304不銹鋼板冷沖及其沖裁質(zhì)量研究

李鵬元，何 偉，樊瑜瑾，鄭海濤

( 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500)

沖裁在實際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，保證獲得質(zhì)量合格的沖裁件是沖裁工藝的基本要求.沖裁件質(zhì)量，主要包括沖裁件的尺寸精度和斷面質(zhì)量，其中斷面上的光亮帶是沖裁件質(zhì)量的理想特征[1].長期以來，國內(nèi)外學(xué)者為提高沖裁件質(zhì)量對板料沖裁做了廣泛的理論和實驗研究.大量研究主要集中在板料沖裁受力狀況和變形過程、模具磨損壽命分析、板料沖裁有限元數(shù)值模擬以及沖裁速度、沖裁間隙等工藝參數(shù)對沖裁質(zhì)量的影響上[2-8].Husson等[9]研究了沖裁間隙、模具磨損以及摩擦對沖裁件剪切邊緣質(zhì)量的影響，研究表明沖裁間隙和模具磨損對沖裁質(zhì)量影響顯著，而摩擦只影響光亮帶和斷裂帶深度，對剪切邊緣質(zhì)量的影響甚微.徐杰[10]發(fā)現(xiàn)在黃銅箔微沖孔過程中，光亮帶高度隨沖裁間隙的增大而減小，而光亮帶孔徑受沖裁間隙影響較小，斷裂帶孔徑與沖裁間隙成線性增大的關(guān)系.Wang等[11]從有限元仿真和實驗兩方面著手，研究了DP780鋼板沖裁中的平面應(yīng)變、中性層局部拉伸變形以及不同間隙下的斷面形貌，對比發(fā)現(xiàn)二者所得結(jié)果非常吻合.Hatanaka等[12]研究了裂紋的生成條件和擴(kuò)展方式，沖裁力的變化及材料斷裂分離的過程.Achouri 等[13]研究了沖裁變形過程中的宏觀裂縫和微觀裂紋的形狀和位置，發(fā)現(xiàn)斷裂方式是空穴和微裂紋相互作用的結(jié)果.陳明和等[14]研究了高速沖裁中斷面的微觀組織變化，從材料細(xì)觀損傷角度闡明了斷面光亮帶、斷裂帶的形成機(jī)理，進(jìn)一步探討了韌性斷裂機(jī)理與斷面質(zhì)量的關(guān)系.綜上研究表明沖裁間隙是沖裁中重要的工藝參數(shù)，是沖裁件質(zhì)量的決定性因素.

目前，不銹鋼沖裁件廣泛應(yīng)用于餐具、家具和醫(yī)療器械等行業(yè)，人們對其沖裁件高質(zhì)量的要求也越來越迫切.本文通過對304不銹鋼板料進(jìn)行沖裁試驗，研究沖裁力的變化，進(jìn)一步探討沖裁間隙對沖裁件質(zhì)量的影響規(guī)律，選取最佳沖裁間隙以提高沖裁件質(zhì)量.

1 試 驗

1.1 試驗原理

沖裁是在瞬間完成的局限在沖裁間隙周圍一個狹小區(qū)域內(nèi)的高度非線性塑性斷裂過程.如圖1所示，在整個沖裁過程中，沖裁間隙附近的板料承受著非常復(fù)雜的受力狀況，主要有垂直壓力Fp1、Fp2，側(cè)壓力F1、F2以及摩擦力μFp1、μFp2、μF1、μF2等.板料沖裁變形3個明顯的階段依次為：彈性變形階段、塑性變形階段和斷裂分離階段.在板料沖裁試驗中，建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實時采集沖裁過程中的沖裁力和沖裁行程；改變沖裁間隙(下文中涉及的沖裁間隙均指單邊間隙C，以料厚百分比表示，%t)進(jìn)行多組不同沖裁間隙下的板料沖裁試驗.

1—凸模；2—板料；3—凹模

1.2 試驗材料

試驗材料為同一規(guī)格的304不銹鋼板料，厚度為2 mm，其化學(xué)成分和基本力學(xué)性能分別如表1、表2所示：

表1304不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

Table 1 Chemical composition of the 304 stainless steel(wt.%)

CSiCrMnNiPSFe0.0500.53018.8601.6508.2500.0400.003Bal.

