可剝墊片普通沖裁分層機(jī)理研究

朱蓮萍，孫小峰，莊新村，孫曉龍，高灑蕾，何雪婷

（1.中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324；2.上海交通大學(xué)模具CAD 國(guó)家工程研究中心，上海 200030）

可剝墊片又稱層撕墊片，是由多層金屬材料或復(fù)合材料通過(guò)樹(shù)脂粘合而成的層狀板料，通過(guò)機(jī)加工或者沖裁下料得到一定的形狀，用于飛機(jī)裝配間隙的調(diào)節(jié)。本研究提到的可剝墊片是由1100-H19 鋁合金和2024-T3 包鋁合金通過(guò)樹(shù)脂黏合而成的材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。沖裁作為一種常規(guī)的下料工藝，利用模具使板料產(chǎn)生分離的沖壓工序，包括落料、沖孔、切口、剖切、修邊等。板料沖裁過(guò)程通常劃分為彈性變形、塑性變形和斷裂3 個(gè)階段[1]。對(duì)應(yīng)的沖裁截面特征通常由圓角帶、光亮帶、撕裂帶以及毛刺4 個(gè)部分組成，如圖2所示。對(duì)于多層材料，在試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)了其分層的截面特征。

圖1 鋁合金可剝墊片的結(jié)構(gòu)及分層現(xiàn)象Fig.1 Structure and delamination of aluminum alloy peelable gasket

圖2 沖裁零件的斷面特征Fig.2 Section characteristics of blanking parts

學(xué)者們對(duì)鈑金件的沖裁工藝參數(shù)和沖裁機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。Hilditch[2]和Le 等[3]研究了沖裁工藝參數(shù)對(duì)斷面質(zhì)量的影響。Maiti 等[4]通過(guò)彈塑性有限元法分析了低碳鋼薄板的沖裁過(guò)程，分析了間隙和摩擦潤(rùn)滑對(duì)沖裁載荷的影響。Ghosh 等[5]針對(duì)鋁合金的剪切過(guò)程進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，對(duì)比了3種不同的損傷模型 （Tvergaard-Gurson 模型、Cockroft-Latham 模型和剪切破壞模型）的優(yōu)劣。Husson 等[6]在有限元分析中提出的粘塑性硬化和新的損傷模型來(lái)預(yù)測(cè)沖裁力和刃口的演化，模擬結(jié)果表明，沖裁間隙和模具磨損是影響刃口質(zhì)量的最重要的沖裁工藝參數(shù)。

近年來(lái)，學(xué)者們也開(kāi)展了多層板的沖裁研究，Klocke等[7]通過(guò)試驗(yàn)研究了碳纖維增強(qiáng)塑料 （CFRP）沖裁工藝參數(shù)對(duì)穿孔尺寸、形狀精度和切削力的影響，提出了較高的壓邊力可以抑制CFRP 的分層。Ou 等[8]使用Abaqus 研究了鋰離子電池電極材料的沖裁機(jī)理，采用了Cockroft-Latham 損傷模型建立了2D 數(shù)值模型，沖裁模擬結(jié)果表明，上、下兩層活性材料層起著緩沖沖裁力的作用，毛刺長(zhǎng)度隨間隙或圓角半徑的增大而增大。Gutknecht 等[9]提供了在Abaqus 有限元軟件下建立沖裁用金屬-聚合物夾層板模型的方法，研究了應(yīng)力狀態(tài)對(duì)損傷萌生的影響。

本研究以可剝墊片這種多層膠粘金屬板為研究對(duì)象，對(duì)普通沖裁工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并基于Cockroft-Latham 斷裂準(zhǔn)則，使用商用軟件Simufact 建立了可剝墊片多層金屬的普通沖裁2D 仿真模型。仿真結(jié)合試驗(yàn)，完成了可剝墊片普通沖裁分層機(jī)理的探索。

1 沖裁試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.1 材料

本研究所用的材料是總厚度為1.57mm 的鋁合金可剝墊片，由0.076mm 厚的10 層1100-H19 鋁合金和0.81mm 厚的2024-T3 包鋁合金膠粘而成。所需的飛機(jī)零件形狀如圖3所示。

圖3 飛機(jī)零件外形示意圖（mm）Fig.3 Diagram of aircraft parts (mm)

1.2 沖裁設(shè)備及試驗(yàn)參數(shù)

