典型精冲凸模的失效分析及结构优化
典型精冲凸模的失效分析及结构优化 华中科技大学 硕士学位论文 典型精冲凸模的失效分析及结构优化 姓名：林方 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：张祥林;肖祥芷 2011-01-16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 精冲技术是一种精密的塑性成形技术，可以加工得到尺寸精度高、冲裁面光洁、 翘曲小且互换性好的优质零件，因此广泛应用于各工业领域。随着精冲工艺以及模 具结构越来越复杂，模具开发周期长，频繁地修复和更换严重影响生产效率，精冲 模具的寿命问题成为制约行业发展的瓶颈。因此，分析精冲模具的失效形式，并且 对模具结构进行优化，从而延长模具的使用寿命，具有非常重要的现实意义。 本文首先针对棘爪、滑槽板两副精冲模具出现断裂的凸模，从力学强度校核、 金相试验、硬度试验、断口电镜扫描等进行试验分析。结果表明棘爪的冲孔凸模采 用Cr12MoV冷作模具钢，碳化物组织呈带状分布，而且硬度偏低，最终导致纵向开 裂；滑槽板的异形凸模选用粉末冶金钢S790，材质及热处理方法选择恰当，而采用 扫描电镜在断口观察到沿晶断裂、二次裂纹和微孔花样，由此断定凸模为脆性疲劳 断裂。 其次对精冲凸模的结构及其固定方式进行对比分析，并运用 ANSYS Workbench 有限元软件对凸模在螺钉预紧力和冲裁力作用下的应力状态进行分析，得到凸模根 部螺纹孔处的应力集中情况，并提出凸模结构合理的改进方案。 最后对棘轮精冲模具整体结构进行分析，得到模具的应力应变分布情况。针对 半冲孔凸模刃口应力值过大的问题，对薄壁凸模结构进行优化，并对优化后的结构 进一步分析验证，结果显示凸模最大应力值减小 40% 。 关键词：精冲模具，失效分析，有限元分析，结构优化 - I - 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract Fine blanking is a precise plastic forming technology, which can be used to process parts with high dimensional precision and smooth sheared surface. Based on these satisfactory advantages, fine blanking has been widely used in many industrial fields. The forming process and die structure are becoming more and more complicated. However, the long development cycle and low lifetime is the bottle neck for the fine blanking future development. Thus it is significant to analyze of the failure types and the main factors affecting the die life, and make future improvement for the die structures. The fine blanking dies of the pawl and the chute used for the seat recliner were firstly introduced in this thesis, and failure analysis has been carried out in view of mechanical calculation, metallographic test, hardness test and SEM. The results showed that the material Cr12MoV with poor banded distributed carbides and low hardness was the main cause for the longitudinal rupture of the pawl punch. For the chute punch, the powder metallurgy high speed steel S790 was selected and had a good comprehensive performance. While the intercrystalline fracture, secondary crack and microporous pattern have been examined in the SEM test. It could be concluded that the rupture of the chute punch was brittle fatigue fracture. Secondly, the different structures and fixed modes for the punch were comparatively analyzed. The stress and deformation distribution of the chute punch was analyzed by ANSYS Workbench. There was stress concentration at the screw thread hole caused by the screw preload and blanking force. The structure improvement was proposed. Finally, the ratchet die structure was researched by finite element method. The result showed that the stress of the semi-piercing punch was over the material ultimate strength. The thin-walled punch was optimized and the imum stress was decreased by 40%. Key words ：fine blanking die, failure analysis, finite element method, structure optimization - II - 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 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。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （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 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1. 绪 论 本章首先阐述精冲的成形机理及其工艺特点，并在广泛阅读文献资料的基础 上，介绍国内外精冲技术的应用发展和研究状况，然后说明课题的来源以及选题的 研究意义，最后一一列举本文的研究内容。 1.1 精冲技术概况 精冲的成形机理 1 精冲属于无屑 加工技术，是在普通冲压技术基础上发展起来的一种精密冲裁 方法。使用精冲技术可以获得尺寸精度高、冲裁面光洁、翘曲小且互换性好的优质 2 零件 ，并可以减少后续的磨削等工序，能够以较低的成本达到产品质量的改善， 同时提高生产效率，节约能源，具有绿色环保意义。精冲技术广泛应用于汽车、摩 托车、
