（材料加工工程专业论文）基于伺服驱动机械压力机的静音冲裁工艺研究.pdf

摘要 冲裁是最重要的冲压工艺之一，它不仅可作为其它复杂冲压加工的准备工 序，还可以直接获得具有一定精度要求的制件。由于在板料的冲裁加工过程中， 变形集中在很小的区域内，且以断裂方式告终，使得其研究存在很多困难。而且 由于冲裁大多在普通曲柄压力机上进行，冲压设备运动特性的局限性，运动特性 固定，不能改交，迄今为止，对于冲裁工艺的研究主要集中在模具结构、工艺参 数等方面，针对压力机滑块运动特性对冲裁过程影响的研究尚未见报道。 板料的冲裁过程是随着板料的断裂分离而结束，因此，冲裁过程中积蓄在压 力机机身的弹性变形能随断裂的产生而瞬时释放，引起压力机强烈的振动，产生 较大的噪音和对模具以及设备的损坏。目前，对冲压生产中的噪音治理主要采用 消极减振的方法，如在压力机底座与基础之间安装减振元件，这虽然将振动与基 础隔离，可以减少部分振动和噪音，但是它不能从根本上消除振动和噪音。本世 纪初始，一种新型的压力机一伺服压力机的出现，为解决这一问题带来了新的 希望。这种压力机由交流伺服电机驱动，滑块运动特性可任意调节，通过调节压 力机滑块特性来改变冲裁过程积蓄在压力机机身的弹性变形能量的释放时间，使 变形能在材料冲断之前就基本释放完毕，从而最大限度地减轻压力机冲裁引起的 振动，从根本上解决冲裁振动问题，有可能实现静音冲裁，称之为主动减振法。 本文从金属板料冲裁加工过程的基础理论出发，分析了板料冲裁加工过程 中的塑性变形和断裂过程、研究其数学模型以及采用有限元法求解的具体方 法，重点研究了网格重划、断裂问题的处理以及不同冲裁工艺参数对板料断裂 的影响等 应用d e f o r m - 2 d 商业有限元分析软件，用n o r m a lc o c k r o f l & l a t h a m 断裂准 则，对不同厚度的板料冲裁过程进行模拟计算，获得冲裁过程各阶段应力、应变 状态，冲裁工艺参数对板料裂纹产生及断裂位置的影响，以及整个过程冲裁力的 变化，可作为减轻冲裁振动、降低冲裁噪声的基础。 按照课题组自行研制的舳吨伺服精密螺旋压力机的结构，建立了压力机冲 裁受力的数学模型采用m a t l a b s i m u l i n k 对冲裁过程进行数值仿真的方法，对 不同滑块运动特性曲线冲裁时冲头的运动进行仿真，由冲断时冲头的振动幅值和 振荡次数可以判别振动的大小。 按照在冲断前降低冲头速度，释放弹性能的思路，设计了多种滑块的运动曲 线，以期获得最佳的减振效果，以减速起始点和减速幅度为优化变量，振动幅值 最小为目标进行优化，获得了一定材料和板厚的最佳减振工艺参数。仿真表明， 按照最佳工艺进行冲裁，振幅可较匀速冲裁降低7 0 以上，可以基本实现静音 冲裁。 关键词冲裁有限元分析伺服压力机振动仿真 a b s t r a c t b l a n k i n gi so 位o ft h em o s t 唧o r t ms t a m p i n gp r o c e s s e s , n o to n l yc a ni tb et h e p r e p a r a t i o nf o rt h ec o m p l e xs t a m p i n g ，b u ta l s oi tc a ng e tw o r kp i e c e sw i t hac e r t a i n a c c u r a c yd i r e c t l y t h e r ea 地l o t so fd i f f i c u l t i e st os t u d ys h e e tm e t a lb l a n k m gp r o c e s s s i n c et h ed e f o r m a t i o ni sl i m i t e di nat i n ya r e ao fs h e e tm e t a la n de n d sw i t h 丘a c t m e m o r e o v e r , a sm o s tb l a n k i n gw o r k so n 廿a d i t i o m la 龃kp r e s s e s ，a l d n gw i t ht h ef i x e d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s , a n dt h el i m i t a t i o no ft h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s w i t h s t a m p i n ge q u i p m e n t s ，t h es t u d i e so nb l a n k i n gf o c u s e dc h i e f l yo nd i es t r u c t u r e , c r a f t p a r a n l d e r sa n d o nw h i l et h es t u d ya b o u tt h ee f f e c to fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f