（材料加工工程专业论文）精冲压边与间隙的有限元模拟及相关研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 精冲工艺不仅能使零件具有足够的强度和刚度，而且还可以提高材料的利用率 和零件的使用寿命，减少零件的加工工序，进而大大降低生产成本。采用有限元有 限元法对精冲过程进行分析，一方面可以大大缩短产品开发周期，提高设计人员工 作效率；另一方面可以减少试验次数，节约实验成本。 本文首先在 deform- 2d 有限元软件中建立刚塑性有限元分析模型， 以料厚为 4mm 的板料为对象，将 normal c&l 断裂准则应用于精冲韧性断裂的预测中，分析 不同压边力、反顶力以及冲裁间隙对材料流动特性和断面质量的影响。模拟结果表 明，在相同间隙条件下，较大的压边力和反顶力可以增大材料涡流，提高静水压力， 抑制裂纹的产生，从而获得更高断面质量；当凸模进入板料三分之一以后，压边力 的大小对板料的流动影响不大。这样可以减小冲裁过程的总能量，达到节能减排的 效果。 其次在abaqus有限元软件中对b9滑槽板零件第三工步异形半冲孔的成形进 行有限元数值模拟，通过模拟成功预测异形凸模应力大小和分布区域，为精冲模具 有限元模拟力的加载提供依据。针对异形凸模在生产过程中频繁出现的断裂现象， 提出相应改进措施。 最后介绍了在 ansys workbench平台上开发出适合精冲模具 cae 分析系统。 通过二次开发，对典型复杂精冲模具模拟分析前处理设置所用时间缩短为原来的 1/3。尤其是多次分析时，大大减少了重复的工作。材料属性和接触对设置最终也可 以形成规范，保证多次分析计算不会出现误操作。 关键词：精冲，有限元模拟，材料流动，冲裁间隙，ansys workbench二次开发 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract fine- blanking can not only make the parts have strong strength and stiffness, but also can improve the utilization of materials and service life. in order to improve the designers efficiency and reduce the number of experiments, the numerical simulation of fine- blanking has been performed. firstly, this paper presents the numerical simulation results of fine- blanking and die clearance using the rigid plastic finite element method(fem) by the software deform 2d. the material flow and section quality are investigated with respect to various blank holding forces, holding types, reverse punch force and blanking clearance by using the normal c&l ductile fracture criteria. the results indicate that larger blank holding forces and reverse punch force can improve the hydrostatic pressure and restrain the production of crack. the size of the blank holding forces has litter influence on the flow of material when the punch enters into one- third of the material. it can reduce the total energy of the fine- blanking processes. secondly, the numerical simulation of b9 parts has been performed by finite element software abaqus. it can predict the distribution area of punch stress successfully and provide advice for force loading during the finite element simulation of fine blanking. finally, the fine blanking cae analysis system has been developed in the ansys