1、 - I - 摘 要 摘 要 随着冲压技术的快速发展及其应用范围的不断扩大，许多结构零件、受力构件等采用厚钢板冲制而成。这不仅能保证零件有足够的强度和刚度，而且还可以提高劳动生产率，并降低生产成本。 但是厚钢板冲裁时，特别是 t4，d/t1 条件下的冲孔，由于冲头受力条件恶劣，在设计、制造、使用过程中的各种原因都可能导致冲头弯曲、崩刃、折断、磨损严重使模具寿命过低以致于无法实施生产。 模具寿命是衡量模具技术和经济水平的重要指标，大幅度提高模具寿命是我国模具工业发展中的一个重要内容。 本文在综合借鉴国内外大量技术资料的基础上， 针对工厂中常用的厚板材条件下（4t6，d/t1）的冲孔，采用理论分析
2、，结合数值模拟技术和工程实验对厚钢板小孔冲裁机理、受力状态进行了系统全面地研究，对该类模具的失效形式及原因进行了分析，并对有效提高模具寿命的措施主要进行了模具材料耐磨性能实验研究。具体工作如下： 1.理论上分析了厚钢板小孔冲裁的变形过程以及影响成形工艺的参数。 2.运用 DEFORM2D、DEFORM3D 分析软件对厚钢板小孔冲裁过程进行了模拟，对板料的变形过程以及应力应变进行了分析。 3.运用 DEFORM3D 分析了板厚、模具间隙、材料类型等工艺参数对冲裁力的影响，得到了工艺参数对冲裁力的基本影响规律。设计制造了厚钢板小孔冲裁模，并结合分步冲裁工程实验， 比较了模拟结果与实验结果的差异，
3、得到了厚钢板小孔冲裁的机理。 4.建立冲裁力的断裂力学模型，选取 10#钢研究普通冲裁与厚钢板小孔冲裁时冲裁力计算的区别，结合模拟结果，得出厚钢板小孔冲裁的冲裁力计算公式。 5.从冲裁机理入手，对厚钢板小孔冲裁过程中出现的模具失效问题进行了分析，主要研究了凸模的失效形式及失效原因。 6.就如何提高模具寿命，结合现场实验及工程实例，主要从表面强化、选材、润滑、模具结构等方面提出了提高寿命的措施，并对经表面强化处理的试样进行了模具材料耐磨性能的测试。 本项研究， 可望弥补厚钢板小孔冲裁方面理论研究的不足， 对丰富冲压工艺理论，开发在汽车、机械等工业有广泛应用前景的新的厚钢板冲裁加工工艺，提高冲压件
4、的质量等方面有一定的学术意义及工程意义， 该项研究成果可以作为工程技术人员的设计参考资料。 关键词：厚钢板；小孔冲裁；断裂准则；数值模拟；模具寿命 - II - ABSTRACT ABSTRACT As the development of punching technology and its expansion of application, many parts pressed with thick blank.This can not only ensure the enough intension and rigidity,but improve working productivi
5、ty,then consequently low the cost of the production. Thick steel blank punching,especially small hole punching on thick steel plate(4t6，d/t1),because of the bad condition of die received during punching,various factors in the process during its design,manufacturing and using,can lead the punch bendi
6、ng,moldering,breaking,and even abrasion,which makes the production unavaliable. Besides, life of the die is an important guideline which can scale the technology of die and the level of the economy. One of the most important contents in our countrys industrial development is improve the lifespan of
