1、 中厚板精密冲裁机理及工艺优化研究进展 1 中厚板精密冲裁机理及工艺优化研究进展1 赵 震 朱圣法 庄新村 （上海交通大学塑性成形技术与装备研究院模具 CAD 国家工程研究中心，上海 200030） 摘 要 精密冲裁是在普通冲裁基础上发展起来的一种先进的精密塑性成形工艺。精冲过程中，材料在三向压应力作用下变形，极大改善了材料的塑性变形能力，最终可得到尺寸精度高且质量稳定的优质零部件。聚焦于该工艺复杂的成形机理，本文围绕精冲材料的成形性能分析、成形过程韧性断裂预测、成形工艺优化等关键技术，介绍了上海交通大学在中厚板精密冲裁领域的部分研究进展。 关键词 精密冲裁，成形性能分析，韧性断裂，工艺优化
2、The Research Advances of Mechanism and Process Optimization for Medium-thick Sheet Metal Fine-blanking Zhao Zhen, Zhu Shengfa, Zhuang Xincun (National Engineering Research Center of Die & Mold, Institute of Forming Technology and Equipment, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China) Abstr
3、act Fine-blanking is an advanced metal forming process derived from conventional blanking process. During theprocess, the material deforms under triaxial compressive stress state, which greatly improves the material plastic deformation capacity, and ultimately products manufactured by fine-blanking
4、process have higher dimensional accuracy and stable quality. Focusing on the forming mechanism of fine-blanking, a comprehensive review for research advances of medium-thick sheet metal fine-blanking processin Shanghai Jiao Tong University is presented, including the formabilityanalysis of themateri
5、als, ductile fractureprediction as well as the process optimization. Key words fine-blanking, formabilityanalysis, ductile fracture, process optimization 精密冲裁是在专用压力机或改装的通用压力机上， 使板料在三向压应力状态下沿着所需要轮廓进行纯剪挤分离，在一次冲压行程中获得形状精度高、冲裁面光洁的优质零件。目前，精冲件不断向大、厚、硬、精等方向发展，应用范围也扩展到汽车、电子、航空航天等领域。精冲是一种局部塑性大变形过程，其成形机理较为复杂，
6、仍有待完善。本文围绕精冲材料的成形性能分析、韧性断裂预测以及精冲成形工艺优化等关键技术，介绍了上海交通大学在中厚板精密冲裁领域所取得的部分研究进展。 1 精冲材料成形性能表征 精冲材料不仅是实现精冲的首要条件，而且是提高产品质量，降低生产成本，扩大精冲应用范围的重要因素。只有准确地测量和表征材料力学性能参数，了解其微观机理，才能为后续精冲工艺的数值仿真与工程开发奠定坚实的基础。 赵震，男，教授，博士生导师，从事精密塑性成形技术研究， 2 第十届中国钢铁年会暨第六届宝钢学术年会论文集 1.1 碳化物含量及分布对精冲工艺的影响 球化退火工艺是广泛应用于金属塑性大变形工艺之前的热处理工序。 球化退火
7、后， 颗粒状的碳化物弥散地分步在铁素体基体上，其含量和分布情况对碳钢的力学性能有显著影响。 徐芹所等1针对精冲成形中常用的 C15E 钢和 C35E 钢，通过不同的球化退火工艺获得了不同的球化率及碳化物形貌。结合精冲实验表明：球化率越高，精冲件的冲裁面质量越好，当精冲材料完全球化时，能获得完全光洁的冲裁面。为进一步分析碳化物对精冲截面质量的影响，徐成等2采用等效体积单元法(Representative Volume Element, RVE)，建立微观组织数值模型，模拟所得的拉伸应力应变曲线与实验获得的应力应变曲线较好地吻合（如图 1 所示）。观察不同应变时刻铁素体的等效应变分布图发现，变形主
