（车辆工程专业论文）汽车法兰零件精密冲裁工艺研究.pdf

摘要 摘要 汽车法兰零件是指应用在汽车上具有外凸轮廓的一类板状零件，这种 零件在其他领域也有广泛应用。精密冲裁是一种高效、经济的金属加工工 艺。使用精密冲裁加工出来的制件有着光洁的切断面，较高的尺寸精度， 直接用于装配使用；精冲件可以轻易实现批量生产，生产效率高；在精冲 过程中，由于金属材料的加工硬化，使得制件表面硬度得以大幅度的提高。 诸如以上的优点，精密冲裁在制造领域得到了广泛的应用，尤其是在汽车 工业中。 传统的精冲工艺，即齿圈压板精冲，工艺过程复杂，而且需要专门的 昂贵的三动压力机。这种精冲工艺在实际生产中的应用受到了一定限制， 而阶梯形刃口模具精密冲裁工艺可以在普通压力机上实现，工艺过程简便， 生产成本低。 阶梯形刃口模具精密冲裁工艺不需要v 形压边圈，通过模具的负间隙 作用产生精密冲裁所需的静水压应力，其原理与传统的精密冲戡是相同的， 但对其所作的研究和在实际生产中的应用却很少。 本文采用有限元模拟与实验相结合的方法，系统地研究了阶梯形刃口 模具精密冲裁工艺，针对三种不同材质的板材，给出了合理的工艺参数匹 配区域，使之具有工业实用价值；并结合某一特殊汽车用法兰件，给出了 其合理的加工工艺路线。 采用基于更新拉格朗日的大变形有限元方法，对阶梯形刃口模具精密 冲裁过程的进行了计算机模拟，分析了剪切变形区的应力应变状念；详细 分析了模具主要几何参数对精冲效果的影响：并根据分析确定了模具的几 何参数合理匹配区域；给出了阶梯形刃口模具精密冲裁最大冲裁力的计算 公式；并设计了实验模具，对有限元分析进行了验证和补充。 关键词汽车法兰零件：精冲：阶梯形刃口模具；有限元方法；普通压力 机 燕山大工学硕七学位论文 a b s t r a c t f l a n g ep l a t ei nv e h i c l ei s at y p eo fp a r tw h i c hh a sc o n v e x i t ye d g e i ti s p l a yai m p o r t a n tr o l ei nac a r f i n e b l a n k i n gi s a ne f f e c t i v ea n de c o n o m i c a l m e t a l c u t t i n gp r o c e s s w h i c ho f f e r sa p r e c i s e a n dc l e a n c u t t i n ge d g e f i n i s h ，e l i m i n a t e su n n e c e s s a r ys e c o n d a r yo p e r a t i o n s ，e n s u r e sc o m p l e t ea n d r e p e a t e d b a t c ha c c u r a c y ，r e d u c e st h en e e df o rt i m e c o n s u m i n gi n s p e c t i o n ， i n c r e a s e s q u a l i t y ，i m p r o v e s h a r d n e s s a l o n g t h e b l a n k e d ，c o i n e da r e a s ， c o m p r e s s e sg r a i n sa l o n gt h e b l a n k e da r e aa n dp r o d u c e sah o m o g e n e o u s s k i n h a r d e n e ds t r u c t u r eb yt r i p l ef o r c e s ，e t c f i n e - b l a n k i n gr e s u l t s i n b i g s u b s t a n t i a ls a v i n g sa n di sn o ww i d e l ya p p l i e di nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e sa l l o v e rt h ew o r l d f i n e b l a n k i n gt r a d i t i o n a lp r o c e s si sv e r yc o m p l i c a t e d ，s oi ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o paf l e wa n das i m p l ep r o c e s st or e p l a c et h et r a d i t i o nc o m p l i c a t e d p r o c e s sp a r t l yi n t h ef a c t o r yw h i c hn o te q u i p p e dt h ev e r ye x p e n s i v et r i p l e a c t i o np r e s s e s t h i sl i m i ti t sa