高速?zèng)_裁過程中的韌性斷裂和斷面質(zhì)量研究進(jìn)展

陳明和　胡道春,2

1.南京航空航天大學(xué)， 南京，210016　　2.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，臺(tái)州，318000

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高速?zèng)_裁過程中的韌性斷裂和斷面質(zhì)量研究進(jìn)展

陳明和1胡道春1,2

1.南京航空航天大學(xué)， 南京，2100162.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，臺(tái)州，318000

總結(jié)和評(píng)述了沖裁過程中均勻塑性流動(dòng)形成光潔表面以及空穴長(zhǎng)大引起斷面撕裂的現(xiàn)象，從材料細(xì)觀損傷角度闡明了高速?zèng)_裁韌性斷裂機(jī)理及材料斷裂參數(shù)的確定方法；綜述了工藝參數(shù)對(duì)沖裁斷面質(zhì)量的影響規(guī)律、沖裁過程中的熱效應(yīng)以及沖裁斷面的微觀組織變化等的研究現(xiàn)狀；最后對(duì)高速?zèng)_裁過程中的韌性斷裂和斷面質(zhì)量的研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

高速?zèng)_裁；韌性斷裂；沖裁斷面質(zhì)量；溫升效應(yīng)；絕熱剪切帶

0　引言

“互聯(lián)網(wǎng)+”熱潮的涌起，引領(lǐng)了新一代信息技術(shù)應(yīng)用與創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的新常態(tài)。信息技術(shù)制件，如以計(jì)算機(jī)(computer)、通信(communication)、消費(fèi)性電子(consumer electronics)為代表的“3C”產(chǎn)品中的連接器端子、集成電路引線框架、航空航天領(lǐng)域的電連接器(aerospace electrical connector)接插件、大數(shù)據(jù)時(shí)代的互聯(lián)汽車(car on internet)高速數(shù)據(jù)傳輸連接件等金屬制件, 都具有材料超薄(毫米級(jí)以下)、外形形狀復(fù)雜且尺寸微小、形狀和位置精度高(尺寸精度要求接近微米級(jí))、成形工藝復(fù)雜等特點(diǎn)[1]，常采用高速精密級(jí)進(jìn)沖壓技術(shù)來生產(chǎn)。高速精密沖壓是在高速?zèng)_床上安裝一副包括沖裁、彎曲、拉深、成形等多道工序的精密、復(fù)雜、級(jí)進(jìn)沖壓模具，同時(shí)配備自動(dòng)送料、收料機(jī)構(gòu)，進(jìn)行自動(dòng)化、高效率、大批量生產(chǎn)的一種沖壓生產(chǎn)方式，并且在沖壓量產(chǎn)時(shí)每分鐘沖裁次數(shù)超過1000。高速精密沖壓集精密制造、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制和綠色制造為一體，是高效率、高精度的先進(jìn)制造技術(shù)，代表了精密沖壓技術(shù)的發(fā)展水平和發(fā)展方向[2-3]。

沖裁是高速精密沖壓中最基本、使用量最大的工序，它不僅可作為彎曲、拉深等后續(xù)工序的前期坯料準(zhǔn)備工序，而且可以作為精密沖裁件而直接使用。作為連接器端子件，一般后續(xù)需要進(jìn)行表面鍍金或鍍銀，以達(dá)到減少接觸電阻及防腐蝕的目的，這就要求沖裁后需要獲得質(zhì)量較高的沖裁斷面以保證鍍層的耐用性及信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。沖裁斷面具有明顯的區(qū)域特征，它一般由圓角帶、光亮帶、撕裂帶、毛刺四部分構(gòu)成，沖裁過程中，凸凹模間隙內(nèi)的材料在壓應(yīng)力的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，刃口附近材料內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變梯度較大。當(dāng)刃口附近材料的塑性變形能力耗盡時(shí)，材料因剪切應(yīng)變集中而發(fā)生損傷，引起微裂紋和內(nèi)部孔洞的產(chǎn)生，金屬流線完全剪斷并最終形成光潔平整的斷面(光亮帶)[4-6]。繼續(xù)沖裁時(shí)，凹模圓角處的材料會(huì)承受拉應(yīng)力，出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，最終材料完全斷裂分離。由此可見，光亮帶的結(jié)束、撒裂帶的開始即可視為沖裁過程中損傷裂紋的萌生[7]。因此，控制斷裂分離是沖裁技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵，剪切面與撕裂面的匯合決定了光亮帶的高度，不同的工藝參數(shù)會(huì)產(chǎn)生不同的沖裁斷面質(zhì)量與裂紋擴(kuò)展方式。研究沖裁斷裂對(duì)預(yù)防制件缺陷、抑制撕裂及控制裂紋走向有重要意義。

