AISI-1045鋼負(fù)間隙精密沖裁與普通沖裁沖裁力研究與分析

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(中原工學(xué)院，鄭州 450007)

負(fù)間隙精密沖裁不同于普通沖裁和其他一些精密沖裁，它可以在普通沖床上實(shí)現(xiàn)精沖作業(yè)，是一種特殊類型的金屬塑性加工工藝。負(fù)間隙精密沖裁最主要的特點(diǎn)是凸模尺寸大于凹模尺寸，沖裁時產(chǎn)生一定的負(fù)間隙。在沖裁過程中，為保護(hù)模具，凸模與凹模上表面需保持0.1～0.2 mm的預(yù)留量[1]。

本文通過對AISI-1045鋼進(jìn)行負(fù)間隙精密沖裁和普通沖裁試驗(yàn)，測得實(shí)際沖裁力的變化曲線，進(jìn)而用Deform軟件對沖裁試驗(yàn)進(jìn)行模擬，獲得理論沖裁力的變化曲線和斷面損傷圖，并對試驗(yàn)和模擬的結(jié)果進(jìn)行對比。

1 負(fù)間隙精密沖裁與普通沖裁沖裁力試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備：J96CY-160噸液壓快速壓力機(jī)；負(fù)間隙精密沖裁模具；瑞士KISTLER公司的壓電晶體傳感器(9081A)；德國TURCK公司的位移傳感器(LT150M-Q21)。利用Control Monitor Co Mo View(5863A2)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。沖裁試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)材料為AISI-1045鋼，其力學(xué)性能如表2所示。

表1 沖裁參數(shù)

表2 試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)開始前應(yīng)事先將AISI-1045鋼板切成20 mm×20 mm大小，并將板材上的雜質(zhì)清洗干凈，然后安裝和調(diào)試試驗(yàn)設(shè)備，固定好試樣后開啟數(shù)據(jù)采集器，開始沖裁。2.8 mm厚的AISI-1045鋼在-0.2 mm沖裁間隙下精密沖裁沖裁力的變化曲線如圖1所示。圖1中負(fù)間隙精密沖裁的沖裁力(F)在上升過程中可分為2個階段：第一階段沖裁力(F)上升到11.7 kN(F1)；第二階段沖裁力(F)上升到最大值43.3 kN(Fmax)。沖裁力下降過程中，沖裁力(F)首先下降到31.2kN(F2),接著持續(xù)下降。2.8 mm厚的AISI-1045鋼在+0.1 mm沖裁間隙下普通沖裁沖裁力的變化曲線如圖2所示，普通沖裁的沖裁力(F)在上升過程中也可分為2個階段：第一階段沖裁力(F)上升到11.2 kN(F1);第二階段沖裁力(F)上升到最大值42.0 kN(Fmax)。沖裁力下降過程中，沖裁力(F)首先下降到28.7 kN(F2),接著持續(xù)下降。

圖1 負(fù)間隙精密沖裁沖裁力變化曲線

由圖1、圖2可知，在試驗(yàn)中測得的AISI-1045鋼沖裁力變化曲線比較陡峭。在沖裁力上升過程中，第一階段，即凸模接觸到板材，并未擠入板材；第二階段，即凸模開始進(jìn)入板材，板材承受沖裁力的面積開始逐漸減小，此時材料受到冷作硬化和受剪面積減小的影響，開始時，冷作硬化的影響較大，沖裁力持續(xù)上升；當(dāng)兩種影響程度相等的瞬間，沖裁力達(dá)到最大值；此后，材料受剪面積減小的影響較大，沖裁力開始下降[2-3]。2種沖裁試驗(yàn)中沖裁力變化情況如表3所示。

圖2 普通沖裁沖裁力變化曲線

表3 2種沖裁試驗(yàn)的沖裁力變化

由表3可知，與普通沖裁相比，負(fù)間隙精密沖裁各個階段沖裁力有所提高，其中最高提高8.7%，平均提高5.43%。

2 負(fù)間隙精密沖裁與普通沖裁模擬

Deform軟件主要參數(shù)設(shè)置見表4。

表4 沖裁模擬的主要參數(shù)