p p l i c a t i o n f i n eb l a n k i n gp r o c e s sw i t ht o o lo f s t e p p e de d g ec a ni m p l e m e n t o nc o m m o n p r e s s f i n eb l a n k i n gp r o c e s sw i t ht o o lo fs t e p p e de d g en e e d n tt h ei n d e n t e d v - r i n g ，i n s t e a do fi t ，t h e r ei sa f l a ti n d e n t e dp l a t e t h e p r o c e s so n l yt h r o u g h t h en e g a t i v ec l e a r a n c eo nt h ep u n c ho rd i et og e n e r a t eac o m p r e s s i v es t r e s s s t a t ei nt h ed e f o r m a t i o na r e a t h i sm a k e st h ef i n eb l a n k i n gp r o c e s sv e r y s i m p l e ，f e a s i b l e ，a n de c o n o m i c a l t h ep r i n c i p l eo ft h i sp r o c e s si ss i m i l a rt o t h et r a d i t i o n a lf i n e - b l a n k i n gp r o c e s sw i t hi n d e n t e dv - r i n g ，b u tt h er e s e a r c h a n da p p l i c a t i o ni ni n d u s t r yo f t h i sp r o c e s si sh a r d l yv i s i b l e i nt h i sp a p e lam e t h o dw a su s e dw h i c hc o m b i n e df i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n de x p e r i m e n t a lm e t h o d t h ef i n e b l a n k i n gp r o c e s sw i t ht o o lo fs t e p p e de d g e w a ss y s t e m i cr e s e a r c h e d t h er e a s o n a b l er e g i o no ft h ep a r a m e t e r sm a t c h e dw a s o b m i n e da n dm a d et h i sp r o c e s sv a l u a b l ef o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n a c c o r d i n g t oap r a c t i c a lf l a n g e ，r e a s o n a b l ep r o c e s s e sw a sg i v e n a b s t t a c t a nu p d a t e dl a g r a n g el a r g ed e f o r m a t i o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a s u s e d t h o u g ht h e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，p r e s e n tt h e p r o c e s s o ft h e f i n e b l a n k i n gw i t ht o o lo fs t e p p e de d g e ，s h o wt h ed e f o r m a t i o na n ds h e e tm e t a l m a t e r i a lf l o wo fp r o c e s so ff i n e - b l a n k i n g ；a n a l y z et h es t r e s sa n ds t r a i ns t a t e ， a n dt h o u g ht h i sa n a l y s i st og u i d et od e f i n et h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so ft h e d e s i g no ft h et o o l s ，a n dt h er e a s o n a b l er a n g eo ft h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so