表2 304不銹鋼的基本力學(xué)性能

1.3 試驗設(shè)備

1.3.1 沖裁裝置

板料沖裁所用設(shè)備為一臺VHB -150型三合一加工機(jī)床，其額定工作油壓為70 MPa.試驗所用的5套沖孔模具基本尺寸為：凸模，Φ10 mm；凹模，Φ10.6，Φ10.8，Φ11.0，Φ11.2和Φ11.4 mm.沖裁裝置原理圖如圖2所示.

圖2 沖裁裝置原理圖

1.3.2 數(shù)據(jù)采集裝置

建立PLC控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實時采集板料沖裁過程中的沖裁力和沖裁行程的電壓模擬量.采用壓力變送器測量沖裁力，其輸出電壓范圍為0～5 V，測量壓力范圍為0～100 MPa，二者成比例.根據(jù)比例關(guān)系將采集到的電壓模擬量轉(zhuǎn)化為沖裁壓力值，再由式(1)可得沖裁力F.同理，將位移傳感器采集到的電壓模擬量轉(zhuǎn)化為實際沖裁行程.

F=P·πR2.

(1)

式中：F為沖裁力；P為液壓缸內(nèi)部液壓力；R為液壓缸內(nèi)部活塞半徑，R=37.5 mm.

1.4 試驗步驟

選取若干規(guī)格相同的2 mm厚的304不銹鋼板作為材料.為提高凸模壽命，在合理大沖裁間隙條件下，以沖裁間隙為試驗變量，分別取其為15%t、20%t、25%t、30%t、35%t進(jìn)行5組沖裁試驗.試驗中，選定凸模直徑為沖孔件公稱尺寸Φ10 mm，通過分別更換不同直徑的凹模，來改變沖裁間隙的大小.試驗過程中實時采集沖裁力和沖裁行程的電壓模擬量，沖裁完成后測量各組沖孔件斷面的相關(guān)幾何參數(shù)，并對其進(jìn)行電鏡掃描得到斷面形貌.為了保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組試驗多次沖裁，并對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行多次測量取平均值作為有效數(shù)據(jù).

2 結(jié)果及分析

2.1 沖裁過程中沖裁力的變化

對沖裁行程與沖裁力關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，得到5組不同沖裁間隙條件下的沖裁力-沖裁行程曲線.對比發(fā)現(xiàn)，不同沖裁間隙條件下的沖裁力-沖裁行程曲線雖有細(xì)微的差別，但變化趨勢基本一致，且其變化趨勢與沖裁變形3個階段相互對應(yīng).取其中1組來說明沖裁變形各階段沖裁力的變化情況.

圖3所示為沖裁間隙為15%t時的沖裁力-沖裁行程曲線及沖孔件斷面.由圖3可以看出，在初始階段，凸模在液壓力的推動下穩(wěn)定下移，并未接觸到板料，故沖裁力很小.當(dāng)行程達(dá)到約2 mm時，凸模上的頂尖接觸到板料，沖裁力緩慢增大.當(dāng)行程達(dá)到A點時，凸模刃口接觸到板料，板料進(jìn)入彈性變形階段，彈性變形很小，可以忽略不計.彈性變形快速結(jié)束后板料進(jìn)入塑性變形階段，凸模繼續(xù)壓入板料，板料承受沖裁力的剪切面積不斷減少而材料的加工硬化不斷增大，變形抗力也不斷增大，故沖裁力先快速增大后增速又放緩；當(dāng)行程達(dá)到B點時，沖裁力達(dá)到最大值，塑性變形結(jié)束，板料進(jìn)入斷裂分離階段.在斷裂分離階段初期，板料在模具刃口處出現(xiàn)裂紋，沖裁力突然開始減小，裂紋也不斷發(fā)展.當(dāng)行程達(dá)到C點附近時，上、下裂紋重合，板料發(fā)生斷裂，沖裁力快速減小到最小值D點，沖裁變形結(jié)束.此外，凸模受到碟形彈簧的阻礙作用，因此，沖裁力并未減小到0.