s f i d eo n t h eb l a n k i n gp r o c e s si su n r e p o r t e d s h e e tm e t a lb l a n k i n ge n d sw i t ht h e 丘a c c u a n dt h u st h ee l a s t i ce n e r g ya c c u m u l a t e d i nt h ep r e s sb o d yr e l e a s e sw i t ht h ef i a c t u r c , b r i n g i n gs e v 翻t - ev i b r a t i o n , g r e a tn o i s ea n d d a n a g et ot h ed i ea n de q u i p m e n t s u pt on o w , p a s s i v ed a m p i n g , f o re x a m p l ea d d i n g v i b r a t i o n - r e d u c i n gc o m p o n e n t sb e t 3 m e e nt h ep r e s sb a s ea n dt h eg r o u n d , h a sm a i n l y b e e na d o p t e dt od e a lw i t ht h en o i s eg e n e r a t e db ys t a m p i n gp r o c e s s t h o u g ht h i s m e t h o ds e p a r a t e st h ev i b r a t i o n 丘o mt h eg r o u n d9 0a st op a r t i a u yr e d u c et h ev i b r a t i o n a n dn o i s e ，i tf a i l st oe l i m i n a t et h en o i s ec o m p l e t e l y e v e rs i n c et h e 呻b e g i n n i n go f t h i s m l 珂，s e r v op r e s s e sh a sc 0 戏o u ta n db r o u g h t 吣h o p ct os o l v et h i sp r o b l e m t h ep r e s s e s 虢d r i v e nb ya cs a v oe l e c t r i cm o t o r s , a n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h es l i d e 啪b ea d j u s t e df r e e l y t h er e l e a s i n gt i m eo fe l a s t i ce n e r g ya c c u m u l a t e d d u r i n gt h eb l a n k i n gc o u l db ea l t e r e dt og u a r a n t e et h ee l a s t i ce n e r g yt ob ec o m p l e t e l y r e l e a s e db e f o r et h ef r a c t u r e a st or e d u c et h ev i b r a t i o nm a x i m a l l y , r e a l i z i n gs i l e n c e b l a n k i n g t h i sm e t h o dc o u l db ec a l l e da c t i v ev i b r a t i o nr e d u c i n g s t a r t i n g 骱mt h ef m i t ee l e m e n tt h e o r i e so f s h e e tm e t a lb l a n k i n g , t h i st h e s i sa n a l y z e s i t sp l a s t i cd e f o r m a t i o n , f r a c t u r ep r o c e s s , m a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d i te m p h a s i z e so ng r i dr e m o s i a n g ，d e a l i i i gw i t hf r a c t u r ep r o b l e m sa n d d i f f e r e n tb l a n k i n gp a r a m e t e r s e f f e c t so nm e t a ls h e e tf r a c t u r e d e f o r m - 2 di su s e dt