1、 分分 类类 号：号： 密密 级：级： 论文编号：论文编号： 学学 号号：5810080530158100805301 重庆理工大学硕士学位论文重庆理工大学硕士学位论文 小孔冲裁模具失效分析及提高小孔冲裁模具失效分析及提高 模具寿命措施研究模具寿命措施研究 研研 究究 生生： 曾曾 英英( (高师硕士高师硕士) ) 指指 导导 教教 师：师： 彭成允彭成允教授教授 学学 科科 专专 业：业： 材料加工工程材料加工工程 研研 究究 方方 向：向： 板料成形及其模具设计板料成形及其模具设计 培培 养养 单单 位：位： 重庆理工大学重庆理工大学 论文论文完成时间：完成时间： 20142014 年年
2、1010 月月 8 8 日日 论文答辩日期：论文答辩日期： 2012014 4 年年 1212 月月 日日万方数据 Category Number： Level of Secrecy： Serial Number ： Student Number：5810080530158100805301 Masters Dissertation of Chongqing University of Technology Study on the Small Hole Punching Die Failure Analysis and the Measures to Improve the Die Life
3、 Postgraduate: Zeng Ying Supervisor： Prof. Peng Chengyun Specialty: Material Processing Engineering Research Direction: Sheet Metal Forming & Die Technology Training Unit: College of Material Science & Engineering Thesis Deadline: October, 8,2014 Oral Defense Date: December, 2014万方数据 万方数据 重庆理工大学重庆理工
4、大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 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。除文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果、作品。对本文的研究做出重要贡献的集体和个人，均已在文中以明确方式标明。 本人承担本声明的法律后果。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采
5、用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于（请在以下相应方框内打“” ） ： 1.保密，在 年解密后适用本授权书。 2.不保密。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 万方数据 万方数据摘 要 I 摘 要 冲裁工艺是常见的冲压工艺之一。 采用冲裁加工的小孔具有较好的尺寸稳定性和精度，自动化和生产效率都较传统的孔加工方式高很多，生产成本大大降低。因此，厚板小孔冲裁工艺被广泛的应用于实际生产。然而在厚板小孔冲裁过程中，常出现各类模具失效的情况，如冲头折断、冲头刃口崩裂、冲头刃口严重磨损等，制约了厚板小孔冲裁工艺的发展，影响了企业的正常生产。因此，如
6、何提高模具使用寿命，是厚板小孔冲裁工艺中急需解决的问题。 本文针对厚板小孔冲裁工艺的特点， 运用金属塑性成形理论中的主应力法和滑移线法建立厚板小孔冲裁的力学模型，并分析小孔冲裁模具失效形式和失效原因。为了进一步分析厚板小孔冲裁过程中的金属流动情况和模具受力情况，建立厚板小孔（4t6，d/t1）冲裁三维实体模型，并借助三维塑性有限元软件 DEFORM-3D，数值模拟厚板小孔冲裁成形过程，得到金属流动及应力应变情况。为得到各工艺参数对厚板小孔冲裁的影响规律，采用实验设计和数值模拟相结合的方法，得出对冲裁力和冲裁质量影响较大的工艺参数， 并通过直观分析法得出各工艺参数对冲裁力和冲裁质量的影响规律。
