3-48  精密垫片精冲工艺有限元分析与模具设计

舒行军  贺咏梅  王宝瑞

精密垫片零件，如图1所示，零件材料为1Cr18Ni9Ti，强度大(s_b = 650 MPa)，有一定塑性。从零件尺寸精度看，f4 mm外圆为IT7级精度，f4 mm外圆与f2 mm内孔有很高的同轴度要求，冲裁断面与零件两端面有垂直度要求，普通冲压不能达到零件精度；从工序的角度看，有冲孔和落料工序，剪切面粗糙度Ra≤3.2 mm，属于光洁冲裁范畴；另外，技术条件中要求零件两大面不得有任何划伤，且光滑平整。总体上看，该零件的冲压加工性不好，难度较大，对模具的设计、选材、制造要求都较高。

针对该零件，应用刚塑性有限元法对精冲工艺模型进行了有限元分析。模拟结果表明，在狭小的冲裁间隙带内，平均等效应力s 与等效应变e 的数值远高于两侧的区域，距冲裁间隙带越近，等效应力与等效应变的数值越大。此现象与精冲的实际情况一致，表明精冲时塑性变形不仅集中发生在狭窄的冲裁间隙带及其附近，而且其程度非常激烈；同时随着变形过程的进行，等效应变e不断增加，在断裂前，凸模进入材料越深，变形程度越大。另外，比较不同节点处的s 与e数值，可以发现，s 与e 在凸模和凹模刃口附近的数值具有很大的变化梯度，凸凹模刃口周围的s 与e 高于材料中部，并在刃口处达到最大值。对于不同工况的有限元分析还可以发现，凸凹模间隙对断面质量影响很大，间隙越小，断面越接近于完整的光洁面，表明精冲件断面撕裂带越小。

结合工艺与有限元分析，设计了如图2所示的精冲复合模具，采用镶拼式具有齿形压边圈的精密冲压倒装复合模结构。模具上模部分由上模板5、上垫板6、凸模固定板7、衬垫板8、凹模板9组成。下模部分由卸料板11、卸料背板12、凸凹模固定板13、下垫板17、下模板16等组成。凹模板、卸料板及凸凹模固定板之间装小导柱进行精导向，确保各镶拼件之间的位置精度，保证卸料板的运动精度和有效保护小凸模。模具投入使用后，在普通冲床上实现了该零件的精密冲裁，冲出的零件毛刺极小，断面平整光滑，达到了预期要求，保证了产品质量。