免責聲明：本文援（yuán）引自（zì）網絡或其他媒體，與揚鍛官網無（wú）關。其原創性以及文中陳述文字（zì）和內容未經（jīng）本站證實，對本（běn）文以及其中全部或者部分內容、文字的真實性、完整性、及時性本站不作任何保證或承諾，請讀者（zhě）僅作參（cān）考，並請自行核實相關內容。揚州鍛壓\揚州（zhōu）衝床\揚鍛\yadon\衝床廠（chǎng）家\壓力（lì）機廠家\鍛造廠家\

轉發自：第２３卷第６期 塑性工程學報 Ｖｏｌ．２３　Ｎｏ．６

２０１６年１２月（yuè） ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＰＬＡＳＴＩＣＩＴＹ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｄｅｃ．　２０１６ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－２０１２．２０１６．０６．００９

作者：（山東科技（jì）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常存在尺寸精度低、斷麵質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（bǎn）精密衝裁成形進（jìn）行（háng）模擬和力學分析，建立了厚板的精衝數學模型及有限（xiàn）元模型，研究了成形中應力應變問題及靜水應力、材（cái）料流動的規律，並通過對６、８、１０和１２ｍｍ厚板進行有限元模擬，探討了不同板厚對雙側齒圈壓邊精衝的影響，最後（hòu）進行（háng）實驗驗（yàn）證，分析結果表明雙側（cè）齒圈壓邊衝裁方式能夠增（zēng）加厚（hòu）板剪切變形區的靜水壓力，充分發揮材料的塑性，提高厚（hòu）板衝裁件斷（duàn）麵質量。

關鍵詞：厚板；雙側齒圈壓邊（biān）；精密衝裁；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

隨著厚板精衝技術在（zài）各個（gè）領域（yù）的廣泛應用，精衝（chōng）工藝（yì）的研究已成為（wéi）現代衝裁技術的重點。普通衝

＊國家自然（rán）科（kē）學基（jī）金資（zī）助項目（５１３０５２４１）；山（shān）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（zhuān）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

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

裁方式獲得的厚板衝裁件尺寸精（jīng）度低、斷麵質量差［１－４］。本文提出一種雙側齒圈壓邊（biān）的精密衝（chōng）裁方（fāng）式（shì），即（jí）隻需在壓邊圈及凹模上設置齒（chǐ）圈就可以（yǐ）實現精衝工（gōng）藝（yì），對其進行研究，能夠大幅減少由（yóu）於昂（áng）貴的精衝設備而帶來（lái）的附加成本，有較大的經濟價值。

針對（duì）７ｍｍ以上中厚板衝裁件常出現的（de）斷麵質量差等問（wèn）題，本文以ＡＩＳＩ－１０２０鋼為研究對象，在雙側齒圈壓邊方（fāng）式下用 ＤＥＦＯＲＭ 軟件模（mó）擬分析８ｍｍ板材的精衝機（jī）理，分析變形區材料的（de）應力應變狀（zhuàng）態，並對（duì）６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ和（hé）１２ｍｍ厚板進行有限元模態分析，探討不同板厚對雙側齒圈壓邊精衝的（de）影響。

１　金屬板材精密衝裁理論基礎

１．１　精密衝裁的機理

精密衝裁是（shì）塑性剪切過程，是在專用（三（sān）動）壓力機上借助特殊（shū）結構的精（jīng）衝模，在強力（lì）作用下使板材發生塑（sù）性剪切［５］。其成形原理如圖１所示，衝裁過程中凸模接觸板料之前（qián），通過施加一定壓力使Ｖ形齒圈將材（cái）料壓緊（jǐn）在凹模上，從而在Ｖ形齒的內麵產生橫向側壓力，以阻止材料在剪切區（qū）內撕裂和金屬橫向流動（dòng），在凸模壓入材料的同時（shí），利用頂出器的反（fǎn）壓力將材料壓緊，並在壓緊狀態中凸模向下運行（háng）進行（háng）衝裁，使剪切區的材料處於三向壓應力狀態，進而（ér）提（tí）高材料的（de）塑性，使材（cái）料沿著凸（tū）凹模刃口形（xíng）狀發生塑性分離。