7、the die energetically. On the basis of consulting and absorbing a great deal of overseas and domestic literature information, aiming at the punching(4t6，d/t1) in normal use，the punching mechanism,stress,invalidation style, invalidation cause and the measures for improving lifetime of die are investi
8、gated systematically by theoretical analysis, numerical simulation and experiments. 1.Analyse the process of small hole punching on thick steel plate and the influencing factors on forming capability theoretically. 2.Simulate the process by DEFORM2D&DEFORM3D,analyze the forming process,stress and st
9、rain of blank during forming. 3.By DEFORM3D,studied the influences of thickness,die clearance and material on punching force,and elicited their infection on disciplinarian curve.Die of small hole punching on thick plate is desgined,combining punching step by step, compare the differences between sim
10、ulation and experiment,obtaining punching mechanism. 4.Set up crack model of force to study the change of punching force by choosing 10# steel. Then, compare the differences of formula between ordinary punching and small hole punching on thick steel plate.According to the results of simulation, the
11、formula for force of small hole punching is obtained. 5.According to punching mechanism, the die invalidation in the process of small hole punching is analyzed, mainly study the invalidation style and cause of die. 6.Aiming at improving lifetime, combinating experiments and examples in factories, -
12、III - present the measures for improving life of die from surface treatment, material choice,lubricating and die structure. The study may remedy the deficiency of theoretical research on small hole punching on thick steel plate and enrich the theory of punching. Furthermore,it may have an important
13、academic significance and a wide application propect on improving quality of punching parts, especially for industries of vehicle and machine.Besides, the study may offer reference data for engineers and technicians. Key Words: Thick steel plate,Small hole punchiong, Fracture criteria, Numerical smu
