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轉發自：第２３卷第６期 塑性工程學報 Ｖｏｌ．２３　Ｎｏ．６

２０１６年１２月 ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＰＬＡＳＴＩＣＩＴＹ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｄｅｃ．　２０１６ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－２０１２．２０１６．０６．００９

作者：（山東科技大學機械電（diàn）子工程（chéng）學院，青島　２６６５９０）　蘇春建１　閆楠（nán）楠２　張曉東（dōng）４　陸　順５

（山東科技大學土木工程與建築學院，青島　２６６５９０）　王　清３

摘　要：針（zhēn）對普通（tōng）衝裁（cái）方式獲得的厚板衝裁件常存在尺寸精度低、斷麵質量差及翹曲嚴重等問題，采用雙側齒圈壓（yā）邊的方式對厚板精密衝裁成形進行（háng）模擬和力（lì）學分析，建立了厚板的（de）精衝數學模（mó）型及（jí）有限元模型，研究（jiū）了成形中應力應變問題及靜水應力、材料流（liú）動的規律，並通過（guò）對６、８、１０和１２ｍｍ厚板進行有限元模擬，探討了不同板厚對雙側齒圈壓邊精衝的影響（xiǎng），最後進行實（shí）驗驗證，分析結果（guǒ）表明雙側（cè）齒圈壓邊衝裁方式（shì）能夠增加厚（hòu）板剪（jiǎn）切變形（xíng）區的靜水壓力，充分發揮材料的塑性，提高厚板衝裁件斷（duàn）麵質量。

關鍵詞：厚板；雙側齒（chǐ）圈壓邊；精密衝裁；力學分析

精衝時變形區的球形（xíng）應力張量Ｔεσ是Ｏ點所受的（de）靜水壓，該張量影響Ｏ點材料的塑性［６－７］。從式（４）可以看出（chū）影響變形區靜水壓力（lì）的因素，可通過以下途徑來提高靜水壓力（lì）：１）增大σｙ，主（zhǔ）要是通（tōng）過增（zēng）大頂件反力（lì）；２）增大σＮ，主要（yào）是（shì）通過在一定程度（dù）上減小凸凹模間隙；３）增大σｖｘ＋σｖｙ，通過（guò）增大壓邊力Ｐｖ 來實現；４）采用（yòng）最（zuì）佳壓邊圈齒形內角 α。由圖１可知：

Ｐｖｘ＋Ｐｖｙ＝Ｐｖ（ｃｏｓα＋ｓｉｎα）

　　取極（jí）值：令ｄ（Ｐｖｘ＋Ｐｖｙ）＝０，得：ｄα （５）

Ｐｖ（ｃｏｓα－ｓｉｎα）＝０ （６）

　　因為，壓邊力Ｐｖ 一定，所以，ｃｏｓα－ｓｉｎα＝０， α＝π／４

２　厚板精衝的有限（xiàn）元模擬仿（fǎng）真（zhēn）分析

２．１　有限元模型的建立

在有限元模擬過程中，為保證有限元模型精確描述精衝過程，又能保證模擬結果（guǒ）的正（zhèng）確性，根據實際條件做簡化處理，因此把（bǎ）精衝過程作為軸（zhóu）對稱問題來研究［８－９］。圖４為精衝過程的（de）有限元模型，采用Ｖ形齒圈是精衝與普通衝裁最顯著（zhe）的區別之一，以（yǐ）點劃線為對稱軸，為了節省時間和計算機內存，隻選取工件的１／２模型進行模擬分析，將板（bǎn）料設置塑性體，其他工（gōng）件視（shì）為剛性（xìng）體（tǐ）（即不（bú）變形體），忽略模具的變形。

圖４　精衝過程的有限（xiàn）元模型

Ｆｉｇ．４　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ本文有限元模擬選用直徑Φ２０ｍｍ、板厚８ｍｍ的ＡＩＳＩ－２０鋼為研究對象，其他參（cān）數如下。

