間隙對(duì)厚板小孔沖裁質(zhì)量的影響

魏良慶++蔡友莉++彭成允

一、引言

沖裁間隙是厚板小孔沖裁（t>4，d/t≤1）過程中影響孔斷面質(zhì)量、尺寸精度、模具壽命和力能消耗等的重要工藝參數(shù)之一。沖裁間隙的大小對(duì)光亮帶、斷裂帶、毛刺、翹曲和斜角等都會(huì)產(chǎn)生不同的影響。沖裁過程的變形力、最終得到的孔的質(zhì)量及模具的壽命等都與間隙有很大的關(guān)系。間隙過小時(shí)，塑性剪切區(qū)中的拉應(yīng)力小，靜水壓應(yīng)力大，而壓應(yīng)力大使板料塑性好，裂紋的產(chǎn)生受到抑制，從而使光亮帶增大，塌角和翹曲等較小，但所需剪切力和沖裁力也較大，導(dǎo)致凸、凹模刃口應(yīng)力增大。同時(shí)，板料對(duì)凸、凹模的側(cè)壓力和側(cè)向摩擦力也隨間隙減小而增大，導(dǎo)致凸、凹模側(cè)壁磨損加劇。因而適當(dāng)增加間隙，可減輕不利影響。但當(dāng)間隙過大時(shí)，材料中的拉應(yīng)力就將增大，模具的刃磨壽命反而降低。本文采用仿真模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了厚板小孔沖裁間隙對(duì)沖裁力、孔徑和廢料等的影響，得到最佳相對(duì)沖裁間隙。

二、仿真模擬

模擬參數(shù)：材料為L(zhǎng)F2，沖孔直徑為d=Ф4mm，板料厚度為t=5mm，采用平底凸模，模擬溫度為20℃、凸模速度為lOmm/s，摩擦系數(shù)為0.12，步距為0.02mm。

1 間隙對(duì)沖裁力的影響

凸、凹模相對(duì)間隙值分別取2%t、6%t、11%t三種情況，不同間隙條件下的沖裁力 行程曲線如圖1所示。由圖1可以看出，不同間隙下的沖裁力 行程曲線的變化趨勢(shì)基本相同。相對(duì)間隙不同時(shí)，所需的沖裁力不一樣。隨著間隙的增大，最大沖裁力逐漸減小，且發(fā)生斷裂時(shí)的凸模行程逐漸增大。這是因?yàn)楫?dāng)間隙增大時(shí)，雖然增大了變形區(qū)域，但也增加了其他變形成分，不利于剪切過程的進(jìn)行，所需沖裁力增大。但同時(shí)也使變形區(qū)拉應(yīng)力增大，有利于裂紋的擴(kuò)展，另一方面又可能使沖裁力減小，關(guān)系非常復(fù)雜。

因此，在此基礎(chǔ)上又取了2%-12%t的相對(duì)間隙分別進(jìn)行模擬，結(jié)合圖1得到了最大沖裁力與相對(duì)間隙之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

由圖2可以看出，剛開始最大沖裁力是隨著間隙的增大而逐漸減小的，而且在后一段曲線中，下降的趨勢(shì)逐漸平緩。但間隙值從9%t開始，最大沖裁力又隨著相對(duì)間隙的增大而逐漸增加。

2 間隙對(duì)廢料厚度的影響

在整個(gè)沖裁過程中，材料受到三向靜水壓力作用，且在沖孔的開始階段，材料被壓縮而擠向孔的周圍，廢料厚度必定小于原材料厚度。通過圖3我們發(fā)現(xiàn)，最終的廢料厚度小于原材料厚度。當(dāng)相對(duì)間隙為2%t時(shí)，廢料厚度為3.97mm，材料變薄了1.03mm，這說明材料被擠入了凹?？字車?，厚板小孔沖裁具有深孔鐓擠特性。從圖中我們還可以發(fā)現(xiàn)，隨著相對(duì)間隙的增大，廢料厚度逐漸減小，這說明間隙值越大，被擠入凹?？椎牟牧显蕉?。

3 間隙對(duì)光亮帶長(zhǎng)度的影響

由圖4不難發(fā)現(xiàn)，與普通沖裁相比，厚板小孔沖裁加工出的孔光亮帶所占比例要大的多。當(dāng)凸、凹模相對(duì)間隙約為7%t時(shí)，光亮帶所占比例最小，約為板厚的61%。當(dāng)間隙值大于7%t時(shí)，光亮帶長(zhǎng)度隨著間隙值的增大而增大。

4 最佳間隙值的確定

取每一種相對(duì)間隙下材料發(fā)生斷裂時(shí)的凸模行程，得到圖5所示的材料發(fā)生斷裂時(shí)的凸模行程與相對(duì)間隙的關(guān)系曲線。

由圖5可以看出，發(fā)生斷裂時(shí)的凸模行程隨著間隙的增大而逐漸增大，而材料發(fā)生斷裂時(shí)的凸模行程即反映了制件的圓角帶和光亮帶，因此可以反映厚板小孔沖裁制件質(zhì)量的好壞。從圖5可以看出，材料發(fā)生斷裂時(shí)的凸模行程并不是隨著相對(duì)間隙的增大而成正比增加，而是呈緩慢的趨勢(shì)上升，由此可見它們的關(guān)系也非常復(fù)雜。

