金銀紀念幣壓印成形中的缺陷預(yù)測

鐘 文 柳玉起 許江平 胡云明 李勝強 賴茂明 孫志國

1.華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢，430074 2.沈陽造幣有限公司，沈陽，110042

0 引言

國際上紀念幣壓印的報廢率為10%，而直徑大、鏡面面積大的紀念幣，其報廢率可高達50%。紀念幣壓印成形中的主要缺陷為光亮帶、閃光線和壓印不足等。光亮帶缺陷表現(xiàn)為成形后的紀念幣邊緣處呈現(xiàn)一圈比較光亮的區(qū)域，在光亮帶區(qū)域表面經(jīng)常伴有的細小劃痕稱為閃光線。這兩類缺陷極大地影響了紀念幣的美觀，是生產(chǎn)中必須解決的問題。由于造幣企業(yè)與貨幣流通緊密相關(guān)，它們都由政府直接管理。因此，目前國內(nèi)外的文獻中關(guān)于壓印成形中閃光線和光亮帶缺陷機理的研究較少。在實際生產(chǎn)中，工藝參數(shù)的確定和缺陷的消除主要依賴于企業(yè)長期積累的生產(chǎn)經(jīng)驗。缺陷消除的主要手段包括提高模具局部的硬度和潤滑、修正模具設(shè)計模型和修正坯餅邊形等。成形中的壓印力過小，會導(dǎo)致壓印不足缺陷。一般通過多次試模，觀察壓印結(jié)果后選擇合適的壓印力。多次試模極大地增加了金銀紀念幣的生產(chǎn)成本和延長了生產(chǎn)周期，尤其是重新設(shè)計坯餅邊形需要重新制作光邊模具，導(dǎo)致生產(chǎn)成本的巨大耗費和和周期的延長。

在塑性加工領(lǐng)域中，基于數(shù)學(xué)模型的有限元模擬是目前研究金屬塑性成形問題最有效的數(shù)值方法［1－4］。Leitao等［5］采用二維剛塑性有限元程序PLAST2對一種新型的雙金屬紀念幣在預(yù)成形、光邊和壓印成形工序中的金屬流動情況進行了分析。Roberto［6－7］采用三維有限元隱式程序分析了簡單對稱紀念幣壓印成形過程中應(yīng)力、應(yīng)變的分布以及材料流動狀況，以便研究材料在壓印過程中的流動方向及其填充圖紋的能力，并且通過實驗驗證了模擬結(jié)果的有效性。針對紀念幣壓印成形中的閃光線缺陷和壓印不足缺陷的模擬研究，國內(nèi)外還未見任何報道。

華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室在沈陽造幣有限公司的資助下，采用彈塑性有限元理論以及動力顯式中心差分算法，開發(fā)了專業(yè)的金銀紀念幣壓印成形仿真軟件COINFORM［8］。該軟件具有優(yōu)秀的前后處理系統(tǒng)和高效的求解器［8－10］，能夠準確模擬壓印成形中貴金屬的流動情況。在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合壓印實例，對金銀紀念幣壓印成形的缺陷展開了研究。

1 光亮帶和閃光線缺陷預(yù)測實例

1.1 分析實例

圖1所示為金銀紀念幣壓印成形中的光亮帶和閃光線缺陷。圖2為坯餅采用的邊形1的設(shè)計圖。該形狀為實際紀念幣生產(chǎn)所采用的邊形（尺寸保密），材料為Ag，其等效應(yīng)力與等效應(yīng)變滿足指數(shù)函數(shù)＝k（0.001＋）nMPa，數(shù)值模擬中的相關(guān)參數(shù)見表1。初始六面體網(wǎng)格單元數(shù)為63 876，節(jié)點數(shù)為75 089，網(wǎng)格自適應(yīng)加密2級。在壓印過程中，下模固定，上模向下運動，其壓下量為1.1mm。

圖1 閃光線和光亮帶缺陷

圖2 邊形1設(shè)計圖

表1 材料型號及參數(shù)

閃光線經(jīng)常出現(xiàn)在紀念幣邊緣附近的平面區(qū)域，而且其形狀一般為指向紀念幣中心的放射狀。因此，我們重點研究這一區(qū)域的金屬流動規(guī)律。圖3為YOZ截面上坯餅上表面節(jié)點流動示意圖，其中O點為紀念幣中心。區(qū)域Q1（r＝17.1mm，d＝0.9mm）的表面節(jié)點在徑向方向有較大位移，而且與其周圍節(jié)點相比，這些節(jié)點的材料在流動過程中沿紀念幣徑向OY發(fā)生了流動方向的改變：由最初的向邊緣流動改為向內(nèi)部流動。此區(qū)域上表面材料在成形過程當中與上模緊密接觸，與上模表面發(fā)生摩擦，以徑向摩擦為主。當材料流動方向改變時，徑向摩擦力的方向也會改變，從而在材料表面留下劃痕，也就是閃光線。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，這些實際產(chǎn)品的閃光線均沿徑向方向，而且劃痕長度一般沒有超過1.0mm。這些特征與此圓環(huán)區(qū)域中上表面摩擦力方向發(fā)生改變的節(jié)點徑向流動距離大小均比較吻合。