本研究的試驗(yàn)在110t 普通沖床設(shè)備上進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備和沖裁模具結(jié)構(gòu)如圖4所示，沖裁形程為1.6mm。模具的主要結(jié)構(gòu)包含凸模、凹模、壓邊和反頂塊，其中壓邊和反頂塊由聚氨酯彈簧材料加工而成。聚氨酯材料的彈性模量為20MPa。上壓邊的作用面積為2000mm2，高度為30mm，壓縮量為5.3%；反頂?shù)淖饔妹娣e為24000mm2，高度為35mm，壓縮量為4.7%。凸凹模的間隙為0.07mm，凸凹模刃口采用直角結(jié)構(gòu)，具體沖裁試驗(yàn)參數(shù)：間隙為0.07mm，壓邊力為2.1kN，反頂力為22.6kN，沖裁速度為1mm/s。

圖4 沖裁設(shè)備及模具結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of blanking press and tool

2 沖裁有限元建模

2.1 材料本構(gòu)模型

本研究采用2D 數(shù)值模擬仿真，材料模型使用Von Mises 屈服準(zhǔn)則。本研究中薄層板和基板材料采用Swift定律的方程[10]：

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

2.2 損傷模型

金屬的韌性斷裂一般是金屬材料經(jīng)過(guò)劇烈塑性變形后而發(fā)生的宏觀斷裂現(xiàn)象。自從20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，并提出了10 余種基于不同物理量的韌性斷裂準(zhǔn)則[12]。然而，發(fā)現(xiàn)Cockroft 和Latham 提出的準(zhǔn)則預(yù)測(cè)了金屬成形過(guò)程中能真實(shí)反映斷裂應(yīng)變的損傷定律[13]，因此選用Cockcroft-Latham 斷裂準(zhǔn)則，具體的損傷模型[14]為：

其中，為斷裂時(shí)的等效塑性應(yīng)變；為等效應(yīng)力；σ1 為第1 主應(yīng)力；為等效塑性應(yīng)變；C為材料發(fā)生斷裂時(shí)的損傷臨界閾值。由于沖裁過(guò)程中材料塑性變形超過(guò)斷裂閾值C，最終產(chǎn)生斷裂和延性破壞。從相關(guān)有限元仿真文獻(xiàn)[15]中，設(shè)定1100 鋁合金Cockroft-Latham 斷裂準(zhǔn)則中損傷臨界值C為0.49，2024-T3 鋁合金Cockroft-Latham 斷裂準(zhǔn)則中損傷臨界值C為0.30。網(wǎng)格刪除數(shù)量選擇4，即局部損傷值達(dá)到后，刪除4 個(gè)周邊網(wǎng)格的方式實(shí)現(xiàn)裂紋區(qū)的顯示。

2.3 有限元建模

通過(guò)商用軟件Simufact 建立了如圖5所示的沖裁過(guò)程的2D 有限元模型。金屬片層之間膠層厚度僅為0.008mm，模擬采用假設(shè)忽略膠層，采用黏性摩擦系數(shù)0.8 的模型來(lái)表述金屬片層之間的膠黏狀態(tài)，根據(jù)材料供貨信息，膠層的脫黏標(biāo)準(zhǔn)ASTM D903 中，為0.175～1.050N/mm，因此金屬片層之間的脫粘力條件設(shè)置成1MPa。沖裁過(guò)程中的板料表面采用了潤(rùn)滑處理，模擬模型中使用剪切摩擦模型，摩擦系數(shù)選擇0.1[15]。凸凹模沖裁間隙根據(jù)試驗(yàn)選用0.07mm。

圖5 有限元模型示意圖Fig.5 Schematic of finite element model

3 分層機(jī)理研究

3.1 沖裁試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)后所得到的樣本主要使用顯微鏡觀察分層現(xiàn)象，用線切割來(lái)制備金相小樣，試樣上的3 個(gè)區(qū)域分別標(biāo)記為A、B、C。如圖6所示。小樣拋光后在蔡司金相顯微鏡上進(jìn)行觀察，明顯的分層發(fā)生基板和薄層板之間的剪切邊緣處，內(nèi)部材料不受影響?；迳峡梢钥闯鰶_裁典型的截面特征圓角帶、光亮帶、撕裂帶，并且撕裂帶區(qū)域最長(zhǎng)。

薄層板部分太薄，剪切斷面特征屬于撕裂帶特征，在圖片處理軟件上測(cè)量得到3 個(gè)試樣的撕裂帶長(zhǎng)度以及整個(gè)疊層板的厚度，可計(jì)算得出撕裂帶整體占比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，表中的A、B、C記號(hào)與圖6的位置所對(duì)應(yīng)。