在設(shè)計(jì)模具時(shí)一般要選擇一個(gè)合理的間隙，使得到的沖裁件的質(zhì)量較好、所需的沖裁力較小且模具壽命高。但分別從質(zhì)量、精度和沖裁力等方面的要求各自確定的合理沖裁間隙值并不相同。由于模具的制造會(huì)有偏差，在使用時(shí)又會(huì)產(chǎn)生磨損，合理沖裁間隙應(yīng)該在一定的范圍內(nèi)，而不是一個(gè)確定的值。這樣，合理沖裁間隙的確定就是一項(xiàng)相對(duì)復(fù)雜又有一定困難的工作。

為了尋找相對(duì)間隙對(duì)厚板小孔沖裁的影響規(guī)律，以便從中找到最小沖裁力下的最佳沖裁間隙，結(jié)合圖2與圖5，運(yùn)用沖裁功來進(jìn)行分析。整合以上兩個(gè)函數(shù)關(guān)系，結(jié)合沖裁力 行程曲線，得出沖裁功與間隙的函數(shù)關(guān)系曲線（沖裁功即為沖裁力 行程曲線下面所包圍的面積）。

從沖裁力 行程曲線可以看出，當(dāng)相對(duì)間隙偏小或偏大時(shí)，沖裁功增大許多，而合理的間隙應(yīng)使沖裁功最小。由于上、下裂紋重合而能保證較好的斷面質(zhì)量。由圖6可以看出，在其他條件相同的情況下，當(dāng)凸、凹模相對(duì)間隙取2%t左右時(shí)，沖裁功達(dá)到最小值，因此可初步確定該條件下的厚板小孔沖裁的最佳相對(duì)間隙約為2%t。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)材料：LF2。材料規(guī)格：t×L×w=4.5×150×150（mm），t×L×w=5×150×150（mm），t×L×w=6×150×150（mm）。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：J23-6.3型開式可傾壓力機(jī)、游標(biāo)卡尺和小孔沖裁模一副。

為了節(jié)省材料，我們?cè)诎寄Ｉ现谱髁?個(gè)直徑大小相同的孔，使相同間隙值對(duì)應(yīng)不同厚度板料時(shí)有不同的相對(duì)間隙值（例如當(dāng)間隙值為0.32mm時(shí)，對(duì)于4mm的鋼板，相對(duì)間隙為8%t；而對(duì)于6mm的板，相對(duì)間隙為5.4%t），這樣既節(jié)約了材料，又利于模具更換。

在厚板小孔沖裁過程中，凸模所受的力是最惡劣的。在凸模的設(shè)計(jì)上，鑒于做實(shí)驗(yàn)需要頻繁更換凸模，凸模采用快換式。凸模通過凸模固定板固定，在更換過程中，凸模固定板不動(dòng)，只需通過螺釘更換凸模，因此，凸模的固定部分設(shè)計(jì)成與凸模固定板相配合的統(tǒng)一尺寸，本實(shí)驗(yàn)凸模的固定部分尺寸為ФlOmm，凸模直徑d=Ф4mm。在實(shí)驗(yàn)中，由于凸模細(xì)小部分過長(zhǎng)，抗彎強(qiáng)度過小，將凸模設(shè)計(jì)成階梯狀，臺(tái)階之間采用弧面圓滑過渡，這樣可以避免熱處理時(shí)應(yīng)力集中和沖孔時(shí)應(yīng)力急劇變化，有利于提高凸模的壽命。

四、結(jié)果與討論

圖7所示為不同材料厚度下的沖孔直徑和廢料厚度變化曲線。從圖中可以看出，沖裁結(jié)束后，孔徑尺寸變大。板厚t=5mrri時(shí)，沖后的孔徑為4.14mm，孔徑尺寸增大了0.14mm。這主要是因?yàn)橥鼓Ｊ艿娇v向的彈性壓縮，同時(shí)凸模下端面附近的材料在沖壓開始階段向孔的四周流動(dòng)，但材料是一整體，下面流動(dòng)的材料對(duì)上面已沖成孔的材料產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，也使孔徑增大。沖后廢料厚度為4.42mm，材料厚度減少了0.58mm，而且沖出的孔幾乎沒有毛刺；光亮帶所占比例達(dá)到整個(gè)板料的70%，且廢料上有很多條光亮帶和斷裂帶，這些都與有限元模擬分析的結(jié)果相符。

圖8所示為相對(duì)間隙對(duì)沖后孔直徑和廢料厚度的影響。從圖中可以看出，在其他條件相同的情況下，隨著相對(duì)間隙值的增大，沖裁后的孔徑直徑也相應(yīng)增大。當(dāng)相對(duì)間隙值約為2%t時(shí)，最終沖出的孔無(wú)論從光亮帶，還垂直度來看，都是最理想的。圖9所示為壓入2.5mm時(shí)的沖孔斷面質(zhì)量情況，圖10所示為不同間隙條件下沖出的廢料情況。此外，在其它條件相同的情況下，隨著相對(duì)間隙值的增大，廢料厚度隨之減小，但減小趨勢(shì)不明顯。

五、結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于料厚5mm，沖孔直徑為4mm的厚鋼板小孔沖裁，通過仿真和實(shí)驗(yàn)所得的最佳相對(duì)沖裁間隙約為2%t。

（2）在最佳間隙條件下，沖孔斷面質(zhì)量最好，廢料上有很多條光亮帶和斷裂帶，帶有明顯的鐓擠特性。