圖3 邊形1上表面節(jié)點流動示意圖

圖4 閃光線（徑向分布的劃痕）

建立徑向摩擦功模型來分析表面材料的摩擦程度，如圖5所示。該模型有助于預(yù)測分析壓印過程中的光亮帶缺陷的分布，為消除光亮帶缺陷提供理論基礎(chǔ)。某節(jié)點在第n＋1個增量步的徑向摩擦功為

式中，W（n）為節(jié)點在第n個增量步的徑向摩擦功；Fr為節(jié)點摩擦力在徑向r的投影；Ur（n）為節(jié)點在第n個增量步的位移增量在徑向r的投影。

圖5 徑向摩擦功模型

圖6為徑向摩擦功云圖。測量獲得徑向摩擦功較大區(qū)域為Q（r＝17.2mm，d＝1.1mm），該區(qū)域所受摩擦力做功最大，產(chǎn)生光亮帶缺陷的可能性也最大。而且，Q區(qū)域包含了上述Q1區(qū)域，也就是說徑向摩擦功較大區(qū)域包含了閃光線，與實際生產(chǎn)時光亮帶區(qū)域包含閃光線的現(xiàn)象一致，表明以徑向摩擦功來考察和預(yù)測光亮帶具有一定的準確性。

圖6 邊形1徑向摩擦功云圖

1.2 缺陷的消除

上述關(guān)于光亮帶和閃光線形成原因的分析，初步提供了消除光亮帶和閃光線的方法：修改坯餅的形狀以減小圓環(huán)區(qū)域的徑向位移以及避免表面材料流動方向的改變。上文中模具以及參數(shù)不變，采用圖7所示的邊形2，所得YOZ截面上表面節(jié)點流動示意圖見圖8。采用邊形2，表面材料沒有發(fā)生流動方向的改變，可以避免閃光線缺陷。圖9為邊形2徑向摩擦功云圖，相比邊形1，最大摩擦功由1.06kJ降低為0.56kJ。

圖7 邊形2設(shè)計圖

2 壓印不足預(yù)測及實驗驗證

圖8 邊形2的上表面節(jié)點流動示意圖

圖9 邊形2徑向摩擦功云圖

采用模具與坯餅表面的接觸狀態(tài)進行自動停機，以此來預(yù)測壓印力大小。上下表面各單元與模具均已充分接觸，說明圖案已經(jīng)填充完畢，可以結(jié)束模擬計算，從而根據(jù)行程－壓印力曲線得出合適的壓印力大小。本實例坯餅采用金質(zhì)材料，其參數(shù)見表1。圖10表明，上表面坯料與上模的接觸狀態(tài)接觸充分，此時硬幣圖案已完全填充，在模擬過程中出現(xiàn)的最大壓印力即為預(yù)測的實際所需壓印力。圖11所示為此過程中壓印力隨模具行程的變化曲線，其最大壓印力達到1581kN。

圖10 接觸狀態(tài)顯示

圖11 壓印力－模具行程曲線

沈陽造幣有限公司在實際壓印過程中，針對此種模型和金質(zhì)坯餅，采用的壓力機為YB350型，壓印力大小為1500kN。這說明COINFORM軟件壓印力計算準確，與造幣廠家實際采用壓印力一致。

根據(jù)以上選取的YB350型壓力機和1500kN的實際壓印力，對上述紀念幣進行實際壓印。

圖12～圖14所示分別為不同壓力下的實驗結(jié)果與模擬結(jié)果比較。在實驗結(jié)果中，圖中畫有虛線圈的區(qū)域出現(xiàn)了嚴重的壓印不足的缺陷。在模擬結(jié)果中，圖中畫有實線圈的區(qū)域為模具未接觸的區(qū)域。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在不同壓印力的情況下，預(yù)測出來的未接觸部分與實驗中未成形部分基本一致。采用預(yù)測的壓印力獲得的實驗結(jié)果比較飽滿，圖案99%已經(jīng)成形出來。

圖12 壓印力為600kN時的結(jié)果比較

圖13 壓印力為1300kN時的結(jié)果比較

圖14 壓印力為1500kN時的結(jié)果比較

3 結(jié)論

（1）光亮帶和閃光線缺陷預(yù)測。通過改變坯餅外形，表面節(jié)點的流動規(guī)律發(fā)生改變，降低了徑向位移也即降低了徑向功，摩擦力方向也保持不變，達到了預(yù)防光亮帶和閃光線的目的。

（2）壓力機及壓印力大小預(yù)測。通過數(shù)值模擬方法預(yù)測壓印力大小，方便工藝人員選擇壓力機和實際壓印力大小的控制，消除了生產(chǎn)中的成形不足缺陷。

（3）COINFORM作為國際上第一個專業(yè)紀念幣壓印成形仿真軟件，可以在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期方面發(fā)揮作用。

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