铍铜弹簧片冲压过程有限元仿真和分析

铍铜弹簧片冲压过程有限元仿真和分析

胡安、赵熙、袁全港、王成

苏州经贸职业技术学院，江苏苏州市，215009

摘要：近年来，随着弹簧工艺技术的发展，弹簧冲压结构件的日趋复杂，带来了更加突出的开裂、翘曲和回弹问题等，它直接影响冲压部件的尺寸精度，影响装配便捷度，甚至影响后续使用寿命等。为了提高生产效率和弹簧结构质量，基于ANSYS Workbench冲压仿真分析已成为弹簧结构产品质量的重要分析方法。在导师的建议下，我在购买了田建辉主编 《有限元分析及 ANSYS18.0 工程应用》进行学习和研读后，并在指导老师的帮助下，完成了该成形结构的有限元分析，为后期具体的模具结构设计提供参考和依据。

关键词：铍铜弹簧、冲压、有限元

1 ANSYS软件功能冲压介绍

基于ANSYS Workbench的弹簧冲压成形的数值模拟，能准确仿真三维模型结构在冲压过程的工作原理。计算分析过程系统是将显式积分非线性动力分析程序与计算模型的前处理和结果分析的后处理有机地连接结合成一体。这样既充分利用了其强大的前、后处理功能来建立三维有限元模型，又能通过非线性求解得到精确的仿真计算结果。利用ANSYS Workbench有限元方法对弹簧冲压成形过程进行数值模拟计算分析，对冲压成形过程中压痕、翘曲、开裂和回弹等现象的进行分析和研究，可为板线材弹簧成形工艺的改进和优化提供有力的参考和依据。[13]

2冲压仿真计算模型构建

（1）CAD模型

本文设计的冲压+折弯工艺模具整体模型如图3-1(a)所示，为了简化计算分析模型，将CAD模型简化为冲头结构、下模具、上模具和金属板线材四个部分（如图3-1b所示），并模拟第四步冲压结果。

（a）完整模型                       （b）简化模型

图3-1 冲压CAD模型

（2）有限元模型

有限元整体模型网格划分如图3-2(a)所示，图3-2(b)为板线材弹簧毛坯网格划分结果，整体网格尺寸为1mm，并对弹簧片、上下模具以及冲头上部所有涉及接触的部位进行了网格加密，尺寸为0.1mm。最终整体网格数量为10.2万，节点数量为27.5万，弹簧片网格数量为1万，节点数量为4.5万。

（a）整体网格模型                       （b）弹簧片

图3-2 有限元模型及网格

文中板线材弹簧金属为铍铜材料，材料属性选择弹塑性材料，即为各向同性双线性弹塑性模型，其应力-应变关系如图3-3所示：

图3-3 铍铜本构曲线

（3）分析设置和边界条件

仿真分析中，冲头、下模具、上模具和金属板线材四个结构共设置三对接触，如图3-4所示。其中，上模型与板线材为摩擦接触，下模型与板线材为摩擦接触，冲头与板线材为摩擦接触。

（a）上模型与板线材为摩擦接触

（b）下模型与板线材为摩擦接触

（c）冲头与板线材为摩擦接触

   图3-4 接触对设置

模拟过程分为冲压和卸载两个载荷步，载荷施加在冲头结构件上，为位移载荷。初始子部数为1000步，最小子部数为100步，最大子部数为1000000步，采用允许大变形设置。约束条件为下模底面全位移约束。

3 冲压仿真结果分析

（1）等效残余应力和应变

由冲压卸载后弹簧的等效残余应力和应变云图（图3-5和图3-6）可得，弹簧结构中等效残余应力和应变较大的区域基本一致，分别在凹模弯曲较大的区域，在弹簧片弯曲头部残余应力和应变较小，可为后续改进和优化弹簧片冲压工艺提供理论依据和参考。

（a）板线材上端面                  （b）板线材下端面

图3-5 等效残余应力分布

（a）板线材上端面                  （b）板线材下端面

图3-6 等效残余应变分布

（2）回弹变形

图3-7(a)为冲头最大行程时弹簧片的变形云图，而图3-7(b)为卸载后的变形云图，对比二者，发现弹簧片结构的整体回弹量较小，回弹范围在0.003mm-0.03mm之间，满足工程需求。

（a）冲头最大行程                  （b）冲头卸载后

图3-7 回弹变形云图比较

参考文献：

[1] SolidWorks 2020 中文版 从入门到精通//周涛主编，刘浩，吴伟副主编，化学工业出版社,2021.03.

[2] 黄家强.冷冲压级进冲裁模具结构的优化设计[J].装备制造技术,2020(06):188-190+196.

[3] 《冲压模具从入门到精通》金龙建，杨梅编著，化学工业出版社.

[4] 中国标准出版社，全国模具标准化技术委员会编.中国机械工业标准汇编锻压卷/上、下.北京:中国标准出版社，2001

[5] 汪大年主编.金属塑性成形原理(修订本).北京:机械工业出版社，1986

[6] 袁泉,刘光超.开关簧片冲压工艺分析及模具设计[J].制造技术与机床,2014(10):150-152+163.

[7] 龚光军,陈传胜.基于

SolidWorks二次开发的冲压模具教学改革与实践[J].电脑知识与技术,2017,13(06):243-244.

[8] 王军良,解宇鹏,王仲勋,宫晨亮,蒋晓东,胡玮.基于SolidWorks Composer的齿轮泵虚拟设计与展示[J].佛山科学技术学院学报(自然科学版),2018,36(06):42-47.

基金项目：2023年江苏省职业院校学生创新创业培育计划项目（编号：G-2023-1536）