１） 模擬幾何參（cān）數：凹模外直徑Φ５０ｍｍ，模具間隙０．５ｍｍ，模具（jù）圓（yuán）角０．０３ｍｍ，板（bǎn）料厚度８ｍｍ，

Ｖ形齒圈速度２ｍｍ·ｓ－１，凸模速度１ｍｍ·ｓ－１。

２） 摩擦係數的選擇：由於是冷衝壓，設置冷摩擦係數為０．１２；板料與其他零件的接觸容差為

０．００１。

３） 網格劃分：板料作為塑性體分（fèn）析，采用四節點單元。塑性剪切區域集中在模具刃口之間極窄的區域內，因此，在模具間隙（xì）處還需對（duì）網格進行局（jú）部細化。

４） 邊界條件的（de）設定：衝裁方向是沿（yán）Ｙ軸負方向，在Ｘ方向上不允許發生金屬流動，把配料的軸對（duì）稱麵設為Ｘ方向固定不動。

５） 衝裁力是選用壓力機和設計（jì）模具的（de）重要依據（jù）之一，影響衝裁力的（de）因（yīn）素主要包括：材料機械性能及其厚度、零（líng）件尺寸、模具幾何參數等。由於精衝是在三向受力狀態下進行衝裁（cái）的（de），變形抗力要比普通（tōng）衝裁（cái）大（dà）得（dé）多，因此精衝總壓力為：

　　其中： ＦＺ＝Ｆ＋ＦＹ＋ＦＦ （７）

Ｆ＝１．２５Ｌｔτｂ ＝Ｌｔσｂ （８）

ＦＹ＝（０．３－０．６）Ｆ （９）

ＦＦ＝Ａｐ （１０）

式中　ＦＺ———精衝總壓力

　　　Ｆ———衝裁力（lì）

　　　ＦＹ———壓料力

　　　ＦＦ———頂（推）件板的反頂力

　　　Ｌ———剪切輪廓線長

　　　ｔ———材料厚度

　　　τｂ———材料的抗剪強度

　　　σｂ———材料（liào）的抗拉強度（dù）

　　　Ａ———精衝零件的承壓麵積

　　　ｐ———單位麵積反壓力，取２０～７０ＭＰａ

２．２　應力分析

圖５是凸模（mó）壓入板料不同位置時各階段的等效應力分布情況（kuàng）。

從圖５可以看出，雙側齒圈壓邊方式下的剪切區內等效應（yīng）力分布較為廣泛，主要集中在剪切區域的模具刃口連線附（fù）近（jìn）以及Ｖ形齒圈內側附近，在剪切變形中，材料水平方向的橫向流動受到Ｖ形齒圈的阻礙作用，對成形中翹曲抑（yì）製作（zuò）用明顯，且能夠增加（jiā）剪切（qiē）區域內的（de）壓應力值，使得材料的塑性增加，有利於精衝變形的進行。

從（cóng）衝裁成形（xíng）前期可以看出，由於頂件板的作用，遠離刃口連線附近的應力也（yě）較大，這樣就能有效抑製衝裁時所產生的彎曲，隨著凸模的下行剪切區域麵積逐漸減小，等效應力也隨之降低，但是由於在衝裁成形過（guò）程（chéng）中不可避免的出現加工硬化現象，變形區的（de）等效（xiào）應力（lì）依舊很大。

衝裁成形中（zhōng）變形（xíng）區的最大等（děng）效應力隨凸模下行變化曲線如圖６所示。在衝裁成形前期，遠離刃（rèn）口連（lián）線附近的應力較（jiào）大，有效抑製衝裁時所產生的彎曲。隨著凸模壓入量（liàng）的增（zēng）加，變（biàn）形區（qū）的等效應力呈明顯減小的趨勢，並逐漸趨於一個定值。

圖５　等效應力分（fèn）布（bù）圖

ａ）凸模下降１ｍｍ；ｂ）凸模下降２ｍｍ

ｃ）凸（tū）模下降４ｍｍ；ｄ）凸模下降５ｍｍ

Ｆｉｇ．５　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｓｔｒｅｓｓ

圖６　最大等效應力與凸模壓入量關係曲線

Ｆｉｇ．６　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｓｔｒｅｓｓａｎｄ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｕｎｃｈ　ｉｎ　ｐｌａｔｅ

２．３　應變分析（xī）

圖７是凸模壓（yā）入板料不同位置時各（gè）階段（duàn）的等效應變分布情況。

從圖７中可以（yǐ）看出，等效應變分布與等效應力相似，主要集中在模（mó）具刃口連線附近，衝裁初（chū）期模具刃口應變分布較小，隨著凸模壓入量增加模具刃口連（lián）線附（fù）近局部（bù）剪切區的應變較大，說（shuō）明板料在精（jīng）衝變形中（zhōng）是在剪切狀（zhuàng）態下進行，有利於板料塑性流動（dòng）。與等效應力最大區別是在非變形區板（bǎn）料的等效（xiào）應（yīng）變幾乎為０。

