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方锥形件整形凹模强度的数值分析

冲压模具配件 · 发布于 2018-03-13 13:32:19 · 326点击

摘要:根据方锥形件整形凹模的结构特点和它在整形工艺中的受力状态,运用有限元方法对其进行了分析和计算,得到了在整形时,凹模各部分的应力分布情况,从而可以确定其破坏的原因。并从提高模具强度和使用寿命的角度,提出了方锥形件整形凹模的合理设计方案。

1引 言

图 ( 所示的方锥形件,由于有锥度,产品成形后的弹性变形量较大,因此,生产实际中,需要采取整形工艺。对于锥度不是很大的浅方锥形件,则采用

拉伸带整形的复合工艺,由 ( 副模具成形;而对于锥度较大且较深的方锥形件则采用多次拉伸加整形工序完成。生产中反映,在整形工艺过程中,整形

凹模与一般的拉伸凹模相比,模具容易失效,其寿命非常短。因此,针对凹模在拉伸整形工艺中的受力状态,运用有限元方法对其进行了分析和计算,找到了凹模开裂的原因,并提出如何合理设计该类模具结构的方案,这对提高方锥形件的质量,降低产品的生产成本,提高模具寿命均具有重要意义,也为合理设计整形凹模提供了理论依据。



2整形凹模的受力状态及破坏原因

在方锥形件整形的工艺过程中,根据工艺要求,整形压力达 80~100MPa。在整形压力的作用下,凹模处于恶劣的工作状况。图2 是拉伸整形凹模的各种结构形式和工作时的受力状态。由受力状态可知,凹模角部承受的拉应力最大,主要原因是,作用在不同面上正应力产生的双向拉应力和作用在斜面上的正应力分量引起的弯曲应力,在两种应力的综合作用下,凹模角部达到或超过模具材料的强度极限时,凹模将产生裂纹而破坏。由于方锥形件整形凹模的受力和约束条件较为复杂,采用一般传统的力学方法对凹模的受力进行分析时,必须对凹模结构和力学条件进行简化,所得结果不够精确。随着计算机技术的进步,有限元方法的发展和大型有限元软件的出现,使采用有限元方法分析复杂受力的模具一种高效、可靠和普遍使用的方法。有限元方法能针对复杂的模具结构模拟实际受力状态,计算结果准确。为了使模具设计更加合理可靠,借用大型结构化有限元软件对方锥形件整形凹模的受力进行计算分析。


设方锥形件整形凹模的结构如图 2所示,其中凹模底部厚度为20mm,总厚度为65mm,外圆半径为 R233mm,整形压力为 80MPa。图 2是有限元计算结果。凹模应力最大值处于凹模角部的内壁,其等效应力达552MPa,工件长度方向拉应力为358MPa,宽度方向拉应力为432MPa。可以得知,承受如此高的拉应力,使凹模容易破坏。因此,从模具结构设计的角度出发,必须选择合适的凹模结构形状和尺寸,或采用组合凹模的形式,以降低凹模工作时所承受的拉应力,防止裂纹的产生,提高凹模的使用寿命。

3凹模结构对其受力状态的影响

对凹模结构形状与尺寸的选择,主要有图 2a所示的壁厚截面形状和图 2b 所示的凹模外形以及凹模的壁厚。不同形状尺寸的凹模,其工作时各部分的受力状态是不一样的。


3.1凹模截面形状


不管凹模采用图2b所示的何种外形或不同壁厚,带有底部的凹模与不带底的凹模相比,在承受同样大小的工作压力时,其最大等效应力的值要小约40%~50%。例如对外圆半径为R223mm的圆外形,底部厚度为 20mm时,凹模最大应力值为:等效应力 a=552MPa,长度方向应力 ax=358MPa,宽度方向应力 ay=432MPa;而对不带底的凹模,应力值则为 a=994MPa,ax=620MPa,ay=756MPa。实际生产中凹模甚至不可能达到如此高的应力,就早已产生裂纹而破坏。但底部厚度超过一定值后,对应力大小的影响就非常小。


3.2凹模外形与壁厚

凹模的壁厚对凹模的受力状态的影响较大,壁厚越大则凹模承受载荷的能力越强。凹模的外形对其受力也有一定的影响,外形一般可有两种选择,如图 2b所示,它们承受整形压力时的应力分布也不相同。图 4是两种外形凹模承受整形压力时最大应力与壁厚大小的关系。图中 a 为等效应力, ax 为长度方向应力, ay为宽度方向应力, az 为高度方向应力。 比较两种外形的最大应力值与壁厚的关系可得,同样重量前提下,圆形外形的凹模其角部的最大应力将小一些。这是因为圆形外形凹模的角部壁厚相对较小,在承受弯矩和双向拉应力时,该处外壁相对较易产生变形,从而降低该处内壁面上的变形与应力;相反,方形凹模角部壁厚相对较大,外壁部变形受到阻力较大,使变形和应力更集中在内壁部。


对于两种外形的凹模,随着壁厚的增加,角部的最大应力值都将降低;壁厚小时,应力非常高,实际上凹模甚至不可能达到图示如此高的应力,在承受最高应力之前,凹模早已断裂;但当厚度达到一定大小后,厚度增加对角部应力的降低作用很小。从应力的大小可知:采用整体凹模时,壁厚取很大的厚度也不能保证凹模角部应力处于安全的范围。 因此,在实际生产中一般都应考虑采用组合式的凹模。


3.3组合凹模应力分析

对于图 ( 所示的方锥形件,采用2 层组合形式组合凹模,外形为圆形,底部厚度为20mm,内层凹模 的 外 半 径 与 加 强 圈 的 内 半 径 基 本 尺 寸 取R173mm,加强圈的外径取 T223mm,内层凹模与加强圈之间的压力确定为0.15mm。通过分析计算得到:内层凹模有预应力时的径向压缩量不均匀,平均为 0.1mm,而凹模外层加强圈径向扩张量为"#(--;加强圈的应力值也较低,a=69.1MPa。内层凹模的最大应力值则如表 1所示。从表中数据可知,采用组合凹模形式,能大大降低凹模的拉应力。


结束语

(1)通过对方锥形零件整形凹模受力情况进行分析计算,得知由于整形压力使凹模角部承受双向拉伸应力和弯矩的综合作用,在该处内壁产生较大

的拉应力,它是凹模开裂破坏的主要原因。


(2)5计算结果表明,增加凹模底部的厚度能较大程度降低凹模的最大应力,因此,设计制造该类凹模时,应保证适当的底部厚度。


(3)同样重量的前提下,圆形外形凹模的角部最大应力比方形外形的要低,因此外形一般可采用圆形,既能节约材料,又便于加工。


(4)采用整体式凹模时,超过一定壁厚后,通过增加壁厚来提高凹模强度的效果不明显,且应力值不能降低到安全的范围,因此实际上一般都应考虑采取组合式的凹模。


(5) 分析结果适用于方锥形件整形凹模或拉伸带整形凹模的设计。


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