f t o o l sw a sg i v e n ；a n a l y z et h ea f f e c to fg e o m e t r i c a ls h a p eo ft h et o o lf o r f i n e - b l a n k i n gq u a l i t ya n dt h em a x i m u m f o r c ec a l c u l a t ef u n c t i o no ft h ep u n c h w a so b t a i n e d ；t h et h e o r e t i c a lc o n c l u s i o n sa b o v ea l l ，s u c c e s s f u la p p l i e di na p r a c t i c a lf l a n g e t o v a l i d a t ea n d s u p p l e m e n tt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s r e s u l t s ，t h r e em o d e l sw a sd e s i g n e da n dt h ee x p e r i m e n t sh a sb e e nc a r r i e do u t ， t h er e s u l t si sc o n s i s t e n tw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n k e yw o r d sf l a n g ep l a t e ；f i n e b l a n k i n g ；t o o lw i t hs t e p p e de d g e ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；c o m m o n p r e s s 1 1 1 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文汽车法兰零件精密冲裁 工艺研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字 霖磊 日期：阳7 年弓月匆日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 汽车法兰零件精密冲裁工艺研究系本人在燕山大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所 有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全 了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山 大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密匹 ( 请在以上相应方框内打。4 ”) 作者签名： 寐毳 新繇劾聊 日期：伽孵弓月_ ；d 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 板材精密冲裁是以普通冲裁为基础，通过改变模具结构，来控制坯料 内部剪切变形区的受力状态，而得到高精度制件的一种塑性加工方法。这 种方法的核心思想是通过改变板坯的受力状态，来控制金属内部材料的流 动，提高材料的塑性能力，得到质量较高的制件。 对于精密冲裁工艺最早的研究是在1 9 2 3 年，德国人f r i t e s c h i e s s 通过 实验而获得的一项专利技术。他采取的方法是在凸模周围设置齿形压边圈 对板坯加压，同时利用顶杆对板坯施加反方向的压料力，来对板坯进行冲 裁加工，这种工艺俗称齿圈压板精密冲裁【“，到2 0 世纪5 0 年代，逐步用 于生产，并出现了专门的三动精冲压力机。目前，这种工艺仍是占主导地 位的精密冲裁方法，得到了广泛的应用【州】。传统意义上的精密冲裁就是指 的这种冲裁方法。 广义的精密冲裁还包括整修【5 】、光洁冲裁法【6 1 、对向凹模冲裁法1 7 1 、负 间隙精冲、上下往复冲裁法【8 】，以及采用阶梯形刃口的精冲【9 ，1 0 1 等。 精密冲裁得到的制件，由于尺寸精度和断面质量都比较高，所以能达 到直接使用的要求；精密冲裁制件是借助于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，一套模具可使用数万次，刃磨 后还可以继续使用，适于批量生产1 3 ；另外，剪切加工只产生一个切断面， 与车、铣、刨等切削加工方法相比，切断所消耗的能量小，且实际切断时 间在0 1 秒以内。因此，精密冲裁方法具有高效、节能、节材、生产成本 低等优点，特别是对异形轮廓制件的加工，这些优点更加突出【2 j 。 精密冲裁一般需要专门的三动压力机，能够提供剪切力、压边力、反 顶力，其结构复杂，精度和刚度要求非常高，造价昂贵，研究一种在普通 压力机上实现精密冲裁的工艺，具有重大的现实意义。 