workbench platform. the pre- processing time is one- third of it. this system can greatly reduce the reduplicate work when a lot of simulations are performed. on the other side the set of material and contact properties can be formed to specification. key words：fine- blanking, fea, material flow, blanking clearance, ansys workbench development 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“ v” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 本章首先对精冲技术的发展历史进行了简要介绍，并对其特点、工艺分类进行 了简单介绍，其次介绍了目前国内外精冲技术的研究现状及有限元技术在精冲领域 的应用，最后介绍了本课题的来源、意义及主要研究内容。 1.1 精冲技术简介 精冲是精密冲裁的简称，它是在普通冲压技术基础上发展起来的一种精密冲裁 方法1。这种工艺不仅能保证零件有足够的强度和刚度，而且还可以提高材料的利 用率和零件的使用寿命，减少零件的加工工序，进而大大降低生产成本。精冲所生 产出来的零件精度高、冲裁断面光洁，有的零件不需要精加工就可以直接运用到实 际装配当中，因此，精冲工艺被广泛的运用于汽车、家电和汽车等行业2。按照精 冲工艺分类，一般可以将精冲分为如下几类，如图 1- 1 所示。本文主要研究的是精 冲当中带有 v 型齿圈的强力压边精冲。 图 1- 1 精冲工艺的分类 普通冲裁 光洁冲裁 负间隙冲裁 挤压冲裁 强力压板 精冲 齿 圈 锯 齿 锥 形 对向凹模精冲 同步剪挤冲裁 凸 台 侧 楔 精 冲 整 修 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.2 课题相关研究现状 1.2.1 国外精冲技术研究现状 在 1923 年，德国人 fritz schiess 发明了精冲技术3。到了 1956 年，世界上第一 台液压精冲机由瑞士 schmid 公司研发出来 4- 5。到了 1965 年，精冲机已经在瑞士、 德国和意大利等国家投入生产， 同年日本通过技术合作与瑞士 feintool公司共同研制 精冲机。到 70 年代精冲技术在西欧、日本、北美等国家的许多制造部门开始广泛运 用起来6- 7。 到了上世纪 80 年代，随着精冲技术的发展，对产品性能的要求越来越高，各种 精冲件的制造难度加大，因此新的复合精冲工艺逐渐取代以前的单一、简单的平板 零件冲裁8。集精密冲裁、挤压、沉孔、弯曲等多种成形工艺于一身的复合零件的加 工工艺将是未来的主要发展趋势9。 目前在汽车、航天、重型机械等领域已经广泛的应用精冲技术。据不完全统计 全世界的精冲零件数量约有 10000 种，其中在汽车行业中所使用的精冲零件占 50- 60 左右。图 1- 2 为典型的复合精冲零件，例如在汽车行业中使用比较普遍的汽车座椅 调角器零件、拨叉零件、棘轮等零件。这些精冲材料最开始由软钢或合金钢组成， 到后来逐步发展成高强度钢或者韧性比较低的材料，精冲料厚也从最开始的料厚 0.5mm 逐步增大到 25mm10- 12。精冲零件的结构尺寸也有所变化，从先前的低强度、 低韧性、低耐磨材料发展成为现在的高强度、高韧性、高耐磨性材料，轮廓的最大 尺寸可以达到 1000mm13。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 图 1- 2 典型的复合精冲零件 1.2.2 国内精冲技术研究现状 我国精冲技术虽然起步很早，但发展比较缓慢。到了 1965 年初，北京机电研 究所开始对精冲工艺进行研究 14。由于先进的精冲技术都掌握在国外发达国家手 中，因此当时进口的精冲机价格很昂贵，导致国内自主开发的精冲零件种类和数量 都是非常有限的。从 20 世纪 70 年代起，我国有许多家单位开始自行设计精冲产品 并运用到实际生产中，其中代表的厂家有武汉长江有线电厂（ 733 厂） ， 该厂在 1975 年自主设计强力齿圈压边精冲电传打字机零件，并在国产压力机上安装液压装置进 行调试成功， 打破了需要靠进口国外精冲机的格局， 大大降低了企业的生产成本15。 到了 2003 年，fhb630t 精冲机由华夏精冲公司开发出来。虽然我国精冲技术已经 取得了不错的进步， 但是与国际发达国家相比， 我国的精冲技术仍停留在推广阶段， 普及与提高的速度十分缓慢。表 1- 1 是国内外精冲技术应用水平的对比16。