精冲模具疲劳寿命数值模拟与试验研究

华中科技大学硕士学位论文精冲模具疲劳寿命数值模拟与试验研究姓名：吕兆懿申请学位级别：硕士专业：材料工程指导教师：王义林2011华中科技大学硕士学位论文I摘要精密冲裁属于无削加工技术，可以冲制出表面质量好、精度高的精密零件，具有高效、经济、低能耗等特点，已成为汽车等行业许多关键零件制造工艺的必然选择。但是由于精冲过程模具所处环境恶劣，特别是凸模与凹模的刃口区域，压力、摩擦力和热效应都很大，使得精冲模具产生较大磨损，使用寿命偏低，制约了精冲技术的进一步推广应用。因此需要对精冲模具的失效机理和疲劳寿命问题进行深入细致的研究。本文选择精冲模具材料S790粉末冶金钢为疲劳试验研究对象，采用国家标准对S790进行拉伸试验和疲劳试验，并在试验的基础上，以棘轮零件的精冲模具为有限元分析对象，对简化后的精冲模具模型进行疲劳数值模拟。首先论述了疲劳相关理论，提出疲劳分析的基本原理和步骤，并分析精冲模具破坏特点和宏观断口特征，得出精冲模具疲劳破坏属于高周疲劳，认为采用名义应力法可以比较好地估算精冲模具的寿命。其次通过机加工、热处理等工艺制备S790的拉伸试样和疲劳试样，进行拉伸试验和疲劳试验，得到S790的屈服强度为2564MPa，抗拉强度为2955MPa。进行疲劳试验时得到S790对缺口敏感性特别强，需在以后加工制造零件时注意应力集中、划痕等缺陷。在试验的基础上，结合理论公式，运用ANSYSWorkbench对简化后的TJB96804系列棘轮模具模型进行静强度分析，在静载荷下主冲头强度符合要求。接着对整套模具进行疲劳分析，模拟得到昀小寿命值在主冲头上，寿命值与可能破坏位置与实际工况中的冲头比较接近。昀后对精冲模具寿命的影响因素进行了研究，并通过数值模拟对其验证，提出了几种提高模具疲劳性能的方法。关键词：精冲模具疲劳强度疲劳试验数值模拟寿命估算华中科技大学硕士学位论文IIAbstractFine-blankingisakindofnoparedprocessingtechnology.Thefine-blankingpartishighqualityandhighprecision.Asthehighefficiency,economicandlowenergyconsumption,thefineblankingtechnologyisthenecessarychoicetoproducemanykeypartsinindustrialfields,suchasautoindustryetc.While,becauseofbadenvironmentduringfine-blankingprocess,especiallythecuttingedgeofcoreplateandcavityplate,tesion,thermaleffectandfrictionforceishuge.Thatmakessomuchabrasioninthefineblankingdiethatthelifeofdieislow.Thoseconstraintsrestrictthefurtherexpansionoftheapplicationoffine-blankingtechnology.Therefore,itrequirestoresearchfailuremechanismandfatiguelifeofthefine-blankingmouldatgreatlength.ThisarticlechoosesthepowdermetallurgicalsteelcalledS970,akindoffine-blankingmouldmaterial,astheobjectoffatiguetestresearch.NationalstandardsareusedinthetensiletestandfatiguetestforS790.Onthebasisoftheexperiments,itisgoingtotakethefine-blankingmouldofratchetwheelpartsastheobjectforfiniteelementanalysis,andsimulatethefatiguenumericalofthesimplifiedfine-blankingmouldmodels.Firstly,thispaperdiscussesthefatigue-relatedtheories,raisesthebasicprinciplesandstepsofthefatigueanalysis,analysesdamageandmacrofracture’scharacteristicsoffine-blankingmould.Finally,theresultindicatesthefine-blankingdiefatiguebelongstohighcyclefatigue,andholdsapointofviewthatthenominalstresscanbetterestimatethelifeoffine-blankingdie.Secondly,samplesofS790steeltensileandfatiguetestarepreparedbymachiningandheattreatment.ThetensiletestprovesthatthetensileyieldstrengthofS790is2564MPa,theultimatetensilestrengthis2955MPa.ThefatiguetestresultsthatS790steelisespeciallysensitivetonicks.Itshouldpaymuchattentiontodefectsofstressconcentration,scratchetc.inparts’manufacturing.Basedontheexperimentsandtheoreticalformulas,thestaticstrengthofthesimplifiedTJB96804ratchetwheelfine-blankingdiemodelsissimulatedbyANSYS华中科技大学硕士学位论文IIIWorkbench.Anditobtainsthatthestaticstrengthofthemainpunchmeetstherequirementunderthestaticload.Then,thewholesimplifieddiemodelsaresimulatedattheaspectofthefatigueperformance.Theconsequenceofthesimulationshowsthattheminimumlifeliesinthemainpunch,andthevalueoflifeanddamagelocationisclosetopracticalsituation.Atlast,thispaperstudiestheeffectfactorsofthefine-blankingdiefatiguelife,andvalidatesthesefactorsbysimulation.Thispaperalsoraisesseveralmethodsofimprovingthefatigueperformanceofthefine-blankingdie.Keywords:Thefine-blankingdie;Fatiguestrength;Fatigueexperiment;Numericalsimulation;Lifeestimation.独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1课题来源、研究目的与意义1.1.1课题来源与研究目的本课题来源于国家自然科学基金项目《基于动应力分析的连续精冲模结构疲劳寿命预测方法研究》。主要目的在于通过对模具材料进行疲劳试验，并且在ANSYS有限元分析平台上模拟精冲模具寿命，对典型的精冲连续模的寿命进行研究，找到适合精冲模具的疲劳寿命预测方法，实现精冲模具的结构疲劳分析与结构优化。1.1.2课题的研究意义如前所述，在我们国家，用精冲技术取代目前的切削加工来制造精密板状零件，可以大大地促进汽车、电子仪器等工业的生产，带动我国整个机械制造行业的发展，并取得更好的经济社会效益。精冲模具是生产精冲件的关键装备，更是精冲技术的核心，直接决定了精冲件的精密度与工厂的生产率。而模具寿命的高低是衡量模具质量的重要指标之一。随着我国工业现代化的高速发展，精冲零件结构日趋复杂，精度要求更高，应用范围越来越广，对精冲模具寿命也提出了更高的要求。模具的大型化、复杂化，高精度、高效率都依赖于模具寿命的提高。然而精冲模具结构复杂，工程师往往根据经验设计一套模具，造成投入生产后产品质量不合格，模具寿命低，生产效率低，而生产成本大大提高。因此，对精冲模具进行疲劳寿命模拟分析估算，对提高精冲模具设计水平，为工程师设计模具提高准确的理论依据，改善模具使用寿命，提高工厂生产效率，降低生产成本具有重要的科学意义和实际意义。1.2精冲技术的研究现状精冲是精密冲裁的简称，属于无削加工技术[1]。精密冲裁技术是通过精冲模具，在专用压力机或经过改装后的通用压力机上，将板料在三向压力状态下沿所需轮廓华中科技大学硕士学位论文2进行纯剪切分离，昀终得到断面光洁，垂直度、平整度好，精度高的板状精密轮廓零件[2]。用精密冲裁工艺代替切削工艺来制造板状精密轮廓零件，零件主要技术指标都达到甚至超过切削加工和其它加工方法，而且加工效率可以提高十几倍以上，大大降低了生产成本，是目前制造技术发展的方向之一[3]。精冲是塑性剪切的过程。精冲按工艺方式主要分为普通精冲、强力压板精冲、对向凹模精冲和同步剪挤精冲[1]。图1-1所示的是强力压板精冲的工作原理。强力压板精冲（也称为齿圈压板冲裁）是在专用的压力机上，借助于特殊设计的精冲模具，在压边力作用下使材料产生塑性变形。在冲裁的过程中，凸模1接触板料3之前，通过顶杆的压边力PR使齿圈2将板料压紧在凹模上，从而在V形齿的内侧面产生横向侧压力，阻止材料在剪切区内撕裂和金属的横向流动。在凸模压入板料的同时，利用顶杆4的反压力PG将板料压紧，昀后板料在冲裁力PS的作用下进行冲裁[4-10]。图1-1强力压板精冲工作原理1-凸模；2-V形齿圈；3-板料；4-顶杆；5-凹模；6-顶杆。1923年，德国人F.Schiess通过实验研究获得精冲技术专利；1956年，瑞士Schmid公司制造了第一台液压精冲机；1962年，瑞士人A.Guidi第一次发表了有关精冲技术的理论，他领导的Feintool公司生产了机械式精冲机并投入市场；日本于60年代开始研究开发精冲技术，1968年发明了对向凹模精冲技术并于1973年开始在工业生产中投入使用。70年代以后瑞士、德国、美国等国的精冲技术应用已从仪器仪表等制造业扩展到汽车、运输机械、航空器等制造部门，典型零件如链轮、棘轮