沖裁間隙對(duì)銅板斷面質(zhì)量影響的有限元模擬*

吳小蓉，韓繼龍

(1.沈陽機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110142； 2.山西晉東化工有限公司， 山西 泉陽 045000)

沖裁間隙對(duì)銅板斷面質(zhì)量影響的有限元模擬*

吳小蓉1，韓繼龍2

(1.沈陽機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110142； 2.山西晉東化工有限公司， 山西 泉陽 045000)

沖裁間隙選擇是冷沖壓工藝的一個(gè)重要參數(shù)，利用ANSYS有限元軟件對(duì)紫銅板不同間隙沖裁形成斷面進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，沖裁間隙對(duì)形成落料斷面質(zhì)量有明顯影響，間隙過小或過大，均可形成尖銳、拉長的條狀毛刺，合理的間隙尺寸可得到較好的斷面質(zhì)量，模擬結(jié)果與實(shí)際理論分析吻合較好。

沖壓加工；沖裁間隙；斷面質(zhì)量；有限元分析

0 引 言

沖裁是利用具有剪切刃口的凸、凹模，使材料的一部分和其余部分沿著一定的輪廓周邊分離的一種冷沖壓工序[1]。其可以是沖制零件的工序，如用落料和沖孔沖制墊圈，也可作為后續(xù)的彎曲、拉深等成型工序的備料工序。在現(xiàn)代沖壓加工過程中，特別是對(duì)精密級(jí)進(jìn)模的高速?zèng)_壓加工，薄板沖裁占有越來越高的地位[2]。

影響沖裁件斷面質(zhì)量的因素較多，其中最主要的因素還是模具間隙大小及其分布的均勻性和模具刃邊狀態(tài)對(duì)沖裁截面質(zhì)量的影響[3-5]。薄板沖壓加工經(jīng)驗(yàn)表明，沖裁模間隙的合理選用問題是模具設(shè)計(jì)是否成功及產(chǎn)品質(zhì)量保證的重要因素。筆者利用ANSYS13.0軟件，以紫銅板為研究對(duì)象，模擬分析不同間隙選取對(duì)斷面質(zhì)量的影響。

1 沖裁工藝

1.1 沖裁過程

沖裁過程中的沖壓凸模與凹模的鋒利邊緣組成了上、下刃口，上刃口和下刃口之間有一定的間隙。沖裁過程大致可分為三個(gè)階段：

(1) 彈性變形，由凸模施加壓力，使材料產(chǎn)生彈性壓縮和彎曲，材料略有被擠入凹模洞口的現(xiàn)象。

(2) 塑性變形階段，凸模繼續(xù)加壓，材料中壓應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)，部分材料被擠入凹模，產(chǎn)生塑性剪變位。由于間隙的存在，材料同時(shí)發(fā)生彎曲與拉深現(xiàn)象。壓力繼續(xù)增大時(shí)，在凸、凹模刃口處由于應(yīng)力集中，此時(shí)該部位應(yīng)力先達(dá)到抗剪強(qiáng)度極限，材料發(fā)生斷裂和形成裂紋。

(3) 剪切斷裂階段，隨凸模的繼續(xù)下壓，裂紋向材料內(nèi)部擴(kuò)展，直至被拉斷分離。當(dāng)間隙值恰當(dāng)時(shí)，上下裂紋應(yīng)在中部會(huì)合，而使材料完全斷裂分離。此后凸模下降僅是克服摩擦力，將沖裁件推出凹模。

1.2 沖裁斷面質(zhì)量

沖裁件質(zhì)量截面并不光滑平整，一般說來表現(xiàn)為圓角帶、光亮帶和斷裂帶三部分。圓角帶是開始塑性變形時(shí)，由于材料的纖維受彎曲及拉深形成的，若材料軟則圓角大。光亮帶是塑性剪變位時(shí)形成的，此部分光亮且底面垂直，軟材料對(duì)應(yīng)光亮帶寬，硬材料則窄。斷裂帶是在斷裂階段形成，其在拉應(yīng)力作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，金屬纖維被拉斷的結(jié)果，所以表面粗糙且?guī)уF度。正常的沖裁件截面上應(yīng)無毛刺、撕裂、裂紋等缺陷，沖裁件底面則略向外鼓。

圖1(a)、(b)和(c)分別對(duì)應(yīng)模具間隙過小、合理以及過大時(shí)的斷面質(zhì)量示意圖。若間隙過小或過大，則上下裂不會(huì)合攏，相隔一定距離，材料最后分離時(shí)斷裂層出現(xiàn)毛刺與夾層。