14、lation,Life of die - IV - 目 录 目 录 摘摘 要要. I ABSTRACT.II 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 厚钢板小孔冲裁概述.1 1.2 国内外研究现状.2 1.3 本课题的研究意义.3 1.4 研究目的及内容.4 1.4.1 研究目的.4 1.4.2 研究内容.4 第二章第二章 厚钢板小孔冲裁过程的数值模拟厚钢板小孔冲裁过程的数值模拟 .5 2.1 引言.5 2.2 DEFORM软件简介10.5 2.2.1 前处理器.5 2.2.2 模拟处理器.6 2.2.3 后处理器.6 2.3 板料冲裁过程中的断裂准则.6 2.4 网格划分及有限元模型建立.6 2
15、.5 有限元模拟分析.7 2.5.1 DEFORM2D 模拟整体变形过程及应力应变.7 - V - 2.5.2 DEFORM3D 分析应力应变.11 2.5.3 模拟冲裁力行程曲线.15 2.5.4 成形参数对冲裁质量的影响.16 2.6 本章小结.24 第三章第三章 厚钢板小孔冲裁的力学分析厚钢板小孔冲裁的力学分析 .25 3.1 金属塑性加工的基本理论.25 3.1.1 塑性变形的增量理论（流动理论）19.25 3.1.2 塑性流动与屈服表面的相关性-法向性原理19.26 3.2 厚钢板小孔冲裁工艺分析.27 3.2.1 厚钢板小孔冲裁工艺分析.27 3.2.2 厚钢板小孔冲裁的特点.29
16、 3.2.3 厚钢板小孔冲裁应力应变分析.30 3.2.4 厚钢板小孔冲裁凸模比较分析.33 3.3 板厚、间隙与冲裁力的关系.34 3.4 厚钢板小孔冲裁力的计算.34 3.4.1 冲裁力的力学模型建立.34 3.4.2 冲裁力的计算.40 3.5 本章小结.41 第四章第四章 厚钢板小孔冲裁实验研究厚钢板小孔冲裁实验研究 .42 4.1 简易实验模具设计.42 4.1.1 模具结构设计.42 - VI - 4.1.2 凸模结构设计.44 4.2 分步冲裁实验.44 4.2.1 实验准备.44 4.2.2 实验数据及结果分析.45 4.3 本章小结.48 第五章第五章 厚钢板小孔冲裁模失效分
17、析厚钢板小孔冲裁模失效分析 .49 5.1 厚钢板小孔冲裁凸模的失效形式.49 5.2 厚钢板小孔冲裁凸模的失效原因分析.50 5.2.1 磨损失效.50 5.2.2 弯曲或折断.50 5.3 影响厚钢板小孔冲裁凸模寿命的因素分析.51 5.3.1 模具材料.51 5.3.2 模具结构.52 5.3.3 模具的加工.53 5.4 本章小结.53 第六章第六章 提高厚钢板小孔冲裁模寿命的实验研究提高厚钢板小孔冲裁模寿命的实验研究.54 6.1 表面强化工艺.54 6.1.1 材料表面强化工艺的选择.54 6.1.2 TD 处理技术简介.56 6.1.3 实验过程.57 6.1.4 实验结果及分析
18、.58 - VII - 6.2 润滑.60 6.3 材料选择.62 6.4 合理的热处理工艺.63 6.5 模具结构.66 6.6 本章小结.68 结结 论论.69 参考文献参考文献.71 致 谢致 谢.73 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果.74 - 1 - 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 厚钢板小孔冲裁概述 1.1 厚钢板小孔冲裁概述 厚钢板小孔冲裁加工属于冲裁加工的一种。冲裁加工具有快速、高效、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。通常所说的冲压成形工艺，被加工材料在很小区域内产生很大的塑
19、性变形，而且以破坏分离为最终目的，这就使得这种看似简单的加工方法，比其他塑性加工工艺复杂的多，在加工过程中往往伴随着一些不能简单说明的复杂现象。 对于厚钢板冲裁，至今仍然没有标准的料厚范围，但根据冲裁加工的常规加工料厚范围，一般认为板厚 t4mm 的板料为厚板材料。对于小孔的尺寸范围，至今没有标准衡量和数据界定，通常将孔径在 0.5mm3mm 范围内的孔统称为小孔。在一定的板厚条件下，当冲孔的直径小于某一定值时，由于小凸模强度和刚度的限制而无法冲孔1。冲孔直径越小、凸模越长，长径比越大，凸模越容易折断。但仅从冲孔直径大小来划分冲小孔凸模，忽略了冲孔料厚，等于没有考虑凸模载荷，显然也不全面。 厚
