1、巧：；，？，分类号！单位代码！密级公开罕号削石？係或净巧古学化化义中厚板冲孔形状质量分析与沖头结构研究一？，研究生姓名张延莉导师姓名王强学科（领 域）机械工程申请 学位类别工学硕壬答辩时间化年月日原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：张连杂曰期：舶关于学位论文使用授权的声明本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家
2、有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进斤检索，可采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。公开保密（年，解密后应遵守此规定）论文作者签名：张藥导师签名 ：日期：如化 各 分类号：TG386 单位代码：10427 密 级：公开 学 号：2013210138 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 中厚板冲孔形状质量分析与冲头结构研究 研 究 生 姓 名 张延莉 导师姓名 王强 学 科 （ 领 域 ） 机械工程 申 请 学 位 类 别 工学硕士 答辩时间 2016 年 6 月 1 日 Research on
3、 Shape Quality of Hole and Punch Structure in Hole Punching of Medium Thickness Plate By ZHANG Yanli Under the Supervision of Prof. WANG Qiang A Thesis Submitted to the University of Jinan In Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Engineering Science University of Jinan
4、Jinan, Shandong, P. R. China June 1, 2016 此列汉字小三号楷体，英文或数字 等 用 小 三 号济南大学硕士学位论文 I 目目 录录 第一章 绪 论 . 1 1.1 中厚板冲孔工艺 . 1 1.2 国内外研究现状 . 3 1.2.1 冲孔质量标准 . 3 1.2.2 冲孔过程数值模拟 . 4 1.2.3 冲孔模具结构 . 7 1.3 选题目的与意义 . 10 1.4 课题研究内容 . 11 第二章 常规冲孔过程数值模拟 . 13 2.1 有限元分析模型 . 13 2.1.1 几何模型 . 13 2.1.2 材料参数设置 . 13 2.1.3 单元类型与网格
5、划分 . 14 2.1.4 接触与载荷设置 . 15 2.2 数值模拟结果与分析 . 16 2.2.1 模拟结果 . 17 2.2.2 冲孔机理 . 17 2.2.3 冲孔存在的问题 . 18 2.3 本章小结 . 18 第三章 中厚板冲孔形状质量 . 21 3.1 中厚板冲孔质量评价方法 . 21 3.2 工艺参数对形状质量的影响 . 22 3.2.1 隙径比 . 22 3.2.2 相对间隙 . 24 3.2.3 压边圈 . 27 3.3 本章小结 . 28 第四章 冲头新结构与参数优化 . 29 4.1 冲头新结构 . 29 中厚板冲孔形状质量分析与冲头结构研究 II 4.2 冲头新结构对
6、冲孔质量的改进作用 . 30 4.2.1 有限元分析模型 . 30 4.2.2 数值模拟结果与分析 . 31 4.3 参数优化 . 34 4.3.1 制订优化方案 . 34 4.3.2 结果与分析 . 35 4.5 本章小结 . 38 第五章 中厚板冲孔实验研究 . 39 5.1 实验方案 . 39 5.2 实验结果与分析 . 42 5.3 对比分析 . 44 5.4 本章小结 . 45 第六章 结论与展望 . 47 6.1 结论 . 47 6.2 展望 . 48 参考文献 . 49 致 谢 . 53 附 录 . 55 济南大学硕士学位论文 III 摘摘 要要 中厚板冲孔是指借助模具在压力机上
7、完成并在中厚板料上冲出所需形状的孔的冲压加工方法。由于本身工艺的原因，中厚板冲孔质量比钻孔的差，研究提高冲孔质量的方法越来越重要。因为冲孔工艺借助模具在压力机上完成，所以，模具的结构形式对冲孔质量有一定影响。因此，研究中厚板冲孔质量与冲孔模具结构对指导实际生产具有重要的工程价值。 本文以中厚板冲孔质量与冲头结构为研究对象，进行了数值模拟和实验研究，主要研究内容及结果如下： （1）为了研究中厚板冲孔机理，开展了常规冲孔过程数值模拟。建立了常规冲孔的模拟模型，获得了冲孔过程中裂纹的发生、发展及断裂的整个变化过程，发现在冲孔过程中，冲头刃口附近存在较大的等效应力集中区域，阐述了中厚板常规冲孔的变形机
8、理。总结了常规冲孔存在的问题及原因。 （2）综合考虑光亮带和塌角两种因素对冲孔形状质量的影响，提出并建立了冲孔形状质量量化标准的公式，即光亮带的长度与板厚的比值乘以塌角余弦值的乘积。通过对公式进行分析， 表明它的值越大， 冲孔质量越好。 并采用实验研究和数值模拟的方法，研究了工艺参数和压边圈对冲孔形状质量的影响规律。 （3）为了提高冲孔质量，提出了冲头新结构。开展了新结构冲孔过程数值模拟，阐明了新结构冲头的冲孔机理。运用正交试验对新结构的设计参数进行优化，获得了最优试验方案和最差试验方案。并将它们的模拟结果与常规冲孔的对比分析，发现新结构的最差试验方案的冲孔形状质量比常规冲孔的高，证明对模具结
9、构的改进是有效的。 （4）为了研究新结构冲孔在实际生产中是否可行，进行了实验研究。设计了实验方案，获得了新结构冲孔和常规冲孔的实验结果。通过实验结果对比分析，得到了新结构的冲孔质量比常规冲孔的高，证明了新结构可以提高冲孔质量。 综上所述，本文对中厚板常规冲孔和冲头新结构冲孔进行了数值模拟和实验研究，阐述了中厚板冲孔机理。建立了中厚板冲孔形状质量的量化公式，采用数值模拟和实验研究的方法，研究了隙径比、相对间隙、压边圈对冲孔形状质量的影响规律。提出了可以提高冲孔质量的冲头新结构，研究了新结构冲孔机理，并对新结构冲头进行了参数优化和实验研究，进一步验证了新冲头可以提高冲孔质量。本文取得的研究成果对提
10、高中厚板冲孔质量有着一定的理论意义和工程价值。 中厚板冲孔形状质量分析与冲头结构研究 IV 关键词：中厚板；冲孔；形状质量；冲头结构；数值模拟；实验研究 济南大学硕士学位论文 V Abstract Hole punching of medium thickness plate, using die punch hole of required shape on the medium thickness plate in the press, is the method of punching processing. However,due to limitation of the proces
11、s, the quality of punching is lower than drilling. Researching on improve quality of punching is becoming more and more important. Because of the punching process with mold in the press, the structure of mold has certain impact on the quality of punching. So, researching quality and die structure of
12、 medium thickness plate have an important significance on applications. In this paper,the shape precision of punching and the die structure of medium thickness plate are analyzed and researched by FEM and experiment.The main research contents are as follows: (1) In order to research the mechanism of
13、 punching medium thickness plate, the numerical simulations of punching medium thickness plate conventional clearanceare carried out.The finite element analysis molds of punching conventional clearance are established.The distribution of stress is obtained, when the plate is cracking, developing and
