1、 厚钢板冲裁机理厚钢板冲裁机理及凸模失效研究及凸模失效研究 Study on Blanking Mechanism of Thick Steel Plate and Failure of Punch 作者姓名：王宇昆 专业名称：机械设计及理论 指导教师：张志君 副教授 学位类别：工学硕士 答辩日期： 2015 年 5 月 29 日 I 摘摘 要要 随着现代冲裁技术的发展，厚钢板冲裁越来越广泛地应用在各种机械加工中，厚钢板冲裁零件不仅具有足够的强度、刚度和韧性，而且质量稳定，能够提高零件的使用寿命。厚钢板冲裁适合大批大量生产，能够提高劳动生产率，降低生产成本。但是由于厚钢板冲裁加工过程中， 凸模
2、的工作环境恶劣， 受力不均， 磨损严重， 导致在使用过程中，凸模经常发生崩刃、折断、磨损、弯曲等各种失效，凸模的寿命严重制约着厚钢板冲裁的使用及其发展。 通过对冲裁过程中的冲裁机理进行分析研究，发现冲裁间隙对冲孔件断面质量和凸模的磨损量、凸模的受力影响较大，凸模刃口圆角对上述因素也有影响，具体研究内容如下： 本文选择厚度 t = 8mm，材料 AISI-1010 钢的板料，凸模材料为 AISI-D2 钢，冲孔直径为 d = 15mm，分析不同的冲裁间隙和不同的凸模刃口圆角，对冲孔板料的断面质量，凸模磨损量和凸模的受力分析的影响；以及不同的凸模初始硬度，对凸模的磨损量的仿真分析的影响，并运用有限
3、元分析软件 Deform-3D 进行仿真分析。 通过对各个冲孔成形参数对冲孔件断面质量的影响分析，发现冲裁间隙和凸模刃口圆角对冲孔件断面质量的影响最大，提出解决方案，建立冲孔件断面质量的仿真模型，通过对冲裁间隙和凸模刃口圆角的仿真分析，找出冲孔坯料断裂时，凸模的最大行程分别与冲裁间隙和凸模刃口圆角的关系。得出当冲裁间隙 C=0.846mm 左右时，凸模的刃口小圆角 R=0.190mm左右时，冲孔件的断面质量最佳。 对模具磨损进行分析，发现冲裁间隙、凸模刃口圆角、凸模的初始硬度对凸模磨损影响较大，拟出凸模磨损量仿真的技术路线，建立凸模磨损量分析的仿真模型，通过对冲裁间隙、凸模刃口圆角、凸模的初始
4、硬度等参数对凸模磨损量影响的仿真分析，找出凸模的最大磨损量分别与上述各成形参数的关系，发现当冲裁间隙为 C=0.852mm 左右时，凸模刃口圆角为 R=0.231mm 左右时，凸模的最大磨损量值最小，同时凸模的最大磨损量随着凸模的初始硬度的增大而减小。 通过对凸模受力的理论分析，提出凸模受力分析的方案，建立凸模受力分析的仿真模型，通过对冲裁间隙、凸模刃口圆角对凸模的受力的影响进行分析，找出凸模的最大主应力与上述各参数的关系， 发现当冲裁间隙 C=0.950mm左右时， R=0.354mm左右时，II 凸模的最大主应力值最小，此时凸模的受力状态最佳。 对于厚度 t=8mm的厚钢板，在冲裁过程中，
5、由于凸模磨损的存在，故应该选择冲裁间隙为 C=0.846mm，凸模刃口圆角半径 R=0.190mm，此时，冲裁性能最优。 通过对冲孔件断面质量、凸模的磨损量、凸模的受力进行分析，提出解决厚钢板冲裁过程中凸模失效问题的解决方案， 提出了5种改进凸模结构的方案， 并通过仿真比较，发现内球面凸模综合性能最好，为以后生产加工中，凸模的设计和研究提高了极具价值的参考意义。 关键词：关键词： 厚钢板冲裁，凸模失效，断面质量，磨损量，最大主应力 III Abstract With the development of blanking technology nowadays, the thick steel
6、 plate blanking is widely used in all kinds of mechanical workout. The thick steel plate blanking is fitted for mass production and can boost productivity and reduce production costs. But due to the bad working environment, non-uniform load and serious abrasion during the blanking process of thick s