本文所讨论的汽车法兰零件精密冲裁工艺是指阶梯形刃口模具精密冲 燕山大学工学硕士学位论文 裁，是一种在普通压力机上就可以实现精密冲裁的工艺方法，具有简便、 易用等特点。虽然这种工艺在1 9 8 4 年就有文献介绍【9 1 ，近藤一义等在1 9 9 4 年也对此进行了一定的研究工作1 1 0 】， 困难，随后，很少看到应用的实例。 但由于参数确定和工艺实施上的一些 本文将系统的研究这种工艺，给出合 理的工艺参数取值，在前人的研究基础上，来完善这种工艺，使之具有工 业实用价值。 1 2 目前常用的精冲工艺介绍 1 2 1 精密冲裁法( 齿圈压板精冲) 自德国人在1 9 2 3 年发明这项专利技术以来，这种工艺一直占据主导地 位，也是研究热点之一。正如前文所述，由于精冲技术有着普通冲裁、机 械加工无可比拟的优越性，自其发明以来，立刻吸引了大量的研究者，对 推动精密冲裁的广泛应用起到了很大的作用。目前，精密冲裁法1 3 1 是研究 的最成熟、应用最广泛的精冲工艺 1 1 , 1 2 1 。 精密冲裁法的原理如图1 1 所示，其冲裁过程可以分成两 f r 1 凸模2 齿圈压板3 板坯4 凹模5 顶杆 图】1 精密冲裁法原理图 f i g 1 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f f i n eb l a n k i n gp t o c e s sp r e s s e db yb l a n kh o l d e rw i t ht e e t h 2 第1 章绪论 个行程。首先，对带有v 形齿圈压料板施以足够大的压力，使v 形齿圈部 分压入到板坯内部，并保压至冲裁结束。而后，凸模开始运动，对板料进 行剪切，同时，顶杆对板坯施加强大的反顶力，直至冲裁过程结束。 这种工艺通过冲裁前压入的v 形齿圈，来阻止齿圈外部的板料随着凸 模的行程而带入凹模，利用压边力和反顶力的夹持，使板料内部材料处于 三向静水压之下，有效的阻止了剪切裂纹的产生。但是，由于齿圈压板精 冲自身工艺上的局限，其精冲最大板厚最大为8m m 。 1 2 2 对向凹模精冲 对向凹模精冲【7 】是在齿圈压板精冲的基础上发展起来的，采用突起凹 模来取代齿圈压板，原理如图1 2 所示，对向凹模精冲过程也分为两个行 程。 _ _ x | | 玄飞 、j 、 1 凸棋2 ，凸起凹模3 板坯4 凹模5 顶杆 图i - 2 对向凹模精冲过程原理图 f i g 1 2p r i n c i p l ed i a g r a mo f o p p o s e dd i es h e a r i n gp r o c e s s 首先，对凸起凹模施加强大的压力，使其挤入板料内，凸模也跟随凸起凹 模一起运动，且于凸起凹模相对静止，同时，施加足够大的反顶力，随后， 继续下压，当连皮减薄至料厚2 0 3 0 时，凸起凹模停止运动，并继续保 l 2 3 4 5 l 2 3 4 5 燕山大学工学硕七学位论支 压，最后，由凸模冲去连皮，完成整个精冲过程。对向凹模精冲比齿圈压 板精冲适用范围更加广泛，可精冲1 0m m 厚的制件。 1 2 3 其他常用的精冲工艺 其他常用的精冲工艺如平面压边精冲【l3 】等，是把精密冲裁法的齿圈压 板换成平面压边圈，在冲裁时施加强大的压边力和反顶力，可以精冲p 8 m m 厚的制件，剪切断面质量与精密冲裁法相比，未有明显的差别。 1 3 精冲原理 任何一项技术的发展成熟，都是由理论的突破来推动的，精冲技术也 不例外，精冲技术所依据的理论基础就是塑性成形理论。 在金属的塑性成形中，塑性成形理论认为，金属的化学成分和组织、 变形的快慢、温度，还有应力状态，对金属的塑性有着非常大的影响，正 确的利用这些条件，可以大幅度的提高金属的塑性能力i l 引。 精冲技术所依据的正是应力状态对金属塑性的影响，塑性成形理论认 为，压应力个数越多、数值越大( 即静水压力越大) ，金属的塑性越高【“j 。 如果在冲裁剪切过程中，变形区金属始终发生塑性变形，则可以得到断面 光洁的制件【j “。 金属的组织状态对塑性有着至关重要的影响，目前，国外发达国家， 如瑞士、美国、日本等，都已开发出一定数量的适合精冲的钢材料。我国 在这方面的研究，还很落后。 1 4 精冲技术国内外发展现状 精冲技术自1 9 2 3 年发明到现在，8 0 多年来由f r i t zs c h i e s s 理论不断向 广度和深度扩展，无论在理论和实践上，都有了很大的发展【”j 。特别自1 9 5 7 年以来，由秘密到公开，在各个生产领域出现了很大的突破【l “，当今世界 的精冲流派很多。然而，确切的说，瑞士的f e i n t o o l 公司和s c h m i d 公司仍 是先导，而f e i n t o o l 更是佼佼者，它的创始人f r i t zb o s c h 为开拓世界精冲 技术作出了重大贡献。精冲技术的应用目前主要集中在瑞士、德国、美国、 4 第1 章绪论 日本、俄罗斯和意大利等少数发达国家。 精冲技术在5 0 年以前，主要用于钟表工业；6 0 7 0 年代逐步扩大到办 公机械、照相机、缝纫机、计算机和家用电器等工业；7 0 8 0 年代进入汽 车、摩托车工业f 1 7 1 ，并开始了厚板和立体成型件的精冲f i s l ；9 0 年代，5 0 6 0 的精冲件用于汽车工业，汽车工业中有许多精度要求高、形状复杂的冲压 件，如制动器和门锁上的一些零件，采用精冲加工可以满足其精密，高效、 低成本的要求。 