14、 fracturing.The deformation mechanisms of punching medium thickness plate conventional clearance are explained.The concentration area of greatest stress is appeared on t he edge of punch in punching process.Found and summarizes the problems and reason in the conventional punching. (2) Aquality stand
15、ard that measure the shape precision of punching is put forward and established after comprehensive reflectsinfluence extent of burnish and corner collapse to punching quality. The shape precision of punching is the product of length of burnish ratio thickness and cos ( is the corner collapse of fra
16、cture). It is show that the greater the value, the better the quality, by mathematical analysis study of the shape precision of punching. Researching the influence law of process parameters and blank holder to the shape precision of punching by experiment and FEM. (3) In order to improve the quality
17、 of medium thickness plate punching, a new die structureis put forward. The numerical simulations of punching medium thickness plate are carried out.The deformation mechanisms of punching medium thickness platenew 中厚板冲孔形状质量分析与冲头结构研究 VI diestructureare explained. Optimizing new punch diestructure by
18、using orthogonal experiment, the optimal experimental scheme and the worst orthogonal are obtained. Comparing analysis of the worst testing scheme of punching shape quality is higher than conventional punching, thus improvement of new punch diestructure is effective. (4) In order to study the new mo
19、ld is feasible in the actual production, we designedexperiments. Throughexperimental scheme, the experimental results of new die structure and conventional clearance are obtained.Comparing analysisquality of new diestructureexperimental results is higher than conventional punching. The result of exp
