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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：（山東科技（jì）大學機械電子（zǐ）工程學院，青島（dǎo）　２６６５９０）　蘇春建１　閆（yán）楠楠２　張曉東４　陸（lù）　順５

（山東科技大學土木工程與建築學院，青島（dǎo）　２６６５９０）　王　清３

摘　要：針對普通衝（chōng）裁方式獲得的厚板衝裁件常（cháng）存在尺寸精度低、斷麵質（zhì）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（jīng）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及靜水應力、材料流動的規律，並通過對６、８、１０和（hé）１２ｍｍ厚（hòu）板進（jìn）行有限元模擬，探討了（le）不同板厚對雙側（cè）齒圈壓邊精（jīng）衝的影響，最後進行實（shí）驗驗證，分析結果表明（míng）雙側齒圈壓邊衝裁方（fāng）式能夠增加厚板剪切變形區的靜水壓力，充（chōng）分發揮材料的塑性，提高厚板衝裁（cái）件斷（duàn）麵質量。揚州鍛壓\揚州衝床\揚鍛\yadon\衝床廠家\壓力機廠家\鍛造廠家（jiā）\

關鍵詞：厚板；雙側齒圈壓邊；精密衝（chōng）裁；力學分析

中圖分類號：ＴＧ３８６　　　文獻標識（shí）碼：Ａ　　文章（zhāng）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

隨著厚板精衝技術在各個領域（yù）的廣泛應用，精衝工藝的研究已成（chéng）為現代衝裁技術（shù）的重（chóng）點。普通衝

＊國家自然科學基（jī）金資助項目（５１３０５２４１）；山東省高等學校（xiào）科研計劃（huá）項目（Ｊ１２ＬＡ０３）；山東省泰山（shān）學者建（jiàn）設工程專項項（xiàng）目（mù）（ｔｓｈｗ２０１３０９５６）。

通訊作者：蘇春（chūn）建（jiàn）　Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｃｈｕｎｊｉａｎ２００８＠１６３．ｃｏｍ作者簡介：蘇春建，男，１９８０年（nián）生，山（shān）東菏（hé）澤人，博士

（後），副教授，主要從事金（jīn）屬（shǔ）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（fāng）式獲得的厚板（bǎn）衝裁件尺寸精度低、斷麵質量差［１－４］。本文（wén）提出一種雙（shuāng）側齒（chǐ）圈壓（yā）邊的精（jīng）密衝裁方式，即隻需（xū）在壓邊圈及凹模上設置齒圈就（jiù）可以實現精衝工藝，對其進行研究，能夠大幅（fú）減少由於昂貴的精衝（chōng）設備而帶來的（de）附加（jiā）成本，有較大的經濟價值。

針對７ｍｍ以（yǐ）上中厚板衝裁件常出現的斷麵質量差等問題，本（běn）文以ＡＩＳＩ－１０２０鋼為研究對象，在雙側齒圈壓邊方式下用（yòng） ＤＥＦＯＲＭ 軟件模擬分析８ｍｍ板材的精衝機理，分析變形區材料的應力應變狀態，並（bìng）對６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ和１２ｍｍ厚板進行有限元（yuán）模態分析，探（tàn）討不同板厚對雙側齒圈壓邊精衝（chōng）的（de）影響。

１　金屬板（bǎn）材精（jīng）密衝裁理論基礎（chǔ）

１．１　精密衝裁的機（jī）理

精密衝裁是塑性（xìng）剪切過程，是在專用（三動）壓力機上借助（zhù）特殊結（jié）構的（de）精衝模，在強力作用下使板材發生塑性剪切［５］。其成形原理如圖（tú）１所（suǒ）示，衝裁（cái）過程中凸模接觸板料之前，通過施加一（yī）定壓力使Ｖ形齒圈將材料壓緊在凹模上，從而在（zài）Ｖ形（xíng）齒的內麵產生橫向側壓力，以阻止材料在（zài）剪切區內撕裂和金屬橫向流動，在（zài）凸模壓入材（cái）料的同時，利（lì）用頂出（chū）器的反壓力將材料壓緊（jǐn），並（bìng）在壓緊狀態中凸模向下運行進行衝裁，使剪切區的（de）材料處於三（sān）向壓應力狀態，進而提高材料的塑性，使材料（liào）沿著凸凹模（mó）刃口形狀發生塑性分（fèn）離。

圖１　精（jīng）衝成形原理（lǐ）圖

Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ

１．２　精（jīng）衝變形區的力態分析

圖２所示（shì）為模具對板料進（jìn）行衝裁時的受力情況（kuàng），當凸模下降至與板料接觸時，板料受到的外力（lì）和板料變形區內（nèi）存在的（de）應力如圖３所示。