圖８為衝裁成形中變形區的最大等效應變（biàn）隨凸模下行的變化曲線圖。從圖中可知，隨著凸模壓（yā）入

圖７　等效應變分布圖

ａ）凸模（mó）下降（jiàng）１ｍｍ；ｂ）凸模下降２ｍｍ

ｃ）凸模下（xià）降４ｍｍ；ｄ）凸（tū）模下降５ｍｍ

Ｆｉｇ．７　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｓｔｒａｉｎ量的增加，變形區的（de）等效（xiào）應變呈先增（zēng）大後減小（xiǎo）的趨勢。

２．４　靜水應力（lì）分（fèn）析

靜水應力（即平均應力）對板料的塑性成（chéng）形性能非常重要，靜水壓力（lì）對抑製剪切區（qū）以外的材料（liào）流動有很大作用［１０］。圖（tú）９是齒圈壓入量對靜水壓力影響的（de）變化曲線圖，從圖中可以看出（chū），靜水壓力隨著齒圈壓入量的增加而增大，當齒圈全部壓入板料之後，齒（chǐ）圈附近區（qū）域的靜水壓力最大，其（qí）值約為－１０２ＭＰａ。隨著遠離（lí）齒圈，靜水壓力雖然不斷減小，但在整（zhěng）個精衝變形（xíng）區（qū）內靜水壓力依然較大，有助於板（bǎn）材塑性的發揮，從而獲得質量更佳的衝裁件。

圖９　齒圈壓入量對靜水壓（yā）力（lì）的影響（xiǎng）

Ｆｉｇ．９　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｒｉｎｇ　ｉｎ　ｐｌａｔｅｏｎ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ

圖１０是凸模壓入量對（duì）靜水壓力影響的變化曲（qǔ）線，從圖（tú）中可以看出，衝裁初期，在塑性（xìng）變形區形成較大的靜水壓力（lì），有利於材料的進一步變形，當凸（tū）模下（xià）行５０％以後，剪切變形區（qū）內（nèi）的靜水壓力逐漸減小，拉應（yīng）力逐漸增大，靜水壓力隨凸模壓（yā）入量（liàng）的（de）增加呈減小趨勢。剪切區的拉應（yīng）力容易導致裂紋的產生及擴展（zhǎn），因此靜水壓力對衝裁成形非常重要。

圖１０　凸模壓入量（liàng）對靜水壓力的影響

Ｆｉｇ．１０　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｕｎｃｈ　ｉｎ　ｐｌａｔｅｏｎ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ

２．５　材料流動分析

圖１１是在雙側齒圈壓邊方（fāng）式下的材料流動狀態圖。材（cái）料流動速度用矢量方式表示，材料在各個時刻的流（liú）動方（fāng）向可（kě）以由速度矢（shǐ）量箭頭清楚地顯示，速度的大小用不同的箭頭顏色表示。由於精衝的落料部分（fèn）可以視為理（lǐ）想剛（gāng）性區（qū），對其中的材料視為靜止，因此不（bú）對落料區域（yù）作考慮。

圖（tú）１１　材料流動圖

ａ）凸模下行０．５ｍｍ；ｂ）凸模下行１ｍｍ；ｃ）凸模下行２ｍｍ

Ｆｉｇ．１１　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｌｏｗ

在衝裁初期，如圖１１ａ所示，凸模下壓（yā）量較（jiào）小，材料在三向壓（yā）應力狀態下產生流動渦流，此時的金屬（shǔ）流動速度較慢，凸模下行一段距離後（hòu），如圖１１ｂ、圖（tú）１１ｃ所（suǒ）示，此（cǐ）時材料受三向壓應力作（zuò）用（yòng），抑製非（fēi）變形區材（cái）料向變形（xíng）區轉移。當凸模下（xià）行至中後期時，凸模壓入量加大，凸（tū）緣部分以剛性體狀態繼（jì）續下移（yí），由於在中（zhōng）後期壓應（yīng）力作用減小，材料轉移速度增大，在模具（jù）刃口附近金屬內部晶（jīng）粒變形加大，纖維變形加劇，這時極易出現裂紋，因此金屬（shǔ）材料流（liú）動規律的研究對於衝裁成形具有重要意義。