20、eriments proved that the new die structure can improve quality of punching. In summary, the conventional die and the new die of punching medium thickness plate is researched in this paper, and the mechanism of punching medium thickness plate is explained.The quantitativeformula of the shape precisio
21、n of punching is established and the curve of allowable load is put forward.The influence oftheclearance-diameter ratio, relative clearance and the blank holder direct at the shape quality of punching are researched by using experiment and numerical simulation. The new die structure can improve the
22、quality of punching is put forward,and the mechanism of new punching and parameter optimization and experiment are researched,and the new die structure can improve the quality of punching are further verified.In this paper, the research results have an important theoretical significance and applicat
23、ion value to measure and improve punching quality of medium thickness plate. Key Words: medium thickness plate; punch; punching quality; punch structure; numerical simulation; experimental research 济南大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 中厚板冲孔工艺 金属板材按照厚度不同可以分为薄板和中厚板。薄板常用作汽车覆盖件的原料，被广泛应用于汽车制造、家电等领域；中厚板是指厚度在 4.5mm25m
24、m 的钢板，多用作强度要求较高的结构件，被广泛应用于汽车大梁、角钢结构、船体结构等领域。中厚板除了成形加工之外，还有很多孔加工，如圆孔和异形孔加工。如图 1.1（a）所示，汽车大梁上有很多铆钉孔、螺栓孔及管路电线的通过孔等；如图 1.1（b）所示，利用角钢结构连接更能保证钢架结构的稳定性，在角钢连接件上有很多用于连接的孔。 （a）汽车大梁 （b）角钢连接件 图 1.1 中厚板孔的应用 常见的孔加工工艺有冲孔、钻孔、火焰切割、等离子切割及激光打孔等。它们的优缺点如表 1.1 所示。从能否加工中厚板来看，激光打孔工艺不适合；由于火焰切割容易形成表面硬化、等离子切割容易形成表面灼伤，使得孔的质量太差
25、，所以不推荐使用；最后，只剩下钻孔和冲孔两种工艺，虽然钻孔工艺可以获得高质量的孔，但是钻孔效率低，不适合大批量生产，且钻孔是利用钻头旋转加工，不易加工异形孔；冲孔工艺加工成本低，加工效率高，能很好的适应批量化生产，且冲孔模具可以做成各种结构形式，无论是加工圆孔还是异形孔，冲孔工艺都可以完成，而被广泛应用于各种孔的加工中。综上所述，用冲孔工艺加工中厚板孔具有更多的优势。冲孔工艺在薄板孔的生产中得到广泛应用，因此，人们总是希望将冲孔技术应用到中厚板孔的加工中。 中厚板冲孔形状质量分析与冲头结构研究 2 表 1.1 孔加工工艺的优缺点 加工方法 优点 缺点 冲孔 柔性好、效率高 质量差，加工厚板时不
