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转发自：模具工业

作者：毛秀，张祥林，查想，曹传亮

（华中科技大学材料成形及模具技术国家重点实验室，湖北武汉430074）

形零件采取精冲成形加工方法，带齿的精冲件也越来越多。然而，在实际齿形零件精冲生产中，齿顶部分常会出现塌角大、撕裂等缺陷，塌角和撕裂会直接影响齿形零件的工作强度和有效啮合尺寸，甚至需要进一步的机械加工才能使零件达到尺寸精度要求2]。

角和撕裂形成的原因。

2有限元建模

以下利用Deform一3D软件建立三维数值模拟模型，对齿轮的精冲过程进行计算机数值模拟，对比分析精冲过程中齿根、齿顶变形区的应力、应变状态，并与实际精冲零件进行对比，探究齿顶部分塌齿轮零件如图1所示，材料为45钢，齿形为标准渐开线齿形，模数m：2mm，压力角。：20。，齿数z： 19。考虑到齿轮零件的对称性，为节约模拟时间， 上件与模具均取一个齿形进行模拟研究，精冲模型如图2所示。板料为直径Omm的圆盘状坯料，厚度为7 mm，凸、凹模圆角半径分别为0·05 mm和 ，2mm，压边力和反顶力分别为20kN和10kN,凸模压入速度为6mm/s，单边冲裁间隙为0．03 mm，摩擦因数取0，12。

图1 齿轮零件

图2齿轮零件精冲模型

将板料设为弹塑性体，凸模、凹模、压板、反顶器为刚体。由于模具间隙小，精冲中板料的塑性变形集中在狭小的范围内进行，将凸模刃口和板料接触区域的网格进行细化，在提高效率的同时保证模拟精度，网格局部细化效果如图3所示。模拟过程采用网格自适应技术，根据应变梯度和表面曲率自动对单元进行细化。

2，2韧性断裂准则

图3网格局部细化效果

断裂准则是板料剪切中最重要的理论之一，材料断裂准则的选取对模拟过程非常重要。在Deform软件中，提供了多种断裂准则，现采用断裂模型为Normalized Cockroft&Latham的断裂准则“、 C*：了0 ! d为

式中：C*．一一一材料的临界破坏值丿一一．．断裂时的 女应变； 等效应变；伊*一一最大主应力；伊 等效应力：d一一一等效应变增量。

当c* = 0成立时，认为材料发生了断裂。采用单元消除的方法处理模拟过程中的断裂问题，即当某单元的等效应变满足此式时，将该单元从模型中消除，在以后的计算中该单元刚度为零。

3模拟结果分析 3，1静水应力分析

精密冲裁实现的一个必要条件是在剪切变形区内要有足够人的静水压应力，从而抑制冲裁过程中裂纹的产生和扩展，避免破裂，使塑性变形贯穿整个冲裁过程，从而得到断面质量较高的制件阎。齿轮的塑性变形区域集中在狭窄的凸模一凹模刃口连线附近，此处静水应力场的分布区域和数值人小将决定齿轮精冲质量的好坏。

齿轮零件轮廓形状复杂，模拟发现，齿顶、齿根处具有不同的应力应变状态，因此，从图4所示的齿顶、齿根处剖切，分别分析两处的静水应力状态。表1所示是凸模行程分别为2．5、4．0、5，0、6．Omm时齿根、齿顶处的静水应力分布。

齿根 齿顶 齿圈剖切面剖切血 压痕

图4齿根、齿顶剖切面位置

模具工业2014年第40卷第2期

由表1中的云图可见，板料剪切变形区基本上始终处于静水压应力状态，齿根部位的最大静水压 应力出现在凹模刃口附近，齿顶部位的最大静水压应力出现在凸模刃口附近。随着凸模下行，板料剪切变形区的静水压应力逐渐减小，这是凸模切入板料后相对间隙逐渐减小的缘故。对比齿根、齿顶处变形区的静水应力分布情况发现：在凸模行程未达到2mm时，齿根、齿顶处均有较人的静水压应力，在随后的变形过程中，齿根处静水压应力明显大于齿顶处，并且在齿根处整个板厚范围内均处于压应力状态，而齿顶处被凹模剪切过的己变形的部分存在拉应力。