在整個(gè)沖裁過程中，金屬材料的行為是高度非線性的，其塑性變形和斷裂分離僅僅局限在刃口附近的狹小區(qū)域，使得刃口部位承受著極大的垂直壓力和側(cè)壓力，這種高壓會(huì)引起劇烈的摩擦熱。同時(shí)，在高速精密沖裁過程中，由于沖裁間隙非常小，沖裁速度非常大，而沖裁連續(xù)加工時(shí)間很長(zhǎng)，局部溫升效應(yīng)非常明顯，再加上材料在高速率大應(yīng)變條件下的應(yīng)變速率硬化、應(yīng)變強(qiáng)化，使得精密高速?zèng)_裁斷裂機(jī)理更加復(fù)雜，迄今為止高速精密沖裁斷裂機(jī)理仍未被深入研究。

1　沖裁過程中的韌性斷裂準(zhǔn)則

沖裁過程及沖裁斷面如圖1所示。

(a)沖裁過程

(b)沖裁斷面圖1　沖裁過程及沖裁斷面示意圖

1.1沖裁過程中的細(xì)觀損傷和韌性斷裂

塑性變形、韌性損傷、韌性斷裂是三種緊密聯(lián)系的力學(xué)現(xiàn)象，從細(xì)觀、物理學(xué)的角度來看，金屬塑性變形過程可以看作材料組分晶粒的位錯(cuò)、滑移等缺陷運(yùn)動(dòng)。材料的變形會(huì)在晶界、第二相粒子與基體的界面等位置形成局部的應(yīng)力和應(yīng)變集中，隨著宏觀變形的持續(xù)，局部應(yīng)力、應(yīng)變集中又會(huì)產(chǎn)生微孔洞、微裂紋等微缺陷，這些微缺陷的積累和發(fā)展導(dǎo)致宏觀裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，最終使材料失效斷裂[8-9]。因此，孔洞形核、長(zhǎng)大與聚合是材料塑性變形損傷和斷裂過程的重要特征，而細(xì)觀損傷力學(xué)模型以孔洞演化理論為基礎(chǔ)，從物理本質(zhì)上反映了材料微觀結(jié)構(gòu)的劣化最終導(dǎo)致材料失效斷裂過程[10]。

沖裁時(shí)材料變形被限制在凸凹模之間的狹小區(qū)域內(nèi)，剪應(yīng)變集中、靜水壓力與等效應(yīng)力的比值(即應(yīng)力三維度)增幅不大，因而空穴的形核與長(zhǎng)大受到限制，材料內(nèi)部空穴型損傷不明顯，失效破壞的主要形式是由剪應(yīng)變集中而造成的剪切斷裂[11]。此時(shí)，少量的空穴形核及局部的長(zhǎng)大萌生的裂紋隨著凸模的下行而擴(kuò)展，形成平整的斷面，即沖裁光亮帶。在沖裁的后期，變形區(qū)域的拉應(yīng)力不斷增大，應(yīng)力三軸度快速增大，損傷性質(zhì)也將發(fā)生變化，塑性應(yīng)變和應(yīng)力三軸度的聯(lián)合作用將會(huì)引起空穴的快速增多及長(zhǎng)大，材料將發(fā)生撕裂，整個(gè)撕裂面將由密集的橢圓形空穴所覆蓋，此撕裂面即沖裁撕裂帶[12]?？梢钥闯?，在沖裁過程中，隨著應(yīng)力三軸度的增大，前期發(fā)生剪切斷裂，隨后發(fā)生拉伸斷裂，沿著沖裁斷面空穴體積分?jǐn)?shù)逐漸增多，斷面的光潔度相應(yīng)降低，即沖裁撕裂帶比光亮帶要更粗糙一些，這在沖裁斷面上可得到驗(yàn)證。

