基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法

摘要

本发明公开一种基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，包括以下步骤：第一步，根据给定的模拟试验工况以及参数建立用于数值模拟的有限元模型，计算模拟试验成形界面的摩擦功耗散量；第二步，根据上述计算的每种工况下的摩擦功耗散W，结合模拟试验中冲压件表面损伤达到一定深度的极限冲压次数N，构建N-W图；第三步，根据给定实际生产冲压工况及参数，数值计算实际冲压成形界面摩擦功耗散W，结合步骤二中的N-W图，直接预测实际冲压工况下的冲压件表面损伤情况和许用冲压次数。本发明利用数值模拟求解成形界面间摩擦功耗散的方法实现表面损伤的预测，是一种更加经济、便捷、有效的新的预测方法。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种冲压成形领域模具磨损的预测方法，具体为通过数值模拟技术 计算冲压成形界面上摩擦功的耗散，结合实验中模具表面损伤极限，实现生产中冲压成 形模具磨损的预测。

背景技术

工程中，冲压模具是用来成形各种薄壁零件的重要装备。然而，随着许多薄壁零件 轻量化的需求，先进高强钢因其轻质、优良的防撞性和经济性已经成为实现轻量化的首 选材料。但由于其强度级别高，在成形过程中需要更大的压边力，导致钢板、模具界面 承受较高的接触压力和剪切力，界面温升明显，这些都将导致钢板、模具表面损伤的加 剧。由于模具的制造成本较高，所以保证模具在工作过程中的精度、延长模具寿命对于 保障冲压件产品质量、提高生产效率和经济效益极为重要。模具磨损是影响模具使用寿 命的决定性因素，磨损造成的模具失效占失效模具总量的70％左右。模具由于局部磨损 失效过早报废，冲压件产品由于冲压过程中模具表面的局部磨损而出现质量不稳定，即 表面损伤问题，从而造成模具工业以及相关产业经济效益的降低。因此，对模具磨损的 研究和预测在工程中具有重要意义。

本质上，模具的磨损失效是在冲压过程中由于模具与板料的摩擦作用，摩擦功的耗 散造成模具表面特性发生变化，产生表面磨损，导致冲压件表面损伤现象，它属于成形 界面磨损的一种形式。目前关于界面磨损的研究和预测手段主要以实验为主，然而由于 摩擦学系统本身的复杂性、摩擦磨损涉及的因素过多、磨损正交实验设计次数较多、工 作量巨大且重复性较弱等，磨损的实验研究和预测成本很高，难以实现较为经济广泛的 工程应用。因此，工程上对经济、便捷、有效的冲压成形模具表面损伤预测方法仍有迫 切需求。

经对现有文献检索，至今未发现有关基于摩擦功和数值模拟的方法对冲压成形中模 具表面损伤预测的公开报道。

发明内容

本发明针对上述传统表面损伤实验预测方法中的不足，提供一种基于摩擦功和数值 模拟的成形界面损伤预测方法，利用数值模拟求解成形界面间摩擦功耗散的方法实现表 面损伤的预测，目的在于为生产中提供一种有效的冲压零件表面损伤预测方法。由于数 值模拟只依托于一般的计算机硬件和相应的软件平台，所以其可以经济地实现对多种参 数的快捷控制、不同参数下数值模拟的重复、对比等；同时，数值模拟技术以及充分的 模拟实验也保证了数值预测结果的可靠性。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，具体包括以下步骤：

第一步，根据给定的模拟试验工况以及参数建立用于数值模拟的有限元模型，计算 模拟试验成形界面的摩擦功耗散量；

第二步，根据上述计算的每种工况下的摩擦功耗散W，结合模拟试验中冲压件表面 损伤达到一定深度的极限冲压次数N，构建N-W图；

第三步，根据给定实际生产冲压工况及参数，数值计算实际冲压成形界面摩擦功耗 散W，结合步骤二中的N-W图，直接预测实际冲压工况下的冲压件表面损伤。

所述第一步中计算模拟试验成形界面的摩擦功耗散量的方法是：假定一个工作行程 内需要n个增量步完成数值计算，接触副摩擦系数取常数，则一个工作行程中板料上任 意位置x处的摩擦功为

$w\left(x\right)=\mu \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{p}_i\left(x\right)s_i\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\tau }_i{s}_i\left(x\right)$

$W=\underset{x=1}{\overset{n}{\Sigma }}w\left(x\right)$

其中：μ为接触副摩擦系数，p_i为第i个增量步的接触应力，τ_i为第i个增量步的 界面摩擦力，其大小在数值模拟结果中直接提取得出，s_i为第i个增量步相应的滑动距 离，由模型建立过程中增量步的大小和总滑动距离决定，n≤极限冲压次数N。