7、通过建立模具应力有限元模型， 模拟分析厚板小孔冲裁过程中模具应力应变及磨损量的变化情况，采用实验设计和数值模拟结合的方式，得出不同工艺参数对模具应力及磨损的影响规律。 最后，就如何提高厚板小孔冲裁模具使用寿命，主要从模具选材、模具加工与制造、模具热处理、模具表面强化和模具结构优化等方面提出了提高模具寿命的措施，为接下来的研究工作指明方向。 关键字：厚板小孔；模具寿命；失效分析；数值模拟万方数据 万方数据ABSTRACT II Abstract Small hole punching on thick steel plate process is a common stamping proces
8、s. Adopted blanking process，the sizes and geometrical of hole with high accuracy , automation and production efficiency is much higher than traditional drilling methods, so production costs are significantly reduced. Therefore, the small hole punching on thick steel plate technique is widely used in
9、 actual production. However, the blanking process of thick plate with small holes often appears various types failure of mold, such as the punch breaking, moldering, abrasion etc. It not only restricts the development of the small hole punching on thick steel plate technology, but affects the enterp
10、rises normal production. Therefore, how to improve die life is an urgent problems of the small hole punching on thick steel plate process. In this paper, according to the characteristics of small hole punching on thick steel plate process, using the method of principal stress and the slip line in th
11、e metal plastic forming theory establish mechanics model for small hole punching on thick steel plate, and analyze the hole punching die failure modes and failure causes . For further analysis the metal flow and mold situation of the small hole punching on thick steel plate process, the three dimens
12、ional solid model has been built of the thick plate with small holes (4t6,d/t 1) blanked, and with the DEFORM-3D of three-dimensional finite element software, metal flow and stress and strain have been obtained based on numerical simulation for the small hole punching on thick steel plate process. I
13、n order to get the law of the various process parameters effect on the small hole punching on thick steel plate process, using a combination of experimental design and numerical simulation methods to obtain the important process parameters that have a greater impact on the quality of punching and pu