os i m u l a t eb l a n k i n g p r o c e s so fs h e e tm e t a lw i t hd i f f e r e n t t h i c k n e s s e sa c c o r d i n gt ot h en o r m a lc o c k r o f l & l a t h a mf r a c t u r ep r i n c i p l e t h es t r e s s h i 广东工业大学工学硕士学位论文 a n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n , b l a n k i n gp a r a m e t e r s e f f e c t so nt h ec r a c ka n dt h ef o r c e - s t r o k e c u r v eo ft h ee n t i r eb l a n k i n gp r o c e s sa g eo b t a i n e d ，s c t t m gaf o u n d a t i o nf o rr e d u c i n g b l a n k i n gv i b r a t i o na n dl o w e r i n gb l a n k i n gn o i s e s a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo f t h e8 0 ts g l g wc o i l l i t l = gp r e s sd e s i g n e db yo u rg r o u p ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l a n k i n gi sm a d e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lb a s e do n m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ei ss e tu p , a n ds e r i e ss i m u l a t i o n so fb l a n k i n gp r o c e s sa r e c a r r i e do u t 1 f 1 把p r e s sv i b r a t i o nc a l lb ej u d g e db a s e do nt h ea m p l i t u d e sa n dv i b r a t i o n t i m e s a c c o r d i n gt ot h ei d e at h a tl o w e r i n gt h ev e l o c i t yo ft h er a mb e f o r et h ef r a c t u r et o r e l e a s et h ee l a s t i ca k r g 弘m a n yt y p e so fd y n a m i cc u r v e sa r ed e s i g n e dt oa t t a i nab e s t v i b r a t i o ne f f e c t b yi m p r o v i n gw i t hm i n i m u mv i b r a t i o na st a r g e t , s p e e d “洳c i n gs p o t a n dv e l o c i t yr e d u c i n ga m p l i t u d ea sv a r i e s ，t h eb e s tv i b r a t i o nr e d u c i n gc r a f tp a r a m e t e r s o f c e r t a i ns h , tm e t a lw i t hd i f f e r e n td e p t hi sa p p r o a c h e d n 柠s i m u l a t i o nr e v e a l st h a t b l a n k i n gw i t ht h eb e s tb l a n k i n gc r a f t ，m o r et h a n7 0 v i b r a t i o ni sr e d u c e dc o m p a r e dt o b l a n k i n ga taf i x e dv e l o c i t ya n ds i l e n tb l a n k m gc a nb a s i c a f l yr e a l i z e k e y w o r d sb l a n k i n g ；f m i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；$ e r v op r e s s ；v i b r a t i o n ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n - i v - 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师擗摊才弓 论文作者签字： 泖7 年月j 一日 钫头 第一章绪论 1 1 板料冲裁加工概述 第一章绪论 1 1 1 冲裁 在冲压加工时，大多数毛坯在加工成零件之前，一般都要经过一道切断工 序，即剪切加工。