常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院模具系　都超平

利用Pro/ENGINEER軟件系統(tǒng)可以快速查詢實(shí)體物性的功能，通過建立和沖裁輪廓相對(duì)應(yīng)的薄壁實(shí)體模型，快速得到各類沖裁方式中沖裁力數(shù)值大小和壓力中心位置，方法簡(jiǎn)便，具有普遍的適應(yīng)性和較強(qiáng)的實(shí)用性。

一、引言

沖裁力和沖裁模壓力中心的計(jì)算確定，是設(shè)計(jì)沖裁模時(shí)工藝計(jì)算的主要內(nèi)容之一。沖裁力是選用壓力機(jī)和設(shè)計(jì)沖裁模的重要依據(jù)。模具的壓力中心就是沖壓力合力的作用點(diǎn)。為了保證模具和壓力機(jī)的正常工作，應(yīng)使模具的壓力中心和壓力機(jī)滑塊的中心線相重合。否則，沖壓時(shí)會(huì)使滑塊承受偏心載荷，導(dǎo)致滑塊導(dǎo)軌和模具導(dǎo)向部分不正常磨損，還會(huì)造成凸、凹模之間的間隙分布不均勻，從而影響制件質(zhì)量和降低模具壽命甚至損壞模具。

一般手冊(cè)和教科書介紹的沖裁力和壓力中心的計(jì)算方法，較為繁瑣、容易出錯(cuò)，適合于不是很復(fù)雜的形狀的計(jì)算，在遇到不規(guī)則曲線等復(fù)雜情況時(shí)則難以計(jì)算，而利用Pro/ENGINEER強(qiáng)大的造型和分析功能，可以快捷、準(zhǔn)確地得到所需參數(shù)。

二、Pro/ENGINEER系統(tǒng)應(yīng)用分析原理

1.沖裁力的計(jì)算原理

沖裁力一般是根據(jù)剪切原理進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)用普通平刃模具沖裁時(shí)，其沖裁力F的計(jì)算公式為：

式中：K為安全系數(shù)，一般取K=1.3；L為沖裁周邊長(zhǎng)度（剪切長(zhǎng)度），單位為mm；t為板料厚度，單位為mm；τb為板料的抗剪強(qiáng)度，單位為MPa。

2.壓力中心的計(jì)算原理

形狀對(duì)稱的沖裁件，其壓力中心位于沖裁輪廓的幾何中心上，一般不需計(jì)算。而對(duì)多凸模沖裁和形狀復(fù)雜的單凸模沖裁的壓力中心，按合力矩定理進(jìn)行解析計(jì)算，如圖1、2所示。

圖1　復(fù)雜形狀單凸模壓力中心計(jì)算

圖2　多凸模壓力中心計(jì)算

因沖裁力F與沖裁周邊長(zhǎng)度成正比，所以式（2）、（3）也可用沖裁周邊長(zhǎng)度。

3.Pro/ENGINEER求解沖裁力和壓力中心原理

由公式（1）、（4）和（5）可知，沖裁力和壓力中心均和沖裁周邊長(zhǎng)度相關(guān)，單凸模沖裁各邊和多凸模沖裁的各沖裁力均為空間平行力系，平行力系的合力大小等于各分力的代數(shù)和。平行力系合力的作用點(diǎn)即壓力中心的位置，和沖裁周邊各線段組成輪廓的質(zhì)心重合。

在Pro/ENGINEER系統(tǒng)中，可以很方便地查詢得到實(shí)體的體積、質(zhì)心、慣性矩等參數(shù)。若按沖裁周邊輪廓按拉伸薄板（加厚草繪）的方式，只要薄板厚度足夠小，則拉伸實(shí)體的質(zhì)心和壓力中心位置在相當(dāng)高的精度內(nèi)重合，在輪廓平面內(nèi)，質(zhì)心的坐標(biāo)值即壓力中心的坐標(biāo)值，如圖3所示。

圖3　薄板輪廓的質(zhì)心

三、實(shí)例應(yīng)用

圖示沖裁件，材料為Q235鋼，板料厚度t=1mm，分別確定沖裁外輪廓、復(fù)合沖裁、級(jí)進(jìn)沖裁（多凸模沖裁）時(shí)沖裁力和壓力中心。

圖4　沖裁件零件圖

在Pro/ENGINEER系統(tǒng)中，分別安裝實(shí)際的沖裁輪廓畫草圖，選擇拉伸（加厚草繪）的方式，薄板的厚度取δ=0.1mm，拉伸高度考慮實(shí)際顯示效果，按H=3.5進(jìn)行拉伸，則此時(shí)壓力中心不變，質(zhì)量數(shù)值亦即沖裁力的數(shù)值，單位為kN。圖5～7為外輪廓沖裁、復(fù)合沖裁和級(jí)進(jìn)沖裁（多凸模）三種沖裁情況。

圖5　外輪廓沖裁

圖6　復(fù)合沖裁

圖7　級(jí)進(jìn)沖裁（多凸模）

IM

圖5～7中的三種沖裁情況的Pro/ENGINEER系統(tǒng)結(jié)果和手工計(jì)算的結(jié)果對(duì)比如表所示。

表 Pro/Engineer系統(tǒng)和手工計(jì)算結(jié)果對(duì)比

四、結(jié)語

從數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比表1可以看出，當(dāng)取加厚草繪（薄板厚度）δ=0.1mm進(jìn)行輪廓拉伸時(shí)，Pro/ENGINEER系統(tǒng)生成的結(jié)果和手工計(jì)算的結(jié)果，在不同的沖裁模具形式中都是高度重合，其精度完全滿足實(shí)際沖壓的需要。用Pro/ENGINEER系統(tǒng)生成計(jì)算結(jié)果，更快捷高效，適應(yīng)性廣，尤其對(duì)于有復(fù)雜曲線輪廓的沖裁件，優(yōu)勢(shì)特別明顯。

基于此原理，對(duì)于不等厚板材的沖裁，Pro/ENGINEER系統(tǒng)同樣可以適用，只需對(duì)拉伸輪廓按厚板變化稍作處理。

從拉伸輪廓圖容易看出，壓力中心（輪廓質(zhì)心）和沖裁件本身的重心是兩個(gè)概念，一般情況下是不重合的。

Pro/ENGINEER系統(tǒng)的這種確定沖裁力和壓力中心的方法，同樣適用于其他三維軟件。