7、teel plate, the punch is likely to tip, break, abrase and bend. The service life of punch seriously restricts the application and development of the thick steel plate blanking. Through the study of the blanking mechanism, it is found that the blanking clearance seriously influences the quality of fr
8、acture surface on the blanking parts, the abrasion loss of the punch and the load on the punch, the radius of the punch cutting edge influences the above factors too. The research content is below: The iron plate whose thickness is t=8mm and whose material is AISI-1010 iron, the punch material is AI
9、SI-D2 iron, the diameter of the striking hole is d=15mm was investigated, finite element analysis software Deform-3D was applied to simulate and analyze the effect of the forming factors, such as different blanking clearances and the radius of the punch cutting edge, on the quality of the fracture s
10、urface and the load of the punch, and the effect of the different initial hardness of the punch on the abrasion loss of the punch. Through the analysis of the effect of the parameters in the blanking process on the quality of the fracture surface of the blanking parts, it is found that the blanking
11、clearance and the radius of the punch cutting edge influences the quality of the fracturing surface of the blanking parts most, the proposal to solve the problem that established the model of the quality of the fracture surface on the blanking parts was present. Through the simulation and analysis o
12、f the blanking clearance and the round angle of the punch cutting edge radius, it is found that the relationship of the maximum distance of the punch with blanking clearance and the radius of the punch cutting edge when blanking plate fractures.When the IV blanking clearance is about C=0.846mm, the
13、the radius of the punch cutting edge is about R=0.190mm, the quality of the fracture surface on the blanking part is best. Analysis the abrasion of the punch, it is found that the blanking clearance, the radius of the punch cutting edge, the initial hardness of the punch greatly influence the abrasi