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 表 1- 1 国内外精冲技术应用水平的对比 技术内容 国外 国内 基本理论研究 技术相当成熟 基本掌握此项技术 工艺 成熟 基本成熟 模具 模具材料好，加工精度高，寿命 高 模具材料差（关键材料靠进口，加工 较粗糙，寿命低） 设备 50 年代开始研制，60 年代投入 使用，现在已相当完美 70 年代引进几台小吨位精冲压力机， 90 年代开始仿制， 现在已能自主开发， 但性能有较大差距 被冲材料 有专门的精冲用材料， 易于精冲 而且强度高 无专门用的材料，通用材料性能有待 提高 润滑剂 有专业润滑剂 有专业润滑剂，但品种不全 推广应用程度 量大面广 目前量小面窄，但市场需求增长迅速， 潜力极大 发展趋势 稳步发展 跨步发展 1.3 有限元技术在精冲领域的应用 精密冲裁是一个复杂的非线性过程，包括材料的非线性、几何条件的非线性和 边界条件的非线性。对于早期的有限元软件，大多停留在对简单的线性问题进行有 限元分析，而对于较复杂的非线性问题分析起来比较困难。因此，传统的精冲工艺 参数的确定和模具的设计大多依赖于试错法。试错法的周期长，浪费人力和物力资 源18。 随着 cad/cae/cam 的迅速发展，计算机数值模拟技术也日趋成熟，尤其是 有限元技术在板料成型过程中的应用。在板料成型过程中，比较常用的有限元软件 有：abaqus、ansys、marc、deform 和 dynaform软件，这些软件均有 各自的优势，适合不同的应用领域。这些软件的出现，为工程设计人员提供了强有 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 力的理论技术工具，工程设计人员就能够借助这些软件对模具结构进行设计和优 化。近年来一些参考文献表明，有限元数值模拟结果与实际情况有很好的吻合，这 进一步证明了数值模拟技术的可行性19- 21。 利用有限元仿真技术对精冲过程进行数值模拟，可以在产品的设计初级阶段对 产品进行有限元分析，经过计算分析，可以发现产品潜在的缺陷和问题，通过修改 设计参数重新进行数值模拟，最后得到最优化设计方案。采用有限元分析一方面可 以大大缩短产品开发周期，提高设计人员工作效率；另一方面可以减少试验次数， 减少实验成本。 t.c.lee 等人22- 23运用大变形理论对精冲过程进行数值模拟，指出在精冲过程 中刚体转动梯度发挥重要作用，当刚体转动梯度越大时，相应的应变也越大。 n.hatanaka 等人24- 26将 cockcroft- latham韧性断裂准则加入到有限元模拟中， 并对精冲断裂过程进行成功分析，有限元模拟结果与实验情况基本吻合。 l.c.chan 等人27- 28运用有限元软件 abaqus，采用更新拉格朗日算法首次对 整个精冲过程进行模拟，给出变形区的应力应变分布规律。 戴凯29等人运用有限元软件 deform- 2d 对复合精冲过程进行有限元数值模 拟及模具结构优化，预测了材料变形过程中的静水应力、等效应力和等效应变的分 布以及发展趋势。 赵震等人30将 mcclintock 断裂准则应用于精冲韧性断裂的预测中，预测了材 料塑性剪切、精冲过程微裂纹产生发展和最终断裂的全过程。 汪金飞等人31运用有限元软件 deform- 2d 软件，利用 cockroft & latham准 则和 rice & trace 断裂准则对冲裁过程微裂纹产生和最终断裂进行了模拟，成功预 测了材料变形过程中静水应力的分布以及发展趋势，对冲裁微裂纹产生发展和最终 断裂的全过程和载荷行程曲线进行了分析与研究。 1.4 有限元法简介 有限单元法的目的在于用来求出微分方程组的解，通过将连续的几何体分割为 有限的小单元结构，其次对每个结构单独分析，最后将这些小单元结构的解组合起 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 来近似得到所需方程的答案32。在精冲过程中，不仅可以利用有限元法模拟整个板 料的成形过程，获得板料成形过程中的应力场、应变场、速度场等分布，而且可以 预测板料成形过程中可能出现的缺陷，从而为模具结构的优化设计提供理论指导依 据。 在有限元法中，存在两种典型的材料模型，即刚塑性材料模型和弹塑性材料模 型。与之相对应的有限单元法也就可以分为刚塑性有限单元法和弹塑性有限单元 法。由于本课题所采用的分析方法为刚塑性有限单元法，下面着重介绍刚塑性有限 元理论。 刚塑性有限元法的理论基础是变分原理，该理论假定泛函取驻值的速度场就是 真实的速度场，再根据这个速度场计算各点的应力和应变33。由于在求解过程中不 需要直接求解应力增量，而是在每一个时间增量中求出相应应力，因此可以将每一 步的计算步长加大，这样求解效率更高，解法更简单。 和弹塑性有限元法相比，刚塑性有限元法则忽略了塑性变形过程中的弹性变 形，由于忽略了弹性变形过程，所以这种方法只适合于塑性变形区的分析，不能直 接应用于弹性变形区的应力应变分析，因此，对于小变形问题而言，刚塑性有限元 法的计算精度没有弹塑性有限元法高。但是精冲属于大变形问题，整个材料的塑性 变形远远大于材料的弹性变形，在这个过程中弹性变形所占的比重很小可以忽略不 计，因此采用刚塑性有限元法也可以得到比较准确的计算结果。 