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基于雙側齒圈壓邊的厚板精密沖裁成形力學分析(二)

基于雙側齒圈壓邊的厚板精密沖裁成形力學分析(二)

Dec 28, 2023

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轉發自:第23卷第6期 塑性工程學報 Vol.23?。危铮?/p>

作者:(山東科技大學機械電子工程學院,青島?。玻叮叮担梗埃√K春建1 閆楠楠2 張曉東4 陸 順5

(山東科技大學土木工程與建筑學院,青島 266590) 王 清3

摘 要:針對普通沖裁方式獲得的厚板沖裁件常存在尺寸精度低、斷面質量差及翹曲嚴重等問題,采用雙側齒圈壓邊的方式對厚板精密沖裁成形進行模擬和力學分析,建立了厚板的精沖數學模型及有限元模型,研究了成形中應力應變問題及靜水應力、材料流動的規律,并通過對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沖的影響,最后進行實驗驗證,分析結果表明雙側齒圈壓邊沖裁方式能夠增加厚板剪切變形區的靜水壓力,充分發揮材料的塑性,提高厚板沖裁件斷面質量。揚州鍛壓\揚州沖床\揚鍛\yadon\沖床廠家\壓力機廠家\鍛造廠家\

關鍵詞:厚板;雙側齒圈壓邊;精密沖裁;力學分析

是O點所受的靜水壓,該張量影響O點材料的塑性[6-7]。從式(4)可以看出影響變形區靜水壓力的因素,可通過以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,通過增大壓邊力Pv 來實現;4)采用最佳壓邊圈齒形內角 α。由圖1可知:

Pvx+Pvy=Pv(cosα+sinα)

  取極值: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 厚板精沖的有限元模擬仿真分析

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沖過程,又能保證模擬結果的正確性,根據實際條件做簡化處理,因此把精沖過程作為軸對稱問題來研究[8-9]。圖4為精沖過程的有限元模型,采用V形齒圈是精沖與普通沖裁最顯著的區別之一,以點劃線為對稱軸,為了節省時間和計算機內存,只選取工件的1/2模型進行模擬分析,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 精沖過程的有限元模型

Fig.4?。疲椋睿椋簦濉。澹欤澹恚澹睿簟。螅椋恚酰欤幔簦椋铮睢。铮妗。妫椋睿濉。猓欤幔睿耄椋睿纭。穑颍铮悖澹螅蟊疚挠邢拊M選用直徑Φ20mm、板厚8mm的AISI-20鋼為研究對象,其他參數如下。

1) 模擬幾何參數:凹模外直徑Φ50mm,模具間隙0.5mm,模具圓角0.03mm,板料厚度8mm,

V形齒圈速度2mm·s-1,凸模速度1mm·s-1。

2) 摩擦系數的選擇:由于是冷沖壓,設置冷摩擦系數為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,在模具間隙處還需對網格進行局部細化。

4) 邊界條件的設定:沖裁方向是沿Y軸負方向,在X方向上不允許發生金屬流動,把配料的軸對稱面設為X方向固定不動。

5) 沖裁力是選用壓力機和設計模具的重要依據之一,影響沖裁力的因素主要包括:材料機械性能及其厚度、零件尺寸、模具幾何參數等。由于精沖是在三向受力狀態下進行沖裁的,變形抗力要比普通沖裁大得多,因此精沖總壓力為:

  其中: FZ=F+FY+FF (7)

F=1.25Ltτb =Ltσb (8)

FY=(0.3-0.6)F (9)

FF=Ap (10)

式中?。疲?mdash;——精沖總壓力

   F———沖裁力

   FY———壓料力

  ?。疲?mdash;——頂(推)件板的反頂力

  ?。?mdash;——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———精沖零件的承壓面積

  ?。?mdash;——單位面積反壓力,?。玻啊罚埃停校?/p>

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應力分布情況。

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刃口連線附近以及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,對成形中翹曲抑制作用明顯,且能夠增加剪切區域內的壓應力值,使得材料的塑性增加,有利于精沖變形的進行。

從沖裁成形前期可以看出,由于頂件板的作用,遠離刃口連線附近的應力也較大,這樣就能有效抑制沖裁時所產生的彎曲,隨著凸模的下行剪切區域面積逐漸減小,等效應力也隨之降低,但是由于在沖裁成形過程中不可避免的出現加工硬化現象,變形區的等效應力依舊很大。