14、on of the punch. The technological route of simulating the abrasion loss of the punch and the model of the abrasion loss of the punch were presented and established. Through the simulation and analysis of the effect of blanking clearance, the radius of the punch cutting edge, the initial hardness of
15、 the punch on the punch abrasion loss,it is found that the relationship of the abrasion loss of the punch with the above factors individually. When the blanking clearance is about C=0.852mm, the radius of the punch cutting edge is about R=0.231mm, the maximum abrasion loss of the punch is minimum, m
16、eanwhile the maximum abrasion loss of the punch decreases with the increase of the initial hardness of the punch. Through the theorectical analysis of the load on the punch, the proposal of the analysis of the load on the punch and the model of the load analysis of the punch were presented and estab
17、lished. Through the analysis of the effect of blanking clearance, the radius of the punch cutting edge on the load of the punch, it is found that the relationship of the maximum principal stress of the punch with the above process parameters, find that when the blanking clearance is C=0.950mm, the r
18、adius of the punch cutting edge is about R=0.354mm, the max principal stress of the punch is minimum. For the iron plate whose thickness is t=8mm, in the blanking process, because of the abrasion of the punch, when the blanking clearance is C=0.846mm, the radius of the punch cutting edge is about R=
19、0.190mm, the blanking performance is best. Through the analysis of the quality of the fracture surface of the blanking V parts, the abrasion loss of the punch and the load of the punch, the proposal to solve the problem of the punch failure in the thick steel plate blanking process and 5 solutions t