刚塑性有限元法的基本假设如下： (1) 材料的弹性变形被忽略； (2) 材料是各向同性的； (3) 材料服从 von mises 屈服准则； (4) 材料体积没有变化34； 1.4.1 屈服准则 处于塑性状态的点，其应力分量 ij 的函数满足屈服准则： 0)(= ij f （1- 1） 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 如果用偏应力分量 ij 表示，则屈服准则可表示为： 0) (= ij f （1- 2） 在 deform- 2d 有限元软件中，分析塑性剪切问题时采用的是 von mises 屈服 准则14： 03 2 =jf （1- 3） 式中 2 1 2ijij j= 或 )(6)()()( 6 1 2 222 222 2zxyzxyxzzyyx j+= 1.4.2 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 加载函数采用如下形式： 0),(=kf p ijij （1- 4） 其中k是硬化参数，它依赖于变形的历史。现实的塑性应变不一定显示地出现 在加载函数中，可能由k隐式地包含在函数f中35。 材料硬化准则一般有三种：各向同性硬化准则、运动硬化准则和混合硬化准则 36。 在 deform- 2d 软件中一般采用各向同性硬化准则，该准则规定当材料有弹性 变形进入到塑性变形区域后，随着变形程度的不断变大，空间应力的方位并没有改 变，而加载的曲面在各个方向上均匀的扩张。 各向同性硬化的后继屈服满足 von mises 屈服条件，式（1- 3）成立，等效塑性 应变 p 可表示成： = 2 1 ) 3 2 ( p ij p ij pp ddd （1- 5） 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 1.4.3 非线性问题处理 非线性问题通常可以分为材料非线性问题，如金属的塑性、橡胶的超弹性、高 分子材料的粘弹性等；几何非线性问题，如壳体结构的大变形翻转问题，结构的全 过程分析等；及边界条件非线性问题，如接触分离现象等。而上述三类非线性问题 在精冲模拟过程中同时出现，所以正确处理这些非线性问题是获得可靠模拟结果的 前提条件。 （1）材料非线性问题 在精冲过程中，材料经历弹性变形阶段到塑性变形直到最后的断裂。在弹性变 形阶段材料属于线性，然而在塑性变形阶段，由于材料的应力- 应变关系曲线是非线 性的，所以此时的材料属于非线性。材料非线性问题的处理方法比较简单，只需要 在 deform- 2d 软件中将材料的本构方程添加进去， 在每一个增量步中将本构方程 线性化，这样就可将线性问题转换并应用于于非线性问题的分析中，而不需要将非 线性问题的表达非常重新列出来。 （2）几何非线性问题 如果模型在分析过程中出现大的位移或转动、突然翻转（snap through） 、初始 应力或载荷硬化（load stiffening） ，位移的大小会影响模型的响应，就是几何非线性 问题37。精冲过程材料将出现大变形，属于几何非线性问题。处理几何非线性问题 比较复杂，比较简单的办法是在 deform- 2d 软件中可以将网格划分的更加细小， 这样每次凸模向下运动过程中，代表材料流动的网格位移更加精确，减小因为大位 移而对整体模型的响应。 （3）边界条件非线性问题 对于大多数存在接触问题的模拟分析中，都存在边界条件非线性。在精冲分析 过程中，随着凸模不断下压，材料随着凸模的剪切作用沿着凹模圆角流动，在此过 程中凸模和材料的接触边界在不断发生变化，期间还涉及到凸模与材料直接的摩擦 作用。在程序计算当中，边界条件是否设置正确直接关系到程序能否按照预先的设 置正常计算下去， 在 deform- 2d 软件中可以将凸模与板料之间的接触关系设置为 剪切摩擦。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 1.4 课题来源、意义及研究内容 1.4.1 课题的来源及意义 本课题来源：“ 高档数控机床与基础制造装备” 科技重大专项子课题精冲模具使 用寿命的影响因素研究。本课题合作方是一家以研制和生产座椅精密调节装置、精 冲制品及精密冲压模具的高新技术上市企业。 鉴于汽车、家电、机械等行业对所需产品质量的高标准要求，精度已经成为产 品的零部件生产和装配过程中越来越被重视的因素38。因此，许多结构零件采用精 冲工艺而成，这不仅能保证零件有足够的强度和刚度，而且还可以提高零件的使用 寿命，减少零件的加工工序，进而降低原材料成本、模具成本、设备运用成本、物 流及控制成本。 但是在精冲过程中，由于冲头受力条件极端恶劣，在设计、制造和使用过程中 的种种因素都可能导致冲头崩刃、折断和严重磨损，从而导致模具使用寿命过低。 而模具寿命是衡量模具技术和经济水平的重要指标，发展模具新结构、新工艺、新 材料，大幅度提高模具使用寿命是我国模具工业发展中的一个重要内容39。通过实 验研究精冲过程模具受力和板料应力应变需要大量的时间和费用，因此许多研究人 员采用有限元技术对精冲过程进行模拟。通过有限元模拟可以全面掌握精冲过程中 材料的应力应变和流动规律。 