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轉（zhuǎn）發自：第２３卷第６期 塑性工程學報（bào） 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（tǔ）木工程與（yǔ）建築學院，青島　２６６５９０）　王（wáng）　清３

摘　要：針對（duì）普通衝裁方（fāng）式獲得的厚板衝裁件常存在尺寸精（jīng）度低、斷麵質量差（chà）及翹（qiào）曲嚴（yán）重（chóng）等問題，采用雙側齒圈壓邊的方式對厚板精密衝裁成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（yīng）變問題及靜（jìng）水應（yīng）力、材料流動的規律，並通過對６、８、１０和１２ｍｍ厚板進（jìn）行有限元模（mó）擬，探討了不同（tóng）板厚對雙側齒圈壓邊精衝的（de）影響（xiǎng），最（zuì）後進（jìn）行實驗驗證，分析結果表明雙側齒（chǐ）圈壓邊衝裁方式能夠增（zēng）加厚板剪切變形區的（de）靜水壓力，充分發揮材料的塑性，提高厚板衝裁件斷麵質量。

關鍵詞：厚板；雙側齒圈壓邊（biān）；精密衝裁（cái）；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（chōng）技術在各個領域的廣泛應用，精衝工藝的（de）研（yán）究已成為現代衝（chōng）裁技術的重（chóng）點。普通衝

＊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工（gōng）程專（zhuān）項項目（ｔｓｈｗ２０１３０９５６）。

通（tōng）訊作者：蘇春（chūn）建　Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｃｈｕｎｊｉａｎ２００８＠１６３．ｃｏｍ作（zuò）者簡介：蘇春建，男（nán），１９８０年生，山東菏澤人，博士

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

裁方式獲得的厚板衝裁件（jiàn）尺寸（cùn）精度低（dī）、斷麵質量差［１－４］。本文提出一種雙側（cè）齒圈壓邊（biān）的精密衝裁方式，即隻需在（zài）壓邊圈及（jí）凹模上設置齒圈就可以實現精衝工藝，對其進行研究，能夠大幅減少由於昂貴（guì）的（de）精衝設備而帶來的（de）附加成本，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（miàn）質量差等（děng）問題，本文以ＡＩＳＩ－１０２０鋼為研究對象，在雙側齒圈（quān）壓邊方式下用 ＤＥＦＯＲＭ 軟件模擬分（fèn）析８ｍｍ板材的精衝機理，分析變（biàn）形區材料的（de）應力應變狀態，並對６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ和１２ｍｍ厚板進行有限元模態分析，探討（tǎo）不同（tóng）板厚對雙側（cè）齒圈壓邊（biān）精衝的影響（xiǎng）。

１　金屬板材精密衝裁理論基礎

１．１　精密衝裁的機理

精密衝裁是塑（sù）性剪切過程，是在專用（三動）壓力機上借助特殊結構的精衝模，在強力作用下使板材發生塑性剪切［５］。其成形原理如圖１所（suǒ）示（shì），衝（chōng）裁過程（chéng）中凸模接（jiē）觸板料之前，通過施加一定壓力（lì）使Ｖ形齒圈將材料壓緊在凹模上，從而在Ｖ形齒的內麵（miàn）產生橫向側壓力，以阻止材料在剪切區內撕裂（liè）和金屬橫（héng）向流動，在凸（tū）模壓入材料的同時（shí），利用頂出器的反壓力將材料壓緊，並在壓緊狀態中凸模向下運行進行衝裁（cái），使剪切區的材料處於三向壓應力狀（zhuàng）態（tài），進而提高材（cái）料的塑性，使材料沿著凸凹模刃口形狀發生塑性分離。

圖（tú）１　精衝成形原理圖（tú）

Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ

１．２　精衝變形區的力態分析（xī）

圖２所示為模具對板料進行衝（chōng）裁（cái）時的受力情況，當凸模下降至與板料接觸時，板料受到（dào）的外力和板料變形區內存在的應力如圖３所示。

圖（tú）２　精密衝裁時作用於板材上的力圖

　　注（zhù）：Ｐ、Ｐｄ分別為頂件板對材料的垂直作用力；Ｆ為凸模作用於材料的上的（de）衝裁（cái）力，Ｆ＝Ｐ＋Ｐｄ；Ｎ１、Ｎ２分別為凸、凹模對材料的側壓力；Ｆ１、Ｆ２分別（bié）為凸、凹模側麵對材料的摩擦力；Ｆ３、Ｆ４分別為（wéi）凸、凹模端麵對材料的摩擦力（lì）；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（zhuàng）態

