高強度鋼19MnB4板料沖裁間隙有限元模擬

王凌浩，黎志勇，單隴紅

（廣東理工學院，廣東 肇慶526100）

沖裁作為金屬板料加工的重要工序之一，成形過程涉及彈性變形、塑性變形和剪切斷裂，不同的沖裁工藝參數(shù)產(chǎn)生不同沖裁質(zhì)量[1]。沖裁間隙作為最重要的參數(shù)之一，合理的取值，將直接有效地提高沖裁質(zhì)量、延長模具壽命。傳統(tǒng)的間隙設計方法有：經(jīng)驗確定法、理論確定法和試沖確定法。但隨著有限元理論與數(shù)值模擬技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的方法逐步被仿真模擬技術替代。目前，有大量的沖裁間隙研究，但沒有一種研究具有普遍性。本文以高強度鋼19MnB4為材料，通過模擬，確定合理的沖裁間隙，為實際生產(chǎn)提供指導。

1 試驗

1.1 沖裁間隙

沖裁可以概括為板料在凸、凹模的作用下產(chǎn)生雙向裂紋擴展相迎分離的過程，在分析沖裁變形機理時，可以簡要的概括為3個階段：變形階段、塑性變形階段、斷裂分離階段[2]。研究沖裁間隙對沖裁力及斷面質(zhì)量影響的過程中，試驗中的沖裁間隙均指相對間隙z/t，如圖1所示。

圖1 沖裁間隙

1.2 斷裂準則選擇

對于沖裁工藝的有限元數(shù)值模擬，模擬結(jié)果的質(zhì)量與斷裂準則的選擇有直接關系。目前，精密沖裁模擬的斷裂準則大多采用Cockcroft＆Latham斷裂準則和Oyane斷裂準則兩種。

Cockcroft＆Latham表明材料的破壞跟材料所受的最大主應力密切相關；Oyane則考慮靜水應力對韌性破壞的影響，可以定量表示瞬時的損傷狀態(tài)，對整個過程中應力-應變對材料的劣化效應有直觀的體現(xiàn)[3]。

研究表明[4]，當材料抗破壞能力較強時，兩種準則的模擬結(jié)果與實際相符；材料抗破壞能力較弱時，尤其精密沖裁，Oyane模擬的結(jié)果更加準確真實、切合實際。本文模擬材料為19MnB4，具有高硬度、高強度、低塑性、低韌性的特點，斷裂準則選Oyane.

1.3 有限元模擬模型建立

依據(jù)根據(jù)前輩學者[2，5-7]研究成果、實際板料沖裁經(jīng)驗和材料有關數(shù)據(jù)[8]，設置Deform模擬相關參數(shù)，如表1所示；并對沖裁塑性變形區(qū)進行局部網(wǎng)格細化，如圖2所示。

表1 模擬參數(shù)

圖2 模型與網(wǎng)格劃分

2 有限元模擬結(jié)果與分析

2.1 合理沖裁間隙分析

沖裁間隙對產(chǎn)品斷面質(zhì)量以及模具壽命有很大影響。間隙過大，沖裁力較小，但斷面光亮帶較小，光潔度差，出現(xiàn)較大毛刺，情況嚴重將導致工件報廢；間隙過小，斷面光亮帶較大，光潔度好，毛刺較小，但沖裁力較大，降低模具壽命。實際上，間隙過大或過小，沖裁功都會增大，所以以沖裁功的變化來確定合理沖裁間隙比較理想。沖裁功[9]的表達式為：

式中：F（l）為凸模瞬時沖裁力；dl為凸模行程增量；L為凸?？傂谐?。

根據(jù)表1中設置的6組不同間隙進行模擬，模擬結(jié)果如圖3（a）所示；再根據(jù)模擬結(jié)果與公式（1）進行計算，擬合得到?jīng)_裁功隨間隙變化的趨勢，如圖3（b）所示。

圖3 沖裁力與沖裁功變化曲線圖

圖3 （a）可以看出，沖裁間隙對最大沖裁力的影響并不顯著；圖3（b）表明，當間隙為0.046 mm，沖裁功最小，可以認為在當前沖裁條件下合理的沖裁間隙為0.046 mm.

2.2 沖裁斷面分析

國標 GB/T 16743—2010[10]中，將沖裁件的斷面分為塌角、光亮帶、斷裂帶和毛刺4個部分，如圖4所示。圖中A為塌角（圓角帶），B為光亮帶，C為斷裂帶，D為毛刺，t為板料厚度。

圖4 沖裁斷面圖

根據(jù)有限元模擬的結(jié)果，統(tǒng)計出斷面中塌角、光亮帶和毛刺的數(shù)據(jù)，繪制隨沖裁間隙變化趨勢圖，如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著間隙的增大，塌角的斷面占比逐漸的增大，光亮帶斷面占比不斷減小，毛刺高度增大，這些變化趨勢均符合實際情況。

圖5 沖裁斷面隨間隙變化圖

3 結(jié)論

利用有限元軟件對高強度鋼19MnB4板料不同沖裁間隙進行模擬，結(jié)果顯示不同間隙對沖裁力的影響并不顯著，但對斷面質(zhì)量影響顯著，沖裁間隙越小，斷面質(zhì)量越好，但并不是越小越合理；分析了沖裁功隨沖裁間隙的變化趨勢，分析得出：厚度為1.5 mm的19MnB4板料合理的沖裁間隙為0.046mm，為板料沖裁模的設計提供了指導。