14、nching power, and through visual analysis method, the law of each parameter effect on the quality of the punching and punching power has been acquired. Through die stress FEM model and simulation analysis of the small hole punching on thick steel plate process, the changes of stress-strain and wear
15、have been analysed. Using a combination ways of experiments design and numerical simulations obtained the impact of different parameters on die stress and wear. 万方数据 万方数据ABSTRACT III Finally, the way to how to increase die life of the small hole punching on thick steel plate is mainly from the mold
16、material selection, processing and manufacturing of mold, mold heat treatment, surface strengthening for dies and die structure optimization, so it guides for the following research work. Key Words: Small hole on thick plate, Life of die, Failure analysis, Numerical simulation 万方数据 万方数据目录 IV 目录目录 摘摘
17、 要要 . I ABSTRACT . II 第一章第一章 绪论绪论 . 1 1.1 厚板小孔冲裁模具设计概述厚板小孔冲裁模具设计概述 . 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 . 1 1.3 课题意义、研究内容与课题意义、研究内容与研究目的研究目的 . 5 1.3.1 课题的意义 . 5 1.3.2 本文的主要研究内容 . 5 1.3.3 研究目的. 6 第二章第二章 厚板小孔冲裁力学模型与模具失效影响因素厚板小孔冲裁力学模型与模具失效影响因素 . 7 2.1 厚板小孔冲裁工艺的特点厚板小孔冲裁工艺的特点 . 7 2.2 厚板小孔冲裁力学模型厚板小孔冲裁力学模型 . 7 2.2.1 厚板小
18、孔冲裁的力学分析 . 7 2.2.2 厚板小孔冲裁力学模型建立 . 8 2.3 厚板小孔冲裁模具失效厚板小孔冲裁模具失效影响因素影响因素 . 14 2.3.1 厚板小孔冲裁模具失效形式 . 14 2.3.2 影响厚板小孔冲裁模具寿命的因素 . 14 2.4 本章小结本章小结. 16 第三章第三章 厚板小孔冲裁数值模拟厚板小孔冲裁数值模拟. 17 3.1 DEFORM 软件简介软件简介. 17 3.2 数值模拟流程数值模拟流程 . 18 3.2.1 建立模型. 18 3.2.2 材料参数设置与网格划分 . 19 3.2.3 边界条件与接触设置 . 20 3.2.4 运动与模拟控制设置 . 21
19、3.3 DEFORM 数值模拟关键技术数值模拟关键技术 . 22 3.3.1 断裂准则. 22 3.3.2 Archard 磨损模型 . 22 万方数据重庆理工大学硕士学位论文 V 3.4 模拟实验方案设计模拟实验方案设计 . 24 3.4.1 正交设计概要 . 24 3.4.2 正交实验设计 . 24 3.5 数值模拟结果与分析数值模拟结果与分析 . 26 3.5.1 厚板小孔冲裁数值模拟结果 . 26 3.5.2 各工艺参数对厚板小孔冲裁工艺的影响规律 . 32 3.6 本章小结本章小结 . 34 第四章第四章 厚板小孔冲裁模具失效分析厚板小孔冲裁模具失效分析 . 35 4.1 厚板小孔冲
