基于ABAQUS的摩擦对拉深模具的影响研究

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拉深成型作为-种现代加工技术，广泛应用于车辆生产、航空航天、电器电子以及日用品生产等行业。拉深过程是板料毛坯在凸模的作用下被拉人凸、凹模之间的间隙里，从而形成筒形件。

拉深件的质量 、生产效率以及生产成本等 ，与模具设计和制造有直接的关系。因此，模具设计与制造的可靠性尤为重要。拉深模具经过长期的生产使用，因摩擦导致模具工作部件产生磨损或塑性变形及疲劳裂纹，从而使模具失效∩见摩擦是导致模具失效的主要原因之-，但是，传统拉深模具的设计方法只是通过简单的尺寸计算与经验公式及参数来确定模具的结构，并没有考虑其由摩擦引起的应力变化影响，不能实现最优的设计。

对板料拉深模具的有限元应力分析是-个典型的非线性接触问题。 ABAQUS被称为国际上最先进的大型通用非线性有限元分析软件”，非线性分析正是ABAQUS最具优势的领域13]。以ABAQUS软件为分析平台，分析板料拉深过程中摩擦对模具成型部件受力的影响，并分析了凹模圆角半径对摩擦力的影响。

2拉深模的工作条件及失效形式拉深模具主要用于金属板料的拉深成形，拉深过程中模具的受力状态，如图 1所示。拉深时，凸模下压板料，拉深力通过凸模底部和凸模圆角部位传递给板料，板料的外缘部分通过凹模端面与压边圈之间被拉入凸模与凹模之间的间隙。在压边力 ，拉深力F以及板料与模具工作部件相对运动产生的摩擦力的作用下，压边圈与板料相接触的部位受到压力 和摩擦力. 的作用 ；凹模端面受到压力 和摩擦力. ；凹模圆角半径处受到压力 F3及摩擦力 ；凸模圆角半径处受到压力 和摩擦力。

图 1拉深时模具的受力Fig.1 Stress of the Drawing Die在拉深开始阶段，凸模圆角处与板料接触后，产生相对运动，来稿日期：2012-08-14作者简介：陈 珏，(1989-)，男，上海人，在读硕士研究生，主要研究方向：现代设计理论及机械 CAD；胡 军，(1972-)，男，辽宁人，博士，教授，主要研究方向：机械 CAD/CAE/CAM方面第6期 陈 珏等：基于ABAQUS的摩擦对拉深模具的影响研究 229摩擦力。

引起凸模圆角半径处的磨损。随着拉深进-步进行，已变形板料紧贴凸模圆角半径处并开始产生应变硬化 ，相对运动大大减弱，摩擦力变校但是在整个拉深过程中，凹模圆角半径处、凹模端面以及压边圈相应部位始终与板料之间作相对运动，产生剧烈摩擦，压应力和摩擦力都很大，因此凹模与压边圈的磨损现象始终存在。

由于拉深模具的工作部件无刃口，受力面积大，工作时无严重的冲击力，因此，拉深模不易出现塑性变形和断裂失效。但是由于工作时存在着很大的摩擦，造成粘附磨损和磨粒磨损成为拉深模具失效的主要形式，并以粘附磨损为主，是拉深过程中常出现的问题和模具失效的重要原因。粘附磨损的部位发生在凸模、凹模的圆角半径处，以及凹模和压边圈的端面，其中以凹模和压边圈的端面粘附磨损最严重。模具与工件表面产生粘附磨损后，脱落的材料碎屑成为磨粒，从而伴生出磨粒磨损。磨粒磨损将使模具表面更为粗糙 ，进而又加重粘附磨损。

3拉深模具有限元分析3.1问题描述利用ABAQUS分析板料拉深过程中摩擦对模具成型部件产生的影响。利用某-筒形件拉深模具设计中计算所得数据进行分析，增加分析结果的可靠性。

3.2建立实体模型建立凸、凹模和压边圈三个实体模型。毛坯板料直径为90mm，厚度为 0.8ram；凸模直径为 46.08mm，圆角半径为 5mm；凹模直径为49.44mm，圆角半径为4.8mm；压边圈直径为49.44m，圆角半径为0.0048m。在分析整个模具成型过程中的应力变化时，由于凸、凹模，压边圈以及毛坯板料的装配结构均属于轴对称结构，因此在建立模型时采用 l，4简化模型，如图2所示。

图 2拉深模具结构简图Fig.2 Drawing Mold Structure Diagram3.3定义材料凸、凹模和压边圈材料均 Crl2MoV，弹性模量 E2.110 N/m ，泊松比p.-0.3，密度 p7.8xl03kg·m-3屈服强度 .7.61xlO。N/m2。

板料的材料为08F。在ABAQUS中，定义凸、凹模和压边圈均为三维可变形实体单元，定义毛坯板料为三维可变形壳体单元。

3.4定义分析步创建-个显示动态分析步(Pmceduretype：Dynamic，Explicit)，设定该分析步的时间为0.1s，接受其它默认选择。通过1个载荷步，2O个子载荷步完成加载。

3.5定义接触对模具在拉深过程中，板料与凸、凹模和压边圈都是相互接触的，需要在分析过程中建立部件之间的接触对，并且由于在这三对接触中均存在相互摩擦的关系，故需要考虑其摩擦模型的建立。模拟实际的摩擦行为是非常困难的。因此，在大多数默认情况下，ABAQUS使用-个允许弹性滑动”的罚摩擦公式，如图3所示。弹性滑动”是在粘结的接触面之间所发生的小量的相对运动。ABABQUS自动地选择罚刚度(虚线的斜率)，这个允许的弹性滑动”是单元特征长度的很小-部分。罚摩擦公式适用于大多数问题，特别在金属成形问题的研究同。因此，在定义板料分别与凸、凹模和压边圈的接触属性时，采用摩擦系数为0.15的罚函数摩擦公式。

滑动， -7棚粘结 滑移，，，，，图3摩擦行为Fig.3 Friction Behavior3.6约束与加载根据本例拉深模具的对称性，在凸、凹模、压边圈以及板料毛坯的截面上施加对称约束，另外对凸模整体固定约束来限制凸模整体的位移，凸模向下移动18ram。加载过程分为两步：(1)通过压边圈对板料施加 2210N的压边力。(2)通过凸模对板料施加 61500N的冲压力。在这个拉深成型分析中，对于压边力和冲压力，应用具有默认的光滑参数表格形式的幅值曲线，如表 1、表2所示。

表 1压边力的递增幅值数据Tab.1 Increment Amplitude Data of BHF时间/sO.O0.Ooo1幅值O.O1.0表 2冲压力的递增幅值数据Tab.2 Increment Amplitude Data of Stamping Force时间，s 幅值O.O10O.OO.0137网格划分对凹镍行单元划分，采用 C3D8R(8节点六面体实体减缩积分单元)，总共40080个节点，共划分为36340个单元；对压边圈进行单元划分，采用C3D8R，总共39120个节点，共划分为35392个单元；对凸镍行单元划分，采用 C3D8R，总共23439个节点，共划分为21276个单元；对毛坯板料进行单元划分，采用M3D4R(四边形薄膜减缩积分单元)，总共2184个节点，共划分为2103个单元。对凹模、压边圈与凸镍行网格划分的结果，如图4所示。