文献分析表明，对剪切加工的研究工作多数是针对板料进行 的，板料的剪切加工又被称为冲裁，一般当剪切线为非封闭曲线时称为剪切，当 剪切线为封闭曲线时称为冲裁，但二者并没有严格的区别，在实际生产和文献资 料中，都有将二者等同的情况。在本文将剪切线为封闭曲线的板料冲裁加工作为 研究的对象。 冲裁加工工艺是冲压加工方式的主要形式和基础。通常所说的冲压成形及其 它的塑性加工工艺，一般是指在不引起被加工材料破坏的情况下，使其产生塑性 变形，从而得到所需制件的方法。而所谓冲裁加工是指利用板料的剪切变形，利 用模具按照期望的形状、尺寸使板料产生切断分离的加工工序，主要包括：落 料、冲孔、切口、修边等【”。由此可见，冲裁加工不仅在被加工材料的很小区域 内产生很大的塑性变形，而且以破坏分离为最终目的，这就使得这种看似简单的 加工方法，比其他塑性加工工艺复杂的多，在加工过程中往往伴随着一些不能简 单说明的复杂现象，而且由于缺乏一种合适的断裂判断的标准，所以对冲裁过程 模拟起来比较困难1 2 1 冲裁加工在冲压生产中应用十分广泛，一方面冲裁加工工序可以为弯曲、拉 深、胀形等复杂的冲压成形工序准备毛坯，与车、铣、刨等加工方法相比，其生 产效率高、生产成本低、材料利用率高，同时由于冲裁制件是借助于具有一定形 状的模具得到的，故制件的形状和尺寸都比较稳定，且互换性好，一套模具可以 使用数万次，刃磨后还可以继续使用，适用于大批量生产；另外一方面，冲裁加 工工序产生的断面少，板料分离消耗的能量小，生产一个制件所需的时间短。合 理的设计模具，还可以提高冲裁加工制件的精度，直接得到具有一定精度要求及 所需形状、尺寸的零件 长期以来，人们对冲压加工技术方面的研究集中在成形方面，如板料的拉 广东工业大学工学硕士学位论文 深、弯曲、胀形及翻边等，这些方面的理论已经日趋成熟。但是由于冲裁时板 料的变形与破坏，都集中于一个很狭窄的范围里，应力与应变的变化梯度大，变 形过程复杂，经历弹性变形、塑性变形阶段之后最终要以断裂告终，使得对冲裁 加工的研究工作十分困难，以致于人们对冲裁过程的研究与认识都相当不够，对 冲裁技术水平的提高也是不利的影响脚。冲裁加工的主要特点： ( 1 ) 凸、凹模刃口切入被加工材料，刃口尖端出现畸异点，这就给有限元模 拟和理论分析带来很大困难： ( 2 ) 变形集中在一个狭小的区域内，被加工材料的大部分都为弹性区，因为 变形大变形区域小，使得通常的实验方法，例如在变形区划分网格，然后测量网 格的变形，进而确定应变应力的方法，不是很容易实现，用有限元模拟时也要适 时对变形网格进行重新划分，才能保证收敛性和计算精度； ( 3 ) 变形过程中出现被加工材料纤维切断现象，且以断裂方式告终。由于很 难建立与实际情况相符的判据，应该说，断裂或破坏是研究冲裁加工较难解决的 问题。 近年来，随着弹塑性力学、断裂力学、计算力学、有限元方法和计算机技 术的发展，针对冲裁加工工艺的有限元模拟技术有了较大的发展 4 1 1 5 1 。 1 1 2 冲裁振动与减振 目前，噪声污染已经成为仅次于空气污染和水质污染的第三大公害，随着绿 色制造概念的产生，大量应用于机械生产制造的机械压力机产生的噪音受到越来 越广泛的关注。众所周知，压力机的噪声来源于压力机的振动，因此，减轻或者 抑制压机振动即可间接的降低压力机工作噪音。 通过实测和有限元模拟，发现引起压力机振动的因素很多，其中包括滑块机 构运动的惯性力、模具接触时的撞击力、压力机的工作载荷等。但主要是两种因 素引起的： ( 1 ) 滑块机构的惯性力； ( 2 ) 冲裁时工件突然失荷卸载引起机身振动的弹性恢复力。 冲裁时，冲头一旦接触金属板料，冲裁力开始增加，与此同时，由于机身及 其它受力构件的变形而积累了弹性变形能。当冲头进入板料约一半厚度时，冲裁 力达到最大值，板料在靠近凹模刃口部位产生裂纹；随着冲头继续进入板料，板 第一章绪论 料在靠近凸模刃口的位置产生裂纹，继而裂纹扩展，上下裂纹相遇，板料断裂。 板材的突然断裂使冲头突然失荷。机身等积累的弹性变形能在极短时间内释放出 来，将激起机身及各部件的振动，使压力机各部件间产生冲击，与此同时，滑块以 相当大的速度下冲，引起滑块周围空气的压力扰动，从而辐射噪声。前者激发的 噪声称振鸣噪声，后者引起的噪声为加速度噪声【6 】。由分析可知，振鸣噪声与引 起机身等构件振动的冲裁力一时间历程有关。 许多未经减振治理的压力机，其床身底部与基础都是刚性联接。工作时，离 合器结合瞬间床身振动很大，部分能量将通过床身传到基础。另外，在冲裁板材 的断裂瞬间，床身积蓄的弹性变形能在短时间内释放出来，也使床身产生振动， 除引起床身各部位的强烈冲击，加剧了模具的磨损，大大降低了模具的使用寿命 及冲裁制件的质量，阻碍压力机朝大吨位、高精度方向的发展，部分能量还将通 过床身直接传给基础，导致地面和建筑物的振动，使车间的嘈杂声增加，影响操 作工人的身体健康，对周围环境造成严重的噪声污染。 