（材料加工工程专业论文）精冲工艺的数值模拟与实验研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 精密冲裁是一种新型的金属压力加工方法，具有优质、高效、低消耗的特 点，其技术经济效益十分显著。自从1 9 2 3 年发明了此项冲裁工艺以来，已在世 界各地得到推广，在仪器仪表、办公设备、家用电器、轻工机械、汽车、军械、 航空器械等方面都有广阔运用，已经成为现代工业降低成本、提高性能、增加 效益的重要技术措施之一。 精冲成形过程非常复杂，材料在狭窄的凸、凹模间隙附近形成了局部塑性 剪切带，在压应力的作用下产生强烈的塑性流动，应力应变梯度很大，是一个 经历弹性变形、塑性变形和剪切断裂的非稳态大变形过程。传统的研究方法都 是依靠大量的实验和简单的力学分析，找出某种经验或者是半解析公式，用来 计算力能参数。塑性成形仿真技术的发展为研究精冲成形机理并从而预测产品 成形缺陷、优化工艺参数提供了新途径。本文模拟所利用的d e f o r m - 3 d 软件就 是一款优秀的塑性成形仿真软件。 本文中，对形状简单的圆盘形4 5 钢零件的精冲过程进行了数值模拟，得出 了材料变形过程中静水应力、等效应力和等效应变的分布图，预测了其发展趋 势，解释了精冲各个阶段的发展直到最终断裂的全过程，并绘制了精冲力能曲 线。从压边力、反压力、相对冲裁间隙、压边圈齿形参数等各种因素出发，分 析了这些因素的变化对于变形区应力应变场与剪切面裂纹产生的关系，并得出 了压边力与反压力的合适配合比例，以及其他参数的正确取值范围。针对有拐 角精冲件进行了专门模拟，证明精冲件拐角处确实存在应力集中现象，在设计 中应尽量减小尖角，采用光滑的过渡代替。最后总结了精冲中常见的质量缺陷， 以及解决的方法。 在本文实验部分中，对模拟采用的圆盘件进行了试冲，分别以冲裁间隙、 压边力、反压力、凸凹模圆角和压边圈齿形距离作为变量，每次只改变一个( 或 两个) 参数，绘制了该参数与冲裁光洁面比例的关系图，从而得到这个参数对 精冲质量的影响趋势。实验结果与模拟结论基本吻合，证明利用d e f o r m 一3 d 软 件进行质量控制，可以减少精冲设计时间和降低实验成本，提高效率。 关键词：精冲，塑性成形，数值模拟，d e f o r m 3 d ，质量控制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i n eb l a n k i n gt e c h n o l o g yi san e wm e t h o do fm e t a ls t r e s sp r o c e s s i th a s c h a r a c t e r i s t i co fh i g h q u a l i t y , e f f i c i e n ta n dl o wc o n s u m p t i o n , a n dh a s n o t a b l e t e c h n i c a la n de c o n o m i cb e n e f i t s i n c eg e r m a ni n v e n t e dt h i sp u n c ht e c h n o l o g yi n 1 9 2 3 ，i th a sb e e ns p r e a dw o r l d w i d e i tw a sa b r o a du s e di nm a n ya s p e c t ss u c ha s a p p a r a t u sa n di n s t r u m e n t s , w o r k i n gf a c i l i t i e s ，h o m ea p p l i a n c e s , l i g h ti n d u s t r y m a c h i n e , m o t o r c a r , o r d n a n c e ，a n da e r i a le q u i p m e n t s n o w a d a y si t h a sb e e na n i m p o r t a n tt e c h n i c a lm e t h o do fm o d e mi n d u s t r yt or e d u c ec o s t , i m p r o v ec a p a b i l i t ya n d i n c r e a s eb e n e f i t t h es h a p i n gc o u r s eo ff i n eb l a n k i n gi sv e r yc o m p l e x m a t e r i a lf o r m sal o c a l p l a s t i cc i l r i n ga r e ab e t w e e np u n c ha n db o t t o md i e ，a n db r i n g sv i o l e n tp l a s t i cf l o w u n d e rt h ee f f e c to fp r e s ss t r e s s t h eg r a do fs t r e s sa n