latham破坏准则应用在任性金属的冲裁加工的有限元模拟中是可行的，可以模拟出冲裁加工中裂纹的产生、发展、材料的断裂以及冲裁力的变化等，可以优化冲裁间隙、摩擦条件以及模具形状等。综上可知，有限元模拟DEFORM-3D可以很清晰地观察金属流动的过程和判断金属流动的历史，这有利于在金属塑性变形过程中观察缺陷的生成和分析缺陷的原因，也有利于控制金属的流动趋势。追踪点功能还可以给出点在变形过程中的方向应力、最大主应力、方向应变、等效应变、方向应变速率、等效应变速率、温度等参数随变形时间或行程的变化情况，与实际变形过程较为接近，减少了成本，大大提高了加工制造效率，并且其计算精度和结果可靠性， 被国际成形模拟领域公认为第一。4 模具结构设计4.1计算冲压力 完成本制件所需的冲压力由冲裁力、卸料力及推料力组成，不需计算顶料力。4.1.1 冲裁力冲裁力由冲孔力、落料力两部分组成课本冲压工艺学冲裁力F冲（N）的计算公式 （3） 式中K系数，（考虑到模具刃口的磨损，凸凹模间隙的波动，材料机械性能的变化，材料厚度偏差等因素，实际所需冲材料还需增加30%，即此时K取1.3） L冲裁周边长度 材料的抗剪强度 t 材料的厚度（mm） 查冷冲压及塑料成型工艺与模具设计资料得 普通碳素钢Q235未退火状态 =304373，取350则: 3.14×2.5×4.5×35012.4KN（4）4.1.2 卸料力及推料力 =0.5×0.045×12.4=0.30KN（5） =0.025×12.4=0.31KN（6） 式中： 、推件力系数，；其值见冲压工艺学p23 冲裁力 n同时梗塞在凹模内的零件（或废料）数，n=h/t，值为为0.5； h圆柱形凹模腔口高度，h为mm计算得： 4.1.3 总冲压力 由总压力计算公式 F=12.40.6113KN（7）4.2冲裁间隙冲裁间隙是指凸凹模刃口间隙的距离。考虑到模具制造的偏差及模具使用过程中的磨损，生产中通常选择某一