由于传统机械压力机滑块运动特性的不可调性，对于冲裁加工的减振降噪主 要集中在以下几个方面： ( 1 ) 改变模具结构形式，降低冲裁力：在单个冲裁模中，可采用双斜刃凸 模；压力机上同时有几幅模具进行冲裁时，可采用阶梯凸模。 ( 2 ) 利用缓冲减振装置：在压力机滑块与工作台之间加减振器，例如卷弹 簧，空气弹簧，橡胶减振器，液压减振器等，从而可以延长冲裁加工时闻，使得 冲裁力变化减缓，使得压力机在冲裁过程中贮存的弹性交性能缓慢释放，改变加 工过程的冲裁力一时间历程曲线，从而减轻振动，降低噪音。 ( 3 ) 为了抑制因为冲裁力突然消失使床身产生的振动噪音，在床身表面粘贴 性能适当的阻尼材料，由于阻尼的作用，一部分振动能量转化为热能，从而使得 振动与噪音降低川 目前，将伺服驱动应用于机械压力机的伺服压力机的出现，一方面使得冲压 设备实现了数控化；另外，由于伺服压力机滑块运动不仅速度、行程可编程控 制，而且可以在整个行程的任意位置停滞，这样就为根据冲裁过程中材料的应力 应变与滑块速度的关系来制定冲裁工艺，根据实际情况编制冲裁力时间曲线， 使得冲裁力变化缓慢，延长贮存在压力机的弹性变形能的释放时间，以大大降低 机器的振动与噪声，从而达到静音冲裁的目的。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 伺服压力机及基于伺服压力机的冲裁工艺 1 2 1 伺服压力机 上世纪末、本世纪初，由于交流伺服驱动技术的发展，出现了一种基于交流 伺服电机驱动的新型机械压力机，这种压力机采用交流伺服电机作为主传动，由 于其伺服功能，滑块运动曲线不再是固定不可调的，而是可根据工艺要求进行优 化的任意曲线 s 1 这就大大提高了压力机智能化程度和适用范围。日本将这类压 力机之为“自由运动”( f r e em o t i o n ) 压力机，图1 1 【9 】所示为日本小松和会田等 公司分别开发的该类压力机工作特性举例。 i ) 一模多击 ”快速聋行程、回程，慢速工作 c ) 鬲皴上作( 曲轴摆动)d ) 静罾冲裁 图1 - 1 伺服压力机特性举例 f i g l - ic h a r a c t e r i s t i ce x a m p l e so f a c s c i d op r e s s a ) 一模多击：滑块在工作过程中可以有短时停顿，多次加压。这对于某些精压 工作和粉末冶金压制等工艺是十分有用的。 b ) 快速空行程一慢速压制一快速回程：可以提高工作效率，改善产品质量，特 别适合某些难成形材料的拉深工作。 a ) 高频工作：可根据工件的不同，调整滑块行程缩短循环时问。对于薄板冲 裁，曲柄无须完成3 6 0 度旋转，而仅进行一定角度的摆动来完成冲压工作。 这就大大提高了生产率。 b ) 静音冲裁：图示特殊的工作特性曲线，控制冲裁时冲头的速度，从而减少冲 裁的振动和噪音，提高模具使用寿命。据小松提供的数据，该压力机的冲裁 噪音较常规曲柄压力机降低了1 0 0 倍。又由于没有空转，不工作时可以完全 第一章绪论 没有嗓音，整个车间的噪音可大大降低“们 伺服驱动机械压力机保留了机械压力机的原有优点，尤其是，生产率远高于 液压机，体现了“液压机的加工质量，机械压力机的生产效率”。还可在控制器 中预存适于冲裁、拉深、压印、弯曲等工艺以及不同材料的特性曲线，使用时， 不同工艺、不同材料调用不同曲线。这就大大提高了压力机的加工性能，扩大了 加工范围，其加工性能完全可以与液压机媲美。 1 2 2 基于伺服压力机的冲裁工艺 由于冲裁过程本身的复杂性，用一般的理论和实验分析方法对其进行研究非 常困难【n 2 羽。过去，人们对冲裁加工的认识，不管是平面问题还是轴对称问 题，较多的是针对模具设计的一些基本参数，如模具间隙、冲裁凸凹模圆角等给 出一般性的指导原则，然后通过对冲裁件的质量鉴别来间接地评价冲裁工艺的合 理性，而没有涉及冲裁过程板料发生的物理和力学性质的变化等问题。近十几年 来，由于生产的实际需要及计算技术、实验技术的发展，特别是有限元计算及相 关技术的逐渐完善及广泛应用，对板材的冲裁加工研究已经逐渐增多，一些研究 工作者已开始借助于有限元法，或者结合实验方法对冲裁加工过程进行分析，并 取得了一些成果。国内学者梁炳文n 4 1 、卢险峰“钏阍、揭小平切、吴永东“蛐朔等 对板料冲裁加工都做了一定深度的研究，内容包括板材的冲裁力学研究、冲裁工 艺方案规划、冲裁模具设计等许多方面。但是从改变压力机滑块工艺曲线方面去 考虑提高压力机的智能化和柔性、提高冲裁制件质量、降低生产过程中的振动和 噪音的研究还不曾涉及到。 伺服压力机还是刚出现不久的新设备，基于这种设备的冲压加工的理论和实 际应用的研究还很少，有关伺服压力机的变速冲裁工艺和理论的研究尚未见报 道 1 3 课题来源及研究的目的和意义 本课题来源于广东省自然科学基金项目智能型数控机械压力机关键技术研 究，编号0 4 0 0 9 4 6 8 目的是根据伺服压力机滑块特性来对冲裁过程进行理论研 究及数值模拟，通过实验验证利用伺服压力机进行冲裁的各项压机参数，对于丰 富冲压工艺理论，开发在汽车、机械、仪表等工业有广泛应用前景的冲裁加工工 艺，提高冲压制件的产品质量等方面有重要意义。 