20、裁模具应力有厚板小孔冲裁模具应力有限元模型建立限元模型建立 . 35 4.2 厚板小孔冲裁模具应力模拟结果及数据处理厚板小孔冲裁模具应力模拟结果及数据处理 . 36 4.2.1 模具失效分析模拟结果 . 36 4.2.2 模拟数据处理 . 37 4.3 厚板小孔冲裁模具失效分析厚板小孔冲裁模具失效分析 . 39 4.3.1 不同工艺参数对冲头等效应力的影响 . 39 4.3.2 不同工艺参数对冲头磨损量的影响 . 39 4.4 本章小结本章小结. 40 第五章第五章 提高厚板小孔冲裁模寿命的研究提高厚板小孔冲裁模寿命的研究 . 41 5.1 模具材料的选择模具材料的选择 . 41 5.2 模具
21、的加工与制造模具的加工与制造 . 42 5.3 模具的热处理模具的热处理 . 42 5.4 模具的表面强化模具的表面强化 . 44 5.4.1 物理表面处理法 . 44 5.4.2 化学表面处理法 . 45 5.4.3 表面覆层处理法 . 46 5.5 模具结构优化模具结构优化 . 48 5.6 冲裁润滑冲裁润滑 . 50 5.7 模具的使用与维护模具的使用与维护 . 51 5.8 本章小结本章小结. 51 第六章第六章 全文总结与展望全文总结与展望 . 53 6.1 全文总结全文总结. 53 6.2 展望展望. 54 致谢致谢 . 错误错误!未定义书签。未定义书签。 万方数据目录 VI 参考
22、文献：参考文献： . 57 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果研究成果 . 59 万方数据第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 厚板小孔冲裁模具设计概述 一般将板厚 t4mm，孔直径 d/t1 的冲孔工艺称为厚板小孔冲裁。厚板小孔冲裁加工属于冲裁加工工艺中的一种。 冲裁是利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序1。冲裁加工具有快速、生产效率高、制件质量稳定、适合批量生产、生产成本低等特点，在生产中得到了普遍应用2。 模具寿命是衡量一个国家模具技术和经济水平的重要指标，发展模具新结构、引进模具新技术，新工艺、新材料，大幅提高模
23、具寿命是我国模具工业发展中的一个重要内容3。据国内相关模具企业统计表明，造成模具受用寿命低的各类因素中，模具结构设计不合理占 30%，工艺设计不合理占 15%，热处理不当占 40%。因此在模具设计和制造过程中，选择合适的材料，合理的制订生产工艺，采用恰当的热处理工艺，合理的设计模具结构，都可以大幅的提高模具的使用寿命。厚板小孔冲裁是一个复杂的塑性变形过程， 涉及弹性变形阶段、 塑性变形阶段和断裂分离阶段。 冲孔直径越小，冲裁成形力越大，模具越容易折断，模具使用寿命越短，并且不同的工艺参数对冲裁断面有较大的影响。因此，选取合适的工艺参数，设计合理的模具结构是提高厚板小孔冲裁模具使用寿命的主要方法
24、。 当前，厚板小孔冲裁工艺在航空航天、电子、汽车摩托车、仪器仪表、机械及建筑等行业中应用已日趋广泛，并取得了较为良好的经济和社会效益。尤其在近年，随着材料科学的发展， 冲压加工设备的精度不断的提高， 新型润滑剂得到不断研制应用，厚板小孔冲裁模具使用寿命已有大步的提升。但面对金属材料轻量化、高强度化的发展趋势，又对小孔冲裁加工工艺提出了更高的要求。 1.2 国内外研究现状 国内外学者针对厚板小孔冲裁工艺及模具设计的研究已较多， 通过查阅相关文献可以将归纳为：从塑性力学理论出发，利用主应力发、滑移线法和有限元法等塑性力学原理，研究厚板小孔冲裁成形时的冲裁力，通过假设不同的边界条件，计算不同材料、摩
25、擦情况、模具间隙和径厚比对冲裁力的影响规律；从模具设计出发，主要以经验法和单因素试验法为主，根据不同的材料及径厚比选择工艺参数组合，并未对工艺参数组合进行优化；从数值模拟出发，采用数值模拟软件对不同情况下厚板小孔冲裁万方数据重庆理工大学硕士学位论文 2 进行模拟仿真，克服传统的经验法和试错法模具设计周期长、失败率高的弱点，但受制于有限元法本身计算精度不够高，数值模拟受计算精度影响较大，其模拟结果定量分析困难。 （1）成形工艺参数： 秦泗吉，彭加耕，在板厚对冲裁力影响规律的研究4一文中，以数值模拟和实验分析为基础，提出相同材料在一定范围内，冲裁间隙对冲裁成形力的影响较小，板材的径厚比是影响单位厚