20、o improve the punch structure.were presented. Through comparison, it is found that the comprehensive performances of inner spherical punch is best. Keywords: blanking mechanism of thick steel plate, failure of punch, quality of fracture surface, abrasion loss, max principal stress VII 目 录 摘 要 . I Ab
21、stract . III 第 1 章 绪论 .1 1.1 选题背景及研究意义 .1 1.2 相关研究的国内外现状.3 1.3 论文研究的内容 .5 第 2 章 厚钢板冲裁机理分析 .7 2.1 研究课题 .7 2.2 冲裁过程 .8 2.3 冲裁件的应力应变分析.8 2.4 冲裁变形过程 . 11 2.4.1 弹性变性阶段 . 11 2.4.2 塑性变形阶段 . 11 2.4.3 断裂分离阶段 . 11 2.5 冲裁件的断面质量分析. 12 2.5.1 断面特征 . 12 2.5.2 冲裁件的尺寸特征 . 12 2.6 影响冲裁件质量的因素. 12 2.6.1 影响断面质量的因素 . 12 2
22、.6.2 影响冲裁件尺寸精度的因素 . 15 VIII 2.7 剪切裂纹的形成 . 16 2.8 小结 . 16 第 3 章 冲孔件断面质量的有限元模拟 . 17 3.1 厚板冲孔数值模拟方案确定 . 17 3.2 Deform-3D 软件简介 . 17 3.3 断面质量冲裁过程的模拟 . 18 3.3.1 几何模型的建立 . 18 3.3.2 材料的设置 . 20 3.3.3 后处理. 20 3.3.4 成形参数对冲裁制件断面质量产生的影响. 26 3.4 小结 . 36 第 4 章 凸模磨损及受力仿真分析 . 37 4.1 磨损简介 . 37 4.2 Archard 粘着磨损模型 . 37
23、 4.3 凸模的磨损仿真 . 38 4.3.1 磨损模型的建立 . 39 4.3.2 磨损模型的参数设置 . 39 4.3.3 后处理. 41 4.4 模具受力分析 . 50 4.4.1 模型的建立 . 50 4.4.2 后处理. 51 IX 4.5 小结 . 56 第 5 章 凸模的结构优化与仿真分析 . 57 5.1 凸模结构改进 . 57 5.2 冲裁件的断面质量 . 59 5.3 凸模的磨损分析 . 61 5.4 凸模的受力分析 . 62 5.5 小结 . 65 第 6 章 总结与展望 . 67 6.1 全文总结 . 67 6.2 研究展望 . 68 参考文献. 69 作者简介及科研成
24、果 . 73 致 谢 . 75 第 1 章 绪论 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 选题背景及研究意义选题背景及研究意义 随着科技的创新进步，冲压技术也得到了飞跃的发展，在航空、车辆、航空、仪表仪器等工业中广泛应用。冲压加工工艺种类繁多，可以加工形状、尺寸精度、表面粗糙度各不相同的零件1。图 1.1 所示为冲压零件。 图 1.1 冲压零件 冲压生产具有效率高、生产成本低、冲压制件质量好、利润率高等优点。冲压工艺与铸造、锻造等其他加工方法相比，冲压加工能够便捷、快速、经济地获得所需要的零件的形状、尺寸和表面质量2。随着科学技术的发展，冲压技术水平也越来越高，在生产加工中使用冲压技术的优势越来
25、越明显，不仅能提高劳动生产率，节省成本，还能加工很多结构复杂的零件。为了满足零件的强度和刚度要求，越来越多的零件采用厚钢板（t 4mm）冲裁技术，厚钢板冲裁零件不仅具有足够的强度、刚度和韧性，而且很好地保障冲裁件的表面质量和尺寸精度。图 1.2 所示为板材的冲裁加工示意图。 图 1.2 板料的冲裁加工示意图 在冲裁过程中，影响冲裁件表面质量的因素有很多，包括板料的力学性能、冲裁时的间隙、模具刃口的锋利状态及在加工过程中模具和其他设备的状况等。 吉林大学硕士学位论文 2 由于厚钢板冲裁过程中， 模具与坯料相互接触， 具有相对运动， 从而形成了摩擦副，摩擦副的存在，导致模具磨损。当模具的磨损导致加