20、板冲裁工艺设计时会遇到许多问题， 如按普通冲裁力计算公式计算出的冲裁力往往过小，且在手册中查不出合理的模具间隙值。因此，厚钢板冲小孔的工艺和模具设计无章可循，往往是通过经验设计。厚钢板小孔冲裁时，凸凹模要承受更大的压应力，尤其非圆断面凸模的尖角、凸耳、折线交点处，接触应力远大于平均压应力，以致于超过通常的 T7A、T8A、10A、Cr12、Cr12MoV、GCr15 等材料制造的凸凹模的许用压应力，使其局部应力超过极限应力而崩刃、开裂，较细而又未加固的凸模则经常折断，凹模则在冲裁轮廓折线交接处、锐角顶的小圆角根部易突然开裂2。因此，采用高强度、 高耐磨优质冲模新材料取代上述常规冲模材料制作厚钢
21、板小孔凸模显得十分重要。 目前，在航天、航空、兵工、电子、汽车、仪器仪表、机械及建筑等行业中，厚钢板小孔冲裁的应用日趋广泛并取得了较好的经济效益。特别是近年来，随着材料科学的发展，模具技术水平的不断提高，新型模具材料的推广应用，尤其是耐热钢、不锈钢、 硬质合金等高强度、 高耐磨性材料的出现， 对小孔冲裁加工提出了更高的要求，为解决厚钢板小孔冲裁时的模具寿命问题奠定了坚实的基础。 - 2 - 1.2 国内外研究现状 1.2 国内外研究现状 国内对厚钢板小孔冲裁的研究主要集中在二十世纪八、九十年代。安建华、许树勤等对厚板冲小孔时的冲裁力进行了计算，并提出了近似计算公式，建议采用实例和计算来确定模具
22、间隙，但仍然处于摸索阶段3。小孔冲裁的凸模由于受力条件十分恶劣，在工作过程中经常发生失稳弯曲、崩刃、折断、严重磨损等破坏。因此，目前国内对厚钢板小孔冲裁的研究主要集中在分析冲头失效形式以及如何预防小冲头的破坏方面。 研究者们提出了细长凸模的主要失效形式，如小冲头的强度、刚度和韧性不足，在冲裁的过程中易产生崩刃、失稳弯曲和折断；在冲孔卸料过程中，由于重载后整体模具释放变形能量而回弹，易使冲头受到不均衡侧向力折断；在冲孔和卸料过程中，小冲头易受任何原因引起的侧向力而产生严重磨损、崩刃或折断；小孔冲裁挤剪切力大，摩擦发热严重，粘着磨损严重4。针对这些失效形式也提出了很多行之有效的措施，主要是从模具设
23、计方面（冲头为主） 、模具制造装配以及其他方面考虑（选材及热处理） 。但从失效机理方面入手来分析研究模具寿命方面的资料几乎没有。 有很多文献分析了厚钢板冲裁的过程， 也比较了小孔冲裁与普通冲裁过程中板料变形的不同之处。彭成允等人根据塑性成型理论和厚板小孔冲裁机理并结合生产实际，运用主应力法和上限法对冲裁过程建立了力学模型进行了应力分析5。李兴成等人运用实验法分析中厚板冲裁时影响冲裁力的几个主要因素， 并由试验确定了对于给定厚度的板料，斜刃口模具倾角对冲裁力的影响是主要的6。但对冲裁机理的深入研究几乎是一片空白，尚无资料可查。关于冲裁过程中有关冲裁力计算的资料较多，但采用的公式和说法大相径庭，而
24、且冲裁过程中冲裁力的真实曲线也很少有涉及到的。对小孔冲裁的计算机模拟方面的研究也很少，目前看到的是先采用 Deform2D 软件分析冲裁的断裂机理，再用 Deform3D 进行缺陷分析预测，但目前仍然处于起步阶段。 国外，日本学者在这方面做了相对较多的工作。1997 年，小森和武等人采用节点分离及网格重划分技术，对冲裁加工进行了分析7。1998 年，汤川伸树等人用 FEM对板料剪切断裂前的加工过程进行了模拟，得出了相对间隙和刃口圆角尺寸对应力、应变分布的影响规律8。荷兰的 Y.W.Stegeman 等采用弹塑性 Von-Mises 模型对冲裁加工过程进行了模拟， 得到了剪切速度对剪切力的影响，
25、 还采用了精确的网格试验法，用显微镜对网格的变形进行观测， 得出冲裁过程中模具切入量和材料应变分布的关系9。近几年一些国家的学者对板材的断裂问题进行了研究。他们分别采用不同的断裂准则分析了裂纹的扩展。但是专门对厚钢板小孔冲裁进行研究的资料尚无。 从近几年涉及厚板剪切与冲裁加工的文献资料可以看出， 目前的研究已经从试验 - 3 - 研究与理论分析过渡到与数值模拟相结合，但分析方法和研究内容限于简单化，理论研究还不够深。因此，通过计算机模拟冲孔过程，建立断裂力学模型以及冲裁力的计算模型，研究厚钢板小孔冲裁的机理，得出冲裁力的变化曲线，找出冲头失效的原因是现代冲压技术的关键研讨课题，具有很大的挑战性