圖6 普通沖裁試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of conventional blanking

3.2 沖裁過(guò)程斷面仿真分析

根據(jù)圖7普通沖裁的損傷模擬結(jié)果，在行程0.25mm時(shí)，板料未出現(xiàn)損傷，也沒(méi)有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。當(dāng)行程0.5mm 時(shí)，廢料部分與模具刃角接觸角出現(xiàn)損傷，薄層板的第1 層斷裂以及廢料部分的第1 層出現(xiàn)局部彎曲，形成圓角，圓角高度為0.19mm，第1 層的圓角高度與其余層的高度不同，從而出現(xiàn)分層。當(dāng)行程到達(dá)0.75mm時(shí)，基板損傷區(qū)域增大，基板的局部彎曲進(jìn)一步變大，即圓角高度進(jìn)一步增大。廢料部分的薄層板區(qū)域分層又重新閉合，這是因?yàn)殡S著薄層板的第2 和3 層的相繼斷裂以及薄層板各層變形趨勢(shì)的一致性導(dǎo)致的。當(dāng)行程1mm 時(shí)，板料接近完全分離，可以發(fā)現(xiàn)零件部分的基板與薄層板之間出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，而廢料剪切邊緣沒(méi)有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。這是因?yàn)榱慵糠值幕宓膱A角高度為0.29mm，明顯不同于薄層板的圓角高度0.36mm。當(dāng)行程達(dá)到1.25mm 時(shí)，沖裁板料完全分離，零件部分的基板的圓角高度區(qū)域與接觸的薄層區(qū)域的變形不一致，1100 薄板區(qū)域的圓角明顯大于2024 基板區(qū)域的圓角（圖7（e）），使得基板與相鄰薄板之間出現(xiàn)的分層。沖裁至行程1.5mm 時(shí)，沖裁過(guò)程完畢。從上述分析可以得出沖裁時(shí)不同鋁合金材料的變形行為，導(dǎo)致圓角大小的差異，沖裁方向的影響是出現(xiàn)導(dǎo)致分層的主要原因。從文獻(xiàn)[16]中可以得到圓角的大小隨著沖裁間隙的減小而減小的結(jié)論，因此可以通過(guò)改變板料的正反面放置位置或者減少模具的沖裁間隙來(lái)改善零件的分層現(xiàn)象。

圖7 有限元模擬剪切斷面損傷Fig.7 Finite element simulation of shearing zone damage

從表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在顯微鏡下測(cè)量得到3 個(gè)試樣的分層深度為0.39mm、0.47mm 和0.45mm，撕裂帶占比分別為77.2%、76.9%和78.7%。模擬結(jié)果中分層區(qū)域的分層深度測(cè)量為0.52mm，疊層板撕裂帶長(zhǎng)度為0.77mm，疊層板厚度為1.31mm，撕裂帶占比為58.8%。從圖8可以看出，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的分層位置和分層區(qū)域的尺寸深度也接近，尺寸深度誤差分別為25%、9.6%、13.4%；撕裂帶占比誤差為18.4%、18.1%、19.9%。尺寸深度誤差超過(guò)20%的一個(gè)原因是模具加工的時(shí)候間隙誤差導(dǎo)致和仿真的間隙差大。試驗(yàn)中在模擬結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，10 層疊層板區(qū)域未出現(xiàn)分層，分層位置出現(xiàn)在單層基板和10 層疊層板之間，分層位置與試驗(yàn)結(jié)果相符。因此模擬模型的準(zhǔn)確性基本符合要求。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data mm

圖8 分層現(xiàn)象對(duì)比圖（mm）Fig.8 Comparison chart of delamination phenomenon (mm)

4 結(jié)論

本研究在可剝墊片沖裁試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了斷面分層的現(xiàn)象，基于工藝建立了普通沖裁用鋁合金多層膠粘板有限元模型。通過(guò)仿真模型，揭示了基板與薄層板之間因剪切變形趨勢(shì)不一致（兩種材料的變形行為不同）是基板與薄層板之間出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象的主要原因。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，證實(shí)了數(shù)值模型的可靠性。在后續(xù)的研究中可以進(jìn)一步討論模具結(jié)構(gòu)、壓邊力、模具間隙等工藝參數(shù)對(duì)鋁合金可剝墊片沖裁質(zhì)量的影響。