1.2沖裁過程中的常用韌性斷裂準(zhǔn)則及其統(tǒng)一描述形式

迄今為止，許多學(xué)者從宏觀斷裂和細(xì)觀損傷層面上提出了多種韌性斷裂準(zhǔn)則及其相關(guān)參數(shù)。Freudenthal[13]認(rèn)為，材料在塑性變形過程中單位體積內(nèi)所吸收的塑性變形能達(dá)到一定值時(shí)，材料就會(huì)產(chǎn)生宏觀裂紋，可表示為

(1)

Rice等[14]描述了理想塑性材料中的一個(gè)孤立球形孔洞在高三軸應(yīng)力下的近似擴(kuò)展規(guī)律，并引入了靜水壓力的影響，可表示為

(2)

式中，σ1為最大拉應(yīng)力；σh為靜水壓應(yīng)力；ART為材料常數(shù)。

Oyane等[15]通過對(duì)多孔體的壓縮塑性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究，并考慮靜水應(yīng)力的影響，提出了相應(yīng)的韌性斷裂準(zhǔn)則：

(3)

式中，AO為材料常數(shù)。

Cockcroft等[16]認(rèn)為，在一定的溫度和應(yīng)變速率下，塑性變形最大拉應(yīng)力σ1是導(dǎo)致材料韌性破壞的主要因素，相應(yīng)的韌性斷裂準(zhǔn)則為

(4)

Brozzo等[17]考慮到在塑性變形中，靜水應(yīng)力可以抑制或加速韌性斷裂過程，同時(shí)還考慮了應(yīng)力應(yīng)變歷史對(duì)韌性斷裂的影響，即

(5)

Goijaerts[18]基于拉伸和沖裁試驗(yàn)，提出了預(yù)測(cè)裂紋萌生的韌性斷裂準(zhǔn)則：

(6)

式中，AG、 BG為材料常數(shù)。

以上常用的韌性斷裂準(zhǔn)則一般都是塑性變形時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變、相關(guān)材料常數(shù)有關(guān)的函數(shù)，均采用了應(yīng)力變量沿塑性變形路徑積分的形式，可統(tǒng)一描述為

(7)

式(7)等號(hào)右邊的C值為韌性斷裂臨界值，與材料自身性能有關(guān)，且屬于統(tǒng)計(jì)物理量，在實(shí)際應(yīng)用中認(rèn)為是常數(shù)。在應(yīng)用這些韌性斷裂準(zhǔn)則之前，要預(yù)先確定常數(shù)C，它直接關(guān)系到該準(zhǔn)則對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度大小。由于確定與常數(shù)C有關(guān)的材料參數(shù)(如孔洞體積分?jǐn)?shù))需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，且是統(tǒng)計(jì)值，故這種預(yù)測(cè)方法不便于在工程中應(yīng)用。因此，在目前的應(yīng)用中，都是采用一些接近成形過程的宏觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定準(zhǔn)則中的常數(shù)C值。

