基于ABAQUS的板材精沖工藝研究

魯子恒+雷君相

摘要：

構(gòu)建厚度為1.5 mm的板材精密沖裁有限元模型，分析板材精沖的變形過程.通過大量有限元模擬，重點分析壓邊力和反壓力對精沖斷面質(zhì)量的影響規(guī)律，并將模擬結(jié)果和試驗結(jié)果進行對比分析.結(jié)果表明：當壓邊力不變時，隨著反壓力的增大，精沖斷裂帶長度不斷減小，而斷面平整度逐漸變差；當反壓力不變時，斷裂帶長度不隨壓邊力的增大發(fā)生較大改變，但斷面平整度提高；當壓邊力和反壓力相互配合時，沖孔斷裂帶最小，斷面平整度最好；模擬結(jié)果與試驗結(jié)果非常接近，說明壓邊力對精沖斷面質(zhì)量影響規(guī)律的模擬結(jié)果準確.

關(guān)鍵詞：

板材精沖； 有限元模擬； 反壓力； 壓邊力

中圖分類號： TG 386-文獻標志碼： A

Research on Fine-blanking Technology Based on ABAQUS

LU Ziheng， LEI Junxiang

（School of Materials Science and Engineering， University of Shanghai

for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

This paper presents building a finite element model of the fine blanking with a thickness of 1.5 mm plate and studying the plate deformation process by fine blanking.The effect on fracture surface by fine blanking through blank holder force and back pressure was analyzed.Both of simulations and experimental results similarly indicated that：when blank holder force was kept constant，the increase of back pressure shows fault zone was decreased and smooth finish got worse by fine blanking； when back pressure was kept constant，the increase of blank holder force manifests fault zone was not changed a lot but smooth finish got better； there is optimal point by using both to minimize the fault zone and obtain best smooth finish.

Keywords：

plate fine-blanking； finite element simulation； back pressure； blank holder force

精密沖裁簡稱精沖.精沖是在普通沖壓技術(shù)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗和面廣等特點.隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，對零件的質(zhì)量要求也越來越高，普通沖孔的精密程度已經(jīng)無法滿足需求.經(jīng)過許多學者的長期研究，精密沖孔技術(shù)應(yīng)運而生，它優(yōu)化了金屬板料的加工工藝鏈.LEE等[1-2]對精沖過程進行了有限元模擬，開發(fā)了相關(guān)的網(wǎng)格重畫程序；彭群等[3]通過有限元模擬，預設(shè)損傷破壞臨界值，預測了裂紋的產(chǎn)生；HATANAKA等[4-6]對沖裁裂紋的衍生和擴展進行了分析討論，分析了各工藝參數(shù)對沖裁斷面質(zhì)量的影響，有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果一致；CHAN等[7-8]用ABAQUS對整個精沖過程進行有限元模擬，分析得出了變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律；HAMBLI等[9-10]對沖裁斷裂準則進行了深入廣泛的試驗和分析研究.

精沖過程中，凸模接觸坯料之前，壓邊圈壓緊板料，在壓邊圈與凹模之間產(chǎn)生豎向壓應(yīng)力，并且在坯料斷裂過程中，由于擠壓作用產(chǎn)生橫向彈性變形，而產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力.在凸模壓入坯料的同時，反頂桿對坯料施加反壓力，反頂桿與凸模相互作用產(chǎn)生豎向壓應(yīng)力，凸模上的V形齒圈壓入坯料時產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力，阻止了金屬材料在剪切過程中的撕裂和橫向流動，坯料在壓緊狀態(tài)下由沖裁力作用，凸模沿著凹模刃口的形狀以純剪切的形式對坯料沖孔.

為了防止沖孔得到的帶孔板料表面出現(xiàn)壓痕，V型齒圈被建立在凸模上.本文通過對SUS304不銹鋼箔材在不同反壓力、壓邊力作用下的精沖過程進行有限元模擬分析，研究了壓邊力、反頂力對精沖質(zhì)量的影響規(guī)律，并與試驗結(jié)果進行對比來分析模擬結(jié)果的準確性.