26、。 1.3 本课题的研究意义 1.3 本课题的研究意义 随着现代冲压技术的迅速发展及其应用范围的不断扩大， 许多结构零件采用厚钢板冲制而成，这不仅能保证零件有足够的强度和刚度，而且还可以提高零件的使用寿命，提高劳动生产率，从而降低生产成本，因此，厚钢板冲裁技术越来越引人注目。 但是厚钢板冲裁时，特别是 t4，d/t1 条件下的冲孔，由于冲头受力条件恶劣，在设计、制造、使用过程中的种种原因都可能导致冲头弯曲、崩刃、折断、磨损严重而导致模具寿命过低以致于无法实施生产。 而模具寿命是衡量模具技术和经济水平的重要指标，大幅度提高模具寿命是我国模具工业发展中的一个重要内容。世界先进工业国家，由于在模具材
27、料、制造以及热处理方面采用了新技术，模具寿命是我国的 35 倍，冲裁厚钢板小孔径厚比可达 0.4。而我国在实际生产中，径厚比 d/t1的模具寿命相当低。 厚钢板小孔冲裁属于板材剪切与冲裁加工的一种。剪切与冲裁过程看似简单，实际变形过程极为复杂。由于变形区狭小，变形剧烈，局部变形程度大，且以断裂方式告终，对其变形区应力应变情况、裂纹扩展及断裂，及内在规律性的研究较为困难。而用普通方法 （如钻孔、 铰孔等机械加工方法） 生产的制件形状和尺寸精度相对较低，不能满足高质量的使用要求，而且生产成本高，生产效率低。因此，用冲压加工方法代替机械加工是必然的趋势。但是，厚钢板小孔冲裁过程本身非常复杂，在变形机
28、理和断裂分离机制方面的理论及研究工作还不完善， 使得厚钢板小孔冲裁工艺的应用水平一直较低，在一定程度上也制约了冲压生产的发展。 因此，对其冲裁机理和冲裁力变化进行深入的研究显得越来越重要。本项研究可望弥补厚板小孔冲裁理论研究的不足，对丰富冲压工艺理论，开发在汽车、机械等工业有广泛应用前景的新的厚板冲裁加工工艺， 提高冲压件的质量等方面有着重要的意义。 - 4 - 1.4 研究目的及内容 1.4 研究目的及内容 1.4.1 研究目的 (1) 通过有限元数值模拟，并结合理论分析与工程实验，对厚钢板小孔冲裁（4t6，d/t1）的变形过程及材料的应力应变状态进行研究，得到厚钢板小孔冲裁机理； (2)
29、通过对模具间隙、厚度、材质、凸模形式等工艺参数的优化，得出各成形参数对厚钢板小孔冲裁质量的影响； (3) 根据塑性成型理论及厚钢板小孔冲裁变形特点，建立冲裁力断裂力学模型，得出厚钢板小孔冲裁力的计算公式； (4) 以冲裁机理为依据，通过分析厚钢板小孔冲裁模的失效形式及原因，力图从根本上得到解决模具寿命问题的措施。 1.4.2 研究内容 (1) 运用 Deform2D 进行模拟分析， 分析小孔冲裁过程中板厚为 5mm 的材料内部的应力应变状态。以此为依据，建立断裂力学模型，结合分步冲裁实验，研究厚钢板小孔冲裁的变形机理及材料受力状态； (2) 建立冲裁力的断裂力学模型，以 10#钢为例，得出厚钢
30、板小孔冲裁力的计算公式，并比较与普通冲裁力计算公式的区别； (3) 以厚钢板小孔冲裁机理为依据，全面地分析凸模的主要失效形式、失效原因及影响厚钢板小孔冲裁模寿命的因素； (4) 针对厚钢板小孔冲裁（4t6，d/t1）过程中的模具失效问题，通过工程实验与工厂实例，提出提高模具寿命的有效措施。 - 5 - 第二章 厚钢板小孔冲裁过程的数值模拟 第二章 厚钢板小孔冲裁过程的数值模拟 2.1 引言 2.1 引言 厚钢板小孔冲裁是利用模具使板料产生分离的冲压工序， 是一个既有变形又有分离的极其复杂的塑性加工问题。这种加工方式在刃口附近的变形程度剧烈，断裂前产生的极限塑性应变值远高于其他塑性加工。因此，冲
31、裁变形过程远比其它一些成形工序如拉深、 弯曲、 胀形等复杂， 这些成形工序可以通过理论分析的方法， 对诸如应力、应变、变形力等进行预测或计算，而对冲裁加工则很难进行类似的理论分析。此外，板材冲裁加工过程中的断裂问题非常复杂，剪切带成形的范围很窄，断裂过程中出现的一些复杂现象，至今未能得到很好的解释。 基于有限元方法的数值模拟技术由于其独特的优势， 在塑性加工领域获得了广泛的应用。通过数值模拟，可以了解金属塑性成形的全过程，包括金属成形过程中各阶段材料变形的趋势、材料内部的应力、应变、应变速率、成形载荷及速度矢量场等。这对金属塑性加工工艺设计、模具设计、压力机的选择以及成形质量的控制等具有很大的