沖裁成形中變形區的最大等效應力隨凸模下行變化曲線如圖6所示。在沖裁成形前期,遠離刃口連線附近的應力較大,有效抑制沖裁時所產生的彎曲。隨著凸模壓入量的增加,變形區的等效應力呈明顯減小的趨勢,并逐漸趨于一個定值。

圖5 等效應力分布圖

a)凸模下降1mm;b)凸模下降2mm

c)凸模下降4mm;d)凸模下降5mm

Fig.5?。模椋螅簦颍椋猓酰簦椋铮睢。铮妗。澹瘢酰椋觯幔欤澹睿簟。螅簦颍澹螅?/p>

圖6 最大等效應力與凸模壓入量關系曲線

Fig.6 Relationship?。悖酰颍觯濉。铮妗。恚幔椋恚酰怼。澹瘢酰椋觯幔欤澹睿簟。螅簦颍澹螅螅幔睿洹。椋睿洌澹睿簦幔簦椋铮睢。铮妗。穑酰睿悖琛。椋睢。穑欤幔簦?/p>

2.3 應變分析

圖7是凸模壓入板料不同位置時各階段的等效應變分布情況。

從圖7中可以看出,等效應變分布與等效應力相似,主要集中在模具刃口連線附近,沖裁初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線附近局部剪切區的應變較大,說明板料在精沖變形中是在剪切狀態下進行,有利于板料塑性流動。與等效應力最大區別是在非變形區板料的等效應變幾乎為0。

圖8為沖裁成形中變形區的最大等效應變隨凸模下行的變化曲線圖。從圖中可知,隨著凸模壓入

圖7 等效應變分布圖

a)凸模下降1mm;b)凸模下降2mm

c)凸模下降4mm;d)凸模下降5mm

Fig.7?。模椋螅簦颍椋猓酰簦椋铮睢。铮妗。澹瘢酰椋觯幔欤澹睿簟。螅簦颍幔椋盍康脑黾?,變形區的等效應變呈先增大后減小的趨勢。

2.4 靜水應力分析

靜水應力(即平均應力)對板料的塑性成形性能非常重要,靜水壓力對抑制剪切區以外的材料流動有很大作用[10]。圖9是齒圈壓入量對靜水壓力影響的變化曲線圖,從圖中可以看出,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

圖8 最大等效應變與凸模壓入量關系曲線

Fig.8 Relationship?。悖酰颍觯濉。铮妗。恚幔椋恚酰怼。澹瘢酰椋觯幔欤澹睿簟。螅簦颍幔椋睿幔睿洹。椋睿洌澹睿簦幔簦椋铮睢。铮妗。穑酰睿悖琛。椋睢。穑欤幔簦?/p>

后,齒圈附近區域的靜水壓力最大,其值約為-102MPa。隨著遠離齒圈,靜水壓力雖然不斷減小,但在整個精沖變形區內靜水壓力依然較大,有助于板材塑性的發揮,從而獲得質量更佳的沖裁件。

圖9 齒圈壓入量對靜水壓力的影響

Fig.9 Influence?。铮妗。椋睿洌澹睿簦幔簦椋铮睢。铮妗。纾澹幔颉。颍椋睿纭。椋睢。穑欤幔簦澹铮睢。瑁洌颍铮螅簦幔簦椋恪。穑颍澹螅螅酰颍?/p>

圖10是凸模壓入量對靜水壓力影響的變化曲線,從圖中可以看出,沖裁初期,在塑性變形區形成較大的靜水壓力,有利于材料的進一步變形,當凸模下行50%以后,剪切變形區內的靜水壓力逐漸減小,拉應力逐漸增大,靜水壓力隨凸模壓入量的增加呈減小趨勢。剪切區的拉應力容易導致裂紋的產生及擴展,因此靜水壓力對沖裁成形非常重要。

圖10 凸模壓入量對靜水壓力的影響

Fig.10?。桑睿妫欤酰澹睿悖濉。铮妗。椋睿洌澹睿簦幔簦椋铮睢。铮妗。穑酰睿悖琛。椋睢。穑欤幔簦澹铮睢。瑁洌颍铮螅簦幔簦椋恪。穑颍澹螅螅酰颍?/p>

2.5 材料流動分析

圖11是在雙側齒圈壓邊方式下的材料流動狀態圖。材料流動速度用矢量方式表示,材料在各個時刻的流動方向可以由速度矢量箭頭清楚地顯示,速度的大小用不同的箭頭顏色表示。由于精沖的落料部分可以視為理想剛性區,對其中的材料視為靜止,因此不對落料區域作考慮。