26、工的冲裁件的表面质量、尺寸精度降低，使加工出来的零件不能满足使用要求，此时，模具产生磨损导致模具失效，就须对模具进行刃磨，或者更换新的模具。而且厚钢板冲裁的剪切力大，板料较厚，摩擦副之间产生的热量很大，模具会产生严重的粘着磨损。 厚钢板冲裁成形过程中，凸模与坯料间存在巨大的挤压力，同时还存在由坯料、卸料板的偏移等引起的侧向力，这些力都作用在凸模上，凸模就容易出现受力不均、应力集中的现象，容易导致凸模折断、崩刃3。冲裁时，凸模上作用有剧烈的冲击载荷，卸料时，凸模受到卸料板作用的拉应力，使凸模一直在剧烈的交变载荷下工作，导致凸模的疲劳失效。厚钢板冲裁时，应增设导向装置，这样可以避免凸模受到在冲裁过
27、程中因零件变形产生的侧向力，或者凸模回程时，由压力机回弹产生的侧向力对使凸模发生折断4。图 1.3a 和图 1.3b 中所示分别为凸模的断裂和崩刃。 （a）凸模的断裂 （b）凸模的崩刃 图 1.3 凸模的两种破坏形式 采用厚钢板冲裁加工的冲裁件具有很高的强度、刚度，能满足零件的使用要求，还能够显著的提高劳动生产率， 节约生产成本， 提高利润率。 但由于冲裁件表面质量不高，限制了冲裁零件的使用范围，也约束了冲裁工艺在机械加工方面的推广。提高冲裁件断面质量，能够提高冲裁件的尺寸精度，降低冲裁件的表面粗糙度数值，延长冲裁件的使用寿命。本论文从对冲裁件表面质量的有显著影响的冲裁间隙和凸模刃口圆角方面进
28、行研究，建立冲裁断裂模型，对影响冲裁件表面质量的参数进行仿真分析，得到冲裁件的表面质量与冲裁间隙和凸模圆角半径之间的影响关系曲线。通过调整冲裁间隙和凸模刃口圆角半径，来提高冲裁件表面质量。 在厚钢板冲裁过程中，凸模加工过程复杂，而且加工成本较高，凸模的磨损失效会第 1 章 绪论 3 导致冲裁件的表面质量下降， 产生废品， 并会导致模具的磨损失效。 而凸模的断裂失效，会直接导致凸模的报废。凸模的失效严重制肘着厚钢板冲裁的发展及其在机加工方面的应用。本论文从冲裁加工中，最常见的的粘着磨损入手，建立粘着磨损模型，通过对影响磨损的模具间的冲裁间隙、凸模的刃口圆角半径以及其初始硬度等参数的研究分析，分别
29、得出凸模磨损与上述参数的关系。通过对冲裁间隙、凸模刃口圆角半径和初始硬度的调整，来提高凸模的耐磨性，进而提高其寿命。 对于厚钢板冲裁中，凸模的断裂失效的问题，本文从影响凸模应力的冲裁间隙和凸模刃口圆角来进行研究，建立凸模受力的断裂模型，找出上述影响参数对模具应力的关系曲线。通过调整各参数的设置，来优化凸模受力，避免其发生破坏。 通过对厚钢板冲裁的冲裁件表面质量、凸模的磨损分析和受力分析的研究，本文提出几种简单的凸模结构改进方案，这些方案不仅能够提高冲裁件表面质量，还能够在一定程度上解决凸模失效的问题，对于厚钢板冲裁的发展具有重要的意义，为工厂在冲裁加工中提供了极具价值的参考建议。 1.2 相关
30、研究的国内外现状相关研究的国内外现状 由于厚钢板冲裁过程中，模具的受力和应力场的变化相当复杂，断裂力学的理论还不成熟，因而目前的物理方法还不足以描述断裂发生过程中的一些特点，也就对厚钢板冲裁成形过程中的一些问题的研究增加了很多的困难5。 随着冲裁技术的革新、发展，生产加工过程的需求，计算、实验技术的创新，对冲裁加工过程，越来越多的研究者，利用有限元数值模拟方法，结合实验验证，对冲裁过程进行分析研究。安建华、徐数勤等研究者提出了近似计算公式，对厚板冲小孔时的冲裁力进行了计算， 建议采用实验和计算来确定模具间隙6。 秦泗吉等学者利用 ANSYS 软件模拟板料剪切过程，提出了最佳冲裁间隙的确定方法，
31、和计算冲裁力的新方法7。康凤等研究者利用 Deform 模拟了厚钢板的冲裁过程，通过对坯料厚度，冲裁间隙等对冲裁件表面质量进行分析，得到冲裁件表面质量与这些参数之间的规律5。魏良庆等学者同样运用了有限元软件对厚钢板小孔冲裁凸模的失效形式和失效原因进行了理论分析和研究，并测试了表面强化处理后模具的耐磨性能8。李兴成等研究者用实验的方法确定了，影响中厚板冲裁力的主要因素是模具的斜刃口倾角 9。秦祥松等研究者认为坯料中的应力状态比较复杂，当板料的厚度和模具间隙都很大时，相对于理论计算获得的吉林大学硕士学位论文 4 冲裁力，实验测量的数值有很大差别10。李星、皮杰对小孔凸模的折断进行了理论受力分析，为