广东工业大学工学硕士学位论文 近数十年来，随着航空航天、船舶、汽车、家电、仪器仪表、计算机等工 业的发展，冲压技术的应用越来越广泛。为了适应生产发展的需要，许多科技工 作者不断的探索求新，完善和开发冲压加工工艺，以求更大限度地发挥冲压技术 的优越性和应用水平，冲压生产技术得到了十分迅猛地发展。冲裁加工约占整个 冲压加工工序的5 0 - 6 0 ，冲裁加工的生产水平的高低直接影响整个冲压生产 行业的技术水平。 振动和噪音是冲裁中的一个亟待解决的重大问题，它不但恶化生产环境， 影响工人健康，而且损坏设备和模具，增加生产成本。上世纪末、本世纪初，伺 服压力机的出现为解决这一问题带来了希望。为了实现静音冲裁，除了具有伺服 压力机外，还必须建立相应的冲裁工艺。本研究的目的在于深入研究冲裁过程、 冲裁过程中振动和噪音产生的机理和规律、奠定基于伺服机械压力机的新型静音 冲裁工艺的理论基础。它不仅可以丰富冲压加工的工艺和理论，而且对于改善冲 压工作环境、提高设备和模具寿命、降低生产成本具有十分重要的意义。 1 4 本课题主要研究内容 本文采用数值模拟的方法，研究基于伺服压力机的静音冲裁过程，探讨实现 静音冲裁的最佳滑块工艺特性曲线。主要研究内容为： 1 利用d e f o r m 有限元分析软件对板料的冲裁加工模型进行模拟仿真分 析，从而掌握板料冲裁过程的应力、应变情况及冲裁力的变化规律 2 根据d e f o r m 模拟结果确定不同厚度的板料其冲裁工艺参数对裂纹产 生、扩展及断裂分离的影响。 3 建立压力机冲裁过程的振动力学模型，为实现m a t l a b s i m u l i n k 仿真提供 基础。 4 利用m a t l a b 工程计算仿真软件对压力机冲裁过程引起的振动进行仿真， 研究压力机冲裁过程中对其振动有影响作用的参数。建立实现静音冲裁的优化工 艺曲线。 第二章冲裁加工工艺原理及有限元分析基础 第二章冲裁加工工艺原理及有限元分析基础 2 1 冲裁加工工艺原理 前文分析，压力机在冲裁断裂瞬间产生的振动与冲裁力时间历程有关，要 通过调节压力机滑块的运动曲线以延长冲裁过程中积蓄在压力机机身的弹性变形 能的释放时间，来实现静音冲裁，必须掌握板料在整个冲裁过程的变形机理、受 力状况等，尤其是裂纹的产生及扩展情况。 2 1 1 冲裁变形分析 2 1 1 1 冲裁过程 普通冲裁过程都是从弹、塑性变形开始，以断裂告终；其变形主要分为三个 阶段刚，如图2 - 1 ： 弹性变形阶段 冲裁开始时，板料在凸模的压力下，发生弹性压缩和弯曲。凸模继续下压， 板料底面相应部分材料略挤入凹模孔口内。板料与凸、凹模接触处形成很小的圆 角。由于凸、凹模之间有间隙存在，使板料同时受到弯曲和拉伸的作用，凸模下 的板料产生弯曲，位于凹模上的板料开始上翘，间隙越大，弯曲和上翘就越重。 塑性变形阶段 凸模继续下降，压力增加，当材料内部应力达到屈服点时，板料进入塑性变 形阶段。此时凸模开始挤入板料，并将下部材料挤入凹模孔内，板料在凸、凹模 刃口附近产生塑性剪切变形，形成光亮的剪切断面。在剪切面的边缘，由于凸、 凹模间隙的存在而引起的弯曲和拉伸的作用，形成圆角。随着切刃的深入，变形 区向板材的深度方向发展、扩大，应力也随之增加，变形区材料的硬化加剧，载 荷增加，最后在凸模和凹模刃口附近，达到极限应变与应力值时，材料便产生微 裂纹，这就意味着破坏开始，塑性变形阶段结束。 断裂分离阶段 此时凸模继续压入，凸、凹模刃口附近产生的微裂纹不断向板材内部扩展， 若问隙合理，上下裂纹则相遇重合，板料被拉断分离。由于拉断的结果，断面上 广东工业大学工学硕士学位论文 形成一个粗糙的区域。当凸模再下行，冲落部分将克服摩擦阻力从板材中推出， 全部挤入凹模洞口，冲裁过程到此结束。 图2 1 板料冲裁加工工艺原理图 f i 9 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f s h e e tm e t a lb l a n k i n gp r o c e s s 2 1 1 2 冲裁加工变形区力态分析 板料冲裁加工过程中，在刃口附近产生的应力，应变状态非常复杂。应力， 应变状态的分布，直接影响冲裁加工过程和最终结果，如裂纹的形成及扩展，最 终切断面的形成，成型力及模具的磨损等，都和应力，应变状态有关。 由于凸，凹模之间存在间隙，使凸，凹模施加于板料上的力产生一个力矩， 其值等于凸，凹模作用的合力与稍大于间隙的力臂的乘积。力矩使材料产生弯 曲，故模具与板料仅在刃口附近的狭小区域内保持接触，接触面宽度约为板料厚 度的o 2 0 4 倍团i 。因此，凸，凹模作用于板料的垂直压力呈不均匀分布，随着 向凸模刃口附近靠近而急剧增大，这正是冲裁加工时，模具容易磨损和崩刃的原 因。 