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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?。希啤。校蹋粒樱裕桑茫桑裕佟。牛危牵桑危牛牛遥桑危?Ｄｅｃ．　２０１６ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－２０１２．２０１６．０６．００９

作者：（山東科技大學(xué)機(jī)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?。玻叮叮担梗埃⊥酢∏澹?/p>

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(yán)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(jìn)行模擬和力學(xué)分析，建立了厚板的精沖數(shù)學(xué)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(jìn)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(jìn)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(xué)分析

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

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ?。穑铮铮颉。洌椋恚澹睿螅椋铮睿幔臁。幔悖悖酰颍幔悖。幔睿洹。螅澹悖簦椋铮睢。瘢酰幔欤椋簦。幔蟆。鳎澹欤臁。幔蟆。螅澹觯澹颍濉。鳎幔颍穑椋睿纭。妫铮颉。簦瑁椋悖耄穑欤幔簦濉。猓欤幔睿耄椋睿纭。穑幔颍簟。猓悖铮恚恚铮睢。猓欤幔睿耄椋睿纭。恚澹簦瑁铮?，ａ?。猓椋欤幔簦澹颍幔臁。纾澹幔颍颍椋睿纭。猓欤幔睿耄瑁铮欤洌澹颉。恚澹簦瑁铮洹。鳎幔蟆。幔洌铮穑簦澹洹。幔睿洹。簦瑁濉。穑颍澹悖椋螅椋铮睢。猓欤幔睿耄椋睿纭。妫铮颍恚椋睿纭。铮妗。簦瑁濉。簦瑁椋悖?/p>

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　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(xué)基金資助項目（５１３０５２４１）；山東省高等學(xué)?？蒲杏媱濏椖浚ǎ剩保玻蹋粒埃常?；山東省泰山學(xué)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(jìn)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(jì)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(jī)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(jìn)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(jī)理

精密沖裁是塑性剪切過程，是在專用（三動）壓力機(jī)上借助特殊結(jié)構(gòu)的精沖模，在強(qiáng)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(jìn)行沖裁，使剪切區(qū)的材料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)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

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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(jìn)行沖裁時的受力情況，當(dāng)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?。疲铮颍悖濉。幔悖簦蟆。铮睢。螅瑁澹澹簟。穑欤幔簦濉。椋睢。妫椋睿濉。猓欤幔睿耄椋睿?/p>

圖３　一點處的應(yīng)力狀態(tài)

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在精沖變形區(qū)內(nèi)任一點Ｏ處取坐標(biāo)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

　　?。?sigma;ρ———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

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τｙｘ　 １（σｖｘ＋σＮ＋σｚ）－２（σｙ＋σｖｙ）?。?/p>

３ ３

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（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(jī)內(nèi)存，只選取工件的１／２模型進(jìn)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?。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(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(jìn)行局部細(xì)化。

４） 邊界條件的設(shè)定：沖裁方向是沿Ｙ軸負(fù)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(jī)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(jī)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(jìn)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

　　?。?mdash;——沖裁力

　　?。疲?mdash;——壓料力

　　?。疲?mdash;——頂（推）件板的反頂力

　　　Ｌ———剪切輪廓線長

　　?。?mdash;——材料厚度

　　　τｂ———材料的抗剪強(qiáng)度

　　　σｂ———材料的抗拉強(qiáng)度

　　?。?mdash;——精沖零件的承壓面積

　　?。?mdash;——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(jìn)行。從沖裁成形前期可以看出，由于頂件板的作用，遠(yuǎn)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(yuǎn)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。