精冲在各国的发展是不同步的。瑞士、法国、英国和美国在2 0 3 0 年 代就开始了精冲技术的应用，日本是6 0 年代开始研究开发精冲技术的。7 0 年代以后，瑞士、德、美、日等国已广泛用于汽车和家用电器工业。 我国虽然对精冲技术早在1 9 6 5 年便开始研究，而且北京机电所、济南 铸锻所、西安交大和西安仪表厂等单位都取得了不同程度的研究成果，但 精冲技术在我国的发展仍有不尽如人意之处【饽】。1 9 7 6 年，中国与f e i n t o o l 公司开始精冲技术交流，f e i n t o o l 公司第一次向我国提供了精冲技术培训 资料，我国第一次引进了精冲机，现在，已从最初的手表、照相机工业逐 步扩大到机械工业。1 9 8 0 年，我国开始把精冲技术引入汽车工业。 9 0 年代以来，精冲技术在我国汽车工业推广应用。1 9 9 2 年，中汽公司 在广州投资建设广州精冲件制造公司，专门生产汽车精冲件。但是精冲技 术在全国的推广应用很不理想，大量适用于精冲的板状类精密轮廓零件， 仍是用传统的、低效率的铣削加工【2 0 1 。 近年来华南理工大学对有色金属材料的精冲工艺参数进行了研究，讨 论了压边圈形状和尺寸、压边力和反顶力等对精冲质量的影响，对精冲机 理等进行了新的认识，并提出了划分精冲变形区的新见解【2 l 】。 1 5 课题的研究意义 由于精冲成形技术具有高效、精密、节能、节材等优点，而且可以提 高产品的质量和零件的互换性，所以，各国都越来越重视精冲技术的应 用，世界上先进的工业国家如美国、日本、德国等，都将精冲用于大规模 的生产，从仪器仪表、办公设备、家用电器、轻工机械等扩展到了汽车、 燕山大学工学硕士学位论文 军械、飞机和航空器械等，特别是在汽车工业的发展尤为迅速，一辆小轿 车就包含8 0 多种精冲件【1 3 l ，精冲工艺已经成为汽车行业降低成本、提高 性能、增加效益的重要措施之_ _ 1 2 2 1 。 在我国，精冲也越来越受到重视，早在“九五”期间，以将“精密成 形与加工研究的开发与应用示范”列为重点科技攻关项目，用精冲技术代 替目前的铣削加工来生产板状精密轮廓零件，促进汽车、摩托车零部件的 生产，带动我国汽车、摩托车以及轻工行业零件制造水平上一个新的台阶， 取得更好的经济、社会效益。 虽然精冲技术的应用已经很广泛，但是精冲工艺目前仍局限于只能在 结构复杂的专用三动压力机上实现的精密冲裁法、对向凹模精冲和平面压 板精冲，国内外的精冲技术应用也都局限于这三种方法，而在普通的机械 式、液压式压力机上实现精冲的工艺研究还很少。近年来，由北京机电研 究所提出的精冲液压模架，虽然也是解决在普通压力机上实现精冲的一种 方案，但是，液压模架的通用性不高，当尺寸相差较大的模具不可能共用 同一液压模架，所以，只适合单一大批量产品的生产。而对于现在小批量， 多样式的生产方式，开发一种简易的精冲模具迫在眉睫。 阶梯形刃口模具精密冲裁，是一种只需改变凸凹模几何形状，就可以 实现精冲的工艺，具有简便、易用、高效等优点，既可以在普通的机械式 压力机上应用，也可以在普通的液压式压力机上使用，但由于工艺参数难 以确定等原因，很少看到应用实例，对其进行研究，使其实用化，可以大 幅度缩减由于精冲设备的昂贵而带来的附加成本，对于目前国内的具体情 况而言，无疑具有重大的现实意义。 1 6 本文的主要研究内容 板材的冲裁剪切过程中的变形是非常复杂的，阶梯形刃口模具精密冲 裁的变形过程更加复杂，有限元模拟是研究复杂过程的有效方法。 ( 1 ) 对阶梯形刃口模具精密冲裁进行理论分析，确定其主要工艺参数， 并研究其应用的可行性。 ( 2 ) 用有限元方法模拟阶梯形刃口精密冲裁的变形过程，分析变形区应 6 第1 章绪论 力应变状态。 ( 3 ) 通过模拟确定主要工艺参数对精冲的影响规律，并找到这些参数合 理的匹配区域，指导阶梯形刃口精密冲裁模具的设计。 ( 4 ) 设计出实验模具，进行实验研究，对计算机模拟的结论进行验证和 修正，总结实验数据，完善阶梯形刃口模具精密冲裁的理论研究。 7 燕山人学工学硕士学位论文 第2 章阶梯形刃口模具精密冲裁过程分析 2 1 阶梯形刃口模具精密冲裁原理 阶梯形刃口模具精密冲裁法又称同步剪挤式冲裁【2 3 】，它是采用带有台 阶的凸模或凹模对加工板坯进行冲裁剪切，如图2 - 1 所示。 图2 1阶梯形刃口模具及几何参数图 f i g 2 1d i a g r a mg e o m e t r i cp a r a m e t e r so f t h et o o lw i t hs t e p p e de d g e 其冲裁过程按板坯的变形特征可分为三部分，即，从凸模前端突起部 分接触并压入板料，到大端部分接触并压入板料，再到制件与板坯的最终 分离。冲裁时，凸模前端的突起部分首先接触板坯，随着凸模继续行程， 前端突起部分逐渐压入板坯，这时，板坯材料依据自身的塑性发生剪切变 形，这与普通的冲裁过程是相同的，直到凸模的o a 面与板面接触为止，此 时，板料并未产生剪裂纹，该阶段持续的长短主要取决于曲段的长度；随 着凸模的继续压入，凸模o a 端面开始接触板坯，压住并挤入板料，使被挤 压材料在剪切区建立一个足够大的静水压力场，可以提高材料的塑性，抑 制剪裂纹的产生，使塑性剪切变形得以延续到剪切的全过程：当凸模端面 刚好进入凹模洞口时，制件与板坯实现分离，完成了精密冲裁的整个过程。 