冷彎型鋼在線剪切數(shù)值模擬

1 介紹

　　電除塵器是一種高效除塵器，在中國(guó)的應(yīng)用始于20世紀(jì)30年代。當(dāng)前，電除塵器在電力、冶金、化工、建材等行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛。電除塵器一般是利用直流負(fù)高壓使氣體電離、產(chǎn)生電暈放電，進(jìn)而使粉塵荷電，并在強(qiáng)電場(chǎng)力的作用下，將粉塵從氣體中分這種情況擬采用斜角剪切方式，首先對(duì)左右兩邊直離出來(lái)的除塵裝置。陽(yáng)極板是電除塵器的重要組成部分，其質(zhì)量的好壞直接影響到除塵的效果。目前企業(yè)生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題是剪切過(guò)程中兩側(cè)豎直壁部分述由于產(chǎn)生壓縮失穩(wěn)導(dǎo)致其形狀不良，剪切后靠人工修正，這樣一來(lái)不僅產(chǎn)品質(zhì)量不能夠保證，而且也大大增加了生產(chǎn)成本。
　　傳統(tǒng)的剪切過(guò)程研究方法都是依靠大量的實(shí)驗(yàn)和簡(jiǎn)單的力學(xué)分析，找出某種經(jīng)驗(yàn)或者是半解析公式，用來(lái)計(jì)算力能參數(shù)。塑性成形仿真技術(shù)的發(fā)展為研究型鋼在線剪切機(jī)理和預(yù)測(cè)產(chǎn)品成形缺陷、優(yōu)化工藝參數(shù)提供了新的途徑。采用新的剪切方式后切斷迅速、切口無(wú)毛刺、變形小，保證了產(chǎn)品端面的質(zhì)量。

2 剪切分析
　　本文以電除塵器大Ｃ型陽(yáng)極板（長(zhǎng)度為１５０６０ｍｍ）為進(jìn)行分析。 

　　為解決生產(chǎn)中所出現(xiàn)的左右兩側(cè)豎直壁部分形狀不良的問(wèn)題，首對(duì)板的剪切原理進(jìn)行分析。目前所采用的剪切形式為一次性垂直剪切方式，上刀板刃口形狀合理，變形較大的原因?yàn)楫?dāng)剪切到兩側(cè)豎直壁部分時(shí)發(fā)生壓縮失穩(wěn)導(dǎo)致局部變形過(guò)大。針對(duì)壁部分進(jìn)行剪切，首先對(duì)左右兩邊直臂部分進(jìn)行剪切，然后再對(duì)中部水平部分進(jìn)行切斷。由于水平剪板工藝已經(jīng)很成熟完善，故這里不再贅述。豎直壁部分的剪切原理見圖２所示。
　　在定模和動(dòng)模上均按型鋼截面線切割加工出孔形型腔，當(dāng)動(dòng)模沿傾角口移動(dòng)距離ｓ時(shí)，將定模和動(dòng)模上的型腔開口關(guān)閉，剪斷型鋼，然后動(dòng)模迅速?gòu)?fù)位。這種切斷方式使型鋼垂直邊和水平邊同時(shí)切斷，從而保證斷面質(zhì)量。設(shè)剪斷型鋼垂直邊的錯(cuò)距為S1
　　剪斷型鋼水平邊的錯(cuò)距為S2：，則有：

　　顯然，當(dāng)傾角α取某值時(shí)，必能使得剪切行程S最小。在本課題中型鋼的局部尺寸如圖３所示。
　　將數(shù)值代入后顯然可知當(dāng)α＝45°時(shí)S最小，綜合考慮剪切行程和剪切機(jī)結(jié)構(gòu)，一般取α為30°~45°，因此，確定傾角α為45°。
　　設(shè)型鋼板材展開長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則有切斷力為：

　　使用這種剪切方式切斷型鋼的最大優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生切屑，收得率最高。另外，改進(jìn)剪切方式后剪切行程很短，一般僅為幾毫米，所以剪切時(shí)間短，剪切機(jī)隨動(dòng)行程短，可適應(yīng)高速冷彎型鋼機(jī)組生產(chǎn)要求。剪切后型鋼斷面無(wú)毛刺，剪切噪聲低、振動(dòng)小。但是這種剪切方法不適用于閉口斷面的型鋼剪切。

３ 彈塑性有限元理論基礎(chǔ)
　　由于近年來(lái)有限元模擬的飛速發(fā)展，采用軟件方法驗(yàn)證該方案是否可行及合理就成為可能。由于型鋼在線剪切過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)以及大應(yīng)變，因此，使用大變形彈塑性有限元求解比較合適。更新的拉格朗日（Ｕ．Ｌ．）有限元方法，能夠較準(zhǔn)確地模擬精沖塑性大變形中應(yīng)力、應(yīng)變的分布及發(fā)展趨勢(shì)。Ｕ．Ｌ．法將最后一個(gè)已知的平衡狀態(tài)（ｔ時(shí)刻）作為參考構(gòu)形，去求解t+△t出時(shí)刻物體的各個(gè)未知量。用Ｕ．Ｌ表示的虛功方程為：