1 有限元模擬

1.1 精沖模型的建立

運用ABAQUS6.14模擬整個精沖過程.在建模過程中選擇二維軸對稱模型，這樣能減少單元數(shù)，縮短計算時間，而且還能在保證同樣多網(wǎng)格數(shù)的前提下，細化坯料剪切帶的網(wǎng)格，使模擬結(jié)果更接近實際.精沖工藝原理見圖1.

精沖模擬過程所選用的零件材料為SUS304不銹鋼箔材.不銹鋼箔材厚度為1.5 mm.建模時，將箔材設(shè)置為彈塑性體，模具設(shè)置為剛性體.模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示，網(wǎng)格數(shù)為1 389.為保證模型計算精度，在凸凹模剪切帶采取四邊形單元，細化網(wǎng)格，因為板料在精沖過程中剪切帶網(wǎng)格變形嚴重，如果不細化，可能導致模擬結(jié)果不準確，甚至可能因為網(wǎng)格畸變過大而報錯，達不到計算的目的.

根據(jù)通用技術(shù)標準，可以確定精沖各參數(shù)范圍值.表1為精沖有限元模擬的基本工藝參數(shù)，在模擬過程中不考慮溫度對精沖過程的影響.其中RP、Rd分別為凸凹模的圓角半徑.在模擬過程中，凸模與板料之間的接觸關(guān)系為切向摩擦，將摩擦因數(shù)設(shè)置為0.125.

1.2 精沖過程凸模的載荷分析

圖3為精沖模擬過程中凸模載荷—位移曲線.此次模擬過程中，凸凹模間隙為0.05 mm，壓邊力為1 700 N，反頂力為500 N.由圖3可知，凸模向下運動接觸材料后，V形齒圈壓入坯料中，此時曲線斜率較小，完成第1個分析步.材料經(jīng)過短暫的彈性變形轉(zhuǎn)變成塑性變形，此過程中，凸模所受到的載荷隨位移逐漸增大.隨著凸模進一步下壓，剪切厚度逐漸減小，但是由于材料在剪切過程中存在硬化作用，凸模載荷會繼續(xù)增大.當凸模位移到達0.67 mm時，載荷達到最大值4 604 N.隨著凸模繼續(xù)下壓，剪切厚度進一步減小，凸模載荷隨位移緩慢減小直到最后完成整個沖裁過程.凸模最大載荷一般出現(xiàn)在沖裁過程的1/5～1/3處.由圖3可知，凸模載荷最大時，位移為0.67 mm，正處于此范圍內(nèi).根據(jù)剪切力的計算公式：

F=L×S×σb×f

式中：L為剪切線長度；S為板料厚度；σb為材料抗拉強度；f為系數(shù)，通常取0.9.

將L=2π mm，S=1.5 mm，σb=520 MPa，f=0.9，代入式（1）得F=4 409 N.

圖3所示模擬結(jié)果最大載荷為4 604 N，與經(jīng)驗公式計算出的剪切力相差4.4%，說明模擬結(jié)果精確.

2 模擬結(jié)果分析

2.1 反壓力對精沖質(zhì)量的影響

在精沖的過程中，反壓力是精沖工藝參數(shù)中非

常重要的參數(shù)之一.它作用于呈平面的反頂桿上，反壓力與壓邊力協(xié)同作用，不但可以使精沖變形區(qū)產(chǎn)生三向壓應(yīng)力，并且抑制坯料在加工過程中發(fā)生彎曲.反壓力太小時，會使得材料在變形區(qū)的三向應(yīng)力不足，使得坯料在精沖后成形質(zhì)量不好；反壓力太大，會增加沖裁力，也增加了模具的載荷，因此需要通過模擬分析選擇出最合適的反壓力.

