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轉發自：第２３卷第６期 塑性工程學報 Ｖｏｌ．２３　Ｎｏ．６

作者：（山（shān）東科技大學機械電子（zǐ）工程學院，青島　２６６５９０）　蘇春（chūn）建１　閆楠楠２　張曉東４　陸　順５

（山東科技大（dà）學土木工程與建築學院，青島　２６６５９０）　王　清３

摘　要：針對普（pǔ）通衝裁方式獲得的厚板衝裁件（jiàn）常存在尺寸精度低、斷麵質量差及翹曲（qǔ）嚴重等問題，采用雙側齒（chǐ）圈壓邊的方式對厚板精密衝裁成（chéng）形進行模擬和力學分析，建立了厚板的精衝數學模型及有限元模型，研究了成形中應力應變問題（tí）及靜水應力、材料流動的規律，並通過對６、８、１０和１２ｍｍ厚（hòu）板進行（háng）有（yǒu）限元模擬（nǐ），探討了不同板厚對雙側齒圈（quān）壓邊精衝的影響，最後（hòu）進行實驗驗證，分析結（jié）果表明雙側齒圈壓邊衝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（tí）高厚板衝裁件斷麵質量。揚州鍛壓\揚（yáng）州衝床\揚（yáng）鍛\yadon\衝床廠家\壓力機廠家\鍛造廠家\

關（guān）鍵（jiàn）詞：厚板；雙側齒圈壓邊；精密衝裁；力（lì）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（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（shàng）減小凸凹模間隙；３）增大σｖｘ＋σｖｙ，通（tōng）過增大壓（yā）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（yī）定，所以，ｃｏｓα－ｓｉｎα＝０， α＝π／４

２　厚板精衝的有（yǒu）限元（yuán）模（mó）擬仿真分析

２．１　有限元模型的建立

在有限元（yuán）模（mó）擬過程中，為（wéi）保證有（yǒu）限元（yuán）模型精確描述精衝過程，又能保證模擬結果的正確性，根據實際（jì）條件做簡化處理，因此把精衝過程作（zuò）為軸對（duì）稱問題來研究［８－９］。圖４為（wéi）精衝過程的有限元模型，采用Ｖ形（xíng）齒圈是精衝（chōng）與（yǔ）普通衝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（cún），隻選取工件（jiàn）的１／２模（mó）型進行模擬分析，將板料設置塑性（xìng）體，其他工件視為剛性體（tǐ）（即不變形體），忽略模具的變（biàn）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（mó）擬選用直徑Φ２０ｍｍ、板厚８ｍｍ的ＡＩＳＩ－２０鋼為研究對（duì）象，其他（tā）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（bǎn）料厚（hòu）度８ｍｍ，

Ｖ形齒圈速度２ｍｍ·ｓ－１，凸模速（sù）度（dù）１ｍｍ·ｓ－１。

２） 摩擦係數的選擇：由於是冷衝壓，設置冷摩擦係數為（wéi）０．１２；板（bǎn）料與（yǔ）其他（tā）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，采用四節點單元。塑性剪切區域集中在模具刃口（kǒu）之（zhī）間極窄的區域內，因此，在模具間隙處還（hái）需對網格進行局部細化。

４） 邊界（jiè）條件的設定：衝裁方向是沿Ｙ軸負方向，在Ｘ方向上不允許發生金屬（shǔ）流動，把配料的軸對稱麵設為Ｘ方向固（gù）定不動。

５） 衝裁力是選用壓力（lì）機和設計模具的重要（yào）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（hòu）度、零件尺寸、模具幾何參數等。由於精（jīng）衝是在三向受力狀態（tài）下進（jìn）行衝裁（cái）的，變形抗力要比普通衝裁大得多（duō），因此精衝總壓力為：

　　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———精衝總壓力

　　　Ｆ———衝裁力（lì）

　　　ＦＹ———壓料力

　　　ＦＦ———頂（推）件板（bǎn）的（de）反頂力

　　　Ｌ———剪切輪廓線長

　　　ｔ———材料厚度

　　　τｂ———材料的抗剪強（qiáng）度

　　　σｂ———材料的抗拉強度

　　　Ａ———精衝零件的（de）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（yā）入（rù）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（quān）壓邊方式下的剪切區內（nèi）等效應（yīng）力（lì）分布較為廣泛，主（zhǔ）要集中在剪切區域（yù）的（de）模具刃口連（lián）線附近以及Ｖ形齒圈內側附近（jìn），在（zài）剪切變形中，材（cái）料水平方向的橫向流動受到Ｖ形齒圈（quān）的阻礙作用，對成形中翹曲抑製作用（yòng）明顯，且能夠增加（jiā）剪切（qiē）區域內的壓應力值，使得材料的塑性增加，有利於精衝變形的進行。

