Q235鋼負間隙精密沖裁與普通沖裁沖裁力的實驗研究及模擬分析

張 浩，王 黎

（中原工學院，鄭州450007）

負間隙精密沖裁工藝是一種比較獨特的精密沖裁工藝，該工藝多用于有色金屬、低碳鋼等材料的精密沖裁.負間隙精密沖裁的基本工藝特點是沖裁凸模直徑大于凹模直徑，形成一定的負間隙，精沖時凸模最低位置距凹模0.1～0.2mm，保持一定的預留量.該沖裁工藝能夠獲得較低的斷面粗糙度，通?？蛇_Ra1.6～0.4μm，而且還能夠獲得較高精度的幾何尺寸，一般可達IT9～IT11［1］.

沖裁力是沖裁時板料阻止凸模向下運動的阻力，也就是阻止凸模切入板料的阻力.在沖裁過程中，這個阻力是變化的.在制定沖壓工藝時，通常都要計算最大沖裁力.在用平刃沖裁時，其剪切作用是沿著整個零件的外形輪廓同時發(fā)生的，因而所需的沖裁力比較大，壓力機的工作負荷較大，在較大沖擊力的作用下，壓力機各部件以及模具的使用壽命受到影響.本文通過比較和分析的方法，對Q235鋼進行了沖裁實驗和Deform軟件模擬，研究了沖裁力的變化規(guī)律以及沖裁件的損傷和斷面質(zhì)量，得出了負間隙精密沖裁的最大沖裁力在沒有比普通沖裁的最大沖裁力大出太多的情況下，可以獲得比普通沖裁更好的沖裁件斷面質(zhì)量.

1 普通沖裁與負間隙精密沖裁實驗

本實驗采用J96CY－160噸液壓壓力機、沖裁模具、壓電傳感器、位移傳感器、Comview5863A2數(shù)據(jù)采集分析儀及相關(guān)設備.兩種沖裁實驗中的沖裁參數(shù)如表1所示.

表1 兩種沖裁實驗中的沖裁參數(shù)

本實驗所用材料為Q235鋼板.該材料含碳適中，綜合性能較好，強度、塑性和焊接性能得到較好的配合，用于制作車輛、鍋爐、容器、船舶等，也用于制作對性能要求不太高的機械零件.材料的力學性能如表2所示.

表2 材料的力學性能

在沖裁實驗過程中，先將實驗板材切割成20mm×20mm大小的方塊，用酒精將板材清洗干凈.然后進行實驗設備安裝和調(diào)試，將沖裁件放到凹模頂部并固定好，然后沖裁并運行Comview5863A2數(shù)據(jù)采集分析儀器.沖裁結(jié)束后，對沖裁力參數(shù)進行分析，得到?jīng)_裁力的變化曲線.

圖1所示為4mm厚的Q235鋼在沖裁間隙為＋0.1mm下通過實驗得出的沖裁力變化曲線.從圖1可以看出，普通沖裁的沖裁力在上升到最大值之前經(jīng)歷了3個階段：第一個階段沖裁力上升到24.95E3N（F1），第二個階段沖裁力上升到35.07E3N（F2），然后沖裁力緩慢上升到最大值37.05E3N（Fmax）.

圖1 普通沖裁的沖裁力變化曲線

圖2所示為4mm厚的Q235鋼在沖裁間隙為－0.2mm下通過實驗得出的沖裁力變化曲線.從圖2可以看出，負間隙精密沖裁的沖裁力在上升到最大值之前也經(jīng)歷了3個階段：第一個階段沖裁力上升到25.95E3N（F1），第二個階段沖裁力上升到40.00E3N（F2），然后沖裁力緩慢上升到最大值42.05E3N（Fmax）.但負間隙精密沖裁的沖裁力在上升到最大值后的下降過程卻與普通沖裁有所不同：普通沖裁沖裁力下降過程分為二個階段，在沖裁力下降到20.04E3N（F3）后，維持一段時間再繼續(xù)下降；而負間隙沖裁的沖裁力下降得比較緩慢，更為平穩(wěn).

圖2 負間隙精密沖裁的沖裁力變化曲線

表3所示為普通沖裁和負間隙精密沖裁的沖裁力在各個階段的最大值.從表3可以看出，負間隙精密沖裁的沖裁力在各個階段的最大值都比普通沖裁的沖裁力在各個階段的最大值要大，但并沒有大出太多，其中最大沖裁力提高了13.5%.

表3 兩種沖裁實驗中沖裁力的變化

從圖1和圖2可以看出，Q235鋼的沖裁力曲線比較陡峭，無論正、負間隙沖裁，沖裁力上升的第一個階段，都是凸模接觸到板材，還未擠入板材；沖裁力上升的第二個階段，凸模進入板材，雖然板材承受沖裁力的面積減少，但材料冷作硬化的影響超過其受剪面積減小的影響，沖裁力繼續(xù)上升；當兩者的影響達到相等的瞬間，沖裁力就達到了最大值.然后，受剪面積減小的影響就超過材料冷作硬化的影響，沖裁力開始變小，沖裁曲線下降.