反壓力分別取100，500，800和1 000 N進行有限元模擬.圖4所示為不同反壓力下，精沖行程為0.5 mm時的靜水應(yīng)力分布圖.

由圖4可以看出，隨著反壓力的增加，反壓板、坯料和凹模間產(chǎn)生的空腔體積不斷減小.這是由于反壓力的增加，使得坯料在變形區(qū)受到的壓力增加，使得反壓板跟坯料在沖孔過程中連接得更緊密.從圖4（a）中可以看出，在此行程下，當反壓力為100 N時，此時靜水應(yīng)力約為287 MPa.但是已經(jīng)產(chǎn)生空腔，這是由于反壓力過小，沖孔過程中拉應(yīng)力增加， 壓應(yīng)力減小，導致坯料在沖孔過程中發(fā)生彎曲變形，使得坯料斷裂時不能發(fā)生純剪切斷裂.在沖孔過程中，應(yīng)該避免產(chǎn)生空腔，材料不發(fā)生彎曲變形.發(fā)生彎曲變形會使得坯料塑性變形時間縮短，過早發(fā)生斷裂，影響孔的成形質(zhì)量.當反壓力為500 N時，空腔體積依然沒有變小，這個時候斷裂區(qū)靜水應(yīng)力約為830 MPa；當反壓力為800 N時，已經(jīng)不存在空腔，靜水應(yīng)力為979 MPa左右；當反壓力增加到1 000 N時，靜水應(yīng)力約為1 007 MPa.可以看出，從500 N增加到1 000 N時，靜水壓力不斷增加，這說明反壓力可以明顯地提高精沖過程中變形區(qū)的靜水壓力.

壓邊力取2 000 N，反壓力分別取100，500，800和1 000 N進行有限元模擬.模擬結(jié)果如圖5所示.

隨著反壓力的提高，斷裂帶不斷減小.當反壓力為100 N時，坯料斷裂面的光滑帶占整個斷面的77%，斷裂帶長度為0.35 mm；當反壓力達到500 N時，斷裂帶長度有了略微減少，使得斷裂面光滑帶達到整個斷面的78%，斷裂帶長度為0.33 mm；當反壓力為800 N時，斷裂帶長度為0.21 mm，斷裂帶的長度明顯減小，斷裂帶的比例由22%降為14%.可以看到當反壓力增加到800 N時，坯料的塑性明顯變好，使得斷裂帶長度明顯降低，但是坯料的斷面上有部分不平整；當反壓力到1 000 N時，已經(jīng)完全消除斷裂帶，沖頭行程達到0.18 mm時才發(fā)生完全斷裂，沖頭的行程已經(jīng)超過坯料厚度時才發(fā)生完全斷裂，但是斷面上損傷的部分略多，導致斷面不平整.在壓邊力為一定值時，當反壓力逐漸增加時，斷裂帶的長度逐漸減小，反壓力達到1 000 N時，可以完全消除斷裂帶.但是在一定的壓邊力下，反壓力越大時，斷面平整度不但沒有提高，反而隨著反壓力的增加而降低.

2.2 壓邊力對精沖質(zhì)量的影響

反壓力取800 N，壓邊力分別取1 000，1 300，1 700和2 000 N進行模擬，模擬結(jié)果如圖6所示.

從圖6中可以看出，在精沖過程中，反壓力不變，壓邊力越大坯料斷裂區(qū)受到的靜水壓力越大，斷裂帶的長度逐漸減小.當壓邊力增大到1 700 N之后，斷裂帶的長度基本保持不變，但是斷裂面的平整度得到提高.除了斷裂帶，斷面其他部分基本上沒有損傷，得到非常好的精沖質(zhì)量.