第二章冲裁加工工艺原理及有限元分析基础 图2 - 2 板坯受力图 f i s 2 2d i a g r a mo f s h e e tm e t a lt m d e rl o a d e 1 、e 2 一凸、凹模对板料的竖直作用力； e i 、么一凸、凹模对板料的侧压力； u f , l 、，止2 一凸、凹模端面与板料问的摩擦力； ，峨i 、以2 一凸、凹模侧面与板料间的摩擦力 图2 - 3 剪切区应力状态图 f i g 2 - 3s t r e s ss t a t ed i a g r a mo f s h e a r i n gr e g i 蚰 a 点一凸模下压引起轴向拉应力，板料弯曲与凸模侧压力引起径向压应力，而切向应 力为板料弯曲引起的压应力与侧压力引起的拉应力的合成应力 b 点一凸模下压及板料弯曲引起的三向压缩应力 c 点一纤维方向( 板坯长度方向) 为拉应力，垂直于纤维方向为拉应力 d 点一凹模挤压板料产生轴向压应力，板料弯曲引起径向拉应力和切向拉应力 e 点一凸模下压引起轴向拉应力，由板料弯曲引起的拉应力与凹模侧压力引起的压应 力合成产生应力，该合成应力可能是拉应力，也可能是压应力，与间隙的大小有关。 9 广东工业大学工学硕士学位论文 2 1 2 剪切裂纹的形成与发展 金属一般都能承受一定的塑性变形而不破裂，冲裁是板料的塑性变形增大到 一定值时，断裂才能开始，这种极限塑性应变值( 无裂纹) 与应力状态及应力大小 有关，随着静水压应力的增大而增加t 2 2 l 。冲裁时最大应变发生在刃口附近，由 应力状态分析中得知，凸、凹模刃口侧面静水压应力低于断面静水压应力，且凹 模刃口侧面静水压应力最低，所以首先在凹模刃口侧面处板料中产生裂纹，继而 才在凸模的刃口侧面处产生裂纹，上、下裂纹重合后工件最后分离。因此，在裂 纹形成时，就在冲裁件上留下了毛刺。图2 _ 4 为岩田一明用扫描电镜观察裂纹 形成过程后，绘制的凹模侧裂纹成长模型图。裂纹首先在凹模刃口侧面发生，裂 纹产生后先向废料( 落料) 侧发展，主裂纹暂停发展，然后裂纹前端附近依次重新 产生微小裂纹，微小裂纹根部汇成主裂纹，直到主裂纹成长到凸模侧产生的裂纹 汇合而使板料断裂，微裂纹与主裂纹的方向是逐渐由废料侧转成成品侧的。间隙 过大时，只是在凹模刃口侧面产生裂纹，且裂纹发展不大，直到凸模行程比超过 1 0 0 ，板料才逐渐颈缩直至断裂。 ( a ) 产生首次裂纹( b 盾次裂纹停止发展( c ) 产生第2 、3 条裂纹( d ) 产生主裂纹 图2 - 4 典型的裂纹产生与发展过程 f i 口- 4m o d e lo f t y p i n gc r a c kg r o w i n g 上述裂纹成长的方向与由视塑性法求出的最大切应变速度方向大致相同，所 以归结起来说冲裁时由于刃口附近的应变与应力集中，加上拉应力的作用造成了 裂纹的产生与扩展，裂纹产生后大致沿最大切应变速度方向发展。 2 2 冲裁变形过程的有限元分析基础 有限元发展至今，已能成功的处理许多塑性加工问题。在有限元模拟过程 中，要涉及一些具体的技术问题，如采用的有限元格式和算法，选用的材料模型 和几何模型，对模型的分析及简化，对各种非线性( 如几何非线性、材料非线性 第二章冲裁加工工艺原理及有限元分析基础 和接触非线性) f - i 题的处理方法，网格重划技术，断裂问题的处理，前后处理( 如 几何模型的建立、结果处理) 等。针对不同的塑性加工问题，解决和处理的方法 可能有所不同。因此，为了揭示板料冲裁加工问题的某些共性规律，减少或节约 计算时间及试验费用，在进行实验和有限元分析之前，需要对其作一定的理论准 备工作。 板料的冲裁加工是分离工序的基础和主要加工方式，是一个既有变形又有分 离的极其复杂的塑性加工问题。这种加工方式在刃口附近产生变形的剧烈程度， 及在断裂前产生的极限塑性应变值远高于其他塑性加工，变形和断裂过程中出现 的一些复杂现象，至今未能得到很好的解释。就变形而言，它远比冲压加工的成 形工序如拉深、弯曲、胀形、翻边等复杂。对成形工序进行分析时，通常可在一 些假设的条件的基础上，用理论分析的方法，对诸如应力、应变、变形力等进行 预测或计算，而对冲裁加工则很难进行类似的理论分析。此外，板料的冲裁加工 过程中的断裂问题也非常复杂，不仅需要建立与实际相符的断裂判据，为了模拟 加工过程，还要将采用的断裂判据用到有限元分析中。 因此，研究板材冲裁加工遇到的理论问题很多，用有限元模拟时，还涉及一 些需要特殊解决的具体问题，主要包括： 用相似理论分析板料的冲裁加工过程，对某些共性问题，如对冲裁加工 过程中的冲裁力等与加工条件( 如板厚、问隙、约束条件等) 的关系进行分析，为 进一步的有限元分析和实验研究提供依据。 几何模型、边界条件的建立及简化。对于板料的冲裁加工，当剪切线为 直线或者圆时，可对模型进行简化，这样，可大大减少计算工作量。 有限元网格重划技术目前用于分析塑性加工问题的商用分析程序多没 有网格重划功能，因冲裁加工过程中，局部变形量大，网格畸变程度严重，需要 适时的对网格进行重划。根据有限元基本理论和现有的有限元分析程序，进行恰 当的处理，可解决这一技术问题。对于分析像板料冲裁加工这种极端变形问题， 网格重划已经成为解决此类问题的一个不可逾越的关键技术 计算收敛性问题的处理。由于同样的原因，用有限元模拟板料冲裁加工 过程，如何解决收敛性，也成为解决问题的关键。实践表明，网格的形状与密 度、约束条件及接触边界条件等对收敛性都有很大的影响 建立与实际相符合的适用于冲裁加工过程的断裂判据，寻求将其运用在 厂东工业大学i 学硕士学位论文 有限元分析中的方法。 