32、解决凸模断裂失效问题提供了理论依据11。戴凯等研究者利用 ANSYS 对精冲过程中的冲头进行了疲劳分析12。刘文霞对厚钢板小孔冲裁凸模进行理论分析， 从改进模具的结构、 凸模的选材、 表面强化处理等方面提高凸模寿命13。 陈晓航分了冲裁间隙、冲裁速度、模具初始硬度、摩擦数等因素与凸模的磨损的关系，并对模具的刃磨寿命进行估算14。 权国政， 周杰等研究者认为厚钢板落料的最大冲裁力相对于板料厚度的增加，是一种非线性的增加关系15。张兴峰，雷军营对厚钢板冲裁模具的寿命进行了探讨，理论分析了模具的结构设计、选材和表面强化处理等对模具使用寿命的影响16。 高光认为波浪形模具刃口和阶梯型凸模能够降低冲裁过
33、程中的冲裁力17。 国外，E. Taupin、J. Breitling 和 W. T. Wu 等学者将有限元软件 Deform 的仿真模拟结果和实验比较，得到了凸凹模间隙、材料性能和凸模和凹模磨损对冲压过程和毛刺的影响和载荷行程曲线18。R. Hambli和 M. Reszka 通过圆形冲裁实验和 ABAQUS/Standard有限元模拟的反演技术，并且通过冲裁实验，确定了一种断裂准则临界值的计算方法，用来模拟冲裁裂纹的萌生和扩展19。A. M. Goijaerts、L. E. Goijaert 和 F. P. T. Baaijens 采用了有限元模拟和实验相结合的方式进行拉伸和冲裁实验，利用
34、 Von Mises 屈服准则，考虑了不同的凸凹模间隙和不同的刀具切削半径， 得到了五种不同金属材料 （X30Cr13、316Ti、Ms64、DC04、Al51ST）的相应的断裂准则，得出最大冲裁力发生在坯料开始发生韧性断裂的时20。R. Hambli 建立了在正常压力和一些材料参数下的运行的刀具磨损模型，描述裂纹的萌生和扩展，采用 ABAQUS/Standard 有限元方法，得到了刀具截面的刀具磨损分布，并与实验进行比较，研究刀具磨损对冲裁断面中毛刺形成的影响21。R. Hambli 应用 Deform-2D 模拟凸凹模具间隙对精密冲裁的断面的影响，得出了凸凹模间隙对圆角宽度、圆角深度、光亮
35、区和断裂带的影响22。S. Y. Luo 对在厚钢板上用不同的剪切角冲孔时，凸模的磨损条件23。Feng S, Goodrich N P, Bragg-Gresham J L 等用实验的方法描述了在冲裁过程中，坯料的塑性变形和破坏过程24。Cser L, Geiger M, Lange K 等从模具的设计和制造加工方面指出，通过计算机辅助技术和经验来预测模具的使用寿命25。 许多研究者，在厚板冲裁方面做了大量的探索性的仿真模拟和实验，并获得了突出的研究成果，为厚钢板冲裁的研究和发展奠定了扎实的基础。但是，由于在厚钢板冲裁第 1 章 绪论 5 过程中，坯料与模具刃口部位接触的区域，应力状态复杂，
36、应变剧烈，坯料内部的裂纹的产生和生长难以预测，因而对厚钢板冲裁过程中的坯料内部的变化和凸模的失效的研究比较困难5。 1.3 论文研究的内容论文研究的内容 1. 对冲裁过程中，坯料的变形过程和应力应变过程进行理论分析， 找出影响冲裁件表面质量，凸模的磨损和凸模受力的成形因素，建立厚钢板（t=8mm）冲裁模型，分析研究厚钢板冲裁过程中，坯料的等效应力、等效应等效应变率、流动速度和流动方向、温度的变化过程。 2. 建立厚钢板冲裁断裂模型， 对影响冲裁件表面质量的成形参数冲裁间隙和凸模刃口圆角半径进行模拟分析，得出坯料开始断裂时的凸模行程与上述成形参数的关系。找出使冲裁面质量最好的冲裁间隙和凸模刃口圆
37、角半径。 3. 以 Archard 粘着磨损模型为理论依据，建立凸模的粘着磨损模型，通过对冲裁间隙、凸模刃口圆角半径和凸模初始硬度等影响凸模磨损的成形参数的仿真模拟，得到各成形参数与凸模磨最大磨损量的关系。找出凸模磨损量最小时的冲裁间隙和凸模刃口圆角半径值。 4. 建立凸模的受力仿真模型， 通过对影响凸模受力的成形参数冲裁间隙和凸模刃口圆角半径，对凸模的最大主应力的影响进行模拟分析，优化各成形参数，找出使凸模最大主应力最小时的冲裁间隙和凸模刃口圆角半径，提高凸模的使用寿命。 5. 针对上述问题，提出优化凸模结构的方案，并对各方案进行冲孔件断面质量、凸模磨损量和凸模的最大主应力进行仿真模拟分析，