圖1 不同間隙沖裁件斷面質(zhì)量示意圖

2 有限元分析

利用ANSYS13.0大型商用有限元軟件，對(duì)紫銅板沖裁過程進(jìn)行數(shù)值模擬。建模采用1/4對(duì)稱模型，紫銅板厚度為2 mm，設(shè)為彈塑性材料模型，其抗剪屈服強(qiáng)度69 MPa，抗拉強(qiáng)度為196 MPa。為考察間隙大小及對(duì)斷面質(zhì)量的影響，分別模擬計(jì)算了過小間隙(0.05 mm)，中間合理間隙(0.085 mm)和過大間隙(0.135 mm)三種情況。

間隙過小時(shí)，由于凸、凹模兩刃口邊緣伸展出來的裂紋要向外錯(cuò)開一段距離，這樣，上下兩裂縫之間的材料隨著沖裁過程的進(jìn)行將被第二次剪切，當(dāng)間隙更小時(shí)，甚至第三、四次等的剪切，使得沖件的切斷面甚至出現(xiàn)雙重或多重截面，即在斷面上形成第二個(gè)光亮的塑剪帶，并形成伸長的毛刺，如圖2所示為過小間隙沖裁模擬圖，此時(shí)，斷面邊緣毛刺被拉長，斷面質(zhì)量惡化。

間隙過大時(shí)，凸模與板料接觸過程中，板料在凹模和凸模的共同作用下產(chǎn)生彎曲和壓縮，材料向下凹被擠入凹模。凸模繼續(xù)加壓，材料與刃口接觸區(qū)首先達(dá)到屈服點(diǎn)，材料繼續(xù)擠入凹模，此時(shí)產(chǎn)生塑性剪變位，材料同時(shí)發(fā)生彎曲與拉深現(xiàn)象。隨著壓力的不斷增大，刃口處發(fā)生應(yīng)力集中，該部位應(yīng)力首先達(dá)到抗剪強(qiáng)度極限產(chǎn)生裂紋。若凸模繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，裂紋向材料內(nèi)部擴(kuò)展，直到被拉斷。圖3為間隙過大時(shí)沖裁件的毛刺，可看到，由于模具間隙過大，裂紋不能有效重合，故紫銅板的沖裁件產(chǎn)生了條狀毛刺。

而對(duì)于0.085 mm的中間尺度間隙，圖4為模擬得到的沖裁效果?？煽吹綌嗔烟幨菓?yīng)力的主要集中區(qū)，且超過了材料的抗剪強(qiáng)度。其斷面也有一定毛刺

出現(xiàn)，但毛刺不大，整個(gè)沖裁落料大部分平整，塌角也較小。模擬效果與圖1中間尺寸間隙所示斷面質(zhì)量也基本吻合。所以，選擇合理的沖裁間隙對(duì)斷面質(zhì)量影響較大。

圖2 小間隙沖裁模擬圖 圖3 間隙過大時(shí)沖裁件的毛刺

圖4 中間尺寸間隙沖裁模擬

3 結(jié) 語

利用ANSY13.0有限元軟件，對(duì)紫銅板不同間隙沖裁形成斷面進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果直觀展現(xiàn)了紫銅板沖裁斷面產(chǎn)生的拉伸斷裂及毛刺等沖裁效果。模具間隙對(duì)沖裁斷面質(zhì)量影響明顯，若間隙過小或過大，均可形成尖銳、拉長的條狀毛刺。模擬結(jié)果與實(shí)際理論分析吻合較好，可用于進(jìn)一步深入分析和優(yōu)化沖裁工藝。

[1] 鄭家賢.沖壓工藝模具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

[2] 張濤川,王 暉,段春梅.應(yīng)用精沖工藝實(shí)現(xiàn)沖裁零件的高質(zhì)量控制[J].裝備制造技術(shù), 2007(9):55-56.

[3] 周全福.厚板沖模凸模進(jìn)入凹模尺寸的確定[J].鍛壓技術(shù)，1994(3):59-60.

[4] 張正修, 李欠娃.高精度儀表零件的整修與精沖[J].模具制造,2001(10):17-20.

[5] 王 靜,魯世紅,于長生.基于ANN的沖裁合理間隙的預(yù)測(cè)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2006,25(8):891-894.

Finite Element Simulation of Blanking Clearance Effect on Copper Plate Section Quality

WU Xiao-rong1， HAN Ji-long2

(1.ShenyangMachineTool(Group)Co.,Ltd,ShenyangLiaoning110142，China；2.ShanxiJindongChemicalIndustryCo.,Ltd,QuanyangShanxi045000,China)

The choice of blanking clearance is an important parameter of cold stamping process, using finite element software ANSYS to simulate the formed section of different blanking clearance for copper plate. Results show that the blanking clearance has significant effect on the quality of forming blanking section, either the gap is too small or too large, all can form a sharp and elongated strips burr. Reasonable gap size can get a good cross section quality.The simulation results are well according with the actual theoretical analysis.

stamping processing; blanking clearance; section quality; finite element analysis

2014-02-26

吳小蓉(1981)，女，湖南耒陽人，工程師，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究工作。

TG386.2

A

1007-4414(2014)02-0087-02