26、度上冲裁成形力的主要因素，并提出计算冲裁力的计算方法，并在相应实验和生产实际中得到较好的应力。 康凤，周杰等人，在厚板冲裁过程的模拟仿真及其参数优化5一文中，采用Deform-3D 对 7mm 厚的 20Cr 钢板进行冲裁模拟， 并采用 Normal C&L 断裂准则设置断裂阀值，分析影响厚板冲裁的几个关键工艺参数，并得到其对冲裁力和成形质量的影响规律，其结果为提高冲模寿命和冲压质量提供了依据。 中国兵器工业第 59 研究所的康凤，赵祖德等人，在厚板精冲过程的数值模拟仿真及其参数优化6一文中，针对精冲过程中的各种问题，建立了精冲计算力学模型，分析了在冲裁过程中裂纹的产生与扩展机理， 得出模具间
27、隙是影响断面质量的关键因素之一，避免了由经验来确定精冲工艺参数的不足。 （2）冲裁力： 张纪梁，王志伟等人，在厚板冲裁力的计算与分析7一文中，提出板料最大冲裁力的计算公式，认为平刃口最大冲裁力发生在凸模挤入厚板约 1/3 料厚处，并且提出精确计算厚板冲裁力应以诺谟图为准，受凹模积件、凹模表面粗糙度和下死点位置的影响。 彭成允，邓明等人，在厚板小孔冲裁力学分析8一文中，对厚板冲裁分为弹性变形阶段、塑性流动阶段、塑剪变形阶段、剪裂阶段和分离推卸阶段这五个过程，并且分别采用主应力法和滑移线法对 D/d5 和 D/d5 的厚板冲裁力进行力学建模， 对现行冲裁力计算公式进行了补充。 魏良庆，蔡友莉，在厚
28、钢板小孔冲裁力的研究9一文中，根据厚钢板小孔冲裁的变形特点，对厚钢板小孔冲裁时钢板受力与行程进行了分析，并以此为依据建立冲裁力计算的数学模型，采用 Q235 钢板为试验材料进行试验，验证了所建立的力学模型的准确性。 湖南科技职业学院的李星，皮杰，在冲小孔凸模受力分析及折断形式10一文中，对小孔冲裁过程及冲压三个阶段的模具受力分析，阐述了凸模折断的原因，并为生产实际针对不同的问题提出了理论依据。 （3）模具设计： 小孔冲裁模具设计较为常见的设计思路为：工艺分析、冲裁力分析、凸模强度校万方数据第一章 绪论 3 核和模具结构设计。国内关于此方面的相关文献也较多，挑选国内外小孔冲裁模设计较为典型的文章
29、进行简单的总结及归纳。 郑州日产汽车有限公司工艺处的冯玉玲， 在厚板冲孔冲头的设计11一文中， 针对厚度大于 6.5mm 的板料在冲孔时出现的冲头刃口折损或凸缘部破损等问题，分析冲头凸缘部破损的原因为板料太厚或为剪断抵抗力大， 凸缘部分应力集中和弹性波引起的拉力破坏，并依此重新设计冲孔冲头，改进冲头的寿命及强度是标准冲头的 48倍。 在小孔冲裁模设计12和薄板小孔连续冲裁模设计13中，作者以理论计算的冲裁力为基本，校核凸模的强度，确定了合理的工艺方案，设计的相关模具结构简单，适用于大批量生产。 李兴成，在中厚板冲裁问题研究14一文中，针对板料较厚时冲裁力过大的问题，提出采用斜刃口来降低冲裁力，
30、并以 Q235 为材料进行实验，从实验结果可看出斜刃口的刃口倾角对冲裁力影响较大，而斜刃口在冲裁过程中易磨损，故在生产实际中应采用变速换模结果提高劳动生产率。 寇元哲在小孔冲裁模设计分析15一文中， 分析小孔冲裁的特点， 并较为详细叙述了小孔冲裁模设计时凸模保护套的设计和冲模的其他结构部分的设计， 指出要防止小孔凸模的弯曲及折断，应改善凸模受力、增设导向机构，并选用合理的模具材料等角度进行考虑。 李丽芬，王贵滨，在小孔冲裁的特性与模具设计16一文中，以其公司生产的细纱机纱气压摇架中分压座为对象，设计了 14 个小孔冲裁成形的模具。其模具设计为浮动模柄顺装结构，并采用对角安装的导柱导套控制轴向精
31、度，凸模采用在卸料板内增设导向套，为保证卸料顺利采用了压力较大的抗耐压、弹性好的聚氨酯胶皮。整套模具在冲出的工件尺寸精度高，模具使用寿命长，达到了设计目的。 彭成允和邓明教授，在小孔冲裁的特征、失效形式及模具设计要点17一文中，扼要的介绍了冲裁过程凸模的几种常见的失效形式并提出相应的解决措施， 在凸模设计时，应对凸模的最小断面进行强度校核，其热处理可适当降低硬度保有一定的韧性，防止脆性断裂，通过研抛降低凸模表面及过渡处的粗糙度。 （4）模具失效分析： 重庆工学院彭成允和邓明教授， 在冲孔 （D/t4）冲裁过程进行力学分析，建立数学模型； （2）有限元模型建立及数值模拟 运用有限元软件 Defo