1.3沖裁韌性斷裂準(zhǔn)則中材料參數(shù)C值的確定

在預(yù)測(cè)沖裁過程中斷裂發(fā)生時(shí)，Goijaerts等[19-20]首先測(cè)量板料發(fā)生分離瞬間的凸模行程，再借助有限元模擬該沖裁過程，當(dāng)模擬凸模行程達(dá)到試驗(yàn)測(cè)量值時(shí)，用各個(gè)單元的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)來計(jì)算C值，分別應(yīng)用Cockroft & Latham、Rice & Tracey、Oyane韌性斷裂準(zhǔn)則模擬了沖裁工藝和拉伸過程，并基于應(yīng)力三軸度的影響規(guī)律提出了預(yù)測(cè)沖裁過程中裂紋萌生的Goijaerts韌性斷裂準(zhǔn)則。Hambli等[21]利用沖裁試驗(yàn)反求技術(shù)，根據(jù)沖裁力-凸模行程曲線最大沖裁力出現(xiàn)的位置確定裂紋萌生時(shí)凸模的行程，然后結(jié)合有限元模擬反求出該凸模位置處的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)以確定C值，并應(yīng)用于現(xiàn)有的六種韌性斷裂準(zhǔn)則，最終比較分析得出Rice & Tracey準(zhǔn)則因考慮了靜水應(yīng)力的影響，故在沖裁模擬過程中精度較高。Shim等[22]在研究薄材沖裁韌性斷裂時(shí)，認(rèn)為根據(jù)沖裁光亮帶高度處的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)即可確定材料常數(shù)C值，并利用Cockroft & Latham準(zhǔn)則模擬了鋁箔材和銅箔材的沖裁過程，結(jié)合沖裁試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬的精度。Rafsanjani等[23]利用Rice & Tracey準(zhǔn)則研究了鉻不銹鋼X30Cr13在沖裁過程中的熱黏塑性對(duì)韌性斷裂的影響規(guī)律。Subramonian[24]根據(jù)沖裁光亮帶和撕裂帶的高度值并結(jié)合有限元模擬，得到基于Rice & Tracey準(zhǔn)則磷青銅C51100材料的C值。Komori[25]根據(jù)拉伸試驗(yàn)分別確定了SS400材料Freudenthal、Cockroft & Latham、Brozzo、Oyan四種韌性斷裂準(zhǔn)則的常數(shù)C值，并采用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分離技術(shù)模擬了沖裁過程中的裂紋萌生。秦泗吉[26]在研究板材的剪切加工時(shí)，通過試驗(yàn)測(cè)得板料斷裂產(chǎn)生時(shí)模具壓下量并通過數(shù)值計(jì)算最大等效應(yīng)變得到Cockroft & Latham準(zhǔn)則中的材料常數(shù)C值。方剛等[27-28]采用Cockroft & Latham準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)沖裁過程中裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展以及材料斷裂分離的過程、沖裁力的變化等作了分析。文獻(xiàn)[29-31]借助拉伸試驗(yàn)初步確定了材料常數(shù)C值，將沖裁試驗(yàn)獲得的圓角帶、光亮帶總高度值作為裂紋萌生時(shí)凸模的行程，根據(jù)此凸模行程結(jié)合沖裁模擬結(jié)果確定裂紋萌生時(shí)的等效應(yīng)變，在拉伸試驗(yàn)獲取的C值基礎(chǔ)上，優(yōu)化得到?jīng)_裁過程中基于Cockroft & Latham準(zhǔn)則的材料常數(shù)C值，并探討了高速?zèng)_裁機(jī)理及其工藝參數(shù)優(yōu)化。汪金飛等[32]利用Cockroft & Latham準(zhǔn)則和Rice & Tracey準(zhǔn)則對(duì)沖裁過程微裂紋產(chǎn)生和最終斷裂進(jìn)行了模擬，分析比較了兩種斷裂準(zhǔn)則下開始斷裂時(shí)的靜水壓力及載荷行程曲線。黃志超等[33]采用Ayada斷裂準(zhǔn)則，預(yù)測(cè)了沖裁過程中靜水應(yīng)力、等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的分布以及發(fā)展趨勢(shì)。文獻(xiàn)[34-36]將考慮靜水應(yīng)力和應(yīng)變歷史對(duì)材料損傷影響的Oyane模型用于斷裂的預(yù)測(cè)，分析了精沖過程中靜水應(yīng)力、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和損傷的分布以及發(fā)展趨勢(shì)。