38、并与原凸模的仿真结果进行对比，找出凸模结构最优方案。吉林大学硕士学位论文 6 第 2 章 厚钢板冲裁机理分析 7 第第 2 章章 厚钢板冲裁厚钢板冲裁机理机理分析分析 2.1 研究课题研究课题 一汽解放汽车有限公司卡车厂在为厚度 8mm 的钢板上，冲裁 15mm 的孔时，出现冲裁制件的断面粗糙， 光亮带较小， 撕裂带较大， 同时凸模容易发生断裂、 崩刃等问题。冲裁零件如图 2.1 所示，冲孔模具如图 2.2 所示。为了解决冲孔件的断面质量粗糙、凸模的磨损和断裂失效问题，首先对厚钢板冲裁过程及其机理进行介绍分析。 图 2.1 冲裁零件图 1下底板；2导柱；3压板；4退料板螺钉；5安装板 6凸凹模
39、镶块；7凸模；8退料板；10打杆；9退料板螺钉 11顶出器；12打板 ；13凹模镶块；14衬套 15上底板 图 2.2 冲裁模具 吉林大学硕士学位论文 8 2.2 冲裁过程冲裁过程 如图 2.3 所示的冲裁过程图，凸模 2 与模柄 1 联接，一起固定在压力机的滑块上，并随滑块一起上下运动。凹模 4 与下模座 5 相联接，一起固定在压力机的工作台上。条料 3 放在凹模上并定位。 工作时， 凸模随压力机滑块逐渐向下运动， 当凸模接触条料时，在凸、凹模的共同作用下，条料产生弹性变形和塑性变形，进而产生分离破坏，最后条料断裂分离。凸模随压力机滑块上升，整个冲裁加工过程结束26。 1模柄；2凸模；3条料
40、；4凹模；5下模座 图 2.3 冲裁加工过程 冲裁模是落料、冲孔等分离工序使用的模具。冲裁模具的工作零件是凸模和凹模，凹模的洞口直径比凸模的直径略大，凸、凹模组成了具有一定间隙的上、下冲裁刃口。 2.3 冲裁件的应力应变分析冲裁件的应力应变分析 在有压紧装置的情况下，对板料进行冲裁，其受力情况如图 2.4 所示。板料受到凸模对其的垂直方向的作用力 Pp，同时，板料也受到凹模垂直方向的作用力 Pd。由于凸模与凹模之间有冲裁间隙 C 的存在，这两个作用力的方向虽然相反，但是却不在一条直线上。由于这两个垂直作用力之间存在着力臂 a，这样就产生了弯矩 M。在冲裁时，弯矩M 作用在板料上，导致板料弯曲。
41、坯料上有凸模对其的侧压力 Fp，同时板料还承受凹模对其作用的侧压力 Fd。 这两个同样不作用在一条直线上的力， 形成了弯矩 M。 弯矩 M，第 2 章 厚钢板冲裁机理分析 9 在冲裁的过程中，与弯矩 M 构成了一组相互抵抗的弯矩。在板料的冲裁过程中，弯矩M 和弯矩M，在每一瞬时，都维持平衡。由于在弯矩 M 和弯矩M的作用下，模具和板料相互接触的范围局限在模具刃口附近区域27。板料上承受的凸、 凹模的对其作用的不均匀分布的垂直作用力 Pp、Pd。这两个垂直作用力的分布距离随着与模具刃口距离的减小， 而急剧增大28。 由于在冲裁成形过程中， 模具刃口承受巨大的板料对其的反作用力，导致模具容易发生磨
42、损失效，或断裂失效。 1凸模刃口；2板料；3凹模刃口 图 2.4 模具作用于板料上的力 由上面的分析可知，板料在冲裁加工时，由于凸、凹模之间，冲裁间隙 C 的存在，导致板料内有多种作用力和弯矩： 垂直方向的压力、 剪切力、 横向挤压力、 拉力和弯矩。板料在冲裁过程中产生的变形主要是剪切变形，还有弯曲、拉伸、挤压等附加变形29。 在冲裁成形过程中，板料的变形区域主要集中在一个纺锤形区域30。如图 2.5a 所示，冲裁发生时，变形区域从模具刃口处逐渐向板料的中心区域扩大，且变形区呈纺锤形。纺锤形变形区的宽度随着板材的塑性和硬化指数的增大而增大。随着冲裁过程的进行，凸模继续向下运动深入板料，纺锤形区
43、域发生错移。如图 2.5b 所示，随着凸模逐渐切入板料，纺锤形区域逐渐缩小。纺锤变形区内的变形以剪切变形为主。模具间隙较小时，纺锤形的宽度也将减小31。 吉林大学硕士学位论文 10 （a）变形开始时 （b）凸模挤入材料后 1凸模；2板料；3凹模；4纺锤形变形区 图 2.5 冲裁变形区 在冲裁成形过程中，由于板料上弯矩的作用，模具刃口附近区域会产生复杂的应力和应变。 冲裁加工过程和冲裁的最终结果都会受到应力和应变的分布状况的影响。 例如，板料刃口附近裂纹的形成和生长，冲裁件断面的表面质量，模具使用寿命等32。图 2.6所示为冲裁加工时，冲裁区的应力、变形情况与冲裁件的断面状况。 （a）冲孔 （b
44、）落料 a圆角带；b光亮带；c撕裂带；d毛刺；正应力；切应力 图 2.6 冲裁区应力、变形情况与冲裁件断面状况 第 2 章 厚钢板冲裁机理分析 11 2.4 冲裁变形过程冲裁变形过程 如图 2.7 所示，冲裁时，板料的变形有明显的阶段性，板料的变形过程如图 2.7 所示的几个阶段33。 （a）弹性变形 （b）塑性变形 （c）塑性变形 （d）断裂分离 （e）断裂分离 图 2.7 冲裁变形过程 2.4.1 弹性变弹性变形形阶段阶段 当板料与向下运动的凸模接触后，此时，板料上受到凸模的作用力还比较小。由于冲裁间隙 C 的存在，弯矩和模具之间的压力都作用在板料上，导致板料发生弹性压缩、拉伸、弯曲与挤压
