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轉(zhuǎn)發(fā)自：第２３卷第６期 塑性工程學(xué)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(xué)機械電子工程學(xué)院，青島　２６６５９０）　蘇春建１　閆楠楠２　張曉東４　陸　順５

（山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，青島　２６６５９０）　王清３

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(qū)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(xiàn)；４）采用最佳壓邊圈齒形內(nèi)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(jié)果的正確性，根據(jù)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(qū)別之一，以點劃線為對稱軸，為了節(jié)省時間和計算機內(nèi)存，只選取工件的１／２模型進行模擬分析，將板料設(shè)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　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，其他參數(shù)如下。

１） 模擬幾何參數(shù)：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(shù)的選擇：由于是冷沖壓，設(shè)置冷摩擦系數(shù)為０．１２；板料與其他零件的接觸容差為

０．００１。

３） 網(wǎng)格劃分：板料作為塑性體分析，采用四節(jié)點單元。塑性剪切區(qū)域集中在模具刃口之間極窄的區(qū)域內(nèi)，因此，在模具間隙處還需對網(wǎng)格進行局部細化。

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

５） 沖裁力是選用壓力機和設(shè)計模具的重要依據(jù)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(shù)等。由于精沖是在三向受力狀態(tài)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　ＦＺ———精沖總壓力

　　　Ｆ———沖裁力

　　　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———精沖零件的承壓面積

　　　ｐ———單位面積反壓力，取２０～７０ＭＰａ

２．２　應(yīng)力分析

圖５是凸模壓入板料不同位置時各階段的等效應(yīng)力分布情況。

從圖５可以看出，雙側(cè)齒圈壓邊方式下的剪切區(qū)內(nèi)等效應(yīng)力分布較為廣泛，主要集中在剪切區(qū)域的模具刃口連線附近以及Ｖ形齒圈內(nèi)側(cè)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(qū)域內(nèi)的壓應(yīng)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(yīng)力也較大，這樣就能有效抑制沖裁時所產(chǎn)生的彎曲，隨著凸模的下行剪切區(qū)域面積逐漸減小，等效應(yīng)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(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，變形區(qū)的等效應(yīng)力依舊很大。

沖裁成形中變形區(qū)的最大等效應(yīng)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(yīng)力較大，有效抑制沖裁時所產(chǎn)生的彎曲。隨著凸模壓入量的增加，變形區(qū)的等效應(yīng)力呈明顯減小的趨勢，并逐漸趨于一個定值。

圖５　等效應(yīng)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　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｓｔｒｅｓｓ

圖６　最大等效應(yīng)力與凸模壓入量關(guān)系曲線

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

２．３　應(yīng)變分析

圖７是凸模壓入板料不同位置時各階段的等效應(yīng)變分布情況。

從圖７中可以看出，等效應(yīng)變分布與等效應(yīng)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(yīng)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(qū)的應(yīng)變較大，說明板料在精沖變形中是在剪切狀態(tài)下進行，有利于板料塑性流動。與等效應(yīng)力最大區(qū)別是在非變形區(qū)板料的等效應(yīng)變幾乎為０。

圖８為沖裁成形中變形區(qū)的最大等效應(yīng)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(yīng)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　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｓｔｒａｉｎ量的增加，變形區(qū)的等效應(yīng)變呈先增大后減小的趨勢。

２．４　靜水應(yīng)力分析

靜水應(yīng)力（即平均應(yīng)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(qū)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(dāng)齒圈全部壓入板料之

圖８　最大等效應(yīng)變與凸模壓入量關(guān)系曲線

Ｆｉｇ．８　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｓｔｒａｉｎａｎｄ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｕｎｃｈ　ｉｎ　ｐｌａｔｅ

后，齒圈附近區(qū)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(qū)內(nèi)靜水壓力依然較大，有助于板材塑性的發(fā)揮，從而獲得質(zhì)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　ｏｆ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｒｉｎｇ　ｉｎ　ｐｌａｔｅｏｎ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ

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(qū)形成較大的靜水壓力，有利于材料的進一步變形，當(dāng)凸模下行５０％以后，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，靜水壓力隨凸模壓入量的增加呈減小趨勢。剪切區(qū)的拉應(yīng)力容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)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　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｕｎｃｈ　ｉｎ　ｐｌａｔｅｏｎ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ

２．５　材料流動分析

圖１１是在雙側(cè)齒圈壓邊方式下的材料流動狀態(tài)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(qū)，對其中的材料視為靜止，因此不對落料區(qū)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　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｌｏｗ

在沖裁初期，如圖１１ａ所示，凸模下壓量較小，材料在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)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(yīng)力作用，抑制非變形區(qū)材料向變形區(qū)轉(zhuǎn)移。當(dāng)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(tài)繼續(xù)下移，由于在中后期壓應(yīng)力作用減小，材料轉(zhuǎn)移速度增大，在模具刃口附近金屬內(nèi)部晶粒變形加大，纖維變形加劇，這時極易出現(xiàn)裂紋，因此金屬材料流動規(guī)律的研究對于沖裁成形具有重要意義。

２．６　板厚對雙側(cè)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(chǎn)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(jié)出沖裁力隨板厚變化的規(guī)律，為實際生產(chǎn)中的模具設(shè)計和設(shè)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(chǎn)生塑性剪切的材料在和模具側(cè)面接觸中被模具側(cè)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(yīng)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(zhì)量

ａ）６ｍｍ板厚；ｂ）８ｍｍ板厚；ｃ）１０ｍｍ板厚；ｄ）１２ｍｍ板厚

Ｆｉｇ．１２　Ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｈｅｅｔ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ

３　實驗結(jié)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(cè)齒圈壓邊的模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。將本次實驗獲得制件（圖１３）與模擬結(jié)果相比可以得出，實驗結(jié)果與模擬結(jié)果基本相一致，如圖１４所示。

圖１３　沖裁件試樣圖

Ｆｉｇ．１３　Ｓａｍｐｌｅｓ　ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｐａｒｔｓ

圖１４　模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對照

Ｆｉｇ．１４　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ

由圖１３實驗所得制件和圖１４模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對照可以看出，沖裁力隨著厚板厚度的增大而增大，經(jīng)過雙側(cè)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(zhì)量較好，斷裂帶也能夠得到改善，圓角及毛刺都較小，制件結(jié)果較為理想。

４　結(jié)　論

１） 采用雙側(cè)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(zhì)量較高。

２） 在沖裁過程中，模具刃口附近首先出現(xiàn)最大應(yīng)力，增加剪切區(qū)域內(nèi)的壓應(yīng)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(qū)的等效應(yīng)力呈明顯減小的趨勢，等效應(yīng)變呈先增大后減小的趨勢。

３） 在雙側(cè)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(yīng)力作用減小，材料轉(zhuǎn)移速度增大，在模具刃口附近金屬內(nèi)部晶粒變形加大，纖維變形加劇，這時極易出現(xiàn)裂紋。

４） 采用雙側(cè)齒圈壓邊時，沖裁件斷面質(zhì)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(nèi)對沖裁力影響不大。

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（上接第２３頁）

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