由上述研究結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，國(guó)外研究沖裁韌性損傷時(shí)多選用Rice & Tracey準(zhǔn)則，而國(guó)內(nèi)則選用Cockroft & Latham準(zhǔn)則較多，且Rice & Tracey準(zhǔn)則基于空穴長(zhǎng)大、聚合理論，而Cockroft & Latham準(zhǔn)則屬于宏觀斷裂準(zhǔn)則，對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)理想化和簡(jiǎn)單化。因此，Sartkulvanich等[37]在沖裁模擬過程中分別選取了8種不同韌性斷裂準(zhǔn)則進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果得出修正的Rice & Tracey準(zhǔn)則由于具有較小的偏差值(圖2)，對(duì)于沖裁斷裂模擬來說相對(duì)適宜。

圖2　沖裁件有限元建模的斷裂準(zhǔn)則評(píng)價(jià)[37]

由于沖裁斷裂往往集中在非常小的區(qū)域，而且應(yīng)變梯度較大，再加上溫度的影響，傳統(tǒng)測(cè)量方法無法直接獲得應(yīng)變場(chǎng)。在實(shí)際生產(chǎn)中，人們更希望采用簡(jiǎn)單的宏觀試驗(yàn)和計(jì)算模擬相結(jié)合的方法來確定斷裂準(zhǔn)則中的材料參數(shù)。韌性斷裂的主要特征是材料中裂紋出現(xiàn)前的損傷軟化，通過宏觀試驗(yàn)建立軟化特征描述變量，并將其耦合到材料彈塑性本構(gòu)關(guān)系中，通過有限元方法模擬整個(gè)韌性損傷軟化和斷裂過程。在斷裂準(zhǔn)則中還需引入溫度變量，考慮溫度對(duì)材料韌性損傷斷裂的影響，預(yù)測(cè)高速?zèng)_裁中材料的韌性損傷。

2　沖裁斷面質(zhì)量研究

沖裁斷面的質(zhì)量受到材料性能、沖裁間隙、模具刃口磨損狀態(tài)、產(chǎn)品形狀、板料厚度、模具結(jié)構(gòu)、沖裁速度等多個(gè)因素的影響，很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，力求獲得這些因素與沖裁斷面質(zhì)量之間的定量關(guān)系。

2.1基于數(shù)值模擬技術(shù)的沖裁斷面質(zhì)量研究

借助沖裁數(shù)值模擬技術(shù)研究各工藝參數(shù)對(duì)沖裁斷面質(zhì)量的影響。Maiti等[38]對(duì)厚度為1.0 mm的磷青銅材料進(jìn)行了沖裁數(shù)值模擬，分析了不同沖裁形狀和凸模角度對(duì)沖裁斷面質(zhì)量的影響。Hatanaka等[39]模擬分析了沖裁間隙、刃口半徑、不同材料加工硬化指數(shù)等因素對(duì)光亮帶、毛刺高度的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[40-41]探討了磷青銅在每分鐘沖裁次數(shù)為300時(shí)，凸模材料、沖裁間隙、沖裁次數(shù)與沖裁斷面質(zhì)量之間的關(guān)系，建立了毛刺高度的預(yù)測(cè)模型。Husson等[42]利用有限元技術(shù)模擬分析了0.58 mm厚的銅合金在每分鐘沖裁次數(shù)為700時(shí)的沖裁間隙、刃口形狀、摩擦狀況等工藝參數(shù)對(duì)沖裁件輪廓、沖裁力的影響。Soares等[43]研究了沖裁間隙對(duì)8 mm厚LNE38冷軋板材沖裁斷面質(zhì)量的影響規(guī)律。Rafsanjani等[23]利用有限元技術(shù)，分別探討了沖裁間隙、沖壓速度對(duì)X30Cr13材料的沖裁斷面質(zhì)量影響規(guī)律，如圖3所示。Su等[44]借助數(shù)值模擬技術(shù)，以增加沖裁斷面光亮帶高度為目的，分析優(yōu)化了沖裁工藝參數(shù)。趙中華等[45]研究了沖壓速度對(duì)沖裁斷面質(zhì)量的影響規(guī)律，建立了物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃陀邢拊M分析模型，確定合適的沖壓速度以提高沖裁斷面質(zhì)量。

圖3　沖裁間隙及沖壓速度對(duì)沖裁斷面光亮帶長(zhǎng)度的影響[23]