45、变形34。当板料内作用的应力达到板料的弹性极限时，板料的弹性变形阶段结束35。板料在模具刃口处区域，会有小圆角形成。凸模下方和凹模洞口内的板料发生弯曲变形。位于凹模上部的材料会向上翘起36。 板料的弯曲和上翘的程度随着冲裁间隙的增大而加剧。当模具卸载后，板料就会恢复原状。 2.4.2 塑性变形阶段塑性变形阶段 伴随着冲裁成形过程的进行，模具刃口处板料的应力达到材料的屈服极限而发生塑性变形，此时，板料进入了塑性变形阶段37。在模具刃口区域的板料，由于产生了剪切变形，形成了光亮带；在弯矩和模具应力的作用下，剪切面的边缘则形成了圆角带34。 随着冲裁过程的进行，板料的纺锤形变形区和应力都逐渐增大，进
46、而导致，模具刃口区域的板料，达到其许用应力和极限应变，而出现微裂纹38。在塑性变形阶段中，板料发生了严重的剪切、弯曲挤压和拉伸变形。 2.4.3 断裂分离阶段断裂分离阶段 在冲裁成形过程不断进行中，板料在塑性变形阶段产生的微裂纹，逐渐向板料内部区域生长。上、下微裂纹在合适的冲裁间隙下，相遇汇合，导致板料断裂分离。在压力机的作用下，落料部分进入凹模洞口中。 吉林大学硕士学位论文 12 2.5 冲裁件的断面质量分析冲裁件的断面质量分析 2.5.1 断面特征断面特征 由于冲裁加工的特点，冲裁加工后所获得的零件断面，表面粗糙度数值较大，且与板料上、 下平面并不完全垂直。 冲裁件的断面可明显地分为四个区
47、域： 圆角带、 光亮带、撕裂带及毛刺，如图 2.8 所示。 1毛刺；2断裂带；3光亮带；4圆角带 图 2.8 冲裁件断面示意图 2.5.2 冲裁件的尺寸特征冲裁件的尺寸特征 对于冲孔件，用量具测量到的尺寸是孔尺寸最小的那一部分孔的尺寸，这部分是光亮带区域。这部分区域表面与板料平面垂直，表面粗糙度数值较低，断面表质量最好。所获得孔根据这部分的尺寸与其他零件相配合使用，这部分尺寸略等于凸模尺寸。 对于落料件，用量具测量到的尺寸是落料件外径最大的那部分的尺寸，即光亮带外径的尺寸。落料件断面部分依据这部分的尺寸与其他零件配合，这部分尺寸略等于凹模尺寸39。 因此，在冲孔时，一般取凸模外径尺寸等于工件孔
48、径尺寸；在落料冲裁中，一般取凹模刃口尺寸等于工件外径尺寸。 2.6 影响冲裁件质量的因素影响冲裁件质量的因素 冲裁件质量包括断面质量、尺寸精度及弯曲度。 2.6.1 影响断面质量的因素影响断面质量的因素 2.6.1.1 材料力学性能的影响材料力学性能的影响 在其他条件相同时，材料的塑性较好，能推迟其裂纹的产生，会延长材料的塑性变第 2 章 厚钢板冲裁机理分析 13 形阶段。因此，材料的塑性越好，冲裁件的断面的光洁面宽度越大。当材料的塑性较差时，材料很快产生裂纹，导致冲裁件的断面的光洁面区域很小，表面粗糙度值较高40。 2.6.1.2 模具间隙的影响模具间隙的影响 冲裁间隙，如图 2.9 所示，
49、是凸模的外径尺寸与凹模的内径尺寸之间的差值。 图 2.9 冲裁间隙示意图 在冲裁加工过程中，冲裁间隙是影响板料的上剪切面产生的的上裂纹与下剪切面的产生的下裂纹能否在冲裁过程中相遇并重合的重要因素。如图 2.10 所示。 只有当冲裁间隙合适的时候，上剪切面的上裂纹才能很好的和下剪切面生成的下裂纹相遇。 当冲裁间隙过小时，板料上作用有很大的压应力。由于凸模的刃口下部和凹模刃口的上部附近的区域均作用有很高的压应力，在凹模刃口区域的板料会在压应力的作用下产生裂纹，导致裂纹向此区域的生长受到抑制41。 凸模刃口附近区域产生的裂纹也不能继续生长。 上、 下裂纹的生长都受到了抑制而不会相遇重合。 当凸模在压
50、力机的带引下，继续深入坯料， 完成冲裁过程时， 冲裁件的剪切断面会有两个光亮带， 如图 2.10a 所示，同时，冲裁制件上也会有毛刺产生。 过大的凸、凹模间隙会使坯料内的弯矩和拉应力增大，导致坯料生成裂纹不能相遇重合，产生二次拉裂现象，如图 2.10c 所示，导致冲裁制件的剪切断面的圆角带过大，光亮带较小，断裂带过大，断面质量较差。 合理的冲裁间隙能够让坯料在冲裁过程中生成的上、下裂纹相遇重合，如图 2.10b所示，此时冲裁件的断面表面质量较好，光亮带能达到板材厚度的 30%以上，圆角带、毛刺和斜度也不大。能够满足一般冲裁件的使用要求。 吉林大学硕士学位论文 14 （a）间隙过小 （b）间隙合