所述的数值计算是采用准静态假设，使用隐式静力算法进行有限元计算过程进行求 解。

所述数值计算的具体方法，包括步骤如下：

1)建立各部件数值模型；

2)设置各部件材料属性；

3)完成各部件的装配；

4)设置接触属性；

5)设置接触分析过程的分析步；

6)单元选择和网格划分；

7)设定每一个分析步的边界条件，然后设定应力结果的输出；

8)提交分析；

9)结果输出；

数值计算完成后，即可导出接触面所有节点每个增量步对应的切应力τ_i，然后根据 设定的总滑动距离和增量步相除求得s_i，即可求出每个节点摩擦功损耗w(x)，进而利用 模具接触面节点数目n求得总的摩擦功耗散量W。

所述步骤1)中的各部件数值模型包括冲压过程中凸模、凹模、压边圈以及板料的 数值模型。

所述步骤2)中材料属性包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度、应变硬化指数。

所述步骤4)中的接触是指板料与工具之间的接触，包括三个接触对，分别是板料 上表面与凸模之间、板料上表面与压边圈之间和板料下表面与凹模之间，接触属性包括 有摩擦的接触属性和没有摩擦的接触属性，模型中设定板料与凸模之间的摩擦系数为零， 另外两个接触对中的摩擦系数按给定工况取值。

所述接触对中的接触属性定义为主-从算法：在一个表面上的节点不能侵入另一个 表面的某一部分，法向采用默认的硬接触，切向采用各向同性罚函数摩擦准则，并使用 有限滑动接触公式，面对面离散方式进行定义，每一个接触对中将工具设为主面，板料 为从面。

所述步骤5)中的接触分析分为以下5个分析步：

分析步1：固定板料中面的端点沿竖直方向的位移以防止板料的初始移动，并应用 一个位移边界条件将夹具向下压在板料上，以在板料和夹具之间建立牢固的接触关系， 同时考虑几何非线性的影响，此分析步由一个增量步完成，设置初始时间等于总体时间；

分析步2：由于前一步中建立了板料、夹具、凹模之间的接触，板料中面右端的约 束就不再需要了，所以在这个分析步中撤除板料在竖直方向的这个约束，此分析步由一 个增量步完成，设置初始时间增量等于总体时间；

分析步3：施加压边力，压力载荷，此分析步由一个增量步完成，设置初始时间等 于总体时间；

分析步4：在分析开始时，当建立在板料、夹具、凹模之间的接触时，凸模和板料 是分开的，以避免任何过盈接触，此步中，凸模下行，直到刚好与板料发生接触，同时 撤除板料中面左端的竖直方向的约束，并在板料顶面施加一个小的压力，将其拉向凸模 表面，此这个分析步中，设置初始时间增量为10％的总体时间；

分析步5：撤除作用在板料上的压力载荷，并使凸模向下移动完成成形操作，通过 位置控制来实现。

所述步骤6)中，所有部件均使用具有增强沙漏控制的4节点双线性平面应变缩减 积分进行单元划分网格，使用3节点双线性平面应变缩减积分单元进行过渡，为了获取 较精确的界面接触压力，在有限元模型中，在凸模圆角、凹模圆角及板料与凹模接触界 面的网格进行细分。

与传统技术相比，本发明的有益效果是：通过较易实现的数值模拟的方式，进行表 面损伤的预测，避免了传统实验预测中所消耗的大量时间、坯料和设备成本，提供了更 加经济、便捷、有效的新的预测方法。

附图说明

图1是本发明所提供的表面损伤预测方法流程图；

图2是本发明一实施例的有限元模型图；

图3是本发明一实施例的N-W图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的方法进一步描述，本实施例在本发明技术方案为前提下进 行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的 实施例。

本发明所提供的一种基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，如图1所示， 包括以下步骤：

第一步，根据给定的模拟试验工况以及相应的参数建立用于数值模拟的有限元模型， 计算模拟试验成形界面的摩擦功耗散量；

第二步，根据第一步中计算的每种工况下的摩擦功耗散W，结合模拟试验中冲压件 表面损伤达到一定深度的极限冲压次数N，构建N-W图；

第三步，根据给定实际生产冲压工况及其相应参数，数值计算实际冲压成形界面摩 擦功耗散W，结合第二步中的N-W图，直接预测实际冲压工况下的冲压件表面损伤。

更为具体地：

第一步：

目前广泛使用的磨损预测模型是Archard模型：认为粘着磨损体积正比于施加的法 向载荷和滑动距离，反比于被磨损材料的硬度，即

$V=\frac{\mathrm{kFs}}{H}$

式中，V—为磨损体积，F—为法向载荷，s—为滑动距离，H—为被磨损材料硬 度，k—为取决于清洁度和材料的磨损系数。

Archard磨损模型中，可以分解成两部分：一部分是摩擦功μFs，表达粘着磨损过 程中伴随的能量转换和耗散，是外界条件的综合；另一部是材料因素与摩擦副材 料以及润滑条件等相关。由Archard方程得到平均磨损深度h为，

