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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子工程學院，青島　２６６５９０）　蘇春建１　閆楠楠２　張曉東４　陸（lù）　順５

（山東科技大學（xué）土木工（gōng）程與建（jiàn）築學院，青島　２６６５９０）　王　清３

摘　要：針對普通（tōng）衝裁方（fāng）式獲得的（de）厚板衝（chōng）裁件常存在尺寸精度低、斷麵質量差（chà）及翹曲嚴重等問題，采用雙側齒圈壓邊的方式對厚板精密（mì）衝裁成形進（jìn）行（háng）模擬和力學分（fèn）析，建立了厚板的精衝數學模型及有限元（yuán）模型，研究（jiū）了（le）成形中應力應變問題及靜水（shuǐ）應（yīng）力、材料流動的規律，並通過對６、８、１０和１２ｍｍ厚板（bǎn）進行有限元模（mó）擬，探討了不（bú）同板厚對雙側齒圈壓邊精衝的影響，最（zuì）後進行實驗驗證，分（fèn）析結果表（biǎo）明雙側齒圈壓邊衝裁方式能夠增加厚板剪切變形區的（de）靜水壓力，充分發揮材料的（de）塑性，提高厚板衝裁（cái）件斷麵質（zhì）量（liàng）。

關（guān）鍵詞：厚板；雙側（cè）齒圈壓（yā）邊；精密（mì）衝裁；力學分析

中圖分類號：ＴＧ３８６　　　文獻標（biāo）識碼：Ａ　　文章編號：１００７－２０１２（２０１６）０６－００５１－０７

Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｉｃｋｐｌａｔｅ　ｕｓｉｎｇ　ｂｉｌａｔｅｒａｌ　ｇｅａｒ－ｒｉｎｇ　ｂｌａｎｋ－ｈｏｌｄｅｒ

ＳＵ　Ｃｈｕｎ－ｊｉａｎ１　ＹＡＮ　Ｎａｎ－ｎａｎ２　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ４　ＬＵ　Ｓｈｕｎ５

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６５９０　Ｃｈｉｎａ）

ＷＡＮＧ　Ｑｉｎｇ３

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６５９０　Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｐｏｏｒ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｓｅｖｅｒｅ　ｗａｒｐｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｉｃｋ－ｐｌａｔｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｐａｒｔ　ｂｙｃｏｍｍｏｎ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，ａ　ｂｉｌａｔｅｒａｌ　ｇｅａｒ－ｒｉｎｇ　ｂｌａｎｋ－ｈｏｌｄｅｒ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋ

ｐｌａｔｅ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｉｃｋ　ｐｌａｔｅｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｂｉｌａｔｅｒａｌ　ｇｅａｒ－ｒｉｎｇ　ｂｌａｎｋ－ｈｏｌｄｅｒ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ，ｓｔｒａｉｎ，ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｆｌｏｗ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｉｎｂｌａｎｋｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　６，８，１０ａｎｄ　１２ｍｍ　ｔｈｉｃｋｐｌａｔｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉｌａｔｅｒａｌ　ｇｅａｒ－ｒｉｎｇ　ｂｌａｎｋ－ｈｏｌｄｅｒ　ｃａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋ　ｐｌａｔｅ　ｓｈｅａｒ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｚｏｎｅ，ｍａｋｅ　ｆｕｌｌ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｉｍ－ｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｉｃｋ　ｐｌａｔｅ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｉｃｋ　ｐｌａｔｅ；ｂｉｌａｔｅｒａｌ　ｇｅａｒ－ｒｉｎｇ　ｂｌａｎｋ－ｈｏｌｄｅｒ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｂｌａｎｋｉｎｇ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ

　引　言

隨著厚板精衝技術在各個領（lǐng）域的廣泛應用，精衝（chōng）工藝的研究已成為現代衝裁技術的重點。普通衝

＊國家自然（rán）科學基金（jīn）資助項目（５１３０５２４１）；山東省高等學校科研計劃項目（Ｊ１２ＬＡ０３）；山東省泰山學者建（jiàn）設工程專項項目（ｔｓｈｗ２０１３０９５６）。

通訊作者：蘇春建　Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｃｈｕｎｊｉａｎ２００８＠１６３．ｃｏｍ作者簡介：蘇春建（jiàn），男，１９８０年生，山東菏澤人，博士（shì）

（後），副教授，主要從事金（jīn）屬板材精密塑性成形研究收稿日期（qī）：２０１５－１１－２５；修訂日期：２０１６－０３－０５

裁方式獲得（dé）的厚板衝裁件尺寸精度低、斷麵質量差［１－４］。本文提出一種（zhǒng）雙側齒圈壓邊的精（jīng）密衝裁（cái）方（fāng）式，即隻需在壓邊圈（quān）及凹模上設置齒圈就可以實現精衝工藝，對（duì）其進行（háng）研究，能夠（gòu）大幅減少由於昂（áng）貴的精衝設備而帶（dài）來的（de）附加成本，有較大的經濟價值。