26、能有100%光亮带 钻孔 精度高 效率底、柔性差 火焰切割 柔性好 板材表面硬化 等离子切割 切割速度快 表面容易灼伤，主要加工大孔，切割厚度受限制 激光打孔 柔性好、效率高 主要加工薄板孔， 板越厚， 穿孔就越不稳定， 板料完全断裂后，冲孔断面出现了圆角带、光亮带、撕裂带三个特征区，且存在喇叭口， 如图 1.2 所示。 图 1.2 为板厚 t=6mm， 冲孔直径 d=20mm， 双边冲裁间隙为 2c=1.2mm的冲孔实验结果， 将实验结果沿孔的直径方向割开后， 得到中厚板冲孔横断面图。 其中，光亮带的高度、喇叭口的大小是影响冲孔质量的主要因素。光亮带高度越大，喇叭口越小，冲孔质量就越好。 图
27、 1.2 中厚板冲孔断面 在保证冲裁间隙适中的条件下，薄板零件常规冲孔的断面剪切高度可达到板厚的1/3 甚至 1/2；而中厚板零件常规冲孔的剪切面高度很难稳定在板厚的 1/31。薄板冲孔技术具有模具使用寿命长、冲孔质量高等优点，但中厚板冲孔技术还存在很多的问题。比如，与薄板冲裁力相比，中厚板冲裁力增加了，对压力机的要求也相应提高；与薄板冲孔相比，中厚板冲孔模具的寿命降低了，对模具的硬度要求也相应提高；薄板冲孔质量较高，中厚板冲孔还存在着很多质量上的缺陷。冲孔质量低是冲孔工艺应用到中厚板孔加工中的首先要解决的问题。 在实际生产中，中厚板冲孔在质量方面存在塌角大、光亮带小、撕裂带大、垂直度济南大学
28、硕士学位论文 3 低等缺陷。对于质量要求较高的零件，常规冲孔已经不能满足要求，发展新的冲孔方法迫在眉睫。加工方法对成本和效率都会产生影响，设计合理的冲孔新方法对提高冲孔质量十分重要。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 冲孔质量标准 冲孔质量主要包括尺寸精度和形状精度两部分。孔的尺寸精度包括光亮带的直径公差范围，同时还受凸凹模直径的影响。孔的形状精度指的是冲孔后内表面的垂直度高低及光滑表面占总面积的大小。 现行的质量标准是精密冲裁件第 2 部分：质量 JB/T 9175.2-2013。标准的主要内容包括尺寸公差可达到的等级、剪切面质量的测量方位和等级、最小圆角半径处最大的塌角标准值。其中，剪切
29、面质量主要包含三项，分别是表面粗糙度、表面完好率及允许撕裂等级。该标准规定了尺寸公差、表面粗糙度、表面完好率、允许撕裂达到的尺寸公差等级等2。 德国工程师协会制定了精密冲孔的断面质量标准，断面特征包括塌角、表面粗糙度值、 冲裁面的棱边角度、 毛刺及凸边等， 研究了每一个断面特征的产生原因和控制措施，并总结了每一个断面特征的质量问题3。 王贵成等人4,5提出用表面完好性评价冲孔质量， 探讨了棱边质量与表面完好性的区别，将衡量表面完好性好坏的指标分为八项。林立峰等人提出用表面完好率评价精冲棱边质量，并引入棱边质量的概念，为建立、健全精冲加工质量评价体系提供新的思路。表面完好率是指完好表面（精冲制件
30、的光亮剪切带和塌角可以划归为制件的完好表面）与板厚的比值，精冲制件表面完好率表达式如式 1.1 所示6,7: %100%+=板料厚度塌角深度）（光亮带剪切高度）表面完好率（ （1.1） 冲孔工艺在加工中厚板时难以得到全光亮带的孔，使得冲孔断面形状复杂，难以评价孔的好坏问题。 现在已有的标准中也只是考虑了光亮带和塌角深度对冲孔质量的影响，没有考虑塌角的大小对冲孔质量的影响。 关于冲孔的很多工作都是以冲孔质量为直接目标，如何评价冲孔质量的好坏在工程实践中有着重要的意义，基于这一现状，急切的需要提出一个可以定量的评价冲孔质量的准则。 中厚板冲孔形状质量分析与冲头结构研究 4 1.2.2 冲孔过程数值
31、模拟 有限元分析是利用数学近似的方法进行模拟。将有限元分析方法运用到中厚板冲孔中，可以模拟整个冲孔过程。获得每一压下量时刻的应力分布情况，以便于观察裂纹的发生、发展直至断裂的变化过程。通过模拟分析可以获得冲孔断面情况，便于观察冲孔断面情况及研究冲孔质量问题。采用有限元分析方法，可以节约工艺研发成本，缩短开发周期，更快捷、方便的得到冲孔结果。 胡金龙等人利用Hyperworks建立了Q235A板料的有限元分析模型， 如 图 1.3所示。利用显式动力学分析程序 ANSYS/LS-DYNA 对板料的冲孔过程进行了数值模拟，分析了冲孔过程中裂纹的产生、 发展及断裂的整个过程， 断裂时刻的模拟结果如图