32、rm-3D 建立厚板小孔（d/t1，t4）的有限元模型，对冲裁过程进行数值模拟分析，分析不同工艺参数对冲裁力及模具磨损、应力应变的影响规律，优化工艺参数。 万方数据重庆理工大学硕士学位论文 6 （3）失效分析 通过失效分析找到影响寿命的主要因素 （4）提高模具寿命的措施 根据冲头失效原因， 针对其主要影响因素， 提出提高模具寿命的一系列有效措施。 1.3.3 研究目的 本文的主要研究目的是通过对厚板小孔（d/t1，t4）冲裁变形机理和受力状态的基础上提出提高厚板小孔冲裁模具使用寿命的有效措施。 建立与生产实际吻合度高的三维及有限元模型，通过设计科学的实验方案，对影响厚板小孔冲裁的主要工艺参数进
33、行分析和优化，得出各工艺参数对小孔冲裁的影响规律。通过分析各工艺参数对小孔冲裁的影响，提出提高模具使用寿命的有效措施。 万方数据第二章 厚板小孔冲裁力学模型与模具失效影响因素 7 第二章 厚板小孔冲裁力学模型与模具失效影响因素 2.1 厚板小孔冲裁工艺的特点 厚板小孔冲裁工艺与普通冲孔工艺因孔径比不同，其模具结构、冲裁力计算和冲裁件质量等多方面均有很大的区别，具体区别分别有： （1）相比普通冲裁，厚板小孔冲裁加工过程中，板料承受较大的静压力，板料处于三向压应力状态，板料受剪切和挤压而发生明显的塑性变形，剪切面光洁垂直，光亮带占断面的比例大于普通冲裁光亮带占断面的比例，其冲后孔的断面质量高。在某
34、些装配条件下，厚板小孔冲裁件不需要精加工而直接使用。 （2）由于厚板小孔冲裁属于冲挤加工，冲下的废料由于一部分被挤压压缩至工件孔的周围，故冲下的废料厚度一般小于原板料厚度。与普通冲裁不同，厚板小孔冲裁模具需要增加压料板和卸料板， 常见的厚板小孔冲裁模具结构上将压料板与卸料板设计为同一块板。冲裁过程中该板将板料牢牢压住，使得板料不发生滑动，能得到加工精度较高的工件。 （3）厚板小孔冲裁冲头一般选择阶梯结构的冲头以增加冲头的强度、刚度和使用寿命，而与普通冲裁不同，厚板小孔冲裁冲头常在回程时发生折断现象，这与厚板小孔冲裁模具间隙、 模具结构、 径厚比、 工况环境以及材料回弹等因素有较大的关系。为避免
35、冲头折断现象的发生，应增加冲头导向系统，保护冲头冲裁、卸料的全部工作过程。厚板小孔冲裁模具结构中不仅要有上、下模座上导柱、导套导向系统，而且需要在卸料板与冲头间设计导向套，以减少冲头受横向外力而发生折断。 2.2 厚板小孔冲裁力学模型 2.2.1 厚板小孔冲裁的力学分析 普通冲裁变形过程大致可分为：弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂分离阶段，并且可以从凸模-冲裁力曲线上明显的看到三个阶段。而厚板小孔冲裁过程较普通冲裁要复杂， 由于其变形过程是冲挤变形的过程， 故可将其变形过程分为以下 5 个阶段。 （1）弹性变形阶段，如图 2.1(a)。冲头开始接触板料，在冲头的作用下板料发生弹性压缩和弯曲，随
36、着行程的不断增加，冲头刃口逐渐压入板料中,此时材料内应力尚未超过材料的屈服极限，属于弹性变形阶段，冲头上移板料则恢复原来的形状。 （2）塑性流动阶段，如图 2.1(b)。随着冲头下移，材料发生塑性变形，但材料万方数据重庆理工大学硕士学位论文 8 并未马上向凹模孔内流动，而是先向孔周围流动，而随着冲头不断进入板料，靠近凹模刃口处的材料凸进凹模中，同时仍有部分材料流向凹模孔周围。 （3）塑剪变形阶段，如图 2.1(c)。当冲头进入板料一定深度后，材料发生硬化，向凹模孔周围的流动停止，材料被挤入凹模孔内而发生塑性变形，材料不断的挤入，使材料产生塑性剪切变形，并在凸模刃口附近开始产生显微裂纹。 （4）
37、剪裂阶段，如图 2.1(d)。冲头继续下行，凸模附近材料内部显微裂纹不断扩展，凹模刃口处材料开始产生显微裂纹并快速扩展，冲裁力开始快速下降。 （5）分离推卸阶段，如图 2.1(e)。上、下裂纹相互重合，板料与废料分离，冲裁过程完成。 此阶段冲头穿透板料并进入凹模一定的深度， 剪切废料已完全与孔分离。 （a） （b） （c） （d） （e） 图 2.1 厚板小孔冲裁过程 2.2.2 厚板小孔冲裁力学模型建立 （1）当 D/d5 时的力学模型 当圆形构件直径 D 与冲孔直径 d 之比 D/d5 时，塑性变形模型与开式冲孔类似。如图 2.2 所示，区域 1 可以看成是有侧压力的圆柱体镦粗。区域 1