2.2基于物理試驗(yàn)的沖裁斷面質(zhì)量?jī)?yōu)化

學(xué)者們?cè)谕ㄟ^沖裁物理試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的同時(shí)，進(jìn)一步探索了沖裁過程中材料的變形機(jī)理。Greban等[46]系統(tǒng)研究了不同銅合金材料在沖裁過程中毛刺高度、微觀組織的變化情況。Mucha[47]借助試驗(yàn)研究了各種模具材料在不同沖裁間隙下的磨損情況以及沖裁間隙對(duì)毛刺高度的影響。Ghiotti等[48]研究了不同的阻尼減振條件對(duì)沖裁過程中材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，并優(yōu)化了阻尼減振機(jī)構(gòu)以獲得較佳的沖裁斷面質(zhì)量。張磊等[49]從沖裁間隙和沖裁速度兩個(gè)方面分析了0.23 mm厚的銅合金沖裁件斷面質(zhì)量，討論了不同情況下兩種因素對(duì)于毛刺的影響，并指出較小的間隙及高速?zèng)_裁可以抑制毛刺的產(chǎn)生進(jìn)而提高斷面質(zhì)量。黃珍媛等[7,50]運(yùn)用正交試驗(yàn)方法,研究了沖裁間隙、模具表面粗糙度、每分鐘沖裁次數(shù)(100，300，600)對(duì)高速精密沖壓中0.30 mm厚的磷青銅的沖裁斷面質(zhì)量影響，并構(gòu)建了薄板精密沖裁變形有限元模型，研究了精密沖裁變形過程。谷維亮[51]運(yùn)用正交試驗(yàn)方法和沖裁試驗(yàn)，研究了沖裁間隙、刃口圓角半徑、凸模粗糙度、每分鐘沖裁次數(shù)(300，500，700)對(duì)0.50 mm厚的磷青銅的沖裁斷面質(zhì)量的影響規(guī)律，根據(jù)因素效應(yīng)曲線圖，得到了沖裁斷面質(zhì)量較好的多組工藝組合方案。

由上述研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)合數(shù)值模擬和沖裁試驗(yàn)，對(duì)不同材料的沖裁斷面質(zhì)量進(jìn)行了一定的研究，主要集中于工藝參數(shù)的優(yōu)化，如沖裁間隙、每分鐘沖裁次數(shù)、沖裁過程中的摩擦因數(shù)、刃口形狀等，以獲得較佳的沖裁斷面質(zhì)量，即提高光亮帶所占的比例。但對(duì)于高速?zèng)_裁過程，特別是每分鐘沖裁次數(shù)1000以上的薄材沖裁，由于材料在大應(yīng)變速率條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)理及溫升效應(yīng)的探索仍未深入，造成薄材高速?zèng)_裁的數(shù)學(xué)模型還不夠精確，而通過高速?zèng)_裁試驗(yàn)來優(yōu)化工藝參數(shù)受限于現(xiàn)有模具技術(shù)及高速?zèng)_壓工藝及設(shè)備耗時(shí)費(fèi)力，因此，對(duì)于薄材高速?zèng)_裁斷面質(zhì)量及工藝參數(shù)優(yōu)化仍需要展開系統(tǒng)和深入的工作。

3　沖裁斷面的微觀組織及溫升效應(yīng)

(a)顯微照片[47](b)纖維流動(dòng)方向[52]圖4　沖裁斷面微觀結(jié)構(gòu)