32、1.4 所示。对冲裁机理、最大主应力的变化规律进行分析，得到了模拟结果与实际相吻合的结论。其方法和结论对优化参数及研发相关产品具有参考价值8。付燕等人阐述了冲孔变形过程，可以分为弹性变形阶段、塑性变形阶段和剪切阶段。通过实例分析总结中厚板模具合理的设计参数（如模具间隙的选择），作为设计模具时选择设计参数的依据9。黄珍媛等人对薄板精冲过程进行数值模拟，研究了薄板精冲变形过程中的静水应力分布特征，得到了压边条件对裂纹发生、发展的影响规律10。 图 1.3 有限元分析模型 图 1.4 断裂时刻的模拟结果 权国政等人对 7mm 厚板料的冲裁成形方法进行了研究，建立了它们的运动模型及弹塑性有限元分析模型
33、，获得了 7mm 厚板的最佳冲裁间隙为 11.3%的板厚、最佳凹模小圆角为 2%的板厚11。 赵震等人运用Deform-2D软件模拟精冲过程， 将Oyane损伤模型用于断裂的预测中，该损伤模型考虑了静水应力和应变对材料损伤的影响。分析了精冲过程中静水应力、等效应力、 等效应变和损伤的分布及其发展趋势12,13。 卢险峰、 胡志鹏等人运用 Deform-2D对双重正间隙冲孔过程进行模拟分析，建立了常规冲孔与双重正间隙冲孔的有限元分析济南大学硕士学位论文 5 模型，如图 1.5（a）、（b）所示。获得了双重正间隙冲孔变形区的应力应变分布特点，论证了双重正间隙冲孔的变形机理为冲裁、整修与挤压的组合1
34、4,15。 （a）常规冲孔 （b）双重正间隙冲孔 图 1.5 有限元分析模型 康凤等人运用 Deform-2D 软件研究了冲孔过程中应力、应变及变形过程，并运用Deform-3D 分析了板厚、凸凹模间隙及刃口小圆角等工艺参数对成形结果的影响16。李建华等人运用 Deform-2D 对不同负间隙冲孔进行模拟分析， 获得了负间隙与剪切带之间的关系，如图 1.6 所示，c 表示单边间隙17,18。 （a）c=0.05（b）c=0.1 （c）c=0.15 （d）c=0.2 图 1.6 不同负间隙值的剪切带 汤建云等人研究了精冲过程中影响材料塑性流动的力能参数19。樊曙天、张玉新等人通过对毛刺成形过程的
35、模拟分析，提出毛刺的成形机理，探讨了毛刺成形区域静水压应力的变化过程，分析了工件材料、模具间隙、模具磨损等因素对毛刺的影响20,21。郭中厚板冲孔形状质量分析与冲头结构研究 6 安庶等人运用 Deform-2D 建立了二维轴对称有限元分析模型， 研究了不同的剪挤成形工艺参数对零件成形质量的影响，具有重要的参考价值22。 Hyunwoo S 等人对 22MnB5 材料进行了热冲和冷冲的对比分析， 并分析了各自的断面特征， 冲裁过程和横截面剪切带特征如图 1.7 所示23。Thipprakmas S 等人对精冲进行了数值模拟，阐述了精冲断面存在的问题，并对模拟结果和实验结果进行对比分析24。 图
36、1.7 冲裁过程和横截面剪切带特征 张永固、孙成亮等人通过精密冲孔进行数值模拟，阐述了精密冲孔机理，并设计制造了实验模具。通过实验研究表明，平面压边精冲技术有效的提高了工件的冲孔剪切面质量，降低加工成本25,26。李龙锐等人分析了不同的压边方式对冲孔断面质量的影响，得出了用较大的压边力可以获得更高的冲孔断面质量，但当凸模进入板料三分之一以后，压边力的大小对冲孔断面质量的影响不大27。金少波等人通过数值模拟的方法，研究了压边力的大小对工件成形质量的影响规律，得出了过大或过小的压边力对工件的成形质量都是不利的28。 Yusuke T 等人运用 Deform-2D 对圆形铝板进行数值模拟，分别采用
37、Ayada 和 Jeory断裂准则，阐述了冲裁间隙为(-30%20%)t 时，冲裁机理与零件断面质量的关系29。Adamus J 等人运用 ADINA 软件对钛合金板料精冲工艺进行模拟分析，得到了冲裁间隙对钛合金板料剪切区域应变分布的影响规律30,31。 MoleN 等人采用 ABAQUS 软件对冲孔过程进行 2D 轴对称有限元模拟，建立的分析模型如图 1.8 所示，并用实验结果验证模拟结果的正确性，证明了有限元分析能够有效的预测裂纹的扩展情况32。 济南大学硕士学位论文 7 图 1.8 有限元分析模型 Lemiale V 等人运用有限元软件 BlankForm 对冲孔过程进行模拟分析，并对不
38、同的建模方法和韧性损伤断裂准则对比分析33。Husson C 等人对冲孔过程进行了模拟分析，并对模拟结果与实验结果进行对比分析，得到了间隙对冲孔质量的影响、模具刃口的磨损摩擦情况34。Kazutake K 等人运用节点分离法对板料冲孔过程进行模拟分析，得到了废料外形和裂纹的关系，其结论与实验相吻合35,36。 图 1.9 有限元分析模型 1.2.3 冲孔模具结构 图 1.10 双重正间隙冲孔模具 1-冲头 2-板料 3-凹模 卢险峰、胡志鹏等人提出了双重正间隙冲孔模具，如图 1.10 所示。阐述双重正间隙中厚板冲孔形状质量分析与冲头结构研究 8 冲孔原理。对板厚为 4mm 和 6mm 的纯铝板