38、对区域 2 扩张时，环形部分 2 犹如受到一个内压力的厚壁筒，下面具体进行分析： 图 2.2 开式冲孔模型 万方数据第二章 厚板小孔冲裁力学模型与模具失效影响因素 9 图 2.3 冲孔废料镦粗力学分析模型 对区域 l 取基元板块分析(见图 3.10)，列平衡方程式： 02sin22)()(ddrhdrrdddrrhdrdhrrr 由于d很小，d0,且22sindd ，忽略高阶微分，整理得： 02rhdrdrr 假定为均匀变形，r，上式即为： 02hdrdr 将密席斯屈服准则的近似塑性条件Srz, zrdd代入上式得： 02hdrdz 即rrdhd)/2(，所以Crhr)/2( 利用边界条件确定
39、常数 C,即当err 时，err errhCe)/2( 万方数据重庆理工大学硕士学位论文 10 ererrhrh)/2()/2( 则SrzSrhrhere)/2()/2( rdrShrrdFPerez2/2塑 2= 4()/2()eerr rrhr Sdr 33204=(2) /()3erreeerrrhrS 322=/()3reerrhrS 单位面积的平均压力: ereShrFPP/32/塑 (1) 式中：er圆柱形区域 1 的半径； h冲裁前板料高度； S材料的屈服强度； er-材料侧壁的垂直压应力； 材料的抗剪切强度。 对区域 2， 看成是受内压力的厚壁筒， 其应力分析如图 2.4， 内
40、径为 d， 外径为 D。筒内受均匀内压力-P。每一横断面上的应力可认为是相同的，是一个平面问题。而且应力分布又是轴对称的， 图 2.4 冲孔废料镦粗力学分析模型 B 其极坐标平衡微分方程为 0dd 万方数据第二章 厚板小孔冲裁力学模型与模具失效影响因素 11 根据屈服准则，有 S 代入平衡微分方程式，得： dSd 积分得：CSln 用边界条件定 C：=D2 时，=0 所以：C=2/D，)/2ln(DS 由上式可知：断面上总是负值，即总受压应力； =d/2 时，有最大单位流动压力-)/ln(dDS 对于相当长的厚壁筒，则可以认为是平面应变问题，则=1，则： dDSPln (2) 对于较短的厚壁筒
41、，则可看作平面应力问题，取=1.1，则 dDSPln1 . 1 (3) 为一系数，由23/2决定，为罗代应力参数，它由主应力确定，其范围是-11，则相应地 值的变化范围为 11.155。 塑变力的计算公式: FpP塑 根据上文计算结果，ereShrp/32，其中er)/ln(dDS (4) 式中：F- 小凸模与板料的接触面积 er- 外侧壁压应力 我们知道，当 d/h 较大时， 的分布曲线可大致分为三段：滑动区、制动区和停滞区。 当 1d/h2 时，相对应的接触表面部分只剩停滞区，一般认为停滞区的的半径约等于试样高度，即hrC，则 万方数据重庆理工大学硕士学位论文 12 hrSrrSc22 当
42、hrrrdc时， 有最大值，2/maxS，所以3/41SP ， 此时)/ln(1 . 13/4)/ln(1 . 13/421dDSdDSSPPP 塑变抗力为： )/ln(1 . 13/4)(221dDSFrPPFpP塑 (5) 式中 F凸模接触面面积; S材料的屈服强度; D材料的直径; d冲孔直径 上式虽然是在 1d/h2 的情况下推得的，但对 d/h1 时只有停滞区的情况下也是有极为重要的参考价值。 （2）D/d5 时塑变力计算 当孔径之比 D/d5 时，厚钢板小孔冲裁的塑性变形模型与凸模均匀压入半无限体类似。当凸模压入半无限体时，其单位变形力滑移线场如图 3.12 所示。 图 2.5 冲
43、孔板料单位变形力滑移线场（P 方向为正方向） 由于冲头的长度比宽度大得多，可以认为是平面塑性应变状态。 假设冲头底面 AB 为光滑接触表面时，可取摩擦应力0k和工作压力y为均匀分布,AD 和 BC 为自由表面，但都不是滑移线。故 在 AD 边界上，0,4xyy，0 x， 故 xy31, 0 万方数据第二章 厚板小孔冲裁力学模型与模具失效影响因素 13 根据屈雷斯加屈服准则： mK2/ )(23131 得：KKKyxmD)2(21)(21,23 在 AO 边界上，)(, 0,43取正值PPyxy 根据变形情况：yx 按屈服准则：Kyx2 于是： PKKPKyxmyx)(21220 由汉基方程，沿
44、族的一条滑移线（例如 OGFD）为常数。 )4(243222KKKPKKKomDomo 简化得: )2( Kp 针对三个不同的区域分别计算塑性抗力: ADF 区域内, 0y , 0 xy Km2 此时只有 X 方向有拉应力,则 4/322rKFPxx AOG 区域内: 2Kpy, KKyxxy2, 0 x 方向: 4/34/3222rKrKFPx y 方向: 2222rKrKFPy AFG 区域内,沿 线写汉基方程得: )4/2/1 (2Km 当=3/4 时，m有最大值, )1 (max)Km 万方数据重庆理工大学硕士学位论文 14 即图中 F 点有最大力,P=4/)1 (252(max)rK