8、要发生在铁素体基体中。 碳化物的带状分布使处在碳化物链之间的铁素体产生应变集中， 当碳化物均匀分布时，应变均匀分布在铁素体上，有效抑制了应变集中的产生，极大提高了材料的延伸率。 图 1 模拟和实验所得流动应力曲线对比以及不同应变时刻等效应力云图(a1)(b1)9.8%，(a2)(b2)14.7%2 Fig.1 Simulated and experimental stress vs. strain curves；distribution of equivalent plastic strain at various 1.2 大应变范围流动应力曲线 板材成形数值模拟及优化过程中， 正确描述塑性变
9、形引起的硬化现象， 尤其是大应变范围的流动应力曲线，对于计算的准确性至关重要。通常情况下，流动应力曲线由单向拉伸试验获得，由于颈缩现象的存在，超出拉伸强度的大应变范围的流动应力曲线很难获得。 诸多学者已在该领域开展了许多研究， 其方法可以大致分为实验型、解析型、数值模拟型三大类。 庄新村等3采用实验外推的方式，如图 2 所示，对试样施加不同程度的冷轧处理，其硬化程度采用等效塑性应变pre表征，对冷轧样板进行标准拉伸实验，获得拉伸强度及相应塑性应变数据点，结合初始板材拉 图 2 实验外推示意图3 Fig. 2 Schematic diagram of the experimental extra
10、polation. 中厚板精密冲裁机理及工艺优化研究进展 3 伸的真实应力-应变曲线，可以得到大应变范围的流动应力曲线。该实验外推法获得的流动应力曲线与Ludwik、Hollomon、Swiftand Voce 等数值外推模型进行比较发现，实验外推曲线与 Ludwik 模型较为接近。 2 精冲过程韧性断裂预测关键技术 精冲面的准确预测对于精冲工艺的设计优化至关重要，其模拟主要涉及韧性断裂准则和裂纹扩展技术。 2.1 修正 GTN 模型参数反求分析 对于典型的韧性材料， 材料的损伤主要由微孔洞和局部化的剪切变形带引起， 从细观角度表征材料损伤的典型模型为 GTN 损伤模型。GTN 模型是由 Gu
11、rson4提出，经 Tvergaard 和 Needlemen5,6修正和完善所建立的基于孔洞形核、长大和聚集的断裂准则。Nahshon7和 Xue8分别通过引入应力状态量()和 Lode 角，考虑了孔洞形状畸变对损伤演化的贡献，建立了剪切修正的 GTN 模型，实现了该模型在宽应力三轴度范围内的应用。然而，修正的 GTN 模型中引入了众多参数，难以通过单个试验确定。同时，应力三轴度对孔洞的形核和聚集过程有较大的影响，所确定的一组参数能否应用到不同应力状态下也值得研究。 方勇勇等9设计一套确定 GTN 模型参数的方法， 以 Al2024 为实验材料， 通过 6 种不同试样的拉伸试验，获得宽应力三
12、轴度范围下的载荷位移曲线。材料的弹塑性模型参数，由光滑圆棒拉伸试验获取；结合流动应力模型外推得到的无损伤力学性能曲线， 采用反求分析和数值模拟相结合的方法确定了由高应力三轴度试验待定的损伤参数（如表 1 所示） ，并结合数值模拟和剪切试验的对比确定了剪切系数。 表 1 GTN 损伤模型参数的初始值及优化值9 Table 1 The initial value and optimized value of GTN damage model parameters GTN 模型参数 f0 fn fc ff n0 A 待定 待定 待定 fc +0.001 待定 待定 初始值 0.001 0.03 0.
13、03 0.031 0.30 1.0 Al2024 优化值 0.0021 0.0281 0.042 0.043 0.244 0.956 2.2 裂纹萌生与扩展仿真技术 对于精冲工艺而言， 剪切区内材料发生局部剧烈变形， 诱发了空穴的萌生和扩展， 是一个材料分离过程。由于精密冲裁过程中材料分离区域较小， 且裂纹扩展方向不定， 单元删除法和节点分离法在处理裂纹扩展问题，都存在一些不足。 谢晓龙等10,11将局部单元抹除与离散法应用到精密冲裁数值模拟过程， 结合裂纹扩展方向准则， 首先将裂尖周围单元组成的局部网格去除，在裂纹扩展方向上（删除的空白区）生成新裂纹，并在裂尖附近生成局部网格后进行整体网格历
14、史量的映射。该方法既不减少材料体积，保持断裂表面质量，又具有网格独立性，可以使裂纹沿着理论计算方向扩展。由图 3 模拟结果可以看出裂纹扩展方向、扩展量与试验结果基本一致。 图 3 模拟与试验结果对比10 Fig. 3 Comparison between simulation and experimental results 4 第十届中国钢铁年会暨第六届宝钢学术年会论文集 3 精冲成形工艺设计优化 精冲的工艺设计比普通冲裁复杂得多， 在精冲材料性能的测试分析和精冲机理研究的基础上， 研究适用于工程应用的力能计算模型，实现设计知识和经验的继承、集成、管理和重用，对提高设计效率和质量具有十分积极
15、的意义。 3.1 中厚板挤压成形力能分析 在实际进行工艺方案设计时，由于工艺较复杂，设计人员需事先预估成形过程中的载荷分布，以降低模具在成形过程中发生偏载的可能性，提高模具寿命和零件质量。因此，庄新村等12以中厚板体积成形工艺中较为典型的挤压成形工艺为切入点，采用正交试验分析法，影响因子为材料类型、变形程度、板厚 s0、凸模圆角半径 RP、凹模圆角半径 Rd和摩擦系数 ，变形程度以断面缩减率 F描述，并采用固定凸模直径 d0、变动凹模直径 d1的方法来获得不同的断面缩减率。选用 L18 (37 ) 正交表安排试验，对该工艺成形力能加以分析，得到力能计算模型： 20sttotal12010F11