32、现实意义。 在有限元模拟过程中，要涉及一些具体的技术问题，如材料模型的选择，单元类型的选择，模具几何模型的建立、分析及简化，单元网格的划分与重划分，断裂问题的处理，分析类型，约束条件等。对于不同的塑性加工问题，解决和处理的方法可能有所不同。因此，为了更好地揭示冲裁加工过程中的某些共性规律，在进行有限元分析之前，需要做一定的理论准备工作。 2.2 Deform 软件简介2.2 Deform 软件简介1010 Deform 是一个基于过程的模拟系统，用于金属成形以及相关工业分析各种成形以及热处理加工的大型商业有限元分析软件。与其他普通目的的有限元软件不同，Deform 是为变形模拟量身定做的。DE
33、FORM-2D 和 DEFORM-3D 的模块结构基本相同，都由前处理器、模拟处理器和后处理器三大模块组成，不同的是 DEFORM-2D 自身可以制作简易的线框模具，DEFORM-3D 不具备实体造型能力，但它提供一些通用的 CAD 数据接口，如 IGES 和 STL 接口。 2.2.1 前处理器 前处理器包括三个子模块：(1)数据输入模块，便于数据的交互式输入，如：初 - 6 - 始速度场、温度场、边界条件、冲头行程以及摩擦系数等初始条件；(2)网格的自动划分与自动再划分模块；(3)数据传递模块，当网格重划分后，能够在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件等数据的传递，从而保证计算的连
34、续性。 2.2.2 模拟处理器 真正的有限元分析过程是在模拟处理器中完成的，DEFORM 运行时，首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线形方程组，然后通过直接迭代法和 Newton-Raphson 法进行求解，求解的结果以二进制的形式进行保存，用户可在后处理器中获取所需要的结果。 2.2.3 后处理器 后处理器用于显示计算结果，结果可以是图形形式，也可以是数字、文字混编的形式。可获取的结果可为每一步的：(1)有限元网格；(2)等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等色图；(3)速度场；(4)温度场；(5)压力行程曲线等。此外用户还可以列点进行跟踪，对个别点的轨迹、应力、
35、应变、破坏程度进行跟踪观察，并可根据需要抽取数据。 2.3 板料冲裁过程中的断裂准则 2.3 板料冲裁过程中的断裂准则 在模拟过程中，要很好的反映细小凸模及材料的真实受力情况，材料断裂准则的选取很重要。 目前应用在材料加工中的韧性断裂中， 符合冲裁断裂的准则有 CockroftLatham 准则、McClintock 准则等。这些准则都是基于应力、应变累计破坏计算，根据材料的最大破坏值是否达到了临界值来判断材料的断裂与否 11-13。 临界破坏值虽然会受到加工条件的影响， 但是还是将其视为像屈服应力、 强度极限一样的材料常数。在本模拟中， 选择 Normal CockroftLatham 模型
36、。 断裂临界的损伤值可由实验得到，并与材料密切相关。在 FEM 分析中，一些学者采用了结点分离14、消除单元15等方法处理板材剪切加工的断裂问题。 2.4 网格划分及有限元模型建立 2.4 网格划分及有限元模型建立 划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。为建立正确、合理的有限元模型，划分网格时应考虑一些基本原则： 网格数量 网格数量的多少将影响计算量的大小和计算结果的精度。一般来 - 7 - 讲，为了提高模拟质量，网格数量是越多越好，但这种模拟质量的提高是以大幅度降低计算机模拟的运算速度为代价的。所以
37、在确定网格数量时应权衡两个因素综合考虑，应注意增加网格的经济性。实际应用时可以根据具体工艺对网格数量进行控制。 网格疏密 网格疏密是指在不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。 网格质量 划分网格时一般要求网格质量能达到某些指标要求。在重点研究的关键部位，即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差，因此应保证划分高质量网格。而在次要结构部位，网格质量可适当降低16。 根据以上原则，建立有限元模型，模型的