圖２　精密衝裁時作（zuò）用於板材上的力圖

　　注：Ｐ、Ｐｄ分別（bié）為頂件板對材料的垂直作用力；Ｆ為凸模（mó）作用於材料（liào）的（de）上（shàng）的衝裁力，Ｆ＝Ｐ＋Ｐｄ；Ｎ１、Ｎ２分別為凸、凹模對材料的側（cè）壓力（lì）；Ｆ１、Ｆ２分（fèn）別為凸、凹模側麵對材料的（de）摩擦力；Ｆ３、Ｆ４分別（bié）為凸、凹模端麵對材料的摩擦力；Ｐｖ為齒圈對材料的作用力。

Ｆｉｇ．２　Ｆｏｒｃｅ　ａｃｔｓ　ｏｎ　ｓｈｅｅｔ　ｐｌａｔｅ　ｉｎ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ

圖３　一點處的應力狀態

Ｆｉｇ．３　Ｓｔｒｅｓｓ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｐｏｉｎｔ

在精衝（chōng）變形區內任一點Ｏ處取（qǔ）坐標係ＸＹＺ，在該處取微元六麵體，其上作用應力如圖２、圖３所示。σｙ是由Ｐ引起的（de）正應力，σｖｘ、σｖｙ分別是（shì）由Ｐｖ

在Ｘ方向（xiàng）分量Ｐｖｘ和Ｙ方向分量Ｐｙ引（yǐn）起的正應力， σＮ為側壓力Ｎ引起的正應力（lì），σｚ是模具對材料的約束作（zuò）用引起的（de）正應力，剪應力τｘｙ、τｙｘ是由外摩擦力引起的。

在Ｏ點處的應力張量為：

Ｔσ＝Ｔεσ＋Ｔσρ 式中　Ｔεσ———球形（xíng）應力張量

　　　Ｔσρ———應力偏量（liàng） （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（chǎn）０ ０ －σｍ燅

１（σｙ＋σＮ＋σｖｘ＋σｖｙ＋σｚ） （４） σｍ ＝

３

式中　σｍ———平均應（yīng）力

精衝時變形（xíng）區的球形應力張量Ｔεσ是Ｏ點所受的靜水壓，該張量（liàng）影響Ｏ點材（cái）料的塑性［６－７］。從式（４）可以（yǐ）看出影響變形區靜水壓力的因素，可通過以下途徑來提高（gāo）靜水（shuǐ）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（tōng）過增大壓邊力Ｐｖ 來實現；４）采用最佳壓邊圈齒形內角（jiǎo） 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　厚板精衝（chōng）的有限元模擬（nǐ）仿真分（fèn）析

２．１　有限元模型的建立

在有（yǒu）限元模擬過程中，為（wéi）保證（zhèng）有限元（yuán）模型精確描（miáo）述精衝過程，又能保證模擬結果的正確（què）性，根據（jù）實（shí）際條件做簡化處理，因此把精衝過程（chéng）作（zuò）為軸對（duì）稱問題（tí）來研究（jiū）［８－９］。圖４為（wéi）精衝過程的有限元模型，采用Ｖ形齒圈是精衝與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），隻選取工件的１／２模型進行模擬分析（xī），將板料設置（zhì）塑性體，其他工件視為剛性（xìng）體（即不變形體），忽（hū）略（luè）模具的變形。

圖４　精衝過程的（de）有限元模型

Ｆｉｇ．４　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ本文有限元（yuán）模擬選用直徑Φ２０ｍｍ、板厚８ｍｍ的ＡＩＳＩ－２０鋼為（wéi）研究對象，其他參數如下。

１） 模擬幾何參數：凹模外直徑Φ５０ｍｍ，模（mó）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（dù）１ｍｍ·ｓ－１。

２） 摩擦係數的選擇：由於是冷（lěng）衝壓，設置冷（lěng）摩擦係（xì）數為０．１２；板料與其他零（líng）件的接觸容差為

０．００１。

３） 網格劃分：板料作為塑性體（tǐ）分析，采用四節點單元。塑性剪切區域集中在（zài）模（mó）具（jù）刃口之間極窄的區域內（nèi），因此，在（zài）模具間隙（xì）處（chù）還需對（duì）網格進行局部細（xì）化。

４） 邊（biān）界條件的（de）設定：衝裁方向是沿Ｙ軸負方向，在（zài）Ｘ方向上不允許（xǔ）發生金屬流動，把配料的軸對（duì）稱麵設為Ｘ方向固定不動。

５） 衝裁力是選用壓力機和（hé）設計（jì）模具的重要依據之一，影響衝裁力的因素主要包括：材料機械性能及其厚度、零件尺寸（cùn）、模（mó）具幾（jǐ）何（hé）參數等（děng）。由於精衝是在三向受力狀態下進（jìn）行衝裁的，變形抗力要比普通衝裁大得多，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（zǒng）壓力

　　　Ｆ———衝裁力

　　　ＦＹ———壓料（liào）力