39、和黄铜板进行冲孔实验，通过与常规冲孔结果的对比分析，获得了冲孔断面剪切高度达到 1/2 以上的效果，有效的提高了冲孔质量37,38。 李建华等人提出了负间隙冲孔模具，如图 1.11（a）所示。阐述了负间隙冲孔原理。因为负间隙冲孔借助反顶凸模实现废料与板料的分离，所以增加了压力机与模具设计的难度。因此对负间隙冲孔模具进行了改进，如图 1.11（b）所示，在负间隙冲孔模具的基础上，在凸模上增加了一个台阶，实现了一次冲孔分离板料。不论是负间隙冲孔还是阶梯型凸模负间隙冲孔，都可以提高冲孔质量39,40。 h （a）负间隙冲孔模具 （b）阶梯型凸模负间隙冲孔模具 图 1.11 负间隙冲孔 1-冲头 2-
40、板料 3-凹模 任莉新等人提出了波浪形刃口模具，如图 1.12 所示。运用 Deform-3D 软件对波浪形刃口冲孔工艺进行了数值模拟，并对波浪形刃口冲孔的模拟结果与平刃口冲孔的进行了对比分析，得到了波浪形刃口冲孔工艺可以提高冲孔断面质量41。 图 1.12 波浪形刃口精密冲孔模具 1-波浪形刃口凸模 2-板料 3-压边圈 4-凹模 5-顶杆 钟永纪等人探讨了波浪形刃口模具的设计要点， 刃口形状如图 1.13 所示。 前两种刃口形状设计成左右对称的，剪切角一般为 28，这样设计的优点是剪切角产生的水平济南大学硕士学位论文 9 分力能够互相抵消，受力较为均衡，一般应用在封闭形状的冲孔或落料加工中
41、；第三种刃口形状设计为波浪形状刃口，这样设计的优点是在冲孔或落料过程中使刃口受力更加均匀平稳，由于切入点增加，对材料压料点、卸料力都能起到较好的平衡作用，缺点是对波浪形状刃口进行加工比较困难42。 图 1.13 刃口形状 黄少东等人阐述了传统热冲裁、同步剪挤式冲裁、双间隙冲裁、齿圈压板精冲等中厚板冲裁工艺，并开展了实验研究43。汪新衡等人介绍了中厚板精冲模具的工作特点及性能要求44。 王治国等人研究了在冲制中厚板料冲裁件时采取的一系列措施和需要注意的问题45。 王丽红等人研究了深孔类小孔制造方法的难点，实现了小孔半精冲工艺46。李硕本等人研究了压边圈在精冲过程中的作用，主要分为以下几点：用压边
42、圈紧压工件材料，阻止一部分工件材料的进一步塑性流动；对凸凹模进行导向作用；在冲制工作完成时迅速平稳的卸料47。 Mohamed A 等人运用 ABAQUS/Explicit 进行数值模拟， 并进行了实验研究。 在凸凹模刃口处均开有 0.01mm 的圆角，如图 1.14 所示。实验结果如图 1.15 所示，其中 a 表示圆角带；b 表示光亮带约占板厚的 33%，属于孔的完好表面；c 表示撕裂带48。 图 1.14 有限元模拟模型 图 1.15 实验结果横断面特征图 中厚板冲孔形状质量分析与冲头结构研究 10 Kim S S 等人提出了液压机械冲孔工艺（由机械半冲孔和液压反冲孔组成），如图1.16
43、 所示。 运用 Deform 对液压机械冲孔进行了数值模拟， 并与常规冲孔进行对比分析，得到了液压机械冲孔工艺可以减小塌角、提高垂直度、减小撕裂带等优势。液压机械冲孔工艺提高了冲孔质量49。 图 1.16 无毛刺液压机械冲孔模具 图 1.17 锯齿形凸模冲孔模具 Lajarin S F 等人提出了冲孔-拉削复合模具，如图 1.17 所示。通过对几种不同冲头的对比分析，得到了最优组合冲头。并与常规冲孔进行对比分析，结果表明，用冲孔-拉削复合凸模冲出来的孔圆柱度很高，冲孔-拉削复合方法有效的提高了冲孔质量50。Lizandro B M 等人设计了先冲孔后拉孔的复合模具，并对 4 种不同设计参数的新
44、模具进行了实验研究，4 种不同的模具结构如图 1.18 所示。与常规冲孔相比新模具冲孔可以获得很高的冲孔质量51。 图 1.18 复合冲孔模具 1.3 选题目的与意义 冲孔工艺是孔加工中应用较广泛的加工方式，相比其他工艺具有更多的优势，随着中厚板孔应用的增多，人们越来越注重冲孔质量问题，解决中厚板冲孔质量问题日益重济南大学硕士学位论文 11 要。本文研究目的是建立可量化的中厚板冲孔质量标准，从改进冲头结构方面入手，研究提高中厚板冲孔质量的新方法。对中厚板常规冲孔进行数值模拟，研究中厚板冲孔机理及常规冲孔在质量方面的缺陷，具有一定的理论意义和工程实用价值。 1.4 课题研究内容 本文以中厚板冲孔