38、大小和网格的数量根据 Deform 3D 试探性模拟数次确定。刃口附近采用局部细划分网格。图 2.1 为 DEFORM3D 模拟整体模型，图 2.2 为凸模的形式和板料网格划分。 图 2.1 小孔冲裁模拟整体模型 图 2.2 凸模和板料局部模型 2.5 有限元模拟分析 2.5 有限元模拟分析 2.5.1 DEFORM2D 模拟整体变形过程及应力应变 2.5.1.1 基本参数设置 运用 DEFORM2D 分析软件建立二维模型，分析厚钢板小孔冲裁断裂机理。模型材料为 10#钢， 板厚 ， 用 的平底凸模， 凸模下行速度为 10mm/s； 模具单面间隙 z/2=2%t；网格划分为 3500 个；边界
39、条件采用常规摩擦模型，摩擦系数为 0.12；临界断裂因子C值根据与平均延伸率成正比的方法取定（当 n=0.22 时，C=3.88）17。 - 8 - 对模拟结果进行分析， 厚钢板小孔冲裁在冲裁过程和变形机理方面与普通冲裁有明显的区别。总的来说，厚钢板小孔冲裁以弹塑性变形开始，以断裂分离告终。如图2.3 所示。 第一阶段弹性变形阶段。凸模加压于板料，板料由于受到凸模和凹模的压力作用产生弹性压缩、弯曲和拉伸等变形，凸模刃口开始切入板料内。通过模拟和实验结果可知，这一阶段时间极短，在瞬间内完成。 第二阶段塑性流动阶段。凸模继续下压，凸模刃口进入材料，材料由于受到挤压作用，向孔周围流动，并迫使材料进入
40、凹模孔内产生定向流动。 第三阶段为塑剪变形阶段。随着凸模下压量的不断增加，当孔壁材料产生加工硬化且内应力超过屈服极限时，材料停止向孔周围流动，大量材料挤入凹模内。当凹模刃口附近内应力达到抗剪强度时在凹模刃口处出现显微裂纹。 第四阶段为塑剪分离阶段。凸模继续下行，材料抗剪面积逐渐减小，显微裂纹在材料内部扩展，此时凸模刃口处的材料也出现剪切裂纹，并开始剪裂。当凸模进入材料离凹模面约 0.5mm 时，废料与孔完全分离。至此，冲孔过程全部结束，随后只是克服摩擦力，将废料从零件和凹模中推出。 2.5.1.2 应力分析 图 2.3 厚钢板小孔冲裁断裂过程 - 9 - （1）等效应力 （2）X 方向上的应力
41、 （3）Y 方向上的应力 图 2.4 厚钢板小孔冲裁应力分布图 从应力分布图 2.4 来看，厚钢板小孔冲裁时，x 方向上的应力值在凸模正下方和凹模正上方的多数区域为负值，而 y 方向上的应力大部分都是负值。刃口下方处于压应力区，最大平均拉应力产生在接近间隙区的压板下方。 - 10 - 2.5.1.3 应变及变形分析 （1）等效应变 （2）X 方向上的应变 （3）Y 方向上的应变 图 2.5 厚钢板小孔冲裁应变分布图 从应变分布图 2.5 可以看出， 变形主要集中在间隙区域及其周围的一个狭小区域内。最大应变发生在刃口附近，而且在刃口的附近，应变梯度很大，这些区域的变形非常剧烈。 - 11 - 2
42、.5.2 DEFORM3D 分析应力应变 2.5.2.1 基本参数设置 由于 DEFORM2D 只能对轴对称及平面变形问题进行模拟，为了得到更准确的预期结果，此例中，采用 DEFORM3D 软件进行进一步分析。模型材料、板厚、凸模直径、模具间隙、摩擦系数及C值与 DEFORM2D 模拟时的相同；考虑到 DEFORM3D 模拟过程中的复杂性，网格划分为 40000 个，在刃口附近区域采用局部细分网格。 2.5.2.2 应力分析 (1) (2) (3) (4) - 12 - 选取不同阶段的作为研究对象，具体为：1、9、50、90、210、270 步。对应图2.6 中的（1）(6)。图片中的应力用不
43、同颜色显示加以区分，红色为正，蓝色为负，中间颜色逐渐变化，应力依次过渡。图片显示的皆为 x 向应力（轴向） 。材料力学规定，正应力表示拉伸，负应力表示压缩，因此从图中可以看出，图 2.6(1)为初始状态，未发生任何变形；图 2.6(2)上表面凸模刃口处显示为蓝色，远离刃口处为黄色，下表面刃口材料显示为黄色，而远离刃口处为蓝色，说明上表面刃口处的材料受到压缩， 远离刃口处的材料受到拉伸作用， 下表面则刚好相反， 刃口下方的材料收到拉伸，而远离刃口下方的材料受到压缩；图 2.6(3)、(4）和图 2.6（2）类似，只是凸模相对行程增大，压力进一步增加；图 2.6(5)中刃口处的材料变成黄色，说明在
44、刃口附近，材料进入拉伸阶段，这说明板料的塑性变形大大加强，为裂纹的产生提供了应力条件；图 2.6(6)刃口附件材料继续受到拉伸，当应力达到屈服极限时，材料开始发生断裂。 (1) (2)(5) (6) 图 2.6 厚钢板小孔冲裁过程X 向应力图（轴向应力） - 13 - (3) (4) (1) (2) 图 2.7 厚钢板小孔冲裁过程Y 向应力图 （周向应力）图 2.8 厚钢板小孔冲裁过程Z 向应力图 （径向）(3) (4) - 14 - 图 2.7 为 y 向应力图（周向） ，选取的步数为 9、50、90、210。即同图 2.6 中的（2）（5）一致。 分析图 2.7 中可以得出，厚钢板小孔冲裁