針對７ｍｍ以上中厚板（bǎn）衝裁（cái）件（jiàn）常出現的斷麵質量差等問題，本文（wén）以ＡＩＳＩ－１０２０鋼為研究對象，在雙側齒圈壓邊方式下用 ＤＥＦＯＲＭ 軟件模擬分析８ｍｍ板材的精（jīng）衝機理，分析變形區材料的應力應變狀態，並對６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ和１２ｍｍ厚板（bǎn）進行（háng）有限（xiàn）元模態分析，探（tàn）討不同板厚（hòu）對雙側齒圈壓邊精衝的影響。

１　金屬板材精密衝裁理論基（jī）礎（chǔ）

１．１　精密衝（chōng）裁的機理

精密衝裁是塑性剪切過程，是在（zài）專用（三動）壓力機上借助特殊結構的精衝模，在強力作用下使（shǐ）板材發生塑性剪（jiǎn）切［５］。其成形原理如圖１所示，衝裁過（guò）程中凸模接觸板料之前（qián），通過施加一定壓力使Ｖ形齒圈將材料壓緊在凹模上，從而在Ｖ形齒的內麵產生橫向側壓力，以阻止材料在剪切區內撕裂和金屬橫向流動，在凸模壓入材料（liào）的同時，利用頂（dǐng）出器的反壓力將材料（liào）壓緊，並在壓緊狀態中凸模向下（xià）運行進行衝裁，使剪切區的材料處於三向壓應力狀（zhuàng）態，進而提高材料（liào）的塑性，使材料沿著凸凹模刃（rèn）口形狀發（fā）生塑（sù）性分離。

圖（tú）１　精衝（chōng）成形原理圖

Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ

１．２　精衝變形區的力態分（fèn）析

圖２所示（shì）為模具對板料進行衝裁時的受力（lì）情況，當凸模下降至（zhì）與板料接觸時，板料受到的外力和板料變形（xíng）區內存在的應力如圖３所示。

圖２　精密（mì）衝裁時作用於板材（cái）上的力圖

　　注：Ｐ、Ｐｄ分別（bié）為頂件板對材（cái）料的垂直（zhí）作用力；Ｆ為凸（tū）模作用於材料的（de）上的衝裁力，Ｆ＝Ｐ＋Ｐｄ；Ｎ１、Ｎ２分別（bié）為凸、凹模對材（cái）料（liào）的側（cè）壓力（lì）；Ｆ１、Ｆ２分別為凸、凹模側麵（miàn）對（duì）材料的（de）摩擦力；Ｆ３、Ｆ４分別為凸、凹模端麵對材料的摩擦力；Ｐｖ為齒圈對（duì）材料的作用力。

Ｆｉｇ．２　Ｆｏｒｃｅ　ａｃｔｓ　ｏｎ　ｓｈｅｅｔ　ｐｌａｔｅ　ｉｎ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ

圖３　一（yī）點處的應力狀態

Ｆｉｇ．３　Ｓｔｒｅｓｓ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｐｏｉｎｔ

在精衝變形區內任一點Ｏ處取坐標係（xì）ＸＹＺ，在該處取微（wēi）元六麵體，其（qí）上作用（yòng）應（yīng）力如圖２、圖３所示。σｙ是由Ｐ引起的正應力，σｖｘ、σｖｙ分（fèn）別是由Ｐｖ

在Ｘ方向分量（liàng）Ｐｖｘ和Ｙ方向分量Ｐｙ引起的正應力， σＮ為（wéi）側壓力Ｎ引起（qǐ）的正應力，σｚ是模具對材料的約束（shù）作用引起的正應力，剪應力（lì）τｘｙ、τｙｘ是由外摩擦力引起的。