在整个模拟过程中，前处理往往需要花费很长时间，对于模拟同一副模具，不 同的设计人员往往在前处理设置中也会有差别，最终导致后处理结果相差甚远，因 此，有必要对模拟软件 ansys workbench进行二次开发。一方面将多次重复性手 工设置操作由软件自动执行，减少前处理设置所需要的时间；另一方面通过对前处 理不同模块进行定制化开发，为设计人员提供向导帮助，引导不同设计人员进行统 一正确的设置。 1.4.2 课题的主要研究内容 本课题所使用的有限元分析软件为 deform- 2d，通过对精冲过程的数值模拟 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 仿真，找出模具结构对模具使用寿命影响的关键因素，通过优化相关参数，改进模 具结构设计，从而延长模具使用寿命。本文主要研究内容如下： (1) 现场调研。通过到企业进行现场调研，熟悉并掌握精冲工艺的特点和模具 结构特征，分析模具在工作过程的受力状态，着重调查企业在实际生产过程中存在 的主要问题，明确分析目标和对象，做到有的放矢。 (2) 建立有限元模型， 运用有限元分析软件 deform- 2d 对精冲过程进行模拟， 分析了不同压边力、压边方式（v 形压边和平板压边）和反顶力对材料流动特性和 断面质量的影响，对精冲机理进行了生动诠释，并据此对工艺方式提出了建议。 (3) 在 abaqus 有限元软件中对 b9 滑槽板零件第三工步异形半冲孔的成形进 行有限元数值模拟，通过模拟成功预测异形凸模应力大小和分布区域，为精冲模具 有限元模拟力的加载提供依据。 (4) 对有限元分析软件 ansys workbench前处理界面进行二次开发， 缩短前处 理设置所需时间，为设计人员提供向导帮助，引导不同设计分析人员进行统一正确 的设置。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 2 精冲过程分析 2.1 精冲过程基本原理 精密冲裁与普通冲裁相比，最大的特点是采用了更加小的凸凹模间隙和 v 型压 边圈。精冲凸凹模间隙一般为料厚的 0.5%，是普通冲裁的 1/10。图 2- 1 是精冲原理 图，在冲裁开始时，首先是压边圈 8 通过压边力pr将板料 9 牢牢的压紧在凹模 2 上，从而在 v 型齿圈的附近产生横向测压力，以阻止板料在剪切去内的横向流动， 抑制裂纹的提前发生，有利于获得较为光洁的冲裁断面。随后凸模 1 压入板料，此 时顶件器 4 也在反顶力pg的作用下将板料压紧，最后在冲裁力ps的作用下完成整 个过程。在整个精冲过程中，剪切区的材料始终处于三向压应力状态(冲裁力、压边 力和反顶力)，为提高剪切区材料的塑性变形能力创造有利条件。 图 2- 1 精冲原理图 ps - 冲裁力 pr 齿圈压板力 pg 反顶压力 sp 冲裁间隙 1- 凸模；2- 凹模；3- 内形凸模；4- 顶件器；5- 顶杆；6- 导板；7- 压板； 8- 齿圈；9- 精冲材；10- 精冲零件；11- 内形废料 在整个精冲过程中，材料一般经历弹性变形、塑性变形和剪切分离以下三个阶 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 段40。在这三个阶段中，为获得精度更高、光洁面更大的精冲零件，需要延长材料 的塑性变形阶段，而将材料发生断裂的时间尽量往后推迟，使材料一直处于塑性流 动状态知道最后的分离。 1）弹性变形阶段 精冲开始时，凸模接触板料，凸模继续向下运动的初始阶段使凸凹模刃口附近 的材料产生弹性变形， 在此时变形区内部材料应力小于屈服应力。 弹性变形范围内， 当凸模的载荷撤销时，材料可以恢复到原来的形状。在弹性变形区凸模刃口的受力 在逐渐增大。 2）塑性变形阶段 凸模继续向下运动，当材料的应力值达到最大屈服极限时，则产生塑性变形。 塑性变形达到一定程度，凸凹模刃口处的材料硬化加剧，在凹模刃口附近的侧面首 先出现微裂纹。 3）剪切分离阶段 随后凸模继续向下运动，凸模刃口处开始产生裂纹，当凸模刃口处的裂纹和凹 模处产生的裂纹不断发展最终汇合到一起时，此时精冲零件件与坯料开始实现分离 41。 2.2 精冲过程力的计算 精冲压力机一般为三动压力机，压边力和反顶力由液压系统提供，而冲裁力可 以由机械系统提供，也可以由液压系统提供32。在精冲模拟过程中，需要对模具的 受力及变形进行分析，对于凸凹模零件来说，模具不仅受到传力杆作用的冲裁力， 而且还受到板料下面的顶件器传来的反顶力，对于受力复杂的零件力的加载至关重 要，因此对精冲模具施加正确的载荷对模拟的结果具有重要意义。下面是精冲过程 中不同模具受力的计算公式。 冲裁力的计算公式为： 1 fslf bs =； （2- 1） 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 压边力的计算公式为： sr ff=5 . 0； （2- 2） 反顶力的计算公式为： sg ff=2 . 0 （2- 3） 总精冲力的计算公式： grsges ffff+= （2- 4） 式中 l 剪切线的周长（mm） ； s 材料厚度（mm） ； sb 材料抗拉强度(n/mm )； 1 f 系数，通常取 0.9； 由公式（2- 4）可以得到精冲过程中精冲压力机的总压力，目前精冲压力机的公 称力范围为 250 14000kn。