2 普通沖裁與負間隙精密沖裁的模擬仿真

對Q235鋼建立沖裁成形的模型.因為沖裁結(jié)構(gòu)對稱，所以將模型作為軸對稱模型來分析.其中，將模型設置為理想狀態(tài)，即凸模、凹模、壓料板為剛性體，而沖裁板料為塑性體.主沖凸模的沖裁速度為2mm／s，由于沖裁速度很慢，因此應變速率和溫度變化對成形的影響很小.因此，材料的本構(gòu)關(guān)系采用了流體應力與應變速率、溫度無關(guān)的硬化材料模型［2－4］：

用Deform軟件來建立普通沖裁和負間隙精密沖裁的模型，需要考慮到?jīng)_裁過程中所涉及的各個參數(shù)，這些參數(shù)包括凸、凹模半徑、凸、凹模圓角和板厚等.選取合理的沖裁參數(shù)，可以更好地建立沖裁模型.表4所示為用Deform軟件建立沖裁模型時所選取的主要參數(shù).

表4 兩種沖裁建模的主要參數(shù)

建立沖裁模型并設置其他參數(shù)后，退出Deform預處理界面，進行運算分析.在運算分析后，進入后處理分析界面進行后處理，得出負間隙精密沖裁和普通沖裁的模擬沖裁力變化曲線.

圖3所示為4mm厚的Q235鋼在沖裁間隙為＋0.1mm下通過用Deform軟件模擬沖裁過程得到的沖裁力變化曲線.從圖3可以看出，經(jīng)過模擬得出的普通沖裁的沖裁力在上升到最大值之前經(jīng)歷了2個階段：第一個階段，沖裁力上升到42.84E3N（F1）；第二個階段，沖裁力緩慢上升到最大值59.98E3N（F2，F(xiàn)max）.在沖裁力上升到最大值后，沖裁力下降到40.32E3N（F3）后，維持短暫的一段時間再繼續(xù)下降.

圖3 普通沖裁模擬沖裁力的變化曲線

圖4所示為4mm厚的Q235鋼在沖裁間隙為－0.2mm下通過用Deform軟件模擬沖裁過程得到的沖裁力變化曲線.從圖4可以看出，經(jīng)過模擬得出的負間隙精密沖裁的沖裁力在上升到最大值之前經(jīng)歷了2個階段：第一個階段，沖裁力上升到45.21E3N（F1）；第二個階段，沖裁力緩慢上升到最大值61.64E3N（F2，F(xiàn)max）.沖裁力上升到最大值后緩慢下降.

圖4 負間隙精密沖裁模擬沖裁力的變化曲線

表5所示為模擬普通沖裁和負間隙精密沖裁沖裁過程得出的沖裁力在各個階段的最大值.

表5 兩種沖裁的模擬沖裁力變化

從表3和表5可以看出，兩種沖裁的模擬沖裁過程得出的沖裁力變化與實驗得出的沖裁力變化類似，負間隙精密沖裁的模擬沖裁力在各個階段的最大值都比普通沖裁的模擬沖裁力在各個階段的最大值要大，其中最大沖裁力提高了2.8%；模擬沖裁過程得出的沖裁力在各個階段的最大值都比實驗得出的沖裁力在各個階段的最大值大.

圖5所示為普通沖裁在沖裁間隙為＋0.1mm下使用Deform軟件對Q235鋼斷面的模擬圖.從圖5可以看出，沖裁件斷面參差不齊、斷面粗糙、不光潔，有許多凹陷和凸起.這些凹陷和凸起是由于沖裁凸模進行下行沖裁時，凸模在行進過程中不斷地拉扯、撕裂材料，使材料發(fā)生斷裂所致.由于凸模沖出材料下底面，將材料的一部分拉伸出底面，最終導致了毛刺的產(chǎn)生.

圖5 普通沖裁的沖裁件斷面模擬圖

圖6所示為負間隙精密沖裁在沖裁間隙為－0.3mm下使用Deform軟件對Q235鋼斷面的模擬圖.從圖6可以看出，光潔的斷面有力地證明了負間隙精密沖裁的優(yōu)越性.負間隙精密沖裁獨特的擠壓沖裁原理可以有效地封閉裂紋，阻止材料內(nèi)部的裂紋繼續(xù)擴展，增強材料相互之間的結(jié)合力，較好地抑制材料的晶間變形，減少破壞，從而得到更好的沖裁質(zhì)量.獨特的凸模行進到預留量處，再讓反頂凸模沖掉預留量的獨特工藝，可使板料沖裁件斷面平直、光潔.