　　經(jīng)過(guò)離散化，引入位移形函數(shù)，得到最終的平衡方程（U.L.方法描述的大變形彈塑性有限元方程）：

４ 彈塑性有限元模型的建立
　　零件三維模型如圖４所示，材料厚度1.5ｍｍ，材質(zhì)ＡＩＳＩ一１００８。
4.1 基本模型參數(shù)的設(shè)置
　　AISI一1008鋼楊氏模量為２×100000，泊松比0.3，初始屈服極限700ＭＰａ，硬化指數(shù)0.15。由于零件模型較大，所以網(wǎng)格劃分為150000個(gè)網(wǎng)格，剪切速度100mm/s。邊界條件采用常規(guī)模型，即：

　　在本課題中影響沖裁質(zhì)量的關(guān)鍵因素首先是傾角α，其次沖裁間隙也是直接關(guān)系到?jīng)_件斷面質(zhì)量、尺寸精度、模具壽命和力能消耗的重要工藝參數(shù)。沖裁間隙主要與材料牌號(hào)、供應(yīng)狀態(tài)和厚度有關(guān)。據(jù)間隙的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，有：

　　因此，沖裁間隙取0.08ｍｍ。此外合適的小圓角更能增加光亮帶的長(zhǎng)度，凸、凹模的圓角可以抑制裂紋的產(chǎn)生，有利于金屬材料的流動(dòng)。

數(shù)值模擬使用的工藝參數(shù)如表ｌ所示。

4.2 材料的斷裂韌度與斷裂判據(jù)
　　雖然斷裂問(wèn)題在金屬塑性加工中是一種常見的現(xiàn)象，但是在早期的金屬塑性加工數(shù)值模擬中，卻很少涉及到斷裂問(wèn)題的模擬。對(duì)工件斷裂的判斷往往停留在強(qiáng)度理論上，以等效應(yīng)力或等效應(yīng)變作為是否出現(xiàn)斷裂的判據(jù)，這實(shí)際上并不能滿足加工工藝研究的需要。于是許多學(xué)者提出了各種延性斷裂破壞的判斷方法，這些方法分為兩類：①第一類稱為機(jī)遇試驗(yàn)的準(zhǔn)則（Ｅｍｐｉｒｉｃａｌｃ—ｔｅｒｉａ）法，它主要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)試驗(yàn)來(lái)獲取材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后用于對(duì)材料成形過(guò)程中的延性斷裂的判斷上，它還可分為三種，即應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變能準(zhǔn)則。這類準(zhǔn)則的代表是Ｃｏｃｋｒｏｆｔ—ｌａｔｈａｍ準(zhǔn)則。從所分析的尺度和方法上講它屬于宏觀斷裂力學(xué)的范疇。這種方法的缺陷是簡(jiǎn)單的力學(xué)實(shí)驗(yàn)條件和金屬成形過(guò)程中的條件相差甚遠(yuǎn)，由簡(jiǎn)單試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)值應(yīng)用到復(fù)雜的成形分析中，是有很大的近似，很顯然不能將鐓粗試驗(yàn)破壞值應(yīng)用到板料成形的斷裂分析中。另外這些準(zhǔn)則不能判斷工件內(nèi)部裂紋。②第二類方法是基于微觀組織的準(zhǔn)則（Microstructure based criteria)。這種方法可以將空洞的幾何參數(shù)在材料的本構(gòu)方程中加以描述，可以分析斷裂過(guò)程中裂紋的形成、發(fā)展的微觀組織變化。這種準(zhǔn)則的描述更為具體，它考慮了空洞的幾何尺寸對(duì)斷裂的影響，將各種影響斷裂的因素考慮到材料的本構(gòu)關(guān)系中。根據(jù)它分析的空問(wèn)尺度和對(duì)象，屬于連續(xù)損傷力學(xué)范疇。它旨在利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法研究具有微觀結(jié)構(gòu)固體變形及破壞行為。具有代表意義的模型有Gurson、Lemaitre模型以及Rouselier 模型等。
　　金屬在加工過(guò)程中的斷裂大多是延性斷裂，很少發(fā)生脆性斷裂。一般認(rèn)為，金屬中的延性斷裂是由空洞（Void）的聚結(jié)和增長(zhǎng)引起的?？昭ɡ碚搶儆趽p傷累積理治[5]。這些空洞是材料中由于位錯(cuò)堆積、第二相粒子或其他缺陷產(chǎn)生的。在金屬塑性變形的作用下，空洞能夠長(zhǎng)大直至一定數(shù)量的空洞聚結(jié)起來(lái)形成裂紋?？斩撮L(zhǎng)大聚結(jié)的程度與工藝參數(shù)、材料特性有很大的關(guān)系。
　　迄今為止。最有效的預(yù)測(cè)金屬成形過(guò)程中延性斷裂的方法，還是通過(guò)研究材料的應(yīng)力應(yīng)變歷史，建立合理的局部斷裂判斷準(zhǔn)則。
　　Freudenthal以單位體積塑性功為參數(shù)，建立了判斷材料發(fā)生大變形時(shí)的斷裂準(zhǔn)則。在這之后的10~20年時(shí)間內(nèi)，許多學(xué)者都是在此基礎(chǔ)上提出了其他準(zhǔn)則。