從（cóng）衝裁（cái）成形前（qián）期可以看出，由於頂件板的作用，遠離刃口連線附近（jìn）的應力也較（jiào）大，這樣就能有效抑（yì）製衝裁時所產（chǎn）生的彎曲，隨著凸模的（de）下行剪（jiǎn）切區域麵積逐漸減小，等（děng）效應力也隨（suí）之降低，但是由於在衝裁成（chéng）形過程中不可避免的出現加（jiā）工硬化（huà）現象，變形（xíng）區的等效應力依舊很大。

衝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。在衝（chōng）裁成形前期，遠離刃口連線附近的應力較大，有（yǒu）效抑製衝裁時所產生（shēng）的彎曲（qǔ）。隨著凸模壓入量的增加，變形區的等效應力呈明顯減小的（de）趨勢，並逐漸趨於（yú）一個定值。

圖５　等效應力分布圖

ａ）凸模下降１ｍｍ；ｂ）凸（tū）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（xiào）應力與凸模壓（yā）入量關係曲線

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

２．３　應變分析

圖７是凸（tū）模壓入板料不同位置時各階段的等效應變分布情況（kuàng）。

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（lián）線附近，衝裁初期（qī）模具刃（rèn）口應變分布較小，隨著凸（tū）模壓（yā）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（liào）在（zài）精（jīng）衝變形中是在剪切狀態下進行，有利（lì）於板料塑性流動。與等效應力（lì）最大區別是（shì）在非變形區板料的等效應變幾乎（hū）為０。

圖８為衝裁成形中變形區的（de）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（tū）模壓入（rù）

圖（tú）７　等效應變分布圖

ａ）凸模（mó）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，變形區的（de）等效應變呈先增大（dà）後減（jiǎn）小的趨勢。

２．４　靜水應力分析

靜水應力（即平均應（yīng）力）對板料的塑性成（chéng）形性能非常（cháng）重要，靜（jìng）水壓（yā）力對（duì）抑製剪切（qiē）區（qū）以（yǐ）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（yǐng）響的變化曲線圖，從（cóng）圖中可以看出，靜水壓力隨著齒圈壓入量的增加而增大（dà），當齒圈全（quán）部壓入板料之

圖８　最大等效應變與凸模壓入量關（guān）係曲線

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

後，齒圈（quān）附近區域的靜水壓力最大，其值約為－１０２ＭＰａ。隨著遠離（lí）齒（chǐ）圈，靜水壓力雖然不斷減小，但在（zài）整個精衝變形區內靜水壓（yā）力依然較大，有助於板材塑（sù）性的發揮（huī），從而獲得質量更佳的衝裁件。

圖９　齒圈壓入量對（duì）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，衝（chōng）裁初期，在塑性變形區形成較大的靜水壓（yā）力（lì），有利於材料的進一步變形，當凸模下行５０％以後，剪切變形區內（nèi）的靜水壓力逐漸減小，拉應力逐漸增大（dà），靜水壓力（lì）隨凸模壓入量的增加呈減小（xiǎo）趨勢。剪切區的拉（lā）應力容易（yì）導致裂紋（wén）的產生及擴展，因（yīn）此靜水壓力對衝裁（cái）成形非常重要。

圖（tú）１０　凸模（mó）壓入量對（duì）靜水壓（yā）力（lì）的影響

Ｆｉｇ．１０　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｕｎｃｈ　ｉｎ　ｐｌａｔｅｏｎ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ

２．５　材料流動分析

圖１１是在雙側齒圈壓邊方式（shì）下的材料流動狀態（tài）圖。材料流（liú）動（dòng）速度用矢（shǐ）量方式表示，材（cái）料在各個時刻的（de）流動方向可以由速度矢量（liàng）箭頭清楚地顯示，速度的大小用不同的箭頭顏色表示。由於精衝（chōng）的落料部分可以視為理想（xiǎng）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（mó）下行０．５ｍｍ；ｂ）凸模下行１ｍｍ；ｃ）凸模下行２ｍｍ