公称力范围越大的精冲机，可以进行更加复杂的厚板 精密成形。 2.3 冲裁断面特征 精密冲裁断面一般由四部分组成，分别为塌角、撕裂带、光洁面和毛刺29，如 图 2- 2 所示。精冲零件冲裁断面的好坏直接关系到精冲零件质量的高低，好的冲裁 断面具有光洁面大、毛刺小和塌角小等特点。其中毛刺和塌角在一般的精冲成形过 程中都会产生，而光洁面在整个精冲断面的横截面积中所占的比重又很大，因此想 要获得质量高的精冲零件，就必须努力减小毛刺、塌角和撕裂带，尽最大可能增加 光洁面的横截面积。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 图 2- 2 冲裁断面特征 在精密冲裁过程中，断面的光洁面由凸模对板料的剪切作用形成的，零件在和 坯料分离之前始终保持塑性流动。而断裂带的形成则不一样，断裂是出现在冲裁的 最后阶段，由于冲裁间隙过大，靠拉应力的作用形成的。一般精冲过程中应当尽量 使材料处于三向压应力状态， 保证材料在压应力状态下流动， 避免产生断裂的现象。 在精冲断面的中间处比较容易出现撕裂带，导致撕裂带出现的因素有很多，比如模 具结构设计存在不合理的设计地方、在精冲过程中材料的润滑不足，材料的结构性 能存在缺陷等。对于特殊结构的冲裁零件，最容易产生撕裂的地方出现在精冲零件 的外拐角处。 2.4 影响冲裁断面质量的因素 1）冲裁间隙 冲裁间隙是指冲裁模中凹模刃口横向尺寸 da与凸模刃口横向尺寸 dt的差值。 如图 2- 3 所示。冲裁间隙是影响冲裁断面质量的主要因素。当间隙较小时，光亮带 增加，蹋角、毛刺、断裂带均减小。间隙太小时，会出现两条光亮带，上端毛刺会 增大；当间隙过大时，光亮带变小，毛刺、锥度较大，蹋角有所增加，断面质量很 差；当间隙不均匀时，会有不同的断面质量特征，得不到理想的断面质量。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 图 2- 3 冲裁间隙 2）压边力 压边力的作用在于在凸模冲压材料之前，压边力先将 v 型齿圈压入板料，这样 可以阻止材料在剪切过程中的横向流动。当压边力很小时，板料会在冲裁过程中发 生翘起，板料不处于三向压应力状态，这样会导致冲裁断面质量很差，严重的话会 增大撕裂带的面积；当压边力太大时，会导致凹模受力过大，减小凹模使用寿命， 同时也使板料变薄。 3）反顶力 在精冲过程中， 反顶力与冲裁力、 压边力一起作用使材料处于三向压应力状态， 精冲正是利用三向压应力使材料在整个冲裁过程中始终让材料和零件保持完整状 态直到最终分离，如果反顶力太小，将不能构成三向压应力，材料在冲裁过程中流 向凹模刃口处的材料处于拉应力状态，这样会导致裂纹过早产生，最终使断面撕裂 带增大；如果反顶力太大，凸模刃口处所受挤压力也变大，这样会导致凸模刃口容 易崩韧而降低凸模的使用寿命。 4）凹模圆角半径 精冲的目的在于提高光亮带的长度，而提高光亮带的长度在于推迟裂纹产生的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 时间，延长板料塑性变形过程。相对于普通冲裁，凹模圆角并不是越大越好，合适 的圆角半径才能提高光亮带的长度。这是因为合适的凹模圆角半径可以让裂纹产生 的时间推迟，使材料一直保持塑性流动状态，直到最后工件和材料分离。因此在模 具结构设计时，凹模圆角半径也要考虑慎重选择。 通过对影响精冲断面质量的因素分析，想要获得质量高的精冲零件，就必须努 力减小毛刺、塌角和撕裂带，尽最大可能增加光洁面的横截面积。这就需要针对具 体的模具选择合适的零件尺寸及力的大小，通过对这些因素的改变得到冲裁断面质 量高的精冲零件，从而为精冲模具的优化提供指导。 2.5 本章小结 本章首先介绍了精冲过程的基本原理及主要模具受力的计算，通过对精冲基本 原理的介绍，了解到精密冲裁和普通冲裁相对最大的优点在于采用了更加小的凸凹 模间隙和 v 型压边圈。 正因为这点精冲零件比普通冲裁所生产出来的零件具有更高 的精度和冲裁断面，减少加工次序。最后详细介绍了精冲断面特征以及影响冲裁断 面质量的因素。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 3 精冲压边方式与间隙的有限元模拟 3.1 精冲模型的建立 本文采用有限元软件 deform- 2d 对圆盘件零件的冲裁落料过程进行数值模 拟分析。图 3- 1 所示为精冲有限元模型，由于圆盘件零件在结构上具有轴对称特点， 本文在模拟过程中选择的模型为二维轴对称模型，这样不仅可以减少零件的网格 数，缩短计算所需要的时间，而且因为采用了轴对称这样相对简单的模型，在同样 多网格数的前提下，可以将模型的网格大小划分的更加细小，使最终的模拟结果更 加精准可靠。 图 3- 1 有限元分析模型 精冲模拟过程所选用的零件材料为 aisi- 8620（美国标准）低合金钢，抗拉强 度为 550mpa。板料厚度为 4mm。在模拟过程中，将板料设置为弹塑性体，由于模 具的变形相对于板料的变形可以忽略不计，因此将凸模、凹模、压边圈和顶件器设 置为刚性体。 