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轉(zhuǎn)發(fā)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　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(zhì)量差及翹曲嚴重等問題，采用雙側(cè)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(shù)學模型及有限元模型，研究了成形中應(yīng)力應(yīng)變問題及靜水應(yīng)力、材料流動的規(guī)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(cè)齒圈壓邊精沖的影響，最后進行實驗驗證，分析結(jié)果表明雙側(cè)齒圈壓邊沖裁方式能夠增加厚板剪切變形區(qū)的靜水壓力，充分發(fā)揮材料的塑性，提高厚板沖裁件斷面質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：厚板；雙側(cè)齒圈壓邊；精密沖裁；力學分析

中圖分類號：ＴＧ３８６　　　文獻標識碼：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

隨著厚板精沖技術(shù)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，精沖工藝的研究已成為現(xiàn)代沖裁技術(shù)的重點。普通沖

＊國家自然科學基金資助項目（５１３０５２４１）；山東省高等學校科研計劃項目（Ｊ１２ＬＡ０３）；山東省泰山學者建設(shè)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，男，１９８０年生，山東菏澤人，博士

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

裁方式獲得的厚板沖裁件尺寸精度低、斷面質(zhì)量差［１－４］。本文提出一種雙側(cè)齒圈壓邊的精密沖裁方式，即只需在壓邊圈及凹模上設(shè)置齒圈就可以實現(xiàn)精沖工藝，對其進行研究，能夠大幅減少由于昂貴的精沖設(shè)備而帶來的附加成本，有較大的經(jīng)濟價值。

針對７ｍｍ以上中厚板沖裁件常出現(xiàn)的斷面質(zhì)量差等問題，本文以ＡＩＳＩ－１０２０鋼為研究對象，在雙側(cè)齒圈壓邊方式下用 ＤＥＦＯＲＭ 軟件模擬分析８ｍｍ板材的精沖機理，分析變形區(qū)材料的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并對６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ和１２ｍｍ厚板進行有限元模態(tài)分析，探討不同板厚對雙側(cè)齒圈壓邊精沖的影響。

１　金屬板材精密沖裁理論基礎(chǔ)

１．１　精密沖裁的機理

精密沖裁是塑性剪切過程，是在專用（三動）壓力機上借助特殊結(jié)構(gòu)的精沖模，在強力作用下使板材發(fā)生塑性剪切［５］。其成形原理如圖１所示，沖裁過程中凸模接觸板料之前，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(nèi)面產(chǎn)生橫向側(cè)壓力，以阻止材料在剪切區(qū)內(nèi)撕裂和金屬橫向流動，在凸模壓入材料的同時，利用頂出器的反壓力將材料壓緊，并在壓緊狀態(tài)中凸模向下運行進行沖裁，使剪切區(qū)的材料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，進而提高材料的塑性，使材料沿著凸凹模刃口形狀發(fā)生塑性分離。

圖１　精沖成形原理圖

Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ

１．２　精沖變形區(qū)的力態(tài)分析

圖２所示為模具對板料進行沖裁時的受力情況，當凸模下降至與板料接觸時，板料受到的外力和板料變形區(qū)內(nèi)存在的應(yīng)力如圖３所示。

圖２　精密沖裁時作用于板材上的力圖

　　注：Ｐ、Ｐｄ分別為頂件板對材料的垂直作用力；Ｆ為凸模作用于材料的上的沖裁力，Ｆ＝Ｐ＋Ｐｄ；Ｎ１、Ｎ２分別為凸、凹模對材料的側(cè)壓力；Ｆ１、Ｆ２分別為凸、凹模側(cè)面對材料的摩擦力；Ｆ３、Ｆ４分別為凸、凹模端面對材料的摩擦力；Ｐｖ為齒圈對材料的作用力。

Ｆｉｇ．２　Ｆｏｒｃｅ　ａｃｔｓ　ｏｎ　ｓｈｅｅｔ　ｐｌａｔｅ　ｉｎ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ

圖３　一點處的應(yīng)力狀態(tài)

Ｆｉｇ．３　Ｓｔｒｅｓｓ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｐｏｉｎｔ

在精沖變形區(qū)內(nèi)任一點Ｏ處取坐標系ＸＹＺ，在該處取微元六面體，其上作用應(yīng)力如圖２、圖３所示。σｙ是由Ｐ引起的正應(yīng)力，σｖｘ、σｖｙ分別是由Ｐｖ

在Ｘ方向分量Ｐｖｘ和Ｙ方向分量Ｐｙ引起的正應(yīng)力， σＮ為側(cè)壓力Ｎ引起的正應(yīng)力，σｚ是模具對材料的約束作用引起的正應(yīng)力，剪應(yīng)力τｘｙ、τｙｘ是由外摩擦力引起的。

在Ｏ點處的應(yīng)力張量為：

Ｔσ＝Ｔεσ＋Ｔσρ 式中　Ｔεσ———球形應(yīng)力張量

　　　Ｔσρ———應(yīng)力偏量 （１）

－σｘ＋σＮ τｘｙ ０

熿燄

Ｔσ＝τｙｘ －（σｙ＋σｖｙ） ０＝０ ０ －σｚ燅熿－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

式中　σｍ———平均應(yīng)力

精沖時變形區(qū)的球形應(yīng)力張量Ｔεσ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(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。