通過分析反壓力和壓邊力對精沖質(zhì)量影響的模擬結(jié)果，可以分別得到這兩個參數(shù)對精沖質(zhì)量的影響規(guī)律：當壓邊力一定時，反壓力對提高材料的塑性變形性能有非常大的影響；當反壓力一定時，壓邊力對材料的塑性變形性能的影響程度有限，但是對材料的斷裂面的平整度影響很大.反壓力和壓邊力都是影響精沖質(zhì)量的決定性因素，只有兩者相互配合才能沖裁出斷裂帶最小、光滑帶平整的高質(zhì)量斷面.

因此，取不同的反壓力和壓邊力來模擬分析.結(jié)果表明：反壓力為1 000 N、壓邊力為2 000 N時，精沖效果最好.如圖6所示，斷裂帶長度約為0.1 mm，斷裂面粗糙度達到了93%.觀察圖6可以推斷，斷裂帶產(chǎn)生的主要原因在于凸凹模間隙.間隙的存在使得坯料存在無法處于三向應(yīng)力作用下的空白區(qū)域，由于此處拉應(yīng)力過大而產(chǎn)生的斷裂帶.當繼續(xù)增加反壓力和壓邊力時，坯料的精沖質(zhì)量并沒有得到提高，反而有所下降.所以反壓力為1 000 N、壓邊力為2 000 N時，為最合理的精沖模擬工藝參數(shù).

3 分析與討論

為了分析反壓力對精沖質(zhì)量的影響規(guī)律，試驗采用SEM對精沖孔斷面進行分析，斷面質(zhì)量如圖7所示.可以看出，隨著反壓力的增大，光滑帶高度顯著增加，斷裂帶高度明顯減小.同時當反壓力達到1 000 N時，部分斷面已經(jīng)完全消除了斷裂帶，但是斷面損傷比較嚴重，影響斷面質(zhì)量.因此，在進行微孔沖裁時最佳沖裁反壓力在800 N左右，所獲得沖孔斷面的質(zhì)量較好.

對比試驗結(jié)果與模擬結(jié)果如圖9所示.光滑帶尺寸隨著反壓力的增大表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，證明了模擬的合理性.模擬值比試驗值偏大，這是因為在用ABAQUS建模時接觸條件的設(shè)定與斷裂參數(shù)的選擇與真實沖裁過程有一定偏差.

圖10（a）、圖10（b）分別為數(shù)值模擬和掃描電子顯微鏡下拍攝的試驗沖裁斷面圖，模擬斷面光滑帶高度為1.4 mm，占總斷面高度的93%；試驗結(jié)果中，光滑帶高度為1.35 mm，占總斷面高度的90%，兩者結(jié)果非常接近.從兩組數(shù)據(jù)可知，第2節(jié)中壓邊力對精沖斷面質(zhì)量的影響規(guī)律的模擬結(jié)果準確：壓邊力對材料的塑性變形性能的影響程度有限，但是對材料的斷裂面的粗糙度影響很大.

4 結(jié) 論

（1） 精沖過程中壓邊力保持不變，隨著反壓力的增加，材料變形區(qū)受到的三向應(yīng)力逐漸增大，延緩了坯料的裂紋產(chǎn)生的時間，斷裂帶的長度逐漸變小.當反壓力達到一定值時，精沖質(zhì)量己經(jīng)有了很好的改善.繼續(xù)增加反壓力，雖然延緩了坯料發(fā)生斷裂的時間，但是斷面光潔度并沒有提高，甚至變得更低，反而影響了精沖質(zhì)量.

（2） 反壓力保持不變，壓邊力越大，斷裂帶的長度逐漸減小，材料的塑性變形性能越來越好；當壓邊力達到一定值時，隨著壓邊力的增加，斷裂帶的長度基本保持不變，但是斷裂面的粗糙度逐漸提高.

（3） 反壓力對于延緩坯料的斷裂起著關(guān)鍵作用，壓邊力對于坯料的斷面平整度起著關(guān)鍵作用.兩者相互配合，沖孔斷面斷裂帶小、粗糙度高，精沖效果達到最好.

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