在上述剪切过程中，恰到好处的利用了材料本身具有的塑性，然后及 时地施加足够大的静水压力来抑制剪裂纹的产生。随着凸模o q 面的逐渐挤 入，静水压力将越来越大，正好补偿了板料在剪切过程中的塑性的降低。 箜：兰堕壁垄盈旦蓬星整童生茎型垄坌堑 在凸模的工作部分中，0 6 段的作用是控制开始增加静水压力的时间，而o o 面的作用则是控制静水压力的大小。 2 2 阶梯形刃口模具几何特征参数 从以上分析得知，对于阶梯形刃口模具精密冲裁，它与普通冲裁的根 本区别在于凸模的形状，确切的说只有o a 段与d 6 段( 见图2 1 ) 长度的取值 都在合理范围之内，才能取得好的精冲效果。两用o o 段与d 6 段长度这样 的参数是很不方便的，也是很不科学的，所以。我们根据各个部分的不同 作用，用下述参数来定义这种工艺。具体参数如图2 1 及表2 一l 所示。 由图2 1 可以看出，阶梯形刃口模具的几何特征参数基本有三个，即， 凸模前段突出部分与凹模的单边正间隙c ，突出部分的高度h ，以及凸模 大直径部分与凹模的单边负间隙c i ，正如前述，阶梯形刃口精密冲裁最大 的特点就是简便、易用，它把提供静水压力的装置直接用凸模的负间隙部 分来实现，随着冲裁过程的进行，凸模持续的下压，这就好比凸模的负间 隙部分在镦粗，而同时凸模前端凸起部分则在进行普通冲裁。 表2 - 1阶梯形模具的几何特征参数 参数名称表示符号 负问隙c 突出部分高度h 正问隙 2 3 阶梯形刃口模具精密冲裁剪切区受力状态分析 板材的阶梯形刃口模具精密冲裁的剪切过程中，由于模具刃口结构的 特殊性，在刃口附近产生的应力、应变状态是非常复杂的。应力、应变状 态的分布，直接影响剪切加工过程和最终结果，如最终切断面的形成、成 形力大小以及模具的磨损等，都与应力、应变状态有关。 9 燕山大学工学硕士学位论文 如图2 2 所示，为阶梯形刃口模具精密冲裁过程中的板坯受力简图。 凸模 板坯 凹模 图2 - 2 阶梯形刃口模具精密冲裁板坯受力简图 f i g 2 2d i a g r a mo f s h e e t m e t a lu n d e r l o a do f t h ep r o c e s s o f f i n e b l a n k i n g w i t h t o o lo f s t e p p e de d g e 图中，。，。f 。，凸、凹模对板料的竖直作用力； 吒，f 。2 、f 。，凸、凹模对板料的侧压力； 肛。、肛：、以，凸、凹模端面与板料间的摩擦力 以，、峨：、鹏，凸、凹模侧面与板料问的摩擦力 在受力简图中，由于力f ，。与力f ，；的夹持作用，使得板料在凸凹模刃 口附近区域产生很大的静水压应力，将抑割剪切裂纹的产生，使得变形区 产生塑性变形，得到光洁的剪切断面。在力f 。的下面区域，可以看作是 一个镦粗的圆环( 轴对称情况下) 。随着凸模的下压，其下部的板料，绝大 部分将被挤出到凸模以外，但还有一小部分，将被挤入凹模洞内，这样的 话，就补充了部分材料，从而有助于减小由于缺料而产生的塌角，但是如 果过多的板料被挤入凹模的话，那将在冲裁结束时易于产生毛刺。 所以，对于阶梯形模具精密冲裁来说，很难确定其最佳的工艺参数， 这也是这种工艺一直没有被大量采用的一个重要原因。以上受力分析并没 有考虑到反顶力的作用，在实际应用时，如果施加反顶力，通过顶件器与 凸模的央持作用，将会使得刃口附近板料产生更大的静水压应力，通过调 节其大小，可以抑制制件在冲裁过程中由于凸凹模的间隙作用而产生的穹 1 0 第2 章阶梯形刃口模具精密冲载过程分析 弯，保持制件的平面度。 剪切加工时，毛坯中的应力、应变分布规律是人们研究的重点所在。 以往用理论分析和实验方法，很难得到精确的应力、应变场，不管是平面 问题【2 4 ，2 5 1 ，还是轴对称问题【2 6 3 0 】，只能从材料力学的角度，从宏观上确定 毛坯内部大致的拉压区域。近年来。随着有限元数值模拟技术的广泛应用 和快速发展，已经能够用该方法得到材料中直观具体的应力场和应变场， 模具表面接触压力分布，并能进一步研究各种重要参数，如模具刃口形状， 间隙、剪切线形状等对应力、应变分布规律的影响【3 1 1 ，根应力应变的分布 来预测剪切断面质量等【3 ”。 2 4 普通冲裁件与精冲件剪切断面分析 由于冲裁变形的特点，使冲出的工件断面，明显的分成几个特征区域， 即塌角、光亮带、撕裂带及毛刺，各个区域的大小，决定了断面质量的优 劣，其形状如图2 3 ( a ) 、( b ) 所示。 精密冲裁与普通冲裁最根本的区别就是冲裁件剪切断面质量。一般说 来，剪切断面的光亮带区域越大、塌角和毛刺越小，其断面质量也就越高， 反之，则断面质量也就越低j 这四个量是衡量冲裁制件剪切断面质量的主 要指标，而光亮带又是其中最重要的指标 3 7 , 3 8 j 。 在普通冲裁中，光亮带面积大约只占整个断面而积的1 3 l 2 p 7 , 3 s 1 ，而 且有较大的塌角和毛刺，并且，由于沿着凸凹模刃口方向的剪裂纹的产生 与加工硬化的作用，使得变形区呈纺锤形，剪切断面的垂直度不高，所以， 普通冲裁的制件一般满足不了使用精度的要求，主要是为生产提供毛坯。 