表1静水应力分布

齿根部位静水应力 齿顶部位静水应力

模拟发现，冲裁过程开始后齿顶处的塌角在凹模侧开始形成，达到一定程度后在冲裁过程中基本保持不变，而齿根处始终没有明显的塌角。究其原因，这是由齿轮零件的外形轮廓决定的，塌角是精冲时板料剪切变形区的材料随凸模刃口向工們剪切面转移而形成的，具有一定的宽度和深度回。齿 轮的齿顶类似于悬臂，材料转移涉及的区域重叠，使得齿顶部位的塌角较人。根据塑性变形体积不变的原则，齿顶处对应的废料塌角较小，同理，内凹的齿根部位塌角较小。

齿根部分轮廓内凹，由于模具对材料的约束而产生的应力可以提高此处的静水压应力，另外塌角形成后齿顶塌角处反顶器与零件不能接触，这就使得反顶力不能直接施加到塌角后面的精冲断面上，造成此处静水压应力不足，这在表1中得到了体现，再加上齿顶处己变形部分存在拉应力的作用，不能很好地控制撕裂的产生和扩展，因此齿顶尖角部位容易产生撕裂而齿根部位完好。

3，2应变分析

图5所示为冲裁结束后齿顶和齿根处的应变分布云图，由图5可见，从塌角侧到毛刺侧应变逐渐增大，越靠近冲裁面应变值越大，这是因为在冲裁过程中，塌角侧的材料先完成变形，此时材料的变形程度最低，随后变形程度逐渐增大，到毛刺侧变形程度达到最大。齿顶处应变值大于1的区域最大宽度为1.3 mm，齿根处为0，53mm，齿顶处应变区的宽度超过齿根应变区的2倍，这是因为齿顶为尖角部分，轮廓线长，其变形区域在此处叠加，从而使变形区较宽。

等效应变

（a）齿顶处应变分布云图等效应变

（b）齿根处应变分布云图

图5齿顶、齿根处应变分布云图

图6为试验精冲零件齿顶和齿根变形区的硬度分布曲线，曲线显示了在离冲裁面不同距离的断面上，从塌角侧到毛刺侧不同板厚处的硬度人小（试验力I N，保压时间巧s），山图6可见，从塌角侧到毛刺侧硬度值逐渐增大，这是因为精冲零件从塌角侧到毛刺侧变形程度逐渐增人。不同断面上的硬度变化趋势相似，越靠近冲裁面硬度值越大。

对比图 6（a）、（b）可知，齿顶硬化区的宽度大于齿根硬化区的宽度，在离冲裁面相同距离的断面上，齿顶剪切区的硬度比齿根处的大，这与图5所示的应变分布相吻合。如图6（a）所示，在齿顶剪切区距离冲裁面 0·巧mm的断面上，靠近毛刺侧边缘处的维氏硬度增至近400Hv，几乎是基体硬度（188 ·4HV）的2倍。

（a） 齿顶处剪切区硬度分布

2佣250 3佣350 4開

（b） 齿根处剪切区硬度分布

图6齿顶、齿根处变形区硬度分布

由以上分析可知，冲裁面附近的剪切区材料加工硬化现象严重，并使韧性降低，尤其是齿顶部位 容易达到材料的成形极限，同时材料中处于冲裁面 模具工业2014年第40卷第 2期

上的非常小的缺陷，如脆而硬的片状碳化物等，都会引起冲裁面的撕裂。

4结束语

（1)随着冲裁过程的进行，板料剪切变形区的静水应力逐渐减小，齿顶处变形区的静水应力小于齿根处。齿轮零件外形轮廓导致齿顶处有大的塌角，小的静水应力和己变形部分存在的拉应力使得齿顶部位容易产生撕裂。

（2）从塌角侧到毛刺侧应变逐渐增大，越靠近冲裁面应变值越大，齿顶处应变区的宽度是齿根处的2倍多。试验精冲所得零件齿顶和齿根剪切区的硬度分布曲线与应变分布云图相吻合。严重的材料加工硬化使得齿顶部位容易达到成形极限，同时分离面上很小的缺陷都会造成撕裂。

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