ds t r a i ni sg r e a t , a n di ti sa l l u n s t a b l et r a n s m u t a t i o np r o c e s st h a tc a m et h r o u g ha ne l a s t i c d i s t o r t i o n , p l a s t i c d i s t o r t i o na n dc a tr u p t u r e a n c i e n tr e s e a r c hf o u n ds o m ee x p e r i e n t i a lo rh a l f - r e s o l u t i o n f o r m u l a sd e p e n d e do nl a r g en u m b e r so fe x p e r i m e n t sa n ds i m p l ed y n a m i ca n a l y s i s ， t h e nu s e dt h e mt oa c c o u n tp o w e ra n de n e r g yp a r a m e t e r t h ed e v e l o p m e n to fp l a s t i c f o r m i n ge m u l a t i o nt e c h n o l o g yp r o v i d e sn e ww a yf o rr e s e a r c h i n gh n eb l a n k i n g m e c h a n i s ma n dc o n s e q u e n t l yf o r e c a s t i n gf o r m i n gd i s f i g u r e m e n t , o p t i m i z i n g p a r a m e t e r s d e f o r m 一3 ds o f t w a r e u s e di nt h i sa r t i c l ei sap e r f e c tp l a s t i cf o r m i n g e m u l a f t o ns o f t w a r e t h i sa r t i c l es i m u l a t e dt h ef i n e - b l a n k i n gp r o c e s so fs i m p l ys h a p e dr o u n d4 5 0 s t e e ld i s k i te d u c e dt h ed i s t r i b u t i o no ff l o ws t r e s s m e a l ls t r e s sa n dm e a ns t r a i ni n m a t e r i a l sd i s t o r t i o n , f o r e c a s t e di t sd e v e l o pt r e n d , e x p l a i n e dt h ed i s p l a yo fe a c h s e c t i o na n du l t i m a t e l yr u p t u r e ，t h e nd r e wt h ec u r v eo fp o w e ra n de n e r g yi nf i n e b l a n k i n g i t s t u d i e dm a n yf a c t o r ss u c ha sb l a n kh o l d e rp r e s s u r e ，a n t i p r e s s u r e , c l e a r a n c eb e t w e e np u n c ha n db o t t o md i e ，a n dp a r a m e t e r so fd e n t i f o r mo l lb l a n k h o l d e r , a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ft h e s ef a c t o r s c h a n g et os t r e s sa n ds t r a i nf i e l di n d i s t o r t i o na r e aa n dt h ea p p e a r a n c eo fs h e a rc r a c k , s u m m a r i z e dt h ea p p r o p r i a t er a t i oo f b l a n kh o l d e rp r e s s u r ea n da n t i - p r e s s u r e , a n dt h eb e s tr a n g eo fo t h e rf a c t o r s t h e f m e - b l a n k i n gw o r k p i e c e sw i t i lt u r n i n g sw a ss i m u l a t e de s p e c i a l l y , p r o v e dt