對試驗所得到的5組沖裁力-沖裁行程曲線和沖孔件斷面光亮帶高度進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)沖裁力從A點到B點所經(jīng)過的行程近似等于沖孔件斷面上的光亮帶高度，進(jìn)一步說明在整個塑性變形階段產(chǎn)生了光亮帶，沖裁力達(dá)到最大值時光亮帶結(jié)束，斷裂帶開始產(chǎn)生.

圖3沖裁間隙為15%t時沖裁力-沖裁行程曲線(a)及沖孔件斷面(b)

Fig.3 Blanking force-blanking stroke curve(a) and section(b) when blanking clearance is 15%t

圖4為沖裁間隙對最大沖裁力的影響規(guī)律，可以看出，最大沖裁力隨沖裁間隙的增大而減小.沖裁間隙越小，板料所受側(cè)面拉應(yīng)力越小而垂直壓應(yīng)力越大，即板料所受剪切作用越強(qiáng)，加工硬化程度越大，材料越不易被撕裂，因此，最大沖裁力越大.

圖4 沖裁間隙對最大沖裁力的影響

2.2 沖孔件斷面形貌分析

采用TESCAN VEGA 3 SBH型掃描電子顯微鏡(SEM)對試驗所得沖孔件斷面進(jìn)行掃描，得到其斷面微觀形貌圖，沖孔件斷面上圓角帶，光亮帶及斷裂帶3大區(qū)域特征截然不同.圖5所示為圓角帶與光亮帶的微觀形貌，可以看出，圓角帶呈不規(guī)則塊狀，光亮帶表面平整光滑，僅有少量平行的滑槽，二者交匯線相對比較規(guī)則.由于沖裁間隙的存在，板料變形區(qū)內(nèi)的材料受到拉伸、彎曲作用而出現(xiàn)流動形成圓角帶，晶粒發(fā)生錯動與滑移，在此過程中晶粒產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，因而呈不規(guī)則塊狀，并出現(xiàn)較大間距.光亮帶是在板料塑性成形階段由于剪切作用而形成的剪切帶，因此，表面比較平整，在板料厚度方向(即沖裁方向)上存在平行溝槽.隨沖裁變形的進(jìn)行，當(dāng)剪切作用大于拉伸彎曲作用時，晶粒被切斷，斷面由圓角帶過渡到光亮帶，因此，交匯線比較規(guī)則.

圖5 不同放大倍數(shù)下圓角帶與光亮帶微觀形貌

圖6、圖7分別為沖裁間隙較小和較大時的光亮帶與斷裂帶的微觀形貌.從圖6和圖7可以看出，光亮帶與斷裂帶交匯處凹凸不平，極不規(guī)則，斷裂帶表面粗糙，參差不齊，存在許多橢圓形空洞或臺階狀裂紋.在光亮帶與斷裂帶交匯處開始出現(xiàn)裂紋，沿著沖裁方向光亮帶結(jié)束，斷裂帶開始，因此，裂紋出現(xiàn)的時間和位置決定了光亮帶的高度.沖裁間隙對裂紋出現(xiàn)的位置和裂紋的擴(kuò)展方式都有重要影響，因此,會顯著影響沖孔件的斷面形貌.

圖6 沖裁間隙較小時光亮帶與斷裂帶微觀形貌

Fig.6 Microscopic images of the burnish and fracturewhen blanking clearance is smaller

圖7 沖裁間隙較大時光亮帶與斷裂帶微觀形貌

Fig.7 Microscopic images of the burnish and fracture when blanking clearance is larger

