异形件微冲裁有限元分析与模具设计

摘要

随着产品微型化的发展，微型零件的需求量不断增加，微冲裁技术以其生产率高、材料损失少、加工质量好、工艺简单等优势，受到越来越多的重视。但是微冲裁成形过程中材料的变形复杂、微观塑性理论不成熟，对微冲裁的成形机理和工艺都还处于探索阶段，这制约了微冲裁技术的应用和发展。微小异形件用途广泛，但是其加工难度较大，并且针对异形件微冲裁的相关研究较少，论文以某微异形件为冲裁对象开展研究，对其加工过程进行分析，并设计出适用于该件加工的模具。
　　为了探寻微冲裁加工的机理，首先对微成形加工中存在的尺寸效应现象进行了分析，从表面层模型和应变梯度理论两个方面来进行解释，再对冲裁过程进行研究，分析了尺寸效应对微冲裁的影响。分析发现:微冲裁中由于尺寸效应的存在，模具的几何尺寸和材料的特征尺寸都会影响微冲裁过程，进而影响到冲裁的工艺、模具、机床的设计，必须对微冲裁的尺寸效应进行研究。
　　为了研究微冲裁中材料的特性，建立材料在微尺度下的本构模型，设计了一个薄板微拉伸试验，对不同厚度的试样进行拉伸。分析表明:随着板厚的减小，试验的重复性变差、材料的延展性先增加后减小、拉伸强度呈现先减小后增大的趋势。根据表面层模型和Hall-Petch公式，建立了考虑尺寸效应的材料本构模型。
　　异形件微冲裁加工是一个复杂的非线性弹塑性及断裂变形过程，为了研究异形件微冲裁加工过程，利用有限元软件建立了某异形件微冲裁加工的有限元模型进行仿真分析。有限元分析结果表明:微冲裁与宏观冲裁加工变形过程一致，冲裁件的断面组成也与宏观冲裁类似;材料的尺寸参数（薄板厚度、晶粒尺度）和模具的几何尺寸（冲裁间隙、凹凸模刃口圆角）的改变都会引起尺寸效应，影响到微冲裁的冲裁力、断面质量。对这些影响的规律进行研究对微冲裁的机理研究、工艺设计及模具设计具有一定的指导意义。
　　异形件微冲裁加工具有尺寸微小、形状特殊、冲裁件易变形等特点，对模具的设计有较高要求。论文基于有限元分析结果，再结合异形件冲裁的特点，对模具的冲裁间隙、凹凸模尺寸等参数进行优化和计算，设计出一套模具，并使用Creo软件进行三维建模和运动仿真，仿真中各部件运动良好，相对位置准确，各零件之间没有干涉，满足模具设计要求。论文的模具设计方法对指导异形件微冲裁的模具设计具有一定参考价值。