h a ti te x i s t s s t r e s s - c e n t r a l i z ep h e n o m e n o no nt h et u r n i n g s i nd e s i g nw es h o u l d m i n i s hs h a r pe d g e ， n 武汉理工大学硕士学位论文 u s el u b r i c i t yt or e p l a c ei t a tl a s ts o m ec o m m o nd i s f i g u r e m e n t si nf i n e b l a n k i n g w o r k p i e c e sw e r es u m m a r i z e d , a n db r o u g h tf o r w a r ds o m er e s o l v e n tt ot h e m i nt h ee x p e r i m e n tp a r to ft h i sa r t i c l e ，w o r k p i e e e so ft h es h a p ei ns i m u l a t i o nw e r e p u n c h e d t of a c t o r ss u c ha sc l e a r a n c e ，b l a n kh o l d e rp r e s s u r e ，a n t i - p r e s s u r ea n dv - r i n g p o s i t i o n , i to b t a i n e dt h ee f f e c to ff i n e - b l a n k i n gb yt h i sp a r a m e t e ra n dd r a w e dt h e r e l a t i o n s h i pp i c t u r eb e t w e e ns h e a rb r i g h tr a t i oa n dt h i sp a r a m e t e rt h r o u g hm o d i f y i n g t h i s p a r a m e t e r w h i l e h o l d m g o t h e r si n v a r i a n t t h es i m u l a t i o nr e s u l tw a s a p p r o x i m a t e l ym a t c ht oe x p e r i m e n t sr e s u l t i ts h o w st h a tu s i n gd e f o r m 3 d s o f t w a r ei nq u a l i t yc o n t r o lc 蛆r e d u c ec o s to fd e s i g na n de x p e r i m e n t , e n h a n c e e f f i c i e n c y k e yw o r d s ：f i n eb l a n k i n g ，p l a s t i cf i g u r a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， d e f o r m - 3 d ，q u a l i t yc o n t r o l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，除了文中特， l l j j n 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，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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。 关于论文使用授权的说明 伽7 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 蜱吼 伽7 苦 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 精冲技术简介 第1 章绪论 精密冲裁( 简称精冲) 是一种先进的精密成形技术。它以金属板材为原料， 采用少、无切削的塑性加工方法，一次成形即可得到尺寸精度高、剪切面粗糙 度低的零件。 1 1 1 概述 精冲是一种在强力压边下间隙很小的冲压工艺。如图1 - 1 所示。 图卜1精冲原理简图 1 一导向压板；2 一凸模：3 一顶杆；4 一工件；5 一凹模； 6 一内形凸模；7 一项件板；8 一齿圈 其原理是【1 1 ：先使导向压板上的v 形齿圈压入凹模刃口附近的金属板材上， 然后在反压力加压的情况下，冲裁力作用于板材上，使刃口内的材料在三向压 应力状态下挤入凹模型腔内，从而形成高精度的冲压零件。在冲裁过程中，必 须保证刃口附近的材料始终处于三向压应力状态，阻止拉应力的出现，从而防 武汉理工大学硕士学位论文 止冲裁剪切面出现裂纹或裂纹扩展导致剪切面的拉断。