$h=\frac{V}{A}=\frac{k}{H}\left(\frac{F}{A}\right)s=k^{\prime }\mathrm{ps}$

其中μ为接触副摩擦系数，A为接触面积，p为接触应力，s为滑动距离。

则有任意一x处的磨损深度为

$h\left(x\right)=\frac{k^{\prime }}{\mu }\left(\mathrm{\mu p}\left(x\right)s\left(x\right)\right)$

h(x)∝μp(x)s(x)＝w(x)

当材料因素不变时，即有任意一点的磨损深度与摩擦功成正比，这里的摩擦功w(x) 为单位面积上的摩擦功(数值计算中简化为单位长度的摩擦功)。因此，磨损深度可以 直接通过摩擦功来表征，而磨损深度又是评价表面损伤的一个很重要的指标，此深度超 出一定界限后即认为冲压件表面损伤严重，即为废品。由于磨损深度的数值求解实现较 为困难，所以可以利用更加容易实现数值求解的摩擦功的计算来对表面损伤进行预测。

数值计算中，假定一个工作行程内需要n个增量步完成数值计算，摩擦系数取常数， 则有一个工作行程中板料上任意位置x处的摩擦功为：

$w\left(x\right)=\mu \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{p}_i\left(x\right)s_i\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\tau }_i{s}_i\left(x\right)$

其中τ_i为第i个增量步的界面摩擦力，s_i为每个增量步相应的移动距离，τ_i的大小 可从仿真中直接提取，s_i由模型建立过程中增量步的大小和总滑动距离决定。

由于对接触应力的计算有较高的精度要求，所以本发明采用准静态假设，使用隐式 静力算法进行有限元计算过程求解，如ABAQUS有限元仿真软件，数值计算的具体步 骤如下：

1、建立各部件数值模型

首先建立冲压过程中凸模、凹模、压边圈以及板料的数值模型。

2、设置各部件材料属性

根据工程中所用材料的参数，分别建立材料模型并赋予相应部件。关键材料参数包 括弹性模量、屈服强度、抗拉强度、应变硬化指数等。

3、完成各部件的装配

根据实际工艺特征完成各部件的装配。

4、设置接触属性

由于坯料与模具之间的接触摩擦状况对冲压件的成形性能和质量影响很大，所以用 有限元方法对冲压出现过程进行仿真时，对接触问题需要认真考虑。

冲压过程中，模具和板料表面之间的摩擦强烈地影响着坯料变形后不同区域的应变 分布，从而影响成形性能。因而在板料上表面与凸模之间、板料上表面与压边圈之间和 板料下表面与凹模之间，都需要定义接触。模型中设定板料与凸模之间的摩擦系数为零， 在板料与其他两个模具表面之间的摩擦系数按给定工况取值。故定义两个接触属性：一 个有摩擦的接触属性，另一个没有摩擦，即光滑的接触属性。板料和模具间的接触属性 定义为主-从算法：在一个表面(从属面)上的节点不能侵入另一个表面(主控面)的 某一部分。法向采用默认的硬接触(接触面之间能够传递的接触压力大小不受限制)， 切向采用各向同性罚函数摩擦准则进行定义。模型中定义3对接触对，包括板料下表面 和凹模表面、板料上表面和压边圈表面。由于模具比板料硬，故将在每一个接触对中将 工具设为主面，板料为从面。

5、设置分析步

接触分析中，接触条件约束之前部件的刚体运动和接触条件的突然改变，会导致接 触分析的不收敛，需使用更多的分析步，使接触平稳的建立起来，故模拟过程中分为以 下5个分析步。

分析步1：固定板料中面的端点沿竖直方向的位移以防止板料的初始移动，并应用 一个位移边界条件将夹具向下压在板料上，以在板料和夹具之间建立牢固的接触关系， 同时考虑几何非线性的影响。此分析步由一个增量步完成，设置初始时间等于总体时间。