圖１　精衝成形（xíng）原理圖

Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ

１．２　精衝變形區（qū）的力態分（fèn）析

圖２所示為模具對板料進（jìn）行衝裁時的受力情況，當凸模下降至與（yǔ）板料接觸時，板料受到（dào）的（de）外力和板料變形區內存在的應力如圖３所示。

圖２　精密衝裁時作用於板材上的力圖

　　注：Ｐ、Ｐｄ分別為頂件板對材料的垂直作用力；Ｆ為凸模作用於材料（liào）的上的衝裁力，Ｆ＝Ｐ＋Ｐｄ；Ｎ１、Ｎ２分別（bié）為凸、凹模（mó）對（duì）材料的側壓力；Ｆ１、Ｆ２分別為凸、凹模側麵對（duì）材料的摩擦力；Ｆ３、Ｆ４分別為凸、凹（āo）模端麵對材料的摩擦力（lì）；Ｐｖ為齒圈對材料的作用力（lì）。

Ｆｉｇ．２　Ｆｏｒｃｅ　ａｃｔｓ　ｏｎ　ｓｈｅｅｔ　ｐｌａｔｅ　ｉｎ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ

圖３　一（yī）點處（chù）的應力狀態

Ｆｉｇ．３　Ｓｔｒｅｓｓ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｐｏｉｎｔ

在精衝變形區內任一點Ｏ處取坐標係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（shì）由Ｐ引起的正應力，σｖｘ、σｖｙ分別是由Ｐｖ

在Ｘ方（fāng）向分量Ｐｖｘ和Ｙ方向分量Ｐｙ引（yǐn）起的（de）正應力， σＮ為側壓力Ｎ引起的（de）正應（yīng）力，σｚ是模具對材料的約束作用引起（qǐ）的正應力，剪應力τｘｙ、τｙｘ是由外摩擦力引起（qǐ）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（lì）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（shì）中　σｍ———平均應（yīng）力

精衝時變形區的球形應力（lì）張量Ｔεσ是Ｏ點所受的靜（jìng）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，可通過以下途（tú）徑來提高靜水壓力（lì）：１）增（zēng）大σｙ，主要（yào）是通過增大頂件反力；２）增大σＮ，主（zhǔ）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（lì）Ｐｖ 來（lái）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（biān）力Ｐｖ 一定，所以，ｃｏｓα－ｓｉｎα＝０， α＝π／４

２　厚板精衝（chōng）的有限（xiàn）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衝過程，又能保（bǎo）證（zhèng）模擬結果的正確性，根據實際條件做簡化處理，因此把精衝過程作為（wéi）軸對稱問題來研究［８－９］。圖４為精衝過程的有限元模（mó）型，采（cǎi）用（yòng）Ｖ形齒圈是精衝與（yǔ）普通（tōng）衝裁（cái）最顯著的區別之（zhī）一，以點劃線（xiàn）為對稱軸，為了節省（shěng）時間和計算（suàn）機內存，隻選取工件的１／２模型進行模擬分析，將板料設置（zhì）塑性體，其他工件視為剛性體（tǐ）（即不變（biàn）形體），忽略模具的變（biàn）形。

圖４　精衝過（guò）程的有限元模型

Ｆｉｇ．４　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ本文（wén）有限（xiàn）元模擬選用直徑（jìng）Φ２０ｍｍ、板厚（hòu）８ｍｍ的（de）ＡＩＳＩ－２０鋼為研（yán）究對象，其他參數如下。

１） 模擬幾何參（cān）數：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（xíng）齒圈速度２ｍｍ·ｓ－１，凸模速度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０．１２；板料與其他零件的接觸容差為

０．００１。

３） 網格劃分：板料作為塑性體（tǐ）分析，采用（yòng）四節點單元。塑性（xìng）剪切區域集（jí）中在（zài）模（mó）具刃口之間極窄的區域內，因此，在模具間隙處還（hái）需對網格進行局部細化。

４） 邊界條件的設定：衝裁方向是沿Ｙ軸負（fù）方向，在Ｘ方向上不允（yǔn）許發生金屬流動，把配料的軸（zhóu）對（duì）稱麵設為Ｘ方向固定不動。

５） 衝裁力是（shì）選用壓力機（jī）和設計模具的重要依據之一，影響衝裁力的因素主要包（bāo）括：材（cái）料機械性能及其厚度、零件尺（chǐ）寸、模（mó）具幾何（hé）參數等。由於精衝是在三向受力狀態下進行衝（chōng）裁的，變形抗力要比普通衝裁大得（dé）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）