由于精冲模具凸、凹模 之间的单边间隙只有被冲板材厚度的0 5 左右，再加上凸、凹模之问的相对运 动是在精度很高的滚珠导柱系统或闭锁销系统的精密导向下完成的，所以精冲 件的剪切面垂直度好，比较光洁。而普通冲裁无论从凸、凹模间隙，还是从冲 裁过程的材料受力状态来看都远不及精密冲裁工艺，因而其零件质量相比精冲 零件相差甚远。图1 - 2 为精冲工艺生产出的汽车拨叉零件。 图l - 2拨叉 精冲技术与传统机加工工艺相比具有如下优点【2 】： ( 1 ) 优质。精冲零件剪切面的尺寸精度可达玎7 i t 8 级，表面粗糙度可达 到r a o 4 o 8 。 ( 2 ) 高效。对于许多形状复杂的零件，如齿轮、棘轮、链轮、凸轮等扁平 类零件，只需用一次精冲工序即可完成，时间只需几秒钟，从而大大减少了大 量的铣、刨、磨、镗等切削工序。因此采用精冲工艺可以提高工效1 0 倍以上。 ( 3 ) 低耗。精冲工艺不仅避免了切削工序所造成的大量能耗和材料消耗， 而且由于精冲后的表面具有很强的冷作硬化效果，因此有时可以取代后续淬火 工序而进一步降低能耗和成本。 ( 4 ) 应用范围广。精冲工艺的应用覆盖面很广，目前它已经广泛用于汽车、 摩托车、纺织机械、农用机械、计算机、家用电器、仪器仪表和量刃具等领域。 有相当部分的铸、锻件毛坯，己可采用精冲复合工艺来取代原来的切削加工工 艺生产出合格零件来。 2 武汉理工大学硕士学位论文 精冲是在普通冲裁技术的基础上发展起来的。它们的主要工艺特点有如下 对比【3 】： ， ( 1 ) i 件质量。普通冲裁的尺寸精度只能达到r r l l i t l 3 ，冲裁面的表面 粗糙度尺。) 6 3 ；而精冲的尺寸精度可打i t t i t l l ，冲裁面的表面粗糙度为 r 。0 4 1 6 。普通冲裁的不平度、不垂直度都大大高于精冲。普通冲裁的毛刺 为双向分布且较大，塌角占到板厚的2 0 3 0 ，精冲的毛刺仅为单向分布且较 小，塌角只占到板厚的10 9 6 2 0 9 6 。 ( 2 ) 模具结构不同。普通冲裁的凸凹模间隙较大，双边间隙为1 0 2 0 的 板料厚度，凸模与凹模刃口锋利无倒角。精冲模具的凸凹模的双边间隙仅占1 左右的材料厚度，且凸模与凹模刃口有合适的倒角。 ( 3 ) 冲压材料。普通冲裁所用材料无要求，而精冲由于其工艺特点，要求 材料塑性较好，最好经过球化处理。 ( 4 ) 受力状态。普通冲裁只受单向压力的作用，其变形功小；精冲过程中 变形区材料处于三向应力状态，变形功为普通冲裁的2 2 5 倍。 ( 5 ) 成本和环保。普通冲裁有噪音，振动较大，但成本较低。精冲噪音低， 振动小，但成本较高。 1 1 2 各种精冲方法的开发与应用 自从齿圈强力压边精冲技术( 简称f b ) 于1 9 2 1 年发明并于1 9 2 3 年获得德国 专利后便迅速获得推广和普及，并在应用中不断完善。但精冲对于材料的力学要 求很高，其屈强比0s ，ob o 6 。所以除优质低碳结构钢外，都要实现进行专门 的球化退火等前处理，一般硬脆材料，如硬钢及淬过火的钢板不能精冲；需要 配备专门的三动精冲压力机，其结构复杂，价格高昂，一般为同等吨位普通单 动国产机械压力机的5 l o 倍，维护技术要求高；所用精冲模结构复杂，制造 与维修技术要求高；精冲对于润滑的要求也十分严格，没有专门的润滑剂不能 进行精冲，但精冲极压润滑油的价格昂贵，约是普通润滑油的3 5 倍。而精冲 只能在大量生产中才能显示出巨大的效益，许多企业因精冲工艺需要巨大的固 定资产投资和高度的技术风险望而却步。 为了寻求更经济，更简便，适用范围更广的精冲方法，在f s c h i e s s 发明 了f b 法后，又陆续有多种精冲方法问世，详见表1 - 1 4 1 。 3 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 1 各种精冲方法及其原理和运用 序精冲方法开发和研 研发国 推广与运用情 号和名称 试日期家与发 原理与特点况 明人 现在较少采用。 惨边( 整对冲裁毛坯用修边( 整修) 模曾使用过内孔与 1修) 瑞士 进行小间隙冲切以获得平整光外缘整修并有振 洁的冲切面及高的尺寸精度。动整修专用压力 机。 v 型齿圈强 1 9 2 3 年3 用带v 型齿圈的强力压板和反各工业国都已推 力压边精月9 日获德国顶装置夹紧板料于精冲过程的广使用国内也 2冲( 齿圈压得德国专 f i l l s 始末，采用小于料厚2 的冲裁 已进入推广普及 板精冲)利证书 s e h i e s 间隙，落料凹模刃口带小圆角， 期。 直接从板料上冲制成品件。 利用平面切削骧理，采用上下日本已投入实际 3对向凹模 1 9 6 8 年 日本近对应的成对凸模与凹模按规定使用，国内有厂 精冲藤程序分次冲切家研试并曾投入 生产应用。 1 9 7 0 年落料凸模制成台阶。冲孔凹模 开发，日本制成台阶，由于模具的一半具还未见进入实用 4 同步剪挤1 9 7 6 年 k o n d有两个不同尺寸的台阶，精冲 阶段的报导 精冲获西德专o 等 时凸模和凹模在一次行程中先 利后形成 正、负两个冲裁间隙进行精冲。 在一个精冲过程中，有多次往 5复动和往1 9 5 8 年日本前复运动。采用微间隙，使用压未推广用于生 复精冲 田 料板和反顶装置，模具结构复 产。 杂需专用压力机。 