模型的网格划分如图 3- 2 所示，总共划分 4000 个矩形单元网格，划分的时候采 用网格密度控制窗口，在凸模刃口和板料相接触的地方将网格细化，这是由于在精 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 冲过程中，板料受到凸模刃口的剪切作用，此处的网格变形很厉害，如果不细化， 有可能会导致最后模拟计算的结果不精准，严重的话程序会因为网格畸变过大而报 错，达不到计算的目的。同时为了防止在整个冲裁过程中网格过度畸变，在 deform- 2d 中设置整体网格每计算两步进行一次网格重划分，保证运算的顺利进 行。 图 3- 2 网格划分 由于精冲到最后涉及到材料的韧性断裂，因此需要在模拟过程中添加相应的韧 性断裂准则。从物理的角度来看，金属韧性断裂可以理解为空洞的开始，发展和聚 结42。目前，用于塑性加工中的韧性断裂准则多是以空穴理论为基础建立的，空穴 理论属于损伤累计理论。在冲裁模拟过程中，韧性断裂准则的选取非常重要，在 deform- 2d 软件中， 提供了多种断裂准则， 本文所采用的断裂模型为 normal c&l 断裂准则： dc = * * （3- 1） 式(1)中： * c 材料的临界破坏值； 等效应变； * 最大应力； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 等效应力； d 最大应变； 式(3- 1)中 * c为常数，当= * c时，认为发生了断裂43。 在 deform- 2d 中， 该软件采用了单元删除法来处理失效和破坏的单元44。程序首先判断某个单元形心 处的损伤值是否达到了其临界值，如果该单元处的形心值达到了其临界值，程序就 认定该单元已经遭到破坏，并将该单元删掉，最后进行相应的节点的调整，进行下 一步的迭代计算。如果该单元处的形心值没有达到相应的临界值，则保存该单元， 程序继续进行下一步迭代计算。 表 3- 1 为精冲模具有限元模拟的基本工艺参数，在模拟中不考虑温度变化对材 料的影响。其中 p r代表凸模的圆角半径， d r 代表凹模的圆角半径。在模拟过程中， 凸模与板料之间的接触关系为剪切摩擦， 因此在 deform- 2d 中将冷成形剪切摩擦 系数设置为 0.08。 表 3- 1 精冲工艺参数 项 目 工艺参数 材料 aisi- 8620（ b =550 mpa） 冲裁间隙 0、0.01、0.02、0.06、0.08 mm 模具圆角 p r=0.1 mm， d r=0.3 mm 压边力 108 kn，216 kn，432 kn 反顶力 108 kn，216 kn 材料厚度 4 mm 摩擦因数 0.08 断裂准则 normal c&l 3.2 精冲过程凸模的载荷分析 图 3- 3 是精冲过程凸模所受的载荷随行程变化的曲线。该曲线是在冲裁间隙为 0.01mm，压边力为 217478n 和反顶力为 86991n 条件下完成的。由图可知，当凸模 向下运动接触材料后，材料经过短暂的弹性变形逐渐转变成塑性过状态，此时凸模 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 所受到的载荷也随位移逐渐增大。随着凸模行程不断加大，虽然材料的剪切面积在 减小，但是由于材料在塑性过程中发生了硬化作用，导致凸模所受到的载荷继续增 大。当凸模行程达到 0.902mm 时，凸模载荷达到最大值 459076n。随后由于材料的 剪切面积在不断减小，凸模载荷随位移不断增加而缓慢减小直到最后冲裁过程完 成。在冲裁后阶段，凸模载荷是平缓下降，并没有出现材料断面突然撕裂而导致凸 模载荷陡然下降。从侧面也反应出冲裁过程材料始终处于塑性剪切状态直到最后断 裂。 按照精冲经验， 凸模最大载荷一般出现在冲裁过程的 1/51/3 过程。 由图可知， 凸模最大载荷位置为 0.902mm，正好处于此范围内。根据第 2 章 2- 1 精冲力的计算 公式，可以计算出由经验公式算出冲裁力为 434955n，图 4- 3 中模拟的凸模载荷最 大值为 459076n，两者的差值 24121n，模拟计算出的凸模载荷最大值与由精冲公 式计算的冲裁力值相差为 5.5%，通过模拟证明了模拟的准确性。 图 3- 3 凸模载荷行程曲线 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 3.3 板料的应力应变分析 图 3- 4 是凸模进入板料 0.902mm时板料的应力分布图。从图中可以看出，板料 最大等效应力出现在凸模刃口附近，离凸模刃口越远的区域，等效应力越小，这是 由于在刃口附近的材料受到凸模的作用始终处于塑性剪切状态。对于凸模来说，凸 模刃口处是最容易出现应力集中的区域，该区域应力过大将直接影响凸模的使用寿 命，设计模具时应当考虑选择合适的凸模圆角半径。 图 3- 4 等效应力分布图（凸模进入板料 0.902mm） 图 3- 5 是凸模不同行程应力分布图，随着凸模行程不断的增加，板料最大等效 应力的区域在不断减小。从图 3- 5 可以看出，凸模刃口出的材料等效应力一直为负 值，处于压应力状态，这样为获得良好的精冲断面提供了保障。