Deform軟件對2.8 mm厚AISI-1045鋼進(jìn)行負(fù)間隙精密沖裁和普通沖裁模擬，所得理論沖裁力變化曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 負(fù)間隙精密沖裁模擬沖裁力變化曲線

圖4 普通沖裁模擬沖裁力變化曲線

圖3中，負(fù)間隙精密沖裁的沖裁力(F)在上升過程中可分為2個階段：第一階段沖裁力(F)上升到40.6 kN(F1)；第二階段沖裁力(F)上升到最大值44.1 kN(Fmax)，接著下降到40.0 kN(F2)后持續(xù)緩慢下降。

圖4中，普通沖裁的沖裁力(F)在上升過程中可分為2個階段：第一階段沖裁力(F)上升到36.5 kN(F1)；第二階段沖裁力(F)上升到最大值41.9 kN(Fmax)，接著下降到38.4 kN(F2)后持續(xù)緩慢下降。2種沖裁模擬中沖裁力變化情況如表5所示。

表5 2種沖裁模擬的沖裁力變化

由表5可知，負(fù)間隙精密沖裁與普通沖裁相比，各個階段沖裁力有所提高，其中最高提高11.2%，平均提高6.8%。

3 實(shí)際沖裁試驗(yàn)與理論模擬對比分析

3.1 沖裁試驗(yàn)與模擬沖裁力對比分析

由表3和表5可知：①由于沖裁模擬是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，不考慮試驗(yàn)中所受的諸多影響因素，因此，模擬出的理論沖裁力比試驗(yàn)得出的實(shí)際沖裁力穩(wěn)定；②因?yàn)樵谄胀_裁中，當(dāng)凸模行進(jìn)至板材厚度的1/3處時，基體已發(fā)生斷裂，出現(xiàn)裂紋，所以負(fù)間隙精密沖裁的沖裁力下降過程比普通沖裁更平穩(wěn)；③由于模擬時設(shè)定的摩擦系數(shù)較小(0.12)，因此模擬得出的沖裁力在到達(dá)最大值后下降速度明顯比試驗(yàn)得出的沖裁力下降速度快[4]。

3.2 Deform模擬所得斷面質(zhì)量對比分析

負(fù)間隙精密沖裁和普通沖裁的斷面損傷圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 負(fù)間隙精密沖裁斷面損傷圖

圖6 普通沖裁斷面損傷圖

由圖5和圖6可知，負(fù)間隙精密沖裁對斷面造成的最大損傷值和撕裂帶都小于普通沖裁。這是由于負(fù)間隙沖裁過程中負(fù)間隙的值保持恒定，而且瞬時間隙也保持恒定的緣故。凸模在下行過程中，材料將一直處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，因此塑性狀態(tài)也保持恒定。而普通沖裁過程中，隨著沖裁過程的進(jìn)行，材料厚度及強(qiáng)度逐漸降低，導(dǎo)致材料的塑性逐漸降低，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2/3板材厚度的粗糙撕裂帶[5-6]。

4 結(jié) 語

本文通過對AISI-1045鋼進(jìn)行沖裁試驗(yàn)和模擬對比分析，得出以下結(jié)論：

(1)模擬是在理想狀態(tài)下進(jìn)行，因而沖裁力變化與試驗(yàn)不同，曲線更為穩(wěn)定。

(2)當(dāng)沖裁力達(dá)到最大值后，負(fù)間隙精密沖裁的下降過程比普通沖裁更平穩(wěn)，而普通沖裁的下降速度比負(fù)間隙精密沖裁更快。

(3)負(fù)間隙精密沖裁與普通沖裁相比，雖然沖裁力有所提高(試驗(yàn)值最高提高8.7%，模擬值最高提高11.2%)，但是可以得到更高的沖裁件斷面質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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