凸模大于凹模形成负间隙，精适用于塑性好的 6负间隙精 1 9 5 7 正 瑞士冲时凸模最低位置距凹模表面有色金属和低碳 冲o 1 o 2 咖钢板料，国内已 推广用于生产。 凹模刃口呈1 4 圆弧过渡，取 适用于塑性好的 7圆刃口凹德国0 0 2 r a m 以下微间隙，相当于冲有色金属和低碳 模精冲 裁 挤光复合加工工艺过程 钢板料，国内已 推广用于生产。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 精冲工作过程 以冲孔为例，精冲的一个工作循环的过程经历了如下步骤1 5 l ： ( a ) 模具开启，送入材料； ( b ) 模具闭合，在刃口( 冲裁线) 内外的材料利用齿圈力和反压力压紧； ( c ) 用冲裁力冲裁材料，压边力和反压力全过程有效压紧； ( d ) 滑块行程结束，冲件在凹模内，内孔废料冲入落料凸模中； ( e ) 压边力和反压力卸除，模具开启； ( f ) 吹卸或清除精冲件和内孔废料。材料送进完成进入下一个循环。 1 2 国内外研究现状与分析 1 2 1 精冲技术的国内外应用 从1 9 2 3 年德国人f s c h i e s s 通过试验研究获得了精冲工艺的技术专利开 始，到2 0 世纪7 0 年代末，国际上已累计制造精冲压力机约2 0 0 0 台，其中德国 2 9 0 台，前苏联2 1 5 台，美国1 8 5 台，日本1 8 0 台，英国1 0 0 台。他们的研究 和科研成果的商业转化速度非常快，并已形成了一整套的完备的技术研究和商 业运作系统，这也是他们发展迅速的主要的原因。精冲工艺在世界上已经日益 成为一种重要的少无切削工艺【6 】。 目前，掌握了先进精冲技术的欧洲和日本，在市场竞争中已处于有利的地 位。为了扩大精冲的应用范围，满足装配或产品性能的要求，他们已将精冲加 工工艺扩展到弯曲、冷挤压、拉伸、压印、局部成形等工序，取代了切削加工 及其他工艺( 如铸造、粉末冶金和需要后续加工的工序) 。 世界发达国家精冲技术的优势，表现在以下几方面啊： ( 1 ) 精冲工艺 精冲工艺目前可以达到的技术水平为： 剪切表面粗糙度为r0 3 1 5 ( 相当于i t 9 i t i o ) ； 尺寸精度：毛刺高度 = o 时，口= q ； 当o r l 0 时，口= 0 ；8 ，为材料发生断裂时的应变；s 为等效应变，c i 为材料的 临界破坏值。本处取e = o 2 。 材料本构关系采用的是同温度无关的模型1 2 5 l 口j i ，( e ，l ，t ) ( 3 7 ) 其中q 为流动应力，为等效塑性应变， 为等效塑性应变速率。 3 2 23 - 艺参数的选择 影响精冲质量的工艺参数主要有主冲裁力、压边力， 圆角，单元数目，齿圈形状，摩擦系数，凸凹模间隙等。 根据德国工程师协会的技术准则v d i r i c h t l i n i e ， 式计算【硐吲： b = 0 9 l t a b 反压力凸模与凹模 推荐主冲裁力b 按下 ( 3 - - 8 ) 式中l 一冲裁线长度，1 1 1 1 1 1 ； f 一板料厚度，蛐； 一精冲材料抗拉强度，m p a ； 本例中l = 3 2 m m ，t = 3 r a m , o b = 6 5 0 m p a ，算得e s = 4 0 0 k n 。 压边力b 按下式计算( 计算结果往往偏大) 【蚓1 2 9 1 ： b 2 l h o b ，1 ( 3 9 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中 v 形齿高度，i n l n ； 一常取4 。其余单位意义同上。 本例中l = 3 2 r a m ，h = o 5 r m ，= 6 5 0m p a ，l - - 4 ，算得b = 3 0 0 k n 。实际取 耳= 2 0 0 k n 。 反压力尼可以按以下经验公式计算i 删； 尼= 0 2 b ( 3 1 0 ) 计算得尼= 8 0 k n ，实际取尼= 1 0 0 k n 。 落料时，凸模刃口圆角太大和凹模圆角过小都不利于精冲质量的提高。取 凸模圆角r - - 0 0 3 m m ，凹模圆角凡= 0 3 m m 。 凸凹模单边间隙通常为料厚的0 5 ，取此间隙为c = 0 0 1 m m 。 为了计算的精确，网格划分数目n = 5 0 0 0 0 ，摩擦系数取0 0 8 。模拟步数： 齿圈压入过程2 0 步，每步步长为0 0 3 m m ；凸模向下冲压过程5 0 步。每步步长 为0 0 5 m m 。t 艺参数见表3 - 1 。 表3 - 1 模拟所使用的参数 项目工艺参数项目工艺参数 单边冲裁间隙m o 0 1 凸模压入速度m m s 1 0 凸模圆角半径m m 0 0 3 压边圈齿距m m 2 5 凹模圆角半径m m o 3 齿圈压入速度m s 1 0 材料厚度m m3摩擦系数0 0 8 压边力k n 2 0 0 反压力k n 1 0 0 3 2 3 模拟结果 3 2 3 1 精冲过程 图3 4 和3 - 5 模拟了精冲圆盘零件的全过程。图中( a ) 为齿圈压入材料时 的应力应变状况，( b ) 为凸模下行0 4 m 时的应力应变状况，( c ) 为凸模下 行l m m 时的应力应变状况，( d ) 为凸模下行2 3 m m 时的应力应变状况。 