45、为研究对象，采用数值模拟和实验研究的方法，研究中厚板冲孔质量问题及提高中厚板冲孔质量的方法。主要研究内容如下： （1）采用数值模拟的方法，研究中厚板冲孔机理，阐述中厚板冲孔过程中裂纹的发生、发展及断裂的变形过程，分析冲孔断面质量，总结中厚板冲孔存在的质量问题。 （2）综合考虑光亮带和塌角两个因素，提出评价中厚板冲孔质量的量化标准。采用数值模拟和实验研究的方法， 研究隙径比、 相对间隙、 压边圈对冲孔质量的影响规律。 （3）设计冲头新结构， 采用数值模拟的方法， 对冲头新结构与常规冲孔对比分析。运用正交试验的方法，对冲头新结构的设计参数进行优化。对正交试验结果与常规冲孔对比分析，证明新结构冲头可
46、以提高冲孔质量。 （4）开展新结构冲孔和常规冲孔的实验研究，通过对比分析，验证新结构冲头可以提高冲孔质量。 中厚板冲孔形状质量分析与冲头结构研究 12 济南大学硕士学位论文 13 第二章 常规冲孔过程数值模拟 常规冲孔是指采用较大间隙的模具在板料上冲出所需形状的孔的冲压加工方法。 本章采用数值模拟的方法，开展中厚板常规冲孔过程模拟分析，阐述中厚板冲孔的变形机理，研究中厚板冲孔的断面情况。 2.1 有限元分析模型 2.1.1 几何模型 运用 ANSYS/LS-DYNA 软件对中厚板冲孔过程进行数值模拟。如图 2.1 所示，凸模直径d=25mm， 板料厚度t=16mm， 冲裁间隙取板厚的20%，
47、即双边冲裁间隙2C1=3.2mm，单边间隙用 C1表示。冲圆孔时，由于整个模型沿任何一条直径方向都是轴对称的，故而在模拟时可以进行 2D 轴对称有限元分析。 2D 轴对称有限元分析可以在保障计算质量的同时节约计算时间。需要建立的中厚板冲孔模型。该模型包括冲头、压边圈、板料和凹模四部分。 1234C1 图 2.1 中厚板冲孔几何模型 1-冲头 2-压边圈 3-板料 4-凹模 2.1.2 材料参数设置 多段线性弹塑性材料模型可以输入与应变率相关的应力应变曲线，也可以根据塑性应变定义失效。所以，在模拟分析中板料模型选择多段线性弹塑性材料模型。根据拉伸试验得到材料的应力-应变曲线，并做简化后可得多段线
48、弹性材料模型的本构关系52，如图 2.2 所示。将冲头、凹模和压边圈的材料模型均设定为刚体材料模型，模具材料为中厚板冲孔形状质量分析与冲头结构研究 14 Cr12MoV，它们的主要参数如表 2.1 所示。 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0100200300400500 图 2.2 Q235 的应力-应变曲线 表 2.1 材料参数 材料 密度 /kg/m3 弹性模量 E/GPa 柏松比 Q235 7850 201 0.27 Cr12MoV 7900 210 0.3 2.1.3 单元类型与网格划分 在所有的 2D 单元类型中，Solid 162 是一个平面四节点单元，如图 2.
49、3 所示，也可以退化为三节点单元。分为平面应变、平面应力和轴对称三种类型。其中，轴对称类型的对称轴必须是 Y 轴，适合分析二维平面和轴对称问题。Solid 162 单元类型也可以退化为三节点单元，常被用于分析二维平面问题。因此，在中厚板冲孔模拟分析中选择Solid 162 单元的轴对称类型。 图 2.3 Solid 162 单元 网格划分方法可以分为自由网格划分和映射网格划分。自由网格划分无单元类型限制， ANSYS/LS-DYNA 根据模型形状进行自动智能划分；映射网格划分对单元的形状有所限制，要求面的单元形状为四边形，映射划分的单元排列相对整齐。由于冲孔模型形状规则且为四边形，故可以采用映
50、射网格划分方式，网格分布比较整齐规则。 济南大学硕士学位论文 15 网格的规则程度和数量对模拟结果有着重要的影响。 网格划分越细， 计算精度越高，同时计算速度越低。选择合适的网格尺寸，得到合理的单元数量，会对模拟结果产生直接影响。 ANSYS/LS-DYNA 可以对研究的重点部分 （如冲头和凹模刃口附近的剪切区域）进行网格细化，这样能够更加精确的分析剪切区域的应力情况，及更好的观察裂纹的发生、发展及断裂的变形过程。对于不是研究重点的部分（如离刃口远一些的区域），网格可以划分的粗一些，这样既能节约计算时间又能保证计算质量。 建立中厚板常规冲孔有限元分析模型， 并对板料的剪切区域进行网格细化， 如