在對(duì)沖裁斷面微觀組織研究方面， Mucha[47]和Achouri等[52]分別獲取了沖裁斷面晶粒大小及金屬流線分布等的微觀形貌(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)沖裁斷面區(qū)域產(chǎn)生了強(qiáng)烈的塑性變形，且晶粒明顯細(xì)化。Ismail等[53]利用納米壓痕技術(shù)得到了0.65 mm厚的無取向硅鋼材料在每分鐘沖裁次數(shù)80條件下沖裁邊緣的屈服應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線(圖5)，可以看出，在較低沖速條件下，沖裁斷面附近區(qū)域存在明顯的加工硬化現(xiàn)象。Gaudillière等[54]借助HOPKINSON壓桿試驗(yàn)機(jī)完成了3.0 mm厚的C40鋼高速?zèng)_裁(14.6 m/s)，并觀測(cè)到?jīng)_裁斷面中產(chǎn)生了絕熱剪切帶現(xiàn)象(圖6)，這表明高速?zèng)_裁過程中的溫升效應(yīng)對(duì)材料的影響將不可忽略，需進(jìn)一步深入研究。Sapanathan等[55]利用EBSD技術(shù)獲取了鋁/銅復(fù)合材料沖裁斷面的晶體取向圖，發(fā)現(xiàn)斷面微區(qū)存在超細(xì)晶(晶粒直徑小于1 μm)，如圖7所示。Rafsanjani等[23]利用有限元技術(shù)，探討了X30Cr13材料在沖裁過程(沖裁間隙c=10%t，沖壓速度v=1 m/s)的溫度變化，沖裁斷面局部溫度高達(dá)387 ℃；Hu等[56]對(duì)0.12 mm厚的磷青銅薄材在高速?zèng)_裁過程(沖裁間隙c=6.5%t，沖壓速度v=1 m/s)進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)沖裁斷面局部溫度高達(dá)444 ℃,局部溫升將對(duì)沖裁斷裂損傷及沖裁斷面的微觀組織帶來顯著影響，而高速?zèng)_裁過程中的溫升效應(yīng)及材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為將成為后續(xù)研究的熱點(diǎn)之一。

圖5　沖孔邊緣的屈服應(yīng)力分布[53]

圖6　高速?zèng)_裁斷面中的絕熱剪切帶[54]

圖7　沖裁斷面微區(qū)的晶體取向圖[55]

沖裁時(shí)各種工藝參數(shù)對(duì)材料韌性損傷及沖裁斷面的影響較大，現(xiàn)有研究對(duì)于宏觀的沖裁斷面質(zhì)量、數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了深入和系統(tǒng)研究，其研究成果豐富，深化了對(duì)高速?zèng)_裁本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，然而在進(jìn)行沖裁機(jī)理探索時(shí)，由于對(duì)起關(guān)鍵作用的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀變形局部化的控制和影響的重視與研究不夠，很難對(duì)其機(jī)制進(jìn)行深入和有效的分析，主要原因是對(duì)于局部化過程中的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)參數(shù)及與其對(duì)應(yīng)的微結(jié)構(gòu)演化缺少實(shí)時(shí)觀測(cè)和記錄的方法和手段，故難以將二者(即宏觀與微觀)有機(jī)結(jié)合起來進(jìn)行分析。

4　高速?zèng)_裁韌性斷裂和斷面質(zhì)量研究趨勢(shì)

沖裁時(shí)由于剪切應(yīng)變集中形成空穴形核與長(zhǎng)大，進(jìn)而造成剪切裂紋萌生與斷裂，決定了沖裁斷面中的光亮帶高度，也就相應(yīng)決定了沖裁斷面的質(zhì)量。在理論和應(yīng)用上，特別是“互聯(lián)網(wǎng)+”的經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下，為了快速、大批量地制造高性能、高精度的連接器，采用精密高速?zèng)_壓技術(shù)是發(fā)展方向；而隨著生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能擴(kuò)充及人工成本增加的雙重挑戰(zhàn)，沖壓速度提升的需求尤為迫切。而在沖裁韌性斷裂及沖裁斷面質(zhì)量的研究方面雖已取得了不少成果和進(jìn)展，但對(duì)其中不少關(guān)鍵問題，仍然需要展開系統(tǒng)和深入的工作，包括以下方面：

(1)高速?zèng)_裁過程中裂紋萌生時(shí)的韌性損傷閥值。對(duì)韌性斷裂特征的定量描述一直受到試驗(yàn)條件制約，因?yàn)閿嗔淹性诜浅Ｐ〉膮^(qū)域，而且應(yīng)變梯度較大，傳統(tǒng)測(cè)量方法無法直接獲得應(yīng)變場(chǎng)。截止目前，不少研究成果多是借助室溫準(zhǔn)靜態(tài)下的單向拉伸試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬確定材料的韌性斷裂時(shí)的應(yīng)變臨界值，因而需要更為科學(xué)合理的試驗(yàn)手段和方法。