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) ( c ) ( b ) 图3 - 4精冲过程等效应交分布模拟图 ( a ) 齿圈压入条料时( b ) 凸模下行0 4 m 时 ( c ) 凸模下行l m 时( d ) 凸模下行2 3 m 时 ( a ) 2 8 武汉理工大学硕士学位论文 图3 5 c a ) 齿圈压入条料时 ( c ) 凸模下行l m m 时 精冲过程等效应力分布图 ( b ) 凸模下行0 4 m m 时 ( d ) 凸模下行2 3 m m 时 由图( a ) 看出，齿圈完全压入条料后，齿圈附近的金属受到压缩，产生局部 塑性变形，塑性变形的区域只限于与齿圈接触部分，材料其他部分只发生弹性 变形，为后续变形提高了静水压，有利于精冲过程的进行。 当凸模刚刚压入工件时，凸模刃口下方的金属开始发生变形( 图b ) ，等轴 粒被压扁，倾斜地拉长，变形区域开始形成；而在凸模刃口侧面的金属仅仅发 生整体的弯曲，金属晶粒几乎不发生变形。 当凸模下行至一半材料厚度时，金属的塑性变形加剧，材料被挤入凹模， 凸模刃口下的金属晶粒被继续压扁拉长( 图c ) 。 当凸模继续向下，到精冲过程快结束时，剧烈变形区的金属晶粒被拉成一 条线，把工件和废料连在一起( 图d ) 最后由于凹模刃口与凸模刃口附近显微 裂纹的产生和发展而断裂。由于正常的裂纹与剪切面较平行，随着凸模继续下 行，工件与废料分离，精冲过程结束。 精冲过程中，凸模下行不断对材料产生挤压作用，随着挤压的加剧，凹模 附近的材料达到其抗剪强度的极限，因此首先在凹模刃口附近产生微裂纹，然 后向材料内部扩张。可见如果能增大凹模刃口附近金属所受的静水压力，减少 应力集中，就可以避免过早产生裂纹而发生断裂【3 l l - 3 5 1 。 随着凹模刃口附近微裂纹的扩展，凸模刃口附近的金属也产生微裂纹，并 向材料内部扩展。但在精冲工艺中，凸模刃口附近金属微裂纹较迟才产生，因 而实验中可见精冲件终端有较明显撕裂，撕裂后工件损失的金属都附着在废料 武汉理工大学硕士学位论文 上。 3 2 3 2 力能曲线 图3 - 6精冲过程力能曲线 图4 6 所示为本节模拟所用圆盘件精冲的力能曲线图。由该曲线看出，精冲 是个塑性变形的过程，直到冲裁结束时工件才与材料分离。从曲线可以看出。冲 裁力在剪切开始阶段变化较快，板料从弹性变形转入塑性变形。随着变形程度的 不断加大，虽然板料承受剪切力的有效面积在减小，但材料硬化作用加强。冲裁 力不断增大，直至达到最大剪切力。然后由于承受剪切力的有效面积下降的影响 超过了材料硬化对冲裁力的影响，冲裁力开始平缓下降，没有出现普通冲裁由 于断裂出现过早而产生的冲裁力急剧下降的现象1 3 6 1 1 3 7 l 。 3 3 拐角精冲件分析 精冲件的工艺性是该零件在精冲时的难易程度。其中零件的圆角半径是影 响精冲零件结构工艺性的重要因素。一些存在拐角的零件，在其材质与厚度都 无法改变的情况下，为了保证模具的寿命以及零件的质量，应尽量在内外轮廓 的拐角处采用圆角过度，圆角半径在允许的范围内应尽可能取的大些【3 9 】l 删。 本文模拟的拐角精冲件形状如图3 7 所示，其工艺参数与第3 2 节所用的圆 盘件相同。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 7有拐角的精冲件 图3 - 8精冲结束后得到的工件外形 图3 8 为精冲结束后得到的工件外形。可以看到外轮廓拐角处存在缺陷。为 了研究精冲件拐角处的断裂情况，在其上表面尖角和凹进部分取出五个不同点， 其中点p 1 、p 2 、p 3 、p 5 为小圆角，点p 4 为大圆角。再在工件上表面中间取点 p 6 ，利用d e f o r m 3 d 软件的点跟踪功能绘制了各点等效应变随时间变化图( 图 3 - 9 a ) 与各点等效应力随时间变化图( 图3 - 9 b ) ，以及精冲结束时各点的应力 比较( 表3 2 ) 。 3 l 武汉理工大学硕士学位论文 o 0 0 00 0 50 1 00 1 50 2 00 2 50 3 00 3 5 时间( s ) ( a ) 0 0 00 0 50 1 0 0 1 5 0 2 00 2 5 0 3 0 0 3 5 时间( s ) ( b ) 图3 - 9零件上不同点的等效应力与等效应变 ( a ) 各点等效应变随时间变化( b ) 各点等效应力随时问变化 表3 2精冲结束时各点应力分布 i点 p 1p 2p 3p 4p 5p 6 i 等效应力 1 2 9 7 3 1 3 5 6 41 3 4 2 99 9 8 91 4 1 2 89 7 0 1 ( m p a ) 8 6 4 2 o 8 6 4 2 o 1 l 1 1 l o o 0 o o 星v锹毯获舻 啪 枷 啪 啪 咖 栅 姗 日垒v r 毯较跏 武汉理工大学硕士学位论文 由图3 8 可见，同为拐角处点，点p 1 、p 2 、p 3 、p 5 的应力与应交状况一直 大于p 4 处，这造成了前者出现更大的断裂面，这说明对于相同材料，由于圆角 半径的不同，断裂面比例不同，轮廓圆角较大的可得到较好冲裁面。 而p 6 作为工件内部的点，其应力应变小于轮廓处点p l 、p 2 、p 3 、p 4 和p 5 。 这说明精冲件拐角处确实存在应力集中现象，在设计中应尽量减小尖锐的突出 和尖角，采用光滑的过渡代替。 