在Ｏ點處（chù）的應力張量為：

Ｔσ＝Ｔεσ＋Ｔσρ 式中　Ｔεσ———球形應力張量

　　　Ｔσρ———應力偏量 （１）

－σｘ＋σＮ τｘｙ ０

熿燄

Ｔσ＝τｙｘ －（σｙ＋σｖｙ） ０＝０ ０ －σｚ燅熿（huáng）－σｍ ０ ０燄０ －σｍ ０＋燀０ ０ －σｍ燅

熿 １（σｖｙ＋σｙ＋σｚ）－２（σＮ＋σｖｘ）　τｙｘ　０燄

３ ３

τｙｘ　 １（σｖｘ＋σＮ＋σｚ）－２（σｙ＋σｖｙ）　０

３ ３

０　０　 １（σｖｘ＋σｖｙ＋σｙ＋σＮ）－２（σＮ＋σｖｘ）燀３ ３燅

（２）

熿－σｍ ０ ０燄

Ｔεσ＝ ０ －σｍ ０（３）燀０ ０ －σｍ燅

１（σｙ＋σＮ＋σｖｘ＋σｖｙ＋σｚ） （４） σｍ ＝

３

式（shì）中　σｍ———平均應力

精衝時變形區（qū）的球形應力（lì）張量Ｔεσ是Ｏ點所受的靜水壓，該張量影響Ｏ點材料的（de）塑（sù）性［６－７］。從（cóng）式（４）可以看出影響變形區靜水壓力的因素，可通過以（yǐ）下途徑來提高靜水壓力：１）增大σｙ，主要是通過增大頂件反力；２）增大σＮ，主要是通過在一定程度上減小凸凹模間隙；３）增大σｖｘ＋σｖｙ，通過增大壓（yā）邊力Ｐｖ 來實現；４）采用最佳壓邊圈（quān）齒形內角 α。由圖１可（kě）知：

Ｐｖｘ＋Ｐｖｙ＝Ｐｖ（ｃｏｓα＋ｓｉｎα）

　　取極值：令（lìng）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　厚板精衝的有限元（yuán）模擬仿真分析

２．１　有限元模型（xíng）的（de）建立

在有限元模擬過程（chéng）中，為保證有限元模型精（jīng）確描（miáo）述精衝過程，又能保證模擬結果的正確性，根據實際條件做簡化處理，因此把精衝過程作為軸對稱問題來研究［８－９］。圖４為精衝過程（chéng）的有（yǒu）限元模型，采用Ｖ形（xíng）齒圈是（shì）精衝與普通衝裁最顯著的區別之一，以點劃線為對稱軸（zhóu），為了節省時間和計算機內存（cún），隻選取（qǔ）工件的１／２模型進行（háng）模擬分析，將板料設置塑性體，其他工件視為剛性體（即不變形體），忽略模具的變形。

圖４　精衝過程的有限元模型

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（qí）他參數如下。

１） 模擬幾（jǐ）何參數：凹模外直徑Φ５０ｍｍ，模具間隙０．５ｍｍ，模具圓角０．０３ｍｍ，板料厚度８ｍｍ，

Ｖ形（xíng）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（shì）冷衝壓，設置冷摩擦係數（shù）為０．１２；板料（liào）與其他零件的接觸容差為

０．００１。

３） 網格劃分：板料作為塑性（xìng）體（tǐ）分析，采用四節點單元。塑性剪切區域（yù）集中在模具刃口之間極窄的區域內，因此，在模具間隙處還需對網格進行局部細化。

４） 邊界（jiè）條件的設定：衝裁方向（xiàng）是（shì）沿Ｙ軸負方向，在Ｘ方向上不允許發生金屬流動，把配料的軸對稱麵設為Ｘ方（fāng）向固定不動。

５） 衝裁力是選用壓力機和設計模具的重要依據之一，影響衝裁力的因素主要包括：材料機械性能及其厚度、零件尺寸、模（mó）具幾何參數等。由於精（jīng）衝（chōng）是（shì）在三向受力狀態下進行衝裁的，變形抗力要比普（pǔ）通衝裁大得多，因此精（jīng）衝總壓力（lì）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

　　　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———材料的抗拉強度

　　　Ａ———精衝零件（jiàn）的承壓麵積

　　　ｐ———單位麵積反壓力，取２０～７０ＭＰａ

２．２　應力分析

圖５是凸模壓入板料不同位置時各階段的等效（xiào）應（yīng）力分布情況。

從圖５可以看出，雙側齒圈壓邊方式下的剪切區內等效應力分布較為廣泛，主要集中在剪切區域的模具（jù）刃口連線附（fù）近以（yǐ）及Ｖ形（xíng）齒圈內側附近（jìn），在剪切變形中，材料（liào）水（shuǐ）平（píng）方向的橫向流動受到Ｖ形齒圈的阻礙作用，對成形中翹曲（qǔ）抑製作用明顯，且能夠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。從衝（chōng）裁（cái）成形前期可以看（kàn）出，由於（yú）頂件板的作用，遠離刃口連線（xiàn）附近的（de）應力也較大，這樣就能有（yǒu）效（xiào）抑（yì）製衝裁時所產（chǎn）生的彎曲，隨著凸模的下行剪切區域麵（miàn）積逐漸減小，等（děng）效應力也隨之降低，但是（shì）由於在衝裁（cái）成形過程中不可避免的出現（xiàn）加工硬化現象，變形區的等效應力依舊很大。

衝裁（cái）成形中變形（xíng）區的最大等效應力（lì）隨凸模下行變化曲線如（rú）圖６所示。在衝裁成形前期，遠離刃口（kǒu）連線附近（jìn）的應力（lì）較大（dà），有效抑製衝裁時所產生的彎曲。隨著（zhe）凸模壓入量的增加，變形區的等（děng）效應力呈明顯減小（xiǎo）的趨（qū）勢，並（bìng）逐漸趨於一個（gè）定值。