分析步2：由于前一步中建立了板料、夹具、凹模之间的接触，板料中面右端的约 束就不再需要了，所以在这个分析步中撤除板料在竖直方向的这个约束。此分析步由一 个增量步完成，设置初始时间增量等于总体时间。

分析步3：施加压边力，压力载荷。此分析步由一个增量步完成，设置初始时间等 于总体时间。

分析步4：在分析开始时，当建立在板料、夹具、凹模之间的接触时，凸模和板料 是分开的，以避免任何过盈接触。此步中，凸模下行，直到刚好与板料发生接触。同时 撤除板料中面左端的竖直方向的约束，并在板料顶面施加一个小的压力，将其拉向凸模 表面。由于这个分析步中建立接触条件可能非常困难，所以设置初始时间增量为10％的 总体时间。

分析步5：撤除作用在板料上的压力载荷，并使凸模向下移动完成成形操作，通过 位置控制来实现。由于摩擦滑动、接触状态变化和非弹性材料行为，此分析步中存在强 烈的非线性，因此，将最大分析步的数目设为一个大值(参考值10000)。可设置初始时 间增量为0.0001，总体时间为1.0，最小增量步长为1E-06。

6、单元选择和网格划分

数值模型中所有部件均使用具有增强沙漏控制的CPE4R(4节点双线性平面应变缩 减积分)单元划分网格，使用少量CPE3R单元进行过渡。为了获取较精确的界面接触 压力，在有限元模型中，在凸模圆角、凹模圆角及板料-凹模接触界面的网格进行了细 分。

7、载荷和边界条件

根据工况施加压边力载荷，根据冲压过程运动情况及分析步要求设定每一个分析步 的边界条件，然后设定应力结果的输出。

8、提交分析

完成前面所有设置后，提交分析。

9、结果输出

数值计算完成后，即可导出接触面所有节点每个增量步对应的切应力τ_i，然后根据 设定的总滑动距离和增量步相除求得s_i，即可求出每个节点摩擦功损耗w(x)，进而利用 模具接触面节点数目n求得总的摩擦功耗散量W：

$W=\underset{x=1}{\overset{n}{\Sigma }}w\left(x\right)$

第二步：

根据模拟实验中获得冲压件表面损伤达到一定深度的相应极限冲压次数N，结合步 骤一中求解的相应工况下对应的摩擦功耗散W，以N为纵轴、W为横轴建立平面直角 坐标系，即可得到若干散点。由于理论上磨损深度和摩擦功耗散是正相关的，所以，以 磨损深度为主要评估指标的极限冲压次数N，与摩擦功W也是线性相关的。因此，可 以对这些散点利用一定的数学方法(如最小二乘法)拟合为一条直线，即N-W图，便 可用于冲压表面损伤的预测。

第三步：

根据要预测工况下的各个参数，同步骤一中建立用于数值模拟的模型，求解相应的 摩擦功，然后对照步骤二中获得的N-W图，直接非常方便地查找得出该工况下满足冲 压表面损伤要求的最大冲压次数，实现对模具表面磨损寿命的预测。

实施例

本实施例以冲压工艺为例，根据已知的四种模拟试验工况下模具修模寿命(以第一 次冲压到修模之前能完成的冲压次数计)，并通过对相应的摩擦功的数值求解，预测其 它工况下的模具寿命。工艺参数如表1所示；板料和模具的材料参数如表2所示；不同 工况下的临界冲压次数(即模具寿命)如表3所示。

表1.仿真模型中参数设置

表2.板料和模具材料属性

表3.不同工况下临界冲压次数

具体包括以下步骤：

第一步

根据已知的工况，按表1和表2中的参数，在一定的计算机硬件和软件(本例为 ABAQUS有限元分析软件)平台建立数值仿真的有限元模型，模型如图2所示，计算 冲压行程中的界面摩擦功耗散，并提取数据。依次改变工艺参数，重复计算不同工况下 的界面摩擦功，提取数据，见表4。

表4.不同工况下摩擦总功数值计算值

第二步

根据步骤一中不同参数下的摩擦功W，结合表3中相应参数下的磨具修模寿命，构 建“模具寿命-摩擦功图(N-W图)”，如图3所示。

第三步

根据工程实际，任意选择一种工况参数，如取凹模圆角半径3.5mm，压边力为16MPA， 其它参数不变为例，同步骤一中计算该工况下的界面摩擦功耗散W＝214.2J/mm，对照图 3，可直接查找出该工况下的模具修模寿命为N＝435次。这样便很方便的完成了不同工 况下设备寿命的预测。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造 性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员 依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技 术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。