3 4 本章小结 本章主要运用d e f o r m - 3 d 软件，对于精冲从齿圈压入材料，凸模向下冲切 材料，直到工件与材料分离的整个过程进行了有限元模拟。所用参数通过计算 和经验得来。主要说明了以下内容： ( 1 ) 材料内部应力、应变的变化过程，材料内部裂纹的产生、发展和最后 断裂的全过程。 ( 2 ) 精冲力能曲线以及和普通冲裁的区别。 ( 3 ) 材料拐角处应力集中的现象和对策。 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章工艺参数分析 本章模拟对象是第3 2 节所用的圆盘形精冲件，说明一种工艺参数对于精冲 质量的影响程度。 4 1 冲裁间隙 采用不同的冲裁间隙，模拟得到的精冲件外形及等效应力状况如图4 1 。其 他条件：晶= 2 0 0 k n , 圪= 1 0 0 k n ：墨= o 0 3 m m ：r o = o 3 m m ：h ：o 5 咖；a = 1 6 m m 。 (c)(d) 图4 1不同双边间隙c 下出现裂纹时的凸模压入深度 ( a ) 间隙c = 0 0 0 5 r a m ( 凸模压入深度为9 8 s ) ( b ) 间隙c = o o l m m ( 凸模压入深度为9 2 s ) ( c ) 间隙c = o 0 2 m m ( 凸模压入深度为8 4 s ) ( d ) 间隙c = o 0 3 r a m ( 凸模压入深度为7 1 s ) 武汉理工大学硕士学位论文 由图中可以看出，当相对间隙c = o 0 0 5 r a m 时，直到凸模压入材料深度为 9 8 s ( s 为材料厚度) 时才开始出现裂纹；当相对间隙c = 0 0 1 m m 时，凸模压 入材料深度为9 2 s 时就开始出现裂纹；当相对间隙c = o 0 3 m m 时，凸模刚压入 材料深度为7 1 s 时就开始出现裂纹了。由此可以看出，随着间隙增大，拉应力 出现越早，裂纹也出现的早。 4 2 压边力与反压力 采用不同的压边力与反压力进行搭配，模拟得到的精冲件外形及等效应力 状况如图4 2 。其他条件为：c = 0 0 2 r m ；足= o 0 3 m i n t 凡= 0 3 m m ；h = 0 5 m m ： 口= 1 6 m 。 ( c )( d ) 图4 2冲裁结束时精冲件外形及等效应力状况 ( a ) 压边力1 0 0 k n ，反压力0 k n ：( b ) 压边力1 5 0 k n ，反压力5 0 k n ： ( c ) 压边力2 0 0 k n ，反压力1 0 0 k n ：( d ) 压边力3 0 0 k n ，反压力2 0 0 k n 武汉理工大学硕士学位论文 压边力对冲裁面的影响在于齿圈压入板料，会增加冲裁变形区的压应力，为 光洁冲裁面创造了有利的条件。冲裁光洁面随着压边力的增加而增大，但当压 边力达到一定的值后继续增加对光洁面的影响不大。如图4 _ 2 可见，压边力由 1 0 0 k n 增大到2 0 0 k n 时，光洁面提高；而其由2 0 0 k n 增大到3 0 0 k n 时，光洁面 没有更大的变化，在能源最省情况下，在压边力2 0 0 k n 与反压力1 0 0k n 的共同 作用下可以获得全亮的落料光洁面。在实际操作中是通过多次试模，在精冲件 冲裁光洁面达到技术要求的情况下选取压边力的下限。 落料件在较大的压边力的作用下，塌角侧直径随压边力的增大误差很小， 4 5 钢的落料件塌角侧直径全小于零件的基本尺寸；随着压边力增大，毛刺侧的 直径有所减小。 当压边力逐渐增大时，塌角高度和宽度都逐渐减小，图3 ( a ) 中在1 0 0 k n 和1 5 0 k n 的压边力下的塌角高度达l m m 左右，而图3 ( c ) ( d ) 中在2 0 0 k n 和 3 0 0 k n 的压边力下塌角基本消失。但当压边力增大到一定程度时，对塌角影响 很小，即塌角高度和宽度趋向于定值。因塌角是由变形区的材料转移而成的， 当压边力增大时，作用在材料上的横向压力增大，则可限制变形区的材料向废 料上转移，从而可以减小塌角的大小。 通过反压板施加反压力可以使条料紧贴凸模，防止其弯曲，并增加变形区 材料的静水压，提高材料的塑性，从而提高冲裁光洁面的比例。在合适的压边 力作用下，冲裁光亮面受反压力的影响更明显。 由此可以得出结论是： ( 1 ) 压边力对落料件的尺寸和形状精度影响较大。这是因为随着压边力的 增大，阻止变形区材料向外流动的能力增强，从而抑制了剪切面锥度的形成。 本文例中比较合适的压边力为2 0 0 k n 。此时精冲件的尺寸精度和形状精度都比 较合适。 ( 2 ) 随着反压力的增大，不利于孔的尺寸和形状精度的改善。因为反压力 增大时，凸模和反顶板作用在材料上的力增大，造成两者之间材料容易达到流 动极限，使孔径胀大，随着冲头行程的增加，出现剪切区应变强化的结果，才 使这种胀大趋势减小 ( 3 ) 综合摸具寿命和能源考虑，4 5 钢精冲时，欲获得冲裁全光亮面的压边 力与反压力的最佳比例为2 ：1 1 5 ：1 。 4 3 压边圈 武汉理工大学硕士学位论文 图4 - 3压边圈齿形参数 压边圈是精冲的显著特点之一。其作用主要是阻止剪切区外金属在剪切过 程中随凸模流动，从而在剪切区产生压应力。