1 ，塌角2 光亮带3 断裂带4 毛刺 ( a ) 普通冲裁剪切断面示意图 l 2 3 燕山大学工学硕士学位论文 1 塌角2 光亮带3 毛刺 ( b ) 精密冲裁剪切断面示意图 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f g e o m e t r i cv a r i a b l ed i s t r i b u t i o no f s h e a f i n gs e c t i o n o f c o m m o n b l a n k i n ga n df i n eb l a n k i n g 精密冲裁件有较高的断面质量，由于剪切过程中，变形区始终发生塑 性变形，所以精冲件的剪切断面没有撕裂带，而且塌角和毛刺都控制的非 常小，垂直度很高，所以，精冲件能满足使用精度要求，可以直接使用。 2 4 1 塌角 塌角是由于纺锤形变形区对其周围材料的影响而产生的，加工硬化愈 大的材料，其变形区对周围的影响愈大，因而塌角的区域愈大1 3 9 1 。 如图2 - 4 所示，设板料在被上下压料板压住的情况下进行剪切加工， 且设其在变形过程中不发生翘曲，模具上、下刃口工作情况完全相同。 凸樽 板坯 凹模 图2 - 4 间隙与塌角的关系 f i g 2 4 r e l a t i o nb e t w e e nc l e a r a n c ea n dc o l l a p s ec o m e r 设，为凸模切入深度，c 为问隙，t 为板厚。若将板坯变形前后的轮廓 线和凸模侧面在纸面上的投影线所围成的区域( 图2 - 4 中阴影部分) 称为塌 角，且设该部分的面积为a 。，则根据体积不变条件，对于平面问题，变形 釜i 童g ! 丝垄翌旦堡星堑童盐夔蕉堡坌堑 前后材料的面积不变，因此可得： a 。= c s 2 ( 2 - 1 ) 若进一步假设塌角的轮廓符合抛物线形状，且与板坯的轮廓线相切， 塌角的长度和高度分别为a 、6 ( 如图2 4 ) ，塌角所在区域的最大宽度为 知一c ( 介于图中两条虚线之间1 ，则可以证明： a 。= 1 3 a b( 2 - 2 ) 或 c s = 2 3 a b ( 2 - 3 ) 在定的假设条件下，上式定量地给出了塌角与凸模切入深度及间隙 的关系，即塌角随间隙和切入深度的增大而增大。这一模型虽作了较大简 化，但基本能表明，间隙和切入深度是影响塌角大小的主要因素。在同一 模具上。间隙一般不会改变，因此，切入深度对塌角的影响最大。此外， 材料的性质、工件轮廓形状及模具刃口形状等对塌角也有一定影响。 2 4 2光亮带 光亮带是模具刃口切入后，在材料和模具侧面接触当中被挤光的平滑 面。通常由于模具刃口上的缺陷或在刃口上附着金属屑，使切断方向上有 很细的道痕。光亮带是断口上精度最高，粗糙度最低的部分，要想使整个 断口上只有光亮带，没有撕裂带，就要使用精密冲裁的方法。 以往，人们把光亮带看成像切削那样，是由于纤维组织的切断而新生 的表面。后来则认为是由于纤维组织的塑性变形而形成的表面【3 引，在此虽 有纤维的切断，但光亮带是由于金属的塑性流动而新生的表面则是肯定的。 事实上，切断面上肯定会有大量的纤维被切断，当然也伴随着很大的塑性 变形。由于光亮带表层附近的变形非常大，因而加工硬化也强烈。 光亮带光滑、垂直、是剪切面上精度和质量最高的部分，通常光亮带 占全断面的1 3 - 1 2 【4 0 1 ，塑性好的材料，光亮带大，此外，间隙、模具的 磨损情况及压边力等加工条件对光亮带大小都由很大影响。 2 4 3撕裂带 撕裂带是由裂纹形成的粗糙面，由于控制方法的不同，而得到各种各 燕山大学工学硕士学位论文 样的撕裂带。如果考虑到剪切变形材料内的应力状态，就容易理解裂纹是 从紧靠模具刃口尖端的侧面开始产生的。这个裂纹以后如何成长，取决于 周围的应力状态。如沿封闭曲线冲裁时，裂纹应当从凹模刃口处发生。这 时，裂纹生长的方向可能有如图2 5 所示的三种情况【3 9 1 。图中箭头方向为裂 纹可能的成长方向。如所示，裂纹向上剪刃下方发展而进入高压应力区， 其进一步的生长受到抑制，这时，裂纹一面张开，另一面形成二次剪切面； 所示的情况是裂纹选择压力低的地方生长，最后到达凸模刃口；是指 从凹模刃口处发生的裂纹，在生长过程中与凸模刃口处产生的裂纹重合。 由于裂纹生长和会合的方式不同，对光亮带和撕裂带是有很大影响的。 由于光亮带的终点也是撕裂带的起点，所以撕裂带的大小与光亮带的 大小相对应。影响光亮带大小的因素也影响着撕裂带。 凸樽 板坯 凹模 图2 - 5 裂纹成长趋势示意图 f i g 2 - 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo f c r a c kp r o p a g a t i o n 2 4 4 毛刺 如果裂纹从一个刃口到另一个刃口联成线，就不会产生毛刺。虽然在 刃口尖端附近的变形程度最大，但板料静水压应力值并不是最低，因此裂 纹起点就不会在刃尖，而是在模具侧面距刃尖很近的地方，这样就会出现 毛刺。显然，刃口磨损以后，毛刺会增大。此外，间隙较大时，一般会使 刃口附近的静水压应力值降低，而产生较大毛刺 3 7 , 3 8 1 。 