冲压模具局部构形应力数值分析党刚虞钢中国科学院力学研究所100080摘要：汽车覆盖件冲压模具在服役过程中由于各种复杂因素作用而产生磨损或疲劳破坏现象而失效，其失效部位与模具的应力分布密切相关。本文根据冲压模具设计规范，建立了冲压模具实体模型，借助有限元分析软件对冲压过程进行模拟。根据模拟结果分析冲压模具上局部构形的应力分布和对模具受力状况的影响，比较不同局部构形应力分布的异同，指出了可能损坏的部位，模拟结果和分析结论与实际情况符合较好。关键词：冲压模具局部构形数值模拟应力分析有限元1引言汽车工业是一个国家工业水平的标志之一。我国为汽车行业服务的汽车模具行业是一个新发展起来的行业，其规模和水平与发达国家相比有较大的差距。随着模具技术的不断发展，对模具的质量和模具材料性能的要求日益严格。各种汽车覆盖件冲压模具在服役过程中都要承受一定的机械负荷，有的还要经受热负荷和环境介质的作用。在这些因素作用下，经过一定的服役时间，模具可能会发生过量的变形、断裂和表面损伤等失效现象，所以一般模具需要进行表面强化处理以延长其使用寿命。模具表面的强化处理属于加工成型的后期工艺，对加工有很高的要求。首先在不增加模具表面拉应力的前提下提高材料表面的硬度，保持加工后的模具不发生变形，同时还需对不同材料、外型结构及尺寸的模具进行表面强化处理，然而传统的表面强化处理技术将很难同时满足这些要求。中国科学院力学研究所启动的中国科学院知识创新工程重大项目《集成化激光智能加工及柔性制造系统》，开拓性地将激光与材料相互作用技术应用于汽车覆盖件冲压模具表面强化。该系统的核心工作就是采用高能量脉冲激光束相对模具工件运动，以很高的激光功率密度在极短的时间内与金属交互作用，对工件表面进行强化处理以提高模具的性能，延长其使用寿命以及对局部失效区域进行快速修复[1]。在冲压过程中，模具表面的局部构形会对模具的受力分布产生影响。在极短时间的高强度冲击作用下，应力分布的不均匀会导致模具的表层材料的力学性能分布不均匀。在实际加工过程中，加工轨迹上会分布形状大小各异的局部构形。对于加工轨迹上不同区域的材料的不同状况，加工时所要求的强化量是不相同的，所以需要在预定的加工轨迹方案上针对局部情况对加工轨迹进行调整和优化。为确定加工轨迹上哪些局部构形的强化量需要特别规划，就需要搞清楚模具上这些局部构形在冲压过程中的受力状况如何，以及局部构形的尺寸形状对于应力分布的影响。冲压模具上常见的破坏形式为磨损破坏和疲劳破坏。根据磨损理论，磨损与表面剪切应力和亚表层剪切应力有很大关系，无论剥层还是擦伤都由表层和亚表层的塑性变形引起的。根据疲劳理论，疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部，特别是应力集中的构件表面处。疲劳裂纹的扩展则由最大剪应力控制的，形成的微裂纹与最大剪应力方向一致[2]。因此，冲压模具表面的应力分布状况与模具的失效是直接关联的。在冲压过程中，模具的受力状况是非常复杂的。一方面是受到的力的种类多，另一方面是所受外力会随拉深的深度、坯料的流动、模具表面形状变化而变化。理论上要分析如此大规模的受力状况是不现实的。目前，国内实验测量数据还不多，而且实验过程复杂而艰难。国外研究人员普遍采用数值分析方法，如J.S.Sun等[3]用有限元静态分析方法研究了不同半径的圆角对冲压模具受力的影响。采用数值分析方法可以在较短的时间内方便地对研究的问题进行模拟，获取模具在冲压过程中的应力应变分布变化情况，对于了解冲压模具的局部构形对模具应力分布的影响起到重要的参考作用。2有限元模拟过程2.1模具实体模型的建立模具实体模型的设计必须严格依照汽车覆盖件冲压模具设计规范进行[4]。本文只关心拉深模在拉深过程中与毛坯作用的主要部分，而对于模芯，定位零件、压边装置、卸料和出件装置、支承和夹持零件、弹簧、螺钉和销钉等一系列装置，则不建立模型，其功能用等效的边界条件表示。参考该项目研究的汽车覆盖件样板，对样板中的局部构形进行简单的分类，归结出下面三类特征构形：棱脊、小凸起、小凹槽(图1)。棱脊是较大尺寸的平...