2 2 1 基于相似理论的模型分析 由于塑性加工过程的复杂性，在此过程中发生的一些物理现象很难用定量关 系来描述。如金属的流动、接触面上的摩擦、塑性变形过程中热量的产生和传 递、材料显微组织和性能与过程条件之间的关系等，都很难预测和定量分析。对 于成形过程进行理论分析、有限元模拟或试验模拟时，都要对所研究的问题进行 抽象以及必要的简化，即对变形体及受力的模型进行简化，以便于进一步的分析 和研究。 对于塑性加工过程进行物理模拟时，应首先对所研究的问题进行模拟分析。 一般的，当成形制件尺寸过大或过小、成形材料强度高、成形条件苛刻( 如成形 温度高、成形力大) 等，为了节省试验费用和缩短试验周期，多根据模型相似的 原理，降低实际成形条件，进行模拟实验，然后将实验结果推广到实际成形过 程。进行数值模拟时，也同样涉及模拟分析问题，对成形过程中的各种因素进行 假设和抽象及简化，如材料模型、几何模型、接触条件、对称性、热生成及传 递、组织变化等。 在冲裁加工过程中，当剪切线为直线时，一般板坯沿剪切线长度方向的尺寸 远大于板厚和模具的问隙，而剪切加工的变形区是在间隙区附近，这样沿剪切线 方向的变形可以忽略，因此，可以认为板料冲裁加工时板料处于平面应变状态， 即沿剪切线长度的变形为零。在不考虑刃口形状( 认为刃口圆角为零) 的情况下， 板料冲裁的初期变形模型较为简单，若不考虑压料板和剪刃的间隙，模具相对间 隙嘣间隙与厚度之比) 完全决定了这种加工方式情况下几何模型的形状，而相 对间隙趴是实际设计模具选用的主要工艺参数，且当使用要求( 一般按使用要 求确定间隙) 和材料相同时，相对间隙是不变的，故可采用相似理论对板料冲裁 加工模型进行简化分析。 本文中以剪切线为圆的情况进行模拟，根据相似理论进行模型的简化，采用 轴对称的平面模型分析板料的冲裁加工过程。 2 2 2 有限元分析的塑性理论基础 塑性理论是有限元分析的基础，这方面的内容很多，以下只就网格重划技术 中涉及的理论问题，主要是增量理论的基本理论加以简要的综述。 第二章冲裁加工工艺原理及有限元分析基础 塑性材料的基本特征是应力应变之间不存在唯一的对应关系，而依赖于变形 的历史。根据应力应变全量关系建立起来的形变理论的应用受到很大的限制，特 别是涉及卸载、重复加载和循环加载等情况时，形变理论是不适用的。而根据应 力应变之间的增量关系建立起来的增量理论可以真实的反映材料的塑性行为，同 时有限元法可以克服利用增量理论寻找解析解时遇到的困难，因此作为弹塑性有 限元分析的基础，这里只讨论增量理论的有关内容口3 】洲。 2 2 2 1 屈服准则 处于塑性状态的点，其应力分量q ，的函数满足屈服准则 ， ，) = 0 ( 2 - 1 ) 如果用偏应力分量q ，表示，则屈服准则可表示为： 厂( q ，i ) = 0 ( 2 - 2 ) d e f o r m 软件分析塑性问题时采用v o n m i s e s 屈服准则 厂= 4 3 以一仃= 0 ( 2 - 3 ) 式中以= 去呸吼j 或 也2 吉【( 吒一一2 + ( q 一吒) 2 + ( 巴一吒) 2 + 6 ( 2 + 2 + i x y 2 ) 】 2 2 2 2 流动准剐 塑性应变增量与应力状态的关系采用p r a n t l e - - r e u s s 准则： 嘞k 烈盖 ( 2 - 4 ) 其中d q ，塑性应变增量； ，屈服函数； d 3 , 比例系数。 式( 2 4 ) 表明，塑性应变增量张量与f = o 曲面垂直，也称垂直流动准 则，或相关流动准则。 2 2 2 3 硬化准则 硬化准则规定材料进入塑性变形后的后继屈服函数( 或称加载函数) 一般 的，加载函数能采用如下形式： 只；勺9 ；七) 2 0 ( 2 - 5 ) 其中k 是硬化参数，它依赖于变形的历史。现时的塑性应变不一定显示的 出现在加载函数中，可能由k 隐式的包含在函数f 中。 对于各向同性的硬化材料，进入塑性变形以后，加载曲面在各方向均匀的向 外扩展。采用m i s e s 屈服条件，各向同性硬化的后继屈服函数可以表示成： ，( ，七) = 厂一七= 0 ( 2 - 0 0 = 、f2 s4s￥(2-7) 七= 1 3 0 r , 2c 8 ) 材料硬化准则一般有三种：各向同性硬化准则、运动硬化准则、混合硬化准 则。 弹塑性问题一般采用各向同性硬化准则，此法则规定材料进入塑性变形以 后，随着塑性应变的增加，屈服面形状、中心点及在应力空间的方位均保持不 变，而加载曲面在各方向均匀的向外扩张。 各向同性硬化的后继屈服满足v o nm i s t s 屈服条件，式( 2 - - 3 ) 成立，式中， 吼是现时的后继屈服应力，它是等效塑性应变万9 的函数，亭p 可以表示成 f 9 = 户9 = ( 缸9 略9 ) - ( 2 9 ) 显然，后继屈服函数只与等效塑性应变和应力状态有关。 2 2 2 4 加载与卸载 该准则用以判别从一塑性状态是继续塑性加载还是弹性卸载，这是计算过程 中判定是否继续塑性变形以及决定是采用弹塑性本构关系，还是弹性本构关系所 必须的。可以表述如下： 若肚。，盖峨 o ，则继续塑性力口载； 若，= 。，盖d o ，则塑性按弹性卸载； 韶_ o 茜