Ｆｉｇ．１１　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｌｏｗ

在衝裁初期，如圖１１ａ所示，凸模下壓量較（jiào）小，材料在三向壓應力（lì）狀態下產生流動渦流，此時的金屬流動速度較慢（màn），凸模下行一段距離後，如（rú）圖１１ｂ、圖１１ｃ所示，此時（shí）材（cái）料受三（sān）向壓應力作用，抑（yì）製非變形（xíng）區材（cái）料向變形區轉移。當凸模下行至中後期時，凸模壓入量加大，凸緣部分以剛性（xìng）體狀態繼續下移，由於在中後期壓應力作用減小，材料轉移速度增大，在模具刃口附近金屬內部晶（jīng）粒變形加（jiā）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於衝裁成形具有重要意義。

２．６　板厚對雙側齒圈（quān）壓邊精衝的影響

板（bǎn）厚是影響厚板精密衝裁的主要因素之一，在實際生產加工中，不同製件對板厚的要求也（yě）不同，因此需考慮多種板厚的分析，本文分別對６、８、１０和（hé）１２ｍｍ厚的板材進行有限元模擬分析，相對間隙保持不變，分析（xī）模擬後的（de）衝裁力曲線和斷麵情況，總結出衝裁力隨板厚（hòu）變化的規律，為實際生產中的（de）模（mó）具設計和設備選擇提供（gòng）理論幫（bāng）助。

圖１２是（shì）衝裁後不同板厚的斷麵狀況，從圖中可以看出，４種不同板厚的板料衝裁完成後，斷麵狀況都不相同，光（guāng）亮帶（光亮帶主（zhǔ）要是產生塑性剪切的材料在和模具側麵接觸中被模具側麵擠壓而形成的光亮垂直的斷麵，即圖中斷麵（miàn）上部較光滑（huá）的部分）隨（suí）著板厚的（de）增加有所減少（shǎo），由６ｍｍ的５０％減小到１２ｍｍ的３０％左右，斷裂帶（dài）（斷裂帶是由刃口處的微裂紋在拉應力（lì）的作用下不斷擴（kuò）展而形成的（de）斷裂麵，斷麵粗糙，即圖（tú）中（zhōng）斷麵下部較粗糙的部分）的長度增加。

圖１２　不同板厚的斷麵質（zhì）量（liàng）

ａ）６ｍｍ板厚；ｂ）８ｍｍ板厚；ｃ）１０ｍｍ板（bǎn）厚；ｄ）１２ｍｍ板厚

Ｆｉｇ．１２　Ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｈｅｅｔ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ

３　實驗結果

實驗通過精（jīng）衝模具衝製不同板厚（６，８，１０和（hé）１２ｍｍ）的鋼板，驗證雙側齒圈壓邊的模擬結果的準確性。將本次（cì）實驗獲得製（zhì）件（圖１３）與模擬結果相（xiàng）比可以得出，實驗結果與模擬結果基本（běn）相一致，如圖１４所示。

圖１３　衝裁件試樣圖

Ｆｉｇ．１３　Ｓａｍｐｌｅｓ　ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｐａｒｔｓ

圖１４　模擬結果與實驗結果對照

Ｆｉｇ．１４　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ

由圖１３實驗所得製（zhì）件和圖１４模擬結果（guǒ）與實（shí）驗結果對照可以看出，衝裁力隨著厚板厚度的增大而增（zēng）大，經過雙側齒圈壓邊精密衝裁的（de）衝裁力在（zài）比普通衝裁並沒有大多少（＜２５％）的情況下斷麵質量較好，斷裂帶也能夠（gòu）得到改善，圓角及毛刺都較小，製件結（jié）果較為理想。

４　結　論

１） 采用雙側齒圈壓邊成（chéng）形的方法（fǎ）可以（yǐ）一次得到斷麵光潔的衝裁件，且斷麵（miàn）質量較高。

２） 在衝裁過（guò）程中，模（mó）具刃口（kǒu）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，有利於精衝變形的進行，隨著凸模壓入（rù）量的（de）增加，變形區的等效應（yīng）力呈明顯減小的趨勢，等效應變呈先增大後減（jiǎn）小的趨勢。

３） 在雙側齒圈壓邊衝裁過程中，靜水壓（yā）力提高了金屬的流動塑性，衝裁中後期壓應力作用減小，材料轉移速度增（zēng）大，在（zài）模具刃口附近金屬內部晶粒（lì）變形加大，纖維變形加劇，這時極易（yì）出現裂（liè）紋。

４） 采用雙側齒圈壓邊時，衝（chōng）裁件斷（duàn）麵質量隨著板厚的增加有降低趨勢（shì），衝裁力隨著板厚的增加而增大，但間（jiān）隙在一定範圍內對衝裁力影響（xiǎng）不大。

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（上接第２３頁）

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