模具设计中的力学因素综述

模具设计中的力学因素综述

【摘要】近二十年以来机械制造业正以迅猛的发展步伐向精密加工、超精密加工发展，在未来的发展过程中精密加工、超精密加工将成为在国际竞争、市场竞争中取胜的关键技术。汽车工业是一个国家工业水平的标志之一。我国为汽车行业服务的汽车模具行业是一个新发展起来的行业，其规模和水平与发达国家相比有较大的差距。随着模具技术的不断发展，对模具的质量和模具材料性能的要求日益严格。各种汽车覆盖件冲压模具在服役过程中都要承受一定的机械负荷，有的还要经受热负荷和环境介质的作用。在这些因素作用下，经过一定的服役时间，模具可能会发生过量的变形、断裂和表面损伤等失效现象。这就需要我们在模具设计中考虑到后续使用时的强度、质量、寿命问题。这就回归到对材料的力学研究问题上来。只有在力学研究上取得突破，达到可靠的力学性能才有可能在后续生产使用中合格。

【关键词】模具；力学；发展；应用

1 前言

随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展，许多新技术、新工艺、新设备、新材料不断涌现，因而促进了冲压技术的不断革新和发展。模具对材料进行力的施加使得材料产生变形。材料在力的作用下产生弹性变形和塑性变形，而在模具冲压中我们主要是要求材料产生塑性变形。然而材料的塑性不是固定不变的，不同的材料在同一变形条件下会有不同的塑性，而同意材料，在不同的变形条件下，会表现出不同的塑性。塑形反应金属的变形能力，是金属的一种重要加工性能。在冲压过程中，模具表面的局部构形会对模具的受力分布产生影响。在极短时间的高强度冲击作用下，应力分布的不均匀会导致模具的表层材料的力学性能分布不均匀。在实际加工过程中，加工轨迹上会分布形状大小各异的局部构形。对于加工轨迹上不同区域的材料的不同状况，加工时所要求的强化量是不相同的，所以需要在预定的加工轨迹方案上针对局部情况对加工轨迹进行调整和优化。为确定加工轨迹上哪些局部构形的强化量需要特别规划，就需要搞清楚模具上这些局部构形在冲压过程中的受力状况如何，以及局部构形的尺寸形状对于应力分布的影响。冲压模具上常见的破坏形式为磨损破坏和疲劳破坏。根据磨损理论，磨损与表面剪切应力和亚表层剪切应力有很大关系，无论剥层还是擦伤都由表层和亚表层的塑性变形引起的。根据疲劳理论，疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部，特别是应力集中的构件表面处。疲劳裂纹的扩展则由最大剪应力控制的，形成的微裂纹与最大剪应力方向一致。这些因素都有可能导致模具设计的失败或者产品的报废。[]M

我们在最近几十年，加强了对材料的研究，也有许多方法来测量金属塑性变

形能力，来确定模具冲压设计中材料的力学形态，从而发过来确定模具设计中的力学因素。取得了一些成果，但还有很多问题需要我们去探究[]J。

2 模具设计中的力学研究现状

国内外对冲压成形理论的研究非常重视，在材料冲压性能研究、冲压成形过程应力应变分析、板料变形规律研究及坯料与模具之间的相互作用研究等方面均取得了较大的进展。特别是随着计算机技术的飞跃发展和塑性变形理论的进一步完善，近年来国内外已开始应用塑性成形过程的计算机模拟技术，模拟金属的塑性成形过程，根据分析结果，设计人员可预测某一工艺方案成形的可行性及可能出现的质量问题，并通过在计算机上选择修改相关参数，可实现工艺及模具的优化设计[]J。这样既节省了昂贵的试模费用，也缩短了制模具周期。

在精密成形领域，特别是模具受力非常恶劣的成形中，许多学者进行了模具受力情况的研究。Murata等用电容式位移传感器测量了冷锻中的模具变形。Lee 等同时通过实验方法和数值模拟方法研究了冷锻模具的弹性变形。数值模拟中分别把模具视为刚性体和弹性体进行研究，与实验进行了对比[]J。Conor等用有限元法分析了工件破裂过程。由于汽车覆盖件模具往往体积庞大且型面复杂，用传统方法对冲压过程和模具的结构分析进行耦合求解，问题规模会超出目前计算机的软硬件能力。陈亮、张贵宝等提出一种基于板料成形数值模拟的模具结构分析方法，先通过板料成形数值模拟得到板料变形对模具的作用力，然后通过边界力的映射算法将作用力施加到模具的有限元模型上，再对模具进行结构分析。经过实验验证，等效应力最大误差为14.81 %，表明该方法既可信又兼顾了效率[]M。

现在我们对材料的力学形态的研究一般兼顾宏观和微观的两个方面。宏观的方面我们是从整个材料的受力来考虑的，以便隐身到微观去微观考虑力的传递。微观的是从材料的小单元的方面来考虑材料的变形，从而回到宏观来为宏观服务。宏观方面我们一般从零件受力(载荷,负荷) 种类，载荷作用于位臵以及是动载荷还是静载荷或者结合各种分析软件和成型软件来对模具设计中的力学分析更好的去解决，例如我们用到的有ansys 分析，dynaform分析，dyform分析以及UG绘图，Proe绘图等等各种软件在一定程度上使我们在力学分析中更好的去考虑全面。然而在在模具的工作过程中，模具各零部件由于受到压力的作用，可能因强度不足产生塑性变形，也可因刚度不足导致溢料飞边，降低塑料制品精度。因此，必须对塑料模具进行力学分析，确保模具在成型过程中满足要求，获得合格的制件。目前，各种文献资料都列出了一些塑料模具力学设计计算公式，但所给公式形式各异，理论基础薄弱，力学模型的简化与实际结构不十分相符，而且，大多数的力学分析都没有进行有效的验证。这将严重的影响模具设计的正确性，同时也会增加模具设计与制造的周期与成本。因此，我们在对模具受力分析的时候会用到许多假设或者不太完善的理论，这在一定程度上限制了对模具设计更好的分析[]M。

3 模具设计中的力学分析发展

力学在汉语中的意思是力的科学。汉语“力”字最初表示的是手臂使劲，后来虽又含有他义，但都同机械或运动没有直接联系。“力学”一词译自英语mechanics（源于希腊语——机械）。mechanics在19世纪50年代作为研究力的作用的学科名词传入中国时，译作重学，后来改译作力学。发展简史力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验。古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位臵、物体在水中受到的浮力等作了系统研究，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学即平衡理论的基础。伽利略在实验研究和理论分