45、Fm 式中为线的切线方向与轴正向的夹角，逆时针方向为正。 由金属流动性和力的传递性可知,区域内的力皆由表面所受的冲裁力 P 而来，所以此时冲裁力的计算公式应为： 2222rKrKFPy (6) 2.3 厚板小孔冲裁模具失效影响因素 2.3.1 厚板小孔冲裁模具失效形式 厚板小孔冲裁模具失效形式因模具设计结构不同、 工作设备和润滑措施不同而表现不同的失效形式。常见的厚板小孔冲裁模主要失效形式有两种： （1）磨损失效。厚板小孔冲裁时，当凸模与板料发生接触并相对运动时，实际上只在若干个孤立的微凸体顶端产生接触，这些接触点的应力很大，产生塑性变形，接触点由于摩擦发热而粘着焊合形成“结点” ，如果冲裁力
46、克服不了焊合结点的结合力，则凸模与板料将发生“咬死”28。并且厚板小孔冲裁加工属于冲挤加工的加工方式， 模具相对间隙小， 剪切力较普通冲裁大， 在实际冲裁过程中， 冲头摩擦发热量大，温降小，粘着磨损导致的模具磨损非常严重。 （2）冲头折断失效。厚板小孔冲裁过程中，冲头极易发生折断失效，主要原因是由于外界产生侧向力和冲头自身强度及刚度不够而造成的。如：模具结构设计不合理，冲头导向精度不足，冲裁和卸料过程中冲头极易发生折断；模具设计刚度不足，模具受重载荷后回弹并产生不均匀的侧向力使冲头折断；冲头的强度、刚度和韧性不足，冲裁过程中发生微变形而弯曲，使冲头产生严重磨损、模具刃口崩裂和折断。 2.3.2
47、 影响厚板小孔冲裁模具寿命的因素 （1）模具结构。因为厚板小孔冲裁径厚比小（d/t1） ，并且冲头冲裁过程中易磨损和折断，故其模具结构与普通冲裁模具较为不同。首先，模具导向机构对厚板小孔冲裁模具寿命有较大的影响，因为模具间隙较小，冲头的强度和韧性相对较弱，在冲孔过程中会因为导向精度差而产生不均匀的侧向力而导致冲头弯曲、磨损甚至折断。 冲头冲穿板料后回程过程中， 孔边材料回弹、 模具回弹均会产生不均匀的侧向力，从而造成冲头使用寿命低。由此可看出，模具导向机构对厚板小孔冲裁模具使用寿命有非常大的影响。因此，必须选择正确的导向机构来提高模具的导向精度。常见的方法有：卸料板上增加导向套提高导向精度；冲
48、头上增加保护套，提高导向精度的同时提高冲头的强度和刚度；选用浮动模柄和导柱导套机构，排除压机导向精度差对模具万方数据第二章 厚板小孔冲裁力学模型与模具失效影响因素 15 造成的影响。 其次，模具间隙对厚板小孔冲裁模具的使用寿命有影响。厚板小孔冲裁相比较普通冲裁上下模具相对间隙小，冲裁后断面质量好，但与此同时，冲裁力也较普通冲裁力大很多，冲裁过程模具刃口处于较大的应力状态，极易产生刃口崩裂的缺陷。若选择上下模具间隙较大，模具刃口部位的磨损则增加，降低了模具的使用寿命。因此，选择合理的模具间隙也是提高厚板小孔冲裁模具使用寿命的关键因素。 冲头的结构对冲头的使用寿命有着较大的影响。一般冲头多采用台阶
49、式，为防止在阶梯过渡处产生应力集中，过渡处常采用圆角过渡，采用台阶式冲头制造方便，刚度与强度高，因此被广泛的应用。与冲头配合的承压板需要有较好的刚度和强度，减少承压板的弹性变形对冲头的影响。 （2）模具材料。没有好的模具材料，根本无法保证冲裁模具的使用寿命，从而也就失去了厚板小孔冲裁大批量生产的优点。因此，模具材料是制造厚板小孔冲裁模具的关键。厚板小孔冲裁承受较高的载荷，模具刃口极易崩裂和磨损，因此模具材质的选择上更应该选择具有高韧性和耐磨性的材料，在保证使用寿命的同时兼顾经济性。传统的模具材料有 T8A、Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2 等，而随着材料科学的发展，新模具钢种不断被研制出，
50、如：LD、65Nb、LM1、LM2、GM、Cr8MoWV3Si 等，较传统模具材质制造的模具，采用新型冷作模具钢制造的模具使用寿命大大提高。如板厚 4mm的 10 钢板上冲 D=4mm 的冲头，采用 Cr12MoV 制造的冲头其寿命大约为 4000 件，之后冲裁出的制件因毛刺过大而失效。改用 LD 钢，冲头使用寿命达到 10 万件以上，采用新型模具钢比传统模具材质的使用寿命提高 25 倍以上 （3）模具制造。合理的模具结构和模具材料是保证模具具有高寿命的基础，而模具制造技术水平则是影响模具是否能到达设计使用寿命的关键因素。 厚板小孔冲裁模具的加工方法可采用精密电火花加工和切削加工。 精密电火花