Ｆｉｇ．３　Ｓｔｒｅｓｓ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｐｏｉｎｔ

在精衝變形區內任（rèn）一點Ｏ處（chù）取（qǔ）坐標係ＸＹＺ，在該處取微元六麵體（tǐ），其上作（zuò）用應力如圖２、圖３所示。σｙ是由Ｐ引起的正應力，σｖｘ、σｖｙ分別是由（yóu）Ｐｖ

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

在Ｏ點處的應力（lì）張量為：

Ｔσ＝Ｔεσ＋Ｔσρ 式中　Ｔεσ———球形應力張量

　　　Ｔσρ———應力偏量 （１）

－σｘ＋σＮ τｘｙ ０

熿燄

Ｔσ＝τｙｘ －（σｙ＋σｖｙ） ０＝０ ０ －σｚ燅熿（huáng）－σｍ ０ ０燄（yàn）０ －σｍ ０＋燀０ ０ －σｍ燅

熿 １（σｖｙ＋σｙ＋σｚ）－２（σＮ＋σｖｘ）　τｙｘ　０燄（yàn）

３ ３

τｙｘ　 １（σｖｘ＋σＮ＋σｚ）－２（σｙ＋σｖｙ）　０

３ ３

０　０　 １（σｖｘ＋σｖｙ＋σｙ＋σＮ）－２（σＮ＋σｖｘ）燀（chǎn）３ ３燅

（２）

熿（huáng）－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———平均應力

精衝時變形區的球（qiú）形應力張量Ｔεσ是（shì）Ｏ點（diǎn）所受的靜水壓，該張量影響Ｏ點材料的塑性（xìng）［６－７］。從式（４）可以看出影響變形區靜水（shuǐ）壓力的因（yīn）素，可通過以下途徑來提（tí）高靜水壓力：１）增大σｙ，主要是通過增大頂（dǐng）件反力；２）增大σＮ，主要是通（tōng）過在一定程度（dù）上減小凸凹模間隙；３）增大σｖｘ＋σｖｙ，通過增大（dà）壓邊力Ｐｖ 來實現；４）采用最佳壓邊圈齒形內角（jiǎo） α。由（yóu）圖１可知：

Ｐｖｘ＋Ｐｖｙ＝Ｐｖ（ｃｏｓα＋ｓｉｎα）

　　取極（jí）值：令（lìng）ｄ（Ｐｖｘ＋Ｐｖｙ）＝０，得：ｄα （５）

Ｐｖ（ｃｏｓα－ｓｉｎα）＝０ （６）

　　因（yīn）為，壓邊力Ｐｖ 一定，所以，ｃｏｓα－ｓｉｎα＝０， α＝π／４

２　厚（hòu）板（bǎn）精衝的有限元模擬仿真分析

２．１　有限元模型的建立

在有（yǒu）限元模擬過程中，為保證（zhèng）有限元模型精確描（miáo）述精衝過程，又能保（bǎo）證模擬結果的正確性，根據實際條件做簡化處理，因此把精（jīng）衝過程（chéng）作為軸對稱問題來研究［８－９］。圖４為精衝過程的有限元模（mó）型（xíng），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（wéi）對稱軸，為了節省時（shí）間和計算機內存，隻選取工件的１／２模型進行模（mó）擬分析，將板料設置塑性體，其他工件視為剛性體（即不變形體），忽略模具的變形。

圖（tú）４　精衝過程的有限（xiàn）元（yuán）模型

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

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）料厚度（dù）８ｍｍ，

Ｖ形齒圈速度２ｍｍ·ｓ－１，凸模速（sù）度１ｍｍ·ｓ－１。

２） 摩（mó）擦係數的選擇：由於是冷衝壓（yā），設置冷（lěng）摩擦係數（shù）為０．１２；板料與其他零件的接觸容差為

０．００１。

３） 網格劃分：板（bǎn）料作為塑性體分（fèn）析，采用四節點單元。塑性剪切區域集（jí）中在模具刃口之間極窄的區域內，因此，在模具間隙處還需對網格進行局部細化。

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

５） 衝裁力是選用（yòng）壓力機和設計（jì）模具的重要依據（jù）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、模具幾何參數（shù）等。