(2)高速?zèng)_裁過程中材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)?，F(xiàn)有研究可能由于每分鐘沖裁次數(shù)不高(一般低于800)，材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系常由室溫條件下準(zhǔn)靜態(tài)的單向拉伸試驗(yàn)獲得。利用材料準(zhǔn)靜態(tài)條件下的力學(xué)性能去探討高速動(dòng)態(tài)條件下的成形性能顯然不再適合。

(3)高速?zèng)_裁過程中的熱效應(yīng)。高速?zèng)_裁過程中，絕大部分(>90%)的塑性功轉(zhuǎn)化為熱，再加上摩擦熱，溫升效應(yīng)將會(huì)對(duì)材料的韌性斷裂和沖裁斷面帶來不可忽略的影響[57]。

(4)高速?zèng)_裁斷面微觀結(jié)構(gòu)變化。受到薄材試樣制備的困擾及觀測(cè)手段的限制，使得薄板高速?zèng)_裁斷面內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律很難深入開展。

對(duì)于上述諸多關(guān)鍵問題研究的不足，主要原因在于：首先高速動(dòng)載下材料力學(xué)行為比起靜態(tài)時(shí)要復(fù)雜得多，涉及應(yīng)變、應(yīng)變速率、慣性、溫升、摩擦磨損等，分析和處理起來較為困難；然后沖裁過程十分短暫，一般在幾微秒甚至更短的時(shí)間內(nèi)完成，材料又經(jīng)歷了大應(yīng)變(1～3)和超高應(yīng)變速率(103～104s-1)[24,58]，可以預(yù)測(cè)在如此短暫的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷超高應(yīng)變率變形的材料其結(jié)構(gòu)及演化將十分復(fù)雜，這無疑為局部化過程中力學(xué)響應(yīng)的實(shí)時(shí)測(cè)試及其對(duì)應(yīng)的微結(jié)構(gòu)演化的觀察帶來了較大困難；最后沖裁空間及沖裁斷面空間尺度很小，通常很難對(duì)沖裁過程中溫升及沖裁斷面施行定點(diǎn)高倍(如透射電鏡)觀測(cè)與分析?？傊?，高速?zèng)_裁研究涉及力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、材料、化學(xué)甚至物理學(xué)等諸多交叉學(xué)科的理論與試驗(yàn)，需從宏觀到微觀、數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)等多層次上的結(jié)合進(jìn)行研究與分析。

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(編輯陳勇)

Research Progresses of Ductile Fracture and Blanked Surface Quality in High-speed Blanking

Chen Minghe1Hu Daochun1,2

1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016 2.Taizhou Vocational & Technical College,Taizhou,Zhejiang,318000

The smooth edge formed by shear crack propagation in plastic zone and premature fracture initialized by void growth and coalescence in blanking process were introduced, the mechanism of blanking ductile fracture and the determination of fracture parameters were explored with meso-damage theory. The influences of the processing parameters upon the blanking quality, the effects of material softening due to the heat generated during plastic work, and the microstructure of blanked surface were critically reviewed. Then the key problems for the development of high-speed blanking were discussed, and the viewpoints of future development of ductile fracture and blanked surface quality were proposed．

high-speed blanking; ductile fracture; blanked surface quality; thermal effect; adiabatic shear band

2015-07-01

TG386

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.09.020

陳明和，男，1962年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)殁伜辖鸺半y成形材料成形技術(shù)、材料成形性能分析與評(píng)價(jià)、板料成形CAE技術(shù)、集成計(jì)算材料工程(ICME)、材料超塑性及成形/擴(kuò)散連接技術(shù)、飛機(jī)(飛行器)鈑金精密制造及抗疲勞制造技術(shù)等。胡道春，男，1977年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士研究生，臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院講師。