圖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?。模椋幔纾颍幔怼。铮妗。恚幔簦澹颍椋幔臁。妫欤铮?/p>

在沖裁初期,如圖11a所示,凸模下壓量較小,材料在三向壓應力狀態下產生流動渦流,此時的金屬流動速度較慢,凸模下行一段距離后,如圖11b、圖11c所示,此時材料受三向壓應力作用,抑制非變形區材料向變形區轉移。當凸模下行至中后期時,凸模壓入量加大,凸緣部分以剛性體狀態繼續下移,由于在中后期壓應力作用減小,材料轉移速度增大,在模具刃口附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,因此金屬材料流動規律的研究對于沖裁成形具有重要意義。

2.6 板厚對雙側齒圈壓邊精沖的影響

板厚是影響厚板精密沖裁的主要因素之一,在實際生產加工中,不同制件對板厚的要求也不同,因此需考慮多種板厚的分析,本文分別對6、8、10和12mm厚的板材進行有限元模擬分析,相對間隙保持不變,分析模擬后的沖裁力曲線和斷面情況,總結出沖裁力隨板厚變化的規律,為實際生產中的模具設計和設備選擇提供理論幫助。

圖12是沖裁后不同板厚的斷面狀況,從圖中可以看出,4種不同板厚的板料沖裁完成后,斷面狀況都不相同,光亮帶(光亮帶主要是產生塑性剪切的材料在和模具側面接觸中被模具側面擠壓而形成的光亮垂直的斷面,即圖中斷面上部較光滑的部分)隨著板厚的增加有所減少,由6mm的50%減小到12mm的30%左右,斷裂帶(斷裂帶是由刃口處的微裂紋在拉應力的作用下不斷擴展而形成的斷裂面,斷面粗糙,即圖中斷面下部較粗糙的部分)的長度增加。

圖12 不同板厚的斷面質量

a)6mm板厚;b)8mm板厚;c)10mm板厚;d)12mm板厚

Fig.12?。樱瑁澹幔颍椋睿纭。螅澹悖簦椋铮睢。鳎椋簦琛。洌椋妫妫澹颍澹睿簟。螅瑁澹澹簟。簦瑁椋悖耄睿澹螅螅澹?/p>

3 實驗結果

實驗通過精沖模具沖制不同板厚(6,8,10和12mm)的鋼板,驗證雙側齒圈壓邊的模擬結果的準確性。將本次實驗獲得制件(圖13)與模擬結果相比可以得出,實驗結果與模擬結果基本相一致,如圖14所示。

圖13 沖裁件試樣圖

Fig.13 Samples?。妫椋纾酰颍濉。铮妗。猓欤幔睿耄椋睿纭。穑幔颍簦?/p>

圖14 模擬結果與實驗結果對照

Fig.14?。茫铮恚穑幔颍椋螅铮睢。猓澹簦鳎澹澹睢。螅椋恚酰欤幔簦澹洹。幔睿洌澹穑澹颍椋恚澹睿簦幔臁。颍澹螅酰欤簦?/p>

由圖13實驗所得制件和圖14模擬結果與實驗結果對照可以看出,沖裁力隨著厚板厚度的增大而增大,經過雙側齒圈壓邊精密沖裁的沖裁力在比普通沖裁并沒有大多少(<25%)的情況下斷面質量較好,斷裂帶也能夠得到改善,圓角及毛刺都較小,制件結果較為理想。

4 結 論

1) 采用雙側齒圈壓邊成形的方法可以一次得到斷面光潔的沖裁件,且斷面質量較高。

2) 在沖裁過程中,模具刃口附近首先出現最大應力,增加剪切區域內的壓應力值,使得材料的塑性增加,有利于精沖變形的進行,隨著凸模壓入量的增加,變形區的等效應力呈明顯減小的趨勢,等效應變呈先增大后減小的趨勢。

3) 在雙側齒圈壓邊沖裁過程中,靜水壓力提高了金屬的流動塑性,沖裁中后期壓應力作用減小,材料轉移速度增大,在模具刃口附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) 采用雙側齒圈壓邊時,沖裁件斷面質量隨著板厚的增加有降低趨勢,沖裁力隨著板厚的增加而增大,但間隙在一定范圍內對沖裁力影響不大。

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(上接第23頁)

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沖裁問題的分析與改進(一)