２．６　板厚對雙側齒圈壓邊精衝的影響

板（bǎn）厚是（shì）影響厚板精密衝裁的主要因素之一，在（zài）實際生產加工中，不同製件對板厚的要求也（yě）不同，因此需考慮多種板（bǎn）厚的分析，本文分別對６、８、１０和１２ｍｍ厚的板材進行有限元（yuán）模擬分析，相對間隙保持不變，分析模擬後的衝裁力曲線和斷麵情況，總結（jié）出（chū）衝裁力隨板厚變化的規律（lǜ），為實際生（shēng）產中的模具設計和設（shè）備（bèi）選擇提供理（lǐ）論幫助。

圖１２是衝裁（cái）後不同板厚的斷麵狀況（kuàng），從圖中可以看出，４種不同板厚的（de）板料衝裁完成後，斷麵狀況都不相同，光（guāng）亮帶（光亮帶主要是產生塑性（xìng）剪切的材料在和模具（jù）側麵接觸中被模具側麵擠壓而形成的光亮垂直的斷（duàn）麵，即圖中斷麵（miàn）上部（bù）較光滑的部分）隨著板厚的增加有所減少，由６ｍｍ的５０％減小到１２ｍｍ的３０％左右，斷（duàn）裂帶（dài）（斷裂帶是由刃口處的微裂紋（wén）在拉應力的作用下不斷擴展而形成的斷裂麵（miàn），斷麵粗糙，即圖中斷麵下部較粗糙的部分）的長度增加。

圖１２　不同板（bǎn）厚的斷麵質量

ａ）６ｍｍ板（bǎn）厚；ｂ）８ｍｍ板厚；ｃ）１０ｍｍ板厚；ｄ）１２ｍｍ板厚

Ｆｉｇ．１２　Ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｈｅｅｔ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ

３　實驗結果

實驗通過精衝模具衝製不同板厚（hòu）（６，８，１０和１２ｍｍ）的鋼板，驗證雙側（cè）齒圈壓邊的模擬結果的準確性。將（jiāng）本次實驗獲得製件（圖１３）與模擬結（jié）果相比（bǐ）可以得出，實驗（yàn）結果與模擬結（jié）果基本相一致，如圖１４所示。

由圖１３實驗所得製件和圖１４模擬結果與（yǔ）實驗結果對（duì）照（zhào）可以看出，衝裁力隨著（zhe）厚板厚度的增大而增大，經（jīng）過（guò）雙側齒圈壓邊精密衝裁的（de）衝（chōng）裁力（lì）在比普通（tōng）衝裁（cái）並沒有大多（duō）少（＜２５％）的情況下斷麵（miàn）質量較好，斷裂帶也能夠得到改善（shàn），圓角及毛刺都較小，製件結果較為理想。

４　結　論

１） 采用雙側齒（chǐ）圈壓邊成形的方法可以一次得到斷麵（miàn）光（guāng）潔的（de）衝裁件，且斷麵質量較高。

２） 在衝裁過程中，模具（jù）刃口（kǒu）附近首（shǒu）先出（chū）現最大（dà）應力，增加剪切區域內的壓應力值，使得材料的塑（sù）性增加，有利於精衝變形的進行，隨（suí）著凸（tū）模壓入量的增加，變形區的等效應（yīng）力呈明顯減（jiǎn）小的（de）趨勢，等（děng）效應變呈先增大（dà）後減小的趨勢。

３） 在雙側齒圈壓邊衝裁過程中，靜水壓（yā）力提高了金屬的流動塑性，衝裁中（zhōng）後期壓應力作用減小，材料轉移速度增大，在模具刃口附（fù）近金屬內部晶粒變形加大，纖維變形加劇，這時極易出現裂紋。

４） 采用雙（shuāng）側齒圈（quān）壓邊時，衝裁（cái）件斷麵質量隨著板厚的增加有降低趨勢，衝裁力隨著板厚（hòu）的增加而增大，但間隙在一定範圍內（nèi）對（duì）衝（chōng）裁力影響不大。

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（上接第２３頁）

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