如果剪切区的材料 处于拉应力状态，将不能构成三向压应力，这样会导致流向凹模刃口处的材料提前 产生裂纹，最终使精冲断面撕裂带越来越大。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 图 3- 5 凸模不同行程应力分布图 图 3- 6 是凸模不同行程应变分布图。 由图可以看出， 离剪切区距离越远的区域， 其应变越小。当凸模位移很小时，板料的应变比较小，随着凸模行程不断增加，板 料的应变也随之增大。板料应变最大的地方出现在凸模刃口处和凹模圆角处，由于 裂纹首先出现在凹模圆角处，随后凸模继续向下运动，凹模圆角处产生的裂纹与板 料上面产生的裂纹继续扩展并最终汇合，此时精冲件与坯料实现分离。因此可以通 过观察板料断面的应变分布预测裂纹的发展情况。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 23 图 3- 6 凸模不同行程应变分布图 3.4 板料的流动分析 图 3- 7 是不同条件下冲裁过程材料流动状况。图(a)为普通冲裁过程材料流动示 意图，压边圈没有 v 型齿圈，图(b)为精密冲裁过程材料流动示意图，压边圈有 v 型齿圈。通过图(a)和图(b)比较发现，压边圈 v 型齿圈压入板料，在其附近产生明 显的涡流。涡流的产生会提高板料的静水压力，阻止剪切区内材料的横向流动，抑 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 24 制裂纹的提前发生，有利于获得较为光洁的冲裁断面。 图 3- 7 中的图(b)和图(c)是在不同压边力和反顶力条件下，精密冲裁过程材料流 动示意图。由图(b1)和(c1)可知，在 v 型压边圈附近都产生了涡流，但是随着压边 力和反顶力的增大，材料的涡流也变大，从而导致剪切区静水压力增大。如图(b2) 所示，当凸模进入材料的厚度增加时，当静水压力比较小时，材料流向剪切变形区 的速度比较高； 当静水压力变大时， 材料流向剪切变形区的速度则比较低， 如图(c2)。 在凸模进入材料的最后过程，材料的流动基本相似，如图(b4)和(c4)所示，材料在剪 切区受到拉应力作用流入变形区，由此可见，当凸模进入板料三分之一以后，压边 力的大小对板料的流动影响不大。因此，可以在冲裁的后阶段适当的减小压边力， 这样可以减小冲裁过程的总能量，达到节能减排的效果。 冲裁深度 0.60 mm 1.91 mm 3.07 mm 3.82 mm 普通冲裁 （无 v 型齿 圈） （a1） （a2） （a3） （a4） 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 25 精密冲裁 b f=216 kn c f=108 kn （b1） （b2） （b3） （b4） 精密冲裁 b f=432 kn c f=216 kn （c1） （c2） （c3） （c4） 图 3- 7 冲裁过程材料流动分析 4.5 板料的断面质量分析 冲裁断面一般可以划分为四个区域：毛刺、撕裂带、光亮带和圆角。由于模拟 结果中毛刺区域很小，故并未在图中标明。图 3- 8 是指不同条件下普通冲裁过程断 面状况。由(a)、(c)和(e)可知，在压边圈没有 v 型齿圈的情况下，随着间隙的减小， 断面质量逐渐提高，这是由于采用了更小的接近零的微间隙，通过零间隙在材料的 变形区产生纯剪切应力状态而获得光洁的剪切面。由(a)和(b)、(c)和(d)可知，在相 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 26 同条件下，随着压边力的减小，断面圆角会逐渐增大，这是由于压力力减小，在间 隙很小的情况下，材料的流动性能逐渐变差。 图 3- 8 普通冲裁断面质量分析（压边圈无 v 型齿圈） 图 3- 9 是不同条件下精密冲裁过程断面状况。由(a)可知，在相同间隙条件下， 精冲断面圆角质量比普通冲裁断面圆角质量好，这是由于精冲采用 v 型压边圈，提 高了静水压力，使材料流动性能更好。由(a)和(b)可知，在较大的应边力和反顶力作 用下，冲裁断面圆角在减小，从而断面质量进一步提高。(b)、(c)和(d)是在不同间 隙下冲裁断面状况。结果表明，随着间隙的增大，撕裂带逐渐变大，导致光亮带减 小，断面光洁度变差。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 27 图 3- 9 精密冲裁断面质量分析（压边圈有 v 型齿圈） 3.6 本章小结 本文运用 deform- 2d 有限元软件对料厚为 4mm 的板料进行精冲过程的数值 模拟。分析不同压边力、反顶力以及冲裁间隙对材料流动特性和断面质量的影响， 模拟结果表明，在相同间隙条件下，较大的压边力和反顶力可以增大材料涡流，提 高静水压力，抑制裂纹的产生，从而获得更高断面质量；当凸模进入板料三分之一 以后，压边力的大小对板料的流动影响不大；对于 v 型压边精冲，随着间隙的增大， 撕裂带逐渐变大，断面质量逐渐变差；对于平板压边冲裁，应采用更小的接近零的 微间隙，通过零