從圖6可以看出，當(dāng)沖裁間隙小于20%t時，斷裂帶呈斜韌窩狀，沖裁間隙越小韌窩也越細(xì)小越密集.這種斷裂方式屬于韌窩斷裂，形成韌窩斷面的微觀機(jī)理是空穴聚集.在塑性變形階段，由于局部應(yīng)變和應(yīng)變集中的作用會產(chǎn)生少量微小空穴，在此階段應(yīng)力三軸度增幅不大，導(dǎo)致板料變形區(qū)中的空穴形核及長大受到限制，在剪切的主導(dǎo)作用下形成光亮的剪切帶；在斷裂分離階段，拉應(yīng)力的不斷增大導(dǎo)致應(yīng)力三軸度增幅快速變大，其與塑性應(yīng)變的共同作用引起空穴的快速增多及長大，當(dāng)這些空穴聚集在一起時板料發(fā)生斷裂并形成韌窩斷面[14].在此過程中材料所受的正拉應(yīng)力導(dǎo)致斷裂形成等軸韌窩，切應(yīng)力與撕裂應(yīng)力均會導(dǎo)致形成的韌窩被拉長[15].沖裁間隙較小時，變形區(qū)材料所受垂直壓應(yīng)力較大，剪切應(yīng)變比較集中，容易導(dǎo)致空穴不斷形核、長大，因此,斷裂帶主要呈韌窩狀.此外，上、下裂紋沿最大切應(yīng)力方向擴(kuò)展，二者在沖裁間隙較小時更容易重合，因此，斷裂帶裂紋相對較淺.

從圖7可以看出，當(dāng)沖裁間隙大于30%t時，斷裂帶空洞較少，主要呈臺階狀裂紋.剪切應(yīng)變集中造成了空穴的形核及長大，沖裁間隙較大時，剪切應(yīng)變集中程度降低，斷裂帶僅有少量韌窩[16].從宏觀角度講，沖裁間隙越大，裂紋形成的位置離模具刃口相對越遠(yuǎn)，形成的裂紋越多，裂紋易向板料深度方向擴(kuò)展且上、下裂紋不易重合，當(dāng)這些裂紋連接起來時便形成了相對較深的臺階狀裂紋.

2.3 沖裁間隙對沖裁質(zhì)量的影響

試驗所得不同沖裁間隙下各組沖孔件的相關(guān)參數(shù)如表3所示，分別擬合表3中各相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)與沖裁間隙的關(guān)系曲線，分析304不銹鋼板冷沖中沖裁間隙對沖孔件尺寸精度和斷面輪廓的影響規(guī)律.

表3不同沖裁間隙下的沖孔件相關(guān)參數(shù)

Table 3 The relevant data with different blanking clearance

沖裁間隙/%t光亮帶孔徑/mm光亮帶高度/mm斷裂帶孔徑/mm毛刺高度/mm1510.0001.12810.3840.062010.0141.08810.4200.152510.0351.02010.4050.273010.0520.92810.4160.393510.1001.05210.4030.46

2.3.1 沖裁間隙對尺寸精度的影響

圖8所示為沖裁間隙對光亮帶孔徑和斷裂帶孔徑的影響規(guī)律.從圖8可以看出，光亮帶孔徑略大于沖孔件公稱尺寸，并隨著沖裁間隙的增大而緩慢增大.即沖裁間隙越大，尺寸誤差越大，精度越低.板料沖裁過程中會受到拉伸與彎曲作用而產(chǎn)生變形，在沖裁結(jié)束后由于彈性變形的存在會發(fā)生一定的彈性回復(fù)，導(dǎo)致沖孔件斷面處的材料向板料深度方向收縮，使所得到的沖孔件尺寸通常會大于公稱尺寸.沖裁間隙越大彈性回復(fù)越大，因此，光亮帶孔徑隨著沖裁間隙的增大而呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢.在試驗給定的大沖裁間隙條件下，斷裂帶孔徑遠(yuǎn)大于沖孔件公稱尺寸，在Φ10.400 mm處上下輕微波動.由于斷裂角的存在，斷裂帶孔徑大于光亮帶孔徑.由于試驗中保持凸模直徑不變，因此，光亮帶孔徑與凸模直徑基本保持一致，保證沖孔尺寸的精確性；而斷裂帶孔徑主要由凹模直徑?jīng)Q定，由于試驗給定沖裁間隙較大，沖裁間隙對斷裂帶孔徑的影響已經(jīng)趨于平穩(wěn)狀態(tài).

圖8 沖裁間隙對光亮帶孔徑和斷裂帶孔徑的影響

Fig.8 Effect of blanking clearance on the burnish aperture and fracture aperture

2.3.2 沖裁間隙對斷面輪廓的影響

圖9為沖裁間隙對光亮帶高度的影響規(guī)律，可以看出，光亮帶高度隨著沖裁間隙的增大呈先減小后增大的變化趨勢.當(dāng)沖裁間隙為15%t時，光亮帶高度最大，約為板厚的56.4%；當(dāng)沖裁間隙介于(15%～20%)t時，光亮帶高度隨沖裁間隙的增大而減小，但降幅很?。划?dāng)沖裁間隙介于(20%～35%)t時，光亮帶高度快速減小到最小值后又有所增大.

