剪擠復(fù)合精整中凸模圓角對核心變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的影響

袁秋，鄧明，寧國松，文俐

(重慶理工大學(xué)，重慶 400054)

剪擠復(fù)合精整工藝主要是針對板狀局部精密輪廓零件，對留有余量的局部輪廓進(jìn)行“精剪切+塑性擠壓”復(fù)合加工，從而使該輪廓達(dá)到全光亮帶成形，剪擠復(fù)合精整加工基本過程如圖1所示[1]。在剪擠復(fù)合精整工藝中，成形面的形成和切屑與工件基體的分離都發(fā)生在核心變形區(qū)，其應(yīng)力狀態(tài)直接影響成形表面是否產(chǎn)生撕裂和成形質(zhì)量的好壞[2]。凸模圓角作為剪擠復(fù)合精整中的一個重要工藝參數(shù)，對核心變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)有重要影響。文中在理論分析和實驗的基礎(chǔ)上，借助有限元方法，研究不同凸模圓角半徑對剪擠復(fù)合精整中核心變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的影響，進(jìn)而得出凸模圓角半徑對零件成形表面質(zhì)量的影響，為剪擠復(fù)合精整工藝的實際應(yīng)用提供參考。

圖1 剪擠復(fù)合精整基本原理Fig.1 Basic process of shearing－ extruding trimming technology

1 變形區(qū)材料應(yīng)力狀態(tài)分析

剪擠復(fù)合精整時，作用于材料的外力如圖2所示，整個材料所受外力有凸模的精整力和凸模對新形成表面的摩擦力f1。由于有一定大小的凸模圓角，精整力在軸向和徑向上對變形區(qū)有F11和F12的分力，也就是說凸模圓角對材料提供縱向和徑向擠壓力。整個材料還受到壓料面的壓料力F2和摩擦力f2以及凹模對材料的支撐力F3和摩擦力f3，在這些力的綜合作用下，材料處于靜水壓應(yīng)力狀態(tài)[3]。

圖2 剪擠復(fù)合精整材料所受外力模型及核心變形區(qū)某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)Fig.2 Deformation model under external forces and the stress state of one point in the core deformation zone

在核心變形區(qū)某一點(diǎn)O取坐標(biāo)系xyz，在該處取某一基元六面體，其上的應(yīng)力狀態(tài)如圖2所示，則靜水壓應(yīng)力可以表示為[4—5]:

式中:σy是由F11引起的正應(yīng)力;σx是由F12引起的正應(yīng)力;σz為模具等對材料的約束作用而引起的正應(yīng)力，剪切力由外摩擦力引起。從這一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可以看出，核心變形區(qū)材料處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力的大小取決于F11和F12的大小，而凸模圓角大小不同，這2個分力的大小也就不同，因此凸模圓角是影響核心變形區(qū)壓應(yīng)力的關(guān)鍵工藝參數(shù)，在這個變形區(qū)凸模圓角的擠壓作用將很好地提高成形表面質(zhì)量[6]。

2 凸模圓角對核心變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的影響

2.1 實驗材料和方法

選用3.2 mm的20鋼板材來進(jìn)行有限元模擬和物理實驗，凸模圓角為唯一變化參數(shù)，精整余量都為0.5 mm，模具間隙取0.01 mm，凹模圓角半徑取0。

采用了模擬和實驗相結(jié)合的方法，在deform軟件模擬中，選取 Normalized C ＆ L 斷裂準(zhǔn)則[7—13]，材料選取的臨界破壞值為 1.54[14—15]，通過選取核心變形區(qū)內(nèi)的8個點(diǎn)來計算得出每種圓角半徑下核心變形區(qū)的平均應(yīng)力值，從而反映凸模圓角半徑對核心變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的影響。

在實驗中，設(shè)計了實驗?zāi)＞?，實驗過程是在35 t的曲柄壓力機(jī)上完成的，其工作過程類似沖孔。

2.2 模擬和實驗結(jié)果及分析

通過改變凸模圓角半徑的大小，得到了幾組不同的數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬結(jié)果和相對應(yīng)的實驗結(jié)果見圖3—6。

在圖3中，當(dāng)凸模圓角半徑為0.02 mm時，從模擬模型的成形表面可以看出，其加工表面凹凸不平。淺色區(qū)域均為拉應(yīng)力較大的區(qū)域，這些區(qū)域?qū)嶋H上已經(jīng)超過了材料的臨界破壞值，發(fā)生了撕裂現(xiàn)象，其與實驗結(jié)果一致，實驗工件成形面粗糙，有不斷的撕裂現(xiàn)象。在穩(wěn)定精整階段和切屑分離階段，其核心變形區(qū)的平均應(yīng)力都表現(xiàn)為拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生撕裂，成形面的形成基本是剪切式斷裂。