圖6 負間隙精密沖裁的沖裁件斷面模擬圖

由于負間隙精密沖裁工藝采用負間隙沖孔，在整個沖孔過程中負間隙值保持恒定，因此其瞬時間隙也可保持恒定（即該沖孔工藝的瞬時間隙是不變的）.在凸模進行負間隙沖孔的整個過程中，材料處于三向壓應力狀態(tài)，材料的塑性狀態(tài)也是恒定的；而在普通沖孔過程中，隨著沖孔的進行，材料的厚度及強度逐漸降低，直接導致材料塑性逐漸降低，使沖孔由剪切過程轉(zhuǎn)變?yōu)槔?、撕裂過程，造成沖孔剪口產(chǎn)生占板料厚度2／3的粗糙撕裂帶［5－6］.

圖7和圖8分別為使用Deform軟件模擬Q235鋼普通沖裁和負間隙精密沖裁得到的沖裁件損傷等值線云圖.從圖7、圖8可以看出，負間隙精密沖裁的最大沖裁件損傷值比普通沖裁的最大沖裁件損傷值要小.這是因為負間隙精密沖裁采用盡量小的精沖間隙和適宜的刃口圓角，使剪切區(qū)的材料在三向受壓狀態(tài)下擠入凹模型腔內(nèi)，則材料不易斷裂，產(chǎn)生位錯、滑移的可能性較小，從而提高了金屬材料的塑性，形成高精度的沖裁零件.而普通沖裁中，對材料的拉深、撕裂作用比較容易導致材料的斷裂和沖裁件缺陷的產(chǎn)生，從而影響沖裁件的質(zhì)量.

圖7 普通沖裁的沖裁件損傷等值線云圖

3 模擬沖裁力與實驗沖裁力對比分析

圖8 負間隙精密沖裁的沖裁件損傷等值線云圖

表6所示為Q235鋼模擬沖裁力與實驗沖裁力的對比情況.從表6可以看出：①實驗得出的沖裁力變化沒有模擬沖裁過程得出的沖裁力變化穩(wěn)定，這是因為模擬沖裁過程的沖裁參數(shù)都是處于理想狀態(tài)下，而實驗沖裁容易受到諸如刀具磨損、壓力機的誤差、實驗材料的缺陷等各種因素的影響；②模擬沖裁過程得出的沖裁力達到最大值后的下降速度明顯比實驗得出的沖裁力達到最大值后的下降速度快，這主要是由于模擬仿真時，材料內(nèi)部以及材料與材料之間的摩擦系數(shù)設置較?。ū敬文M中摩擦系數(shù)為0.2）［7］；③模擬沖裁過程得出的沖裁力比實驗得出的沖裁力大，模擬沖裁力比實驗沖裁力平均提高72.8%，其中最大沖裁力平均提高54.3%，這與實驗材料內(nèi)部存在雜質(zhì)、模擬溫度設置與實驗時的溫度存在誤差以及模擬板料的網(wǎng)格劃分都有關(guān)系.

從圖1－圖4可以看出，模擬沖裁過程得出的沖裁力與實驗得出的沖裁力變化曲線也有所不同.模擬沖裁過程得出的沖裁力曲線的上升過程分為2個階段，而沖裁實驗得出的沖裁力曲線的上升過程卻分為3個階段，比模擬沖裁過程得出的沖裁力曲線多了一個從F2上升到Fmax（最大沖裁力）的階段.這主要是因為在沖裁實驗中，材料內(nèi)部相互交錯、牽連，使材料發(fā)生了加工硬化，當材料的冷作硬化影響超過受剪面積減小的影響時，材料內(nèi)部的機械性能發(fā)生巨大的變化，塑性變差、硬度變大、韌性降低，使沖裁力不能按照原來的趨勢繼續(xù)上升，而有了一個從F2上升到Fmax的階段；而仿真軟件只考慮到?jīng)_裁力與受剪面積的變化，沒有考慮到材料本身的一些性質(zhì)的變化.

表6 兩種沖裁的模擬沖裁力與實驗沖裁力對比

4 結(jié) 語

本文通過實驗和用Deform軟件模擬的方法對Q235鋼負間隙精密沖裁和普通沖裁的沖裁過程進行了研究，得出以下結(jié)論：

（1）通過實驗得到的負間隙精密沖裁的最大沖裁力比普通沖裁的最大沖裁力大13.5%.通過Deform軟件模擬沖裁過程得出的沖裁力比實驗得出的沖裁力大，總平均提高幅度為72.8%；沖裁力曲線變化階段也有所不同，更為穩(wěn)定.

（2）普通沖裁的沖裁力達到最大值后的下降速度比負間隙精密沖裁的沖裁力達到最大值后的下降速度快，而負間隙精密沖裁的沖裁力下降速度更為平穩(wěn).

（3）負間隙精密沖裁的沖裁力在比普通沖裁的沖裁力并沒有大出太多的情況下（實驗得出的最大沖裁力提高13.5%，模擬沖裁過程得出的最大沖裁力提高2.8%），可以得到更好的沖裁工件質(zhì)量，這是負間隙精密沖裁的一個突出的優(yōu)點.

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