當(dāng)沖裁間隙較小時，板料變形區(qū)內(nèi)的彎矩較小，沖裁力較大，板料所受剪切作用相對于拉伸彎曲作用占主導(dǎo)地位，形成了光亮的剪切帶，即光亮帶；此時，板料不易被拉裂，光亮帶占比較大.當(dāng)沖裁間隙較大時，板料所受拉伸彎曲作用增強(qiáng)，裂紋易產(chǎn)生，板料容易被撕裂，光亮帶相對減少.裂紋的萌生代表著光亮帶的結(jié)束和斷裂帶的開始，當(dāng)沖裁間隙為35%t時，斷裂帶微觀形貌呈臺階狀裂紋，裂紋連接形成臺階狀會消耗很多能量，這會在一定程度上延緩裂紋的產(chǎn)生和前沿的擴(kuò)展，因此，導(dǎo)致光亮帶高度又會有所增長.

圖9 沖裁間隙對光亮帶高度的影響

圖10所示為沖裁間隙對毛刺高度的影響規(guī)律,可以看出,毛刺高度隨沖裁間隙的增大而增大.在板料斷裂分離階段，裂紋并不是正對著凸、凹模間隙產(chǎn)生，而是先從凹模刃口側(cè)面處的材料開始，因此，斷裂后在沖裁件上留有毛刺.沖裁間隙較小時，板料易沿著凸、凹模刃口處產(chǎn)生裂紋，上、下裂紋在最大切應(yīng)力方向上互相重合，毛刺較小，容易清除；沖裁間隙較大時，板料所受彎曲與拉伸作用增大，裂紋容易在離刃口稍遠(yuǎn)的側(cè)面生成，板料容易被撕裂，因此，產(chǎn)生的毛刺高度較大，難以去除.

圖10 沖裁間隙對毛刺高度的影響

3 結(jié) 論

1)在試驗所采用的沖裁間隙范圍內(nèi)，沖裁力隨沖裁行程變化趨勢基本一致，幾乎不受沖裁間隙的影響；沿著沖裁方向，沖孔件斷面由光亮帶過渡到斷裂帶，在二者交匯處沖裁力達(dá)到最大值，最大沖裁力隨沖裁間隙的增大而減小.

2)通過分析試驗給定不同沖裁間隙條件下所得沖孔件斷面微觀形貌，發(fā)現(xiàn)沖孔件斷面光亮帶光滑平整，斷裂帶凹凸不平；斷裂帶微觀形貌受沖裁間隙影響較大，當(dāng)沖裁間隙較小時，斷裂帶形貌呈細(xì)小密集的韌窩狀；隨著沖裁間隙的增大，韌窩逐漸變大且數(shù)量減少；當(dāng)沖裁間隙較大時，斷裂帶形貌僅有少量韌窩，以臺階狀為主.

3)在試驗所采用沖裁間隙范圍內(nèi)，隨著沖裁間隙的增大，毛刺高度近似線性增大，光亮帶孔徑緩慢增大，而斷裂帶孔徑受沖裁間隙影響較小，在Φ10.400 mm附近輕微波動；沖裁間隙對斷面光亮帶高度影響顯著，隨著沖裁間隙增大到30%t，光亮帶高度則逐漸減小至最小值，而后隨沖裁間隙的繼續(xù)增大光亮帶高度又有所增大.

4)通過分析沖裁間隙對沖裁質(zhì)量的影響規(guī)律，獲得了在試驗給定沖裁間隙范圍內(nèi)直徑為10 mm、厚度為2 mm的304不銹鋼板沖孔的最佳沖裁間隙.當(dāng)沖裁間隙為15%t時，對2 mm厚的304不銹鋼板進(jìn)行直徑為10 mm沖孔時，所得沖孔件斷面光亮帶較多且孔徑誤差小，毛刺較小，即沖孔件尺寸精度高，斷面質(zhì)量好.

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