圖3 凸模圓角半徑為0.02 mm時的平均應(yīng)力分布及實驗結(jié)果Fig.3 The mean stress distribution and the experiment results with a punch radius of 0.02 mm

圖4 凸模圓角半徑為0.1 mm時的平均應(yīng)力分布及實驗結(jié)果Fig.4 The mean stress distribution and the experiment results with a punch radius of 0.1 mm

圖5 凸模圓角半徑為0.3 mm時的平均應(yīng)力分布及實驗結(jié)果Fig.5 The mean stress distribution and the experiment results with a punch radius of 0.3 mm

圖6 凸模圓角半徑為0.5 mm時的平均應(yīng)力分布及實驗結(jié)果Fig.6 The mean stress distribution and the experiment results with a punch radius of 0.5 mm

如圖4所示，當(dāng)凸模圓角半徑為0.1 mm時，在切屑分離階段變形區(qū)拉應(yīng)力達(dá)到最大，為382.875 MPa，此時可能最容易發(fā)生成形面撕裂現(xiàn)象。相應(yīng)的實驗結(jié)果也顯示，圓角半徑為0.1 mm時，相比其他圓角半徑下成形面的撕裂比例更大，印證了上面的模擬結(jié)果。這表明切屑分離階段拉應(yīng)力越大，則成形面撕裂現(xiàn)象越嚴(yán)重。

如圖5所示，當(dāng)凸模圓角為0.3 mm時，切削分離階段拉應(yīng)力比凸模圓角為0.01 mm時的拉應(yīng)力明顯減小，從實驗結(jié)果也可以看出光亮帶比例有所增大，但是還是有一些撕裂現(xiàn)象發(fā)生。

如圖6所示，當(dāng)凸模圓角為0.5 mm時，在穩(wěn)定精整階段和切屑分離階段，核心變形區(qū)的應(yīng)力都表現(xiàn)為壓應(yīng)力。實驗結(jié)果顯示，試件表面達(dá)到全光亮帶成形，并且塌角很小，表面質(zhì)量也較高。這就表明凸模圓角足以提供較大的壓應(yīng)力，可以使成形面在分離階段不產(chǎn)生撕裂。

從圖3—6中可以得出，當(dāng)凸模圓角半徑為0.02，0.1，0.3，0.5 mm 時，穩(wěn)定精整階段核心變形區(qū)的平均應(yīng)力值分別為 290，－100，－323.125，－473.875 MPa;切屑分離階段核心變形區(qū)的平均應(yīng)力值分別為 159.4，326.375，79，－ 115.475 MPa。根據(jù)模擬結(jié)果繪制2種狀態(tài)下凸模圓角半徑與核心變形區(qū)平均應(yīng)力值的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 凸模圓角大小對核心變形區(qū)平均應(yīng)力的影響規(guī)律Fig.7 The relationship between punch radius and mean stress

從圖7可以看出，在穩(wěn)定精整階段，隨著凸模圓角半徑的增大，核心變形區(qū)平均應(yīng)力由拉應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，同時壓應(yīng)力值隨著凸模圓角半徑的增大而增大;在切屑分離階段，圓角半徑為0.1 mm時，產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大。其原因可能是由于圓角對材料的摩擦力造成的，圓角半徑越大，它對材料表面的摩擦力越大，摩擦力越大，對材料的拉應(yīng)力越大，而此時圓角提供的壓應(yīng)力過小，使其拉應(yīng)力占據(jù)優(yōu)勢。而后隨著凸模圓角半徑的增大，拉應(yīng)力逐漸減小，在圓角半徑為0.5 mm時，變?yōu)槿驂簯?yīng)力狀態(tài)。從物理實驗結(jié)果也可看出，成形面光亮帶比例也是隨著模具圓角半徑的增大而增大，在模具圓角半徑為0.5 mm的情況下，可以實現(xiàn)全光亮帶成形。

3 結(jié)論

1)隨著精整過程的進(jìn)行，壓應(yīng)力在斷裂分離階段迅速減小，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力，這是導(dǎo)致斷裂發(fā)生的根本原因，因此為延遲斷裂面的形成，就需要提供足夠大的壓應(yīng)力。凸模圓角對剪擠復(fù)合精整變形區(qū)提供了較大的壓應(yīng)力，是影響核心變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的重要工藝參數(shù)。

2)在一定范圍內(nèi)，模具圓角越大，所提供的壓應(yīng)力也就越大，成形質(zhì)量也就越好。在模具圓角很小時，所提供壓應(yīng)力不足，成形面的形成基本是剪切式斷裂，而不是塑性變形。

3)在文中工藝參數(shù)的設(shè)定下，當(dāng)模具圓角為0.5 mm時，可以實現(xiàn)全光亮帶成形，并且塌角很小，表面質(zhì)量也較高。

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