45、过程中，材料在周向所受到的应力和轴向类似。在整个冲孔的过程中，刃口下表面材料一直受到拉应力作用，而上表面刃口附近材料先受压应力作用，后受到拉伸力作用，直至最后发生断裂。 图 2.8 为 z 向（径向）应力图，即凸模冲孔方向，选取的步数为 9、50、90、210。从图中我们可以看出，在整个过程中，模具刃口下方的材料始终处于压应力状态（显示为蓝色） 。刃口旁边的侧壁材料，只有当凸模受力接近最大值时，才开始出现拉伸。对模拟结果进行后处理可知最大应力为拉应力，并且拉应力贯穿整个冲孔过程，说明材料断裂以拉伸为主。 2.5.2.3 应变及变形分析 （1）等效应变 （2）最大应变 （3）中间应变 （4）最小
46、应变图 2.9 应变模拟图 - 15 - 选择塑性变形区的其中一步进行分析，分别取等效应变、最大应变、中间应变和最小应变进行分析。从应变分布图可以看出，整个小孔冲裁过程中，变形都主要集中在刃口附近区域。最大应变发生在刃口附近，而且在刃口附近，应变梯度很大，这些区域的变形非常剧烈，这与 DEFORM2D 模拟得出的结果相同。由图 2.9 还可以看出压应变主要集中在凸模下方附近， 而拉应变在位于刃口附近的边缘部分以及凸模对应的下表面突出区域。这与上面的应力图分析得出的结果一致。 2.5.3 模拟冲裁力行程曲线 图 2.10 为力行程曲线。从曲线中可以看出，开始一段（从开始到 A）材料为弹性变形阶段
47、，凸模行程很短，接下来的上升阶段(A-B)为塑性流动形阶段，持续过程较长， 当冲裁力达到最高值后， 冲裁力迅速下降。 在该过程中由于冲裁面积的减小，冲裁力不断下降，但又因新的剪切变形而产生新的变形抗力，故冲裁力又有稍微的上升。B-C 阶段材料发生塑剪变形，过程较其他几个过程都长，可见厚钢板小孔冲裁过程塑性变形所占比例较大；在 C-D 的过程中，随着材料抗剪面积的逐渐减小，显微裂纹在材料内部扩展，开始剪裂。到达 D 点，废料与板料完全分离。 通过用有限元模拟，能直观的观察厚钢板小孔冲裁时板料发生塑性变形的过程。将实验结果和模拟的参数相对照，可以得出理想的模拟参数。 图 2.10 冲裁力行程曲线A
48、 BCD - 16 - 2.5.4 成形参数对冲裁质量的影响 2.5.4.1 冲裁间隙对冲裁质量的影响及最佳冲裁间隙 冲裁间隙是厚钢板小孔冲裁过程中影响孔断面质量、尺寸精度、模具寿命和力能消耗的最重要的工艺参数。冲裁过程的变形力、最终得到的孔的质量及模具的寿命等都与间隙有很大的关系。以下就间隙对冲裁力、废料厚度、光亮带长度、冲后孔径及最佳冲裁间隙值等作一定的分析。 (1) 不同间隙情况下的冲裁力曲线 模拟参数：冲孔直径为mmd4=，材料为 10#钢，板料厚度为mmt5=，采用平底凸模，相对间隙值分别取 2t、6t%、11t三种情况，模拟温度为 20、凸模速度为 10mm/s，摩擦系数为 0.1
49、2，步距为 0.02mm。将模拟得到的冲裁力行程曲线绘制在图 2.11 中。 由图 2.11 可以看出，它们的冲裁力行程曲线的变化趋势基本是相同的。相对间隙不同时，所需的冲裁力是不同的。随着间隙的增大，最大冲裁力逐渐减小，且发生断裂时的凸模行程逐渐增大。这是因为当间隙增大时，虽然增大了变形区域，但也增加了其他变形成分，不利于剪切过程的进行，所需冲裁力增大。但同时也使变形区拉应力增大，有利于裂纹的扩展，另一方面又可能使冲裁力减小，关系非常复杂。 因此，在此基础上又取了 212t 的相对间隙进行模拟，综合上图，得到了最大冲裁力与相对间隙的关系，如图 2.12 所示： 020004000600080
50、0010000120001400016000180002000001234凸模相对行程/mm冲裁力/N2t%6t%11t%图 2.11 板厚 5mm、不同间隙下的冲裁力-行程曲线 - 17 - 由图 2.12 可以看出，刚开始最大冲裁力是随着间隙的增大而逐渐减小的，而且在后一段曲线中，下降的趋势逐渐平缓。但间隙值从 9t%开始，最大冲裁力又随着相对间隙的增大而逐渐增加。 (2) 不同间隙情况下的废料厚度 从上文模拟分析的结果我们知道在整个冲裁过程中，材料受到三向静水压力作用，且在冲孔的开始阶段，材料被压缩而挤向孔的周围，那么废料厚度必定小于原材料厚度。 为了证明这一推断， 我们对不同间隙条件下