　?。脼閼?yīng)力強(qiáng)度因子臨界值，是表征材料抗延性斷裂的參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)獲得。在此基礎(chǔ)上，１９６８年ＭｃＣＩｉｎｔｏｃ提出了材料延性斷裂判斷準(zhǔn)則：

　　當(dāng)模型應(yīng)力強(qiáng)度因子Ｃ達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，裂紋就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展，而后導(dǎo)致物體的斷裂。這個(gè)臨界值就稱為斷裂韌度。ｃ值越大，裂紋越不容易失穩(wěn)擴(kuò)展。斷裂韌度是材料的固有特性，與材料的幾何尺寸及外力大小無(wú)關(guān)。
　　在本文的模擬中，采用了Ｍｃｃｌｉｎｔｏｃｋ韌性斷裂準(zhǔn)則來(lái)判斷裂紋是否出現(xiàn)，臨界損傷值Ｋ的確定參考了文獻(xiàn)中精沖實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，確定為0.2，能基本滿足模擬的需要。在材料破壞準(zhǔn)則選取之后，與之相配合的就是怎樣在有限元程序中應(yīng)用該準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)材料斷裂分離的模擬。裂紋擴(kuò)展的表示方法有單元?jiǎng)h除法、節(jié)點(diǎn)分離法和單元分裂法。DEFORM采用了單元?jiǎng)h除法來(lái)處理失效破壞的單元，一旦某個(gè)單元形心處的損傷達(dá)到其臨界值，就認(rèn)為該單元已破壞，需將其取掉。并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)處理，繼續(xù)計(jì)算

5 模擬結(jié)果
　　首先我們可以直觀的從模擬結(jié)果中看出零件的變形量較小，模擬后的橫截面如圖５所示。從圖中可以看出，零件豎直壁部分形狀變化量很小。圖6中深色部分是未剪切錢零件左端橫截面形狀，淺色部分為剪切后零件改變后的形狀。

　　從圖6中我們可以直觀的看出零件的形狀改變量很小，經(jīng)測(cè)量最大變形量?jī)H在0.6mm以內(nèi)，而工藝要求為1.5mm，模擬結(jié)果證明剪切方式正確。其次剪切行程較改進(jìn)前有很大幅度的減小，改進(jìn)前，剪切總行程在100mm以上，改進(jìn)后剪切兩側(cè)面的行程僅為14mm，加上剪切水平部分所需的行程5mm，總行程僅為改進(jìn)前的1/5。由于截?cái)嗟目傂谐讨挥?9mm，因而剪切時(shí)間大大減少，使提高產(chǎn)品產(chǎn)量成為可能。因此，改進(jìn)后的剪切方案合理可行。

 　　在縮短剪切行程和剪切時(shí)間的同時(shí)，剪切時(shí)所需的最大壓力也有所降低。壓力行程曲線如圖7所示，從壓力行程曲線中可以看出，沖裁力在剪切開始階段變化較快，材料從彈性變形轉(zhuǎn)入塑性變形。隨著變形程度的不斷加大，板料承受剪切刀的有效面積在不斷增大，材料硬化作用加強(qiáng)，沖裁力不斷增加，直至達(dá)到最大剪切力，在行程為2.4mm處壓力達(dá)到最大值69386N，隨后由于承受力的有效面積下降，所需壓力也逐漸減小直至減小為零。

6 結(jié)論
　　針對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題提出使用傾角為45°的斜角剪切方式。通過(guò)使用DEFORM—3D軟件，對(duì)AISI—1008冷彎型鋼沖裁工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬，使用了McClintock 韌性斷裂準(zhǔn)則。模擬結(jié)果證明剪切方式有效、可行，使用斜角剪切方式減小了零件形狀改變量，縮短了沖裁時(shí)間。