具体作用如下：( 1 ) 固定被加工 材料，避免材料受到弯曲或拉伸；( 2 ) 抑制冲件以外的力，如与冲压方向相垂 直的水平侧向力的影响；( 3 ) 产生压应力，提高被加工材料的塑性变形能力；( 4 ) 减小塌角；( 5 ) 退料。 精冲压边圈的形式通常有三种：三角形，台阶形与圆锥形。它们节省材料 和制造简单，多数也能达到与三角形凸起同样的效果。但是现在实际生产中仍 习惯于用三角形凸起的压边圈。 图4 3 是压边圈的齿形参数，其中n 与1 3 为齿形内角，h 为齿高，a 为齿尖与 压板边缘的距离，即齿距。 4 3 1 压边图形状 采取四组齿形压边圈齿形参数进行模拟，如表禾1 所示。可以看出当q = p = 4 5 。时，可以得到最佳冲裁面。 表4 1压边圈齿形与光洁面 编号参数l23 4 n ( 。)4 56 03 09 0 p ( ) 4 56 03 09 0 冲裁光洁面比例( )9 57 6 6 4 3 4 武汉理工大学硕士学位论文 4 3 2 压边圈齿形距离 ( c ) ( d ) 图4 4不同齿距下的平均应力分布 ( a ) a = 1 1 m m ( b ) a = 1 3 m m ( c ) a - 1 6 m m( d ) a = 2 m m 图4 4 是在齿圈完全压入板料时，在不同齿距下的变形区平均应力分布图。 从齿圈开始压入时开始产生静水压应力，随着压入量的增大静水应力逐渐增大， 当齿高全部压入时，静水应力达最大值。 图中，当齿距a - 1 6 m m 时，静水压应力最大值达到3 4 4 0 m p a ，而齿距增大 或减小时，静水压应力最大值有减小的趋势。故当齿距a = 1 6 m m 时能更好地提 高材料的塑性。 齿距是一个比较重要的要素。其对精冲中其他要素有影响：( 1 ) 对压边力有 影响。一般来说，对一定形状的精冲件，齿距越大，为了使得在冲裁区建立起 足够的静水压，所需要的压边力越大。因此往往希望选择最佳齿距，以期用最 3 8 武汉理工大学硕士学位论文 小的压边力获得良好的冲裁面；( 2 ) 对模具寿命有影响。齿圈不能太过靠近刃 口，也就是a 不能过小，否则凸模会加快磨损，缩短模具的寿命；( 3 ) 对经济性 的影响。从经济的角度说当然是a 越小越好，这样既省材料又省力，当a 太小材 料容易滑脱，影响冲裁质量。如果a 增大，压边力增大，浪费材料，但冲裁面质 量较好。因此需要综合来选取a 的值。 综合考虑当a = 1 6 m m 时效果较好，此时齿距与材料厚度之比a s = o 5 5 ，是属 于比较节省材料的一种参数设置。 4 3 3 压边圈齿高 齿圈高度h 与材料厚度、机械性能和齿圈位置等因素有关。材料越厚，强 度越低，齿圈高度越大，反之越小。要选择适当：太小不能起压缩作用，不利 于冲裁变形；太大，压边力增大，模具弹性变形值增大，影响模具寿命。 4 4 精冲材料 冲裁面质量与材料的化学成分、机械性能、厚度、板材纹向和表面状况有 关。( 1 ) 含碳量。含碳量越高，强度越大，越难精冲。在组织结构中，若含带 状珠光体多，所得光洁面越少；( 2 ) 断面收缩率。材料的断面收缩率是拉伸试 样拉断时断面的缩小与原始断面的比值。其值越大，精冲性能越好；( 3 ) 板料 的方向性。如果板料存在各向异性，则冲裁面四周情况可能存在差异。在与轧 制的纤维成9 0 。的方向上，塑性较差，容易产生裂纹，这样就会导致与轧制方 向平行的冲裁面上的断裂面增加。 4 5 本章小结 本章运用数值模拟方法验证了精冲工艺参数对于精冲质量的影响。并取得 了以下一些结论： ( 1 ) 随着冲裁间隙增大，剪切面裂纹出现的越早； ( 2 ) 4 5 钢精冲时，欲获得冲裁全光亮面的压边力与反压力的最佳比例为2 ： 1 1 5 ：1 ： ( 3 ) 齿距选择要合理，对4 5 钢，当齿矩与材料厚度之比a s - - 0 5 5 时，是属 于比较节省材料的一种参数设置。 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章典型零件精冲实验研究 本次实验的试冲对象是采用球化退火处理的4 5 钢，形状是第3 2 节所用的 圆盘形精冲件。由于实验的成本和实验时间关系，本次实验只验证了以下几个 因素对于精冲质量的影响：( 1 ) 压边力；( 2 ) 反压力；( 3 ) 凸凹模问隙；( 4 ) 凸模与凹模圆角。( 5 ) 压边圈齿距等。 5 1 精冲零件质量表示 图5 - 1 是精冲面的组成与其表示方法1 4 1 1 4 2 j 。 精冲零件最显著的质量特征包括： ( 1 ) 尺寸公差，如外形、内形、孔距等； ( 2 ) 形位误差，如垂直度、平面度、塌角等； ( 3 ) 冲裁面，如光洁面、撕裂面、断裂面所占的比例，以及粗糙度： ( 4 ) 毛刺的高度与厚度； ( 5 ) 加工硬化的硬度和深度。 其中精冲冲裁面质量( 完好率) 是评定精冲件质量的最重要因素。本文也 将着重分析精冲工艺参数对精冲冲裁面质量的影响。 图5 1 精冲面的表示方法 卜材料厚度；卜断裂时，最小光洁面部分占材料厚度s 的百分比( ) ；1 鱼鳞状断裂 时，最小光洁面部分占材料厚度s 的百分比( ) ；卜最大允许的鱼鳞状断裂宽度，b 的总 和不大于相关轮廓的1 0 ：卜一允许的断裂深度为1 5 s ；e 毛刺高度( m ) ；c 塌角宽 度为3 0 s ( 最大