剪切面上各个特征带在剪切制件断面上所占的比例随材料、模具间隙、 1 4 第2 章阶梯形刃口模具精密冲裁过程分析 模具刃口形状、模具结构等的不同而变化。精冲正是通过改变模具结构， 控制板坯的应力应变状态，从而得到较高断面质量的制件。但是，如何进 行控制，单纯的用实验或者解析的方法，其工作量是巨大的而且精确度也 不易满足要求，而且，由于要冲裁的板坯材料的多样性，都加以实验或者 解析研究是不可能的，数值模拟是解决这个问题的一个可行的方法。 2 5 精冲材料 精冲材料是保证实现精冲的先决条件，它直接影响精冲零件的表面质 量、尺寸精度和模具寿命【1 3 】。 2 5 。1 精冲对材料的基本要求 ( 1 ) 塑性好材料的塑性指标伸长率和断面收缩率高，具有较高的变形 能力，精冲时，变形区的材料随刃口流动而不断裂。 ( 2 ) 变形抗力低材料的屈服强度和抗拉强度低，有利于实现精冲过程 的工艺润滑，提高模具寿命和剪切面质量。 ( 3 ) 组织结构好精冲对材料的组织有较高的要求，同样的材料，热处 理不同，材料的塑性和金相组织均不相同，对精冲件的质量有明显的影响， 对碳钢和合全钢来说，碳化物的形态和分布至关重要，以球化完全，弥散 良好、分布均匀的细球状碳化物组织为最佳。 由于球化处理需要增加成本，对材料组织要求越高，成本也越高。实 际生产中应根据零件形状的复杂程度和剪切断面质量级别，合理的选用相 应的组织材料。在满足零件技术要求的前提下，应选用最便宜的材料，以 求得经济与技术的统一。 2 5 2 适于精冲的材料 2 5 2 1 钢大约9 5 的精冲零件是钢件，其中大部分是低碳钢，适于精 冲的主要钢种列于表2 2 。未列入表2 2 的钢种，可参考表中含碳量接近的 钢种。但是对于含梳、磷较高的非镇定钢，既使是低碳钢，精冲时也会出 现问题，选材时需慎重。表2 2 中第二项，可精冲的大约最大厚度是一个 范围，它与材料的状态，工件的技术要求以及模具的寿命有关。 燕山大学工学硕士学位论文 表2 - 2 适于精冲的主要钢种 可以精冲的大精冲适应可以精冲的大 精冲适应 材料约最丈厚度性( 1 )材料约最大厚度 性( 1 ) 0 81 5lt 8 a 33 1 01 5lt 1 0 a33 1 51 2l15 m n82 2 01 01i 6 m n82 2 51 011 5 c r m n52 3 0 1 012 0 m n m o82 3 5 82 2 0 c r m o 42 4 0 7 2g c f l 5 63 4 5721 c r l 8 n i 982 5 062o c r l 362 5 5621 c r l 3 52 6 0424 c r l 34 2 7 0 33 ( 1 ) l 一理想的鞘冲材科；2 一适合的檀冲精冲材孝4 ；3 一精冲困难的材料 2 5 2 2 铜和铜合金铜和铜合台的精冲性能取决于化学成分和冷轧的程 度。从铜一锌状态图【1 3 ) 可以看出，锌含量( 质量分数) 在3 8 以下时，合金 为单一的a 帽，塑性好，因此所有锌含量( 质量分数) 低于3 7 ( 含钢量高于 ( 质量分数) 6 3 ) 的黄铜均能精冲。含钢员愈尚效果愈好。含锌量( 质量分数) 超过3 8 时，合金出现p 相，组织为口+ p 双相不均体，精冲性能差。h 5 9 黄铜就属于这种组织。 铝青铜中含铝量较低时塑性好，可以精冲，含铝量( 质量分数) 超过1 0 时，塑性差，含铝量( 质量分数) 超过1 0 的铁青铜不适于精冲。铅黄钢塑 性差不适于精冲。铜及铜合金的精冲适应性列于表2 3 2 5 2 3 铝和铝合金铝和铝合金同样可以精冲，其化学成分和冷轧程度 1 6 第2 章阶梯形刃口模具精密冲裁过程分析 影响精冲性能。各种纯度的铝都很软，具有良好的塑性，容易实现精冲， 但受冷轧产生的加工硬化的限制。 铝锰合金为非时效硬化铝合金，在软态下具有良好的精冲性能，在半 硬和硬态下。塑性降低，影响精冲质量。 铝镁合金根据镁的不同含量，牌号为5 a 0 2 、5 a 0 3 、5 a 0 6 ，这类合金 在软态时伸长率值最低为1 5 ，均可以精冲。在半硬和硬态时塑性降低。 铝和铝合金的精冲适用性列于表2 4 。 表2 3 适于精冲的主要铜和铜合金 材料 精冲适应性( 1 ) 材料 精冲适应性( 1 ) t 2 ，t 3 t 4 ，t 0 1 t 0 2 1h n i 6 5 52 h 9 6 ，h 9 0 ，1 t 8 0 ，1 t 7 0 ，t t 6 8 io s n 4 3 2 1 t 6 22 o b e 2 ，q b e l 7 3 h s n 7 0 一l h s n 6 2 1 2 。a 1 7 2 ( 1 ) l 一良好的；2 中等的；3 一困难的 表2 - 4 适于精冲的铝和铝合金 材料精冲适用性( 1 ) 1 0 7 c 帆1 0 6 0 ，1 0 5 0 a ，1 0 3 5 ，1 2 0 0 ，8 a 0 6 1 3 a 2 ll 5 a 0 2 ，5 a 0 3 2 2 a 11 2 a 1 2 3 ( 1 ) l 一良好的；2 一中等的；3 一困难的 2 6 精冲工艺润滑 精冲工艺润滑是实现精冲必要的条件之一。精冲工艺润滑剂与模具寿 命、工件质量密切相关，直接影响精冲的技术经济效果，在精冲技术领域 中占有重要的位置【1 3 l 。 精冲过程中金属材料在三向受压的条