16、2ln441ffdsFKRds Kd=+ 将数值模拟计算结果与实验数据对比，如图 4 所示，误差在工程应用可接受范围内，因此，该模型可以为中厚板挤压工艺及模具的优化设计提供理论参考。 图 4 中厚板挤压成形过程数值模拟和实验结果对比12 Fig.4 Comparison between the sheet metal extrusion simulation results and experimental results 3.2 基于知识的精冲工艺设计系统 在精冲工艺设计中， 经验和知识对产品质量和模具寿命都具有关键的影响， 因此将设计知识和经验集成到工艺设计和优化系统中是十分必要的。向华等
17、13根据精冲工艺流程，采用知识工程技术建立精冲工艺设计系统，主要由图形平台、功能单元、知识推理模块、工艺设计用户应用界面、支撑数据库等子系统组成。通过基于知识群组划分的层级化混合表示方法以及知识驱动的工艺集成方法，利用 C+程序设计语言和COM 技术在提供三维特征建模和 API 函数接口的 Solidworks 平台上实现了精冲工艺设计与优化系统（图5），主要功能包括几何外形可行性分析、毛坯排样、工步设计等功能。该系统在企业中得到积极的应用，有效提高了精冲件的设计、排样及生产效率。 中厚板精密冲裁机理及工艺优化研究进展 5 图 5 精冲工步排样13 Fig. 5 Strip layout of
18、 fine-blanking process 4 结论 精密冲裁工艺可实现净成形， 在节约成本和提高效率等方面的优势非常突出， 未来精冲件的应用会更加广泛。中厚板精冲材料的预处理方式、精冲过程的精确模拟、精冲工艺的开发应用，都将成为未来精冲领域的重要研究方向。 参 考 文 献 1 徐芹所，徐成，庄新村，赵震. 球化率及碳化物形貌对 C35E 钢精冲质量的影响J. 模具技术，2015(3)：1-4. 2 徐成. 球化率及碳化物形貌对精冲件断面质量的影响D. 上海：上海交通大学，2015. 3 Zhuang X, Zhao Z, Xiang H. Experimental methodology
19、for obtaining the flow curve of sheet materials in a wide range of strainsJ. Steel Research International, 2013, 84(2):146-154. 4 Gurson A L. Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth: part I-yield criteria and flow rules for porous ductile media J. Journal of Engineering Mat
20、erials and Technology, 1977, 99(1): 2-15. 5 Tvergaard V, Needleman A. An analysis of the cup-cone fracture in a round tensile test barJ. ActaMetall, 1984, 32: 157-169. 6 Needleman A, Tvergaard V. An analysis of ductile rupture in notched barsJ. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 1984, 3
21、2: 461-490. 7 Nahshon K, Hutchinson J W. Modification of the Gurson model for shear failureJ. European Journal of Mechanics-A/Solids, 2008, 27(1): 1-17. 8 Xue Liang. Ductile fracture modeling: theory, experimental investigation and numerical verificationD. Cambridge, Massachusetts Institute of Techn
22、ology (MIT), 2007. 9 方勇勇.基于试验与模拟的修正 GTN 模型参数反求分析D. 上海：上海交通大学，2015. 10 谢晓龙.精冲成形延性损伤断裂与数值模拟研究D. 上海：上海交通大学，2007. 11 谢晓龙，赵震，李明辉. 基于 Oyane 损伤和断裂模型的厚板精冲过程数值模拟和缺陷预测J. 上海交通大学学报，2006，40(6)：927-931. 12 庄新村，赵震，向华. 中厚板挤压成形力能分析及预测J. 塑性工程学报，2009，16(6)：33-38. 13 向华，赵震，庄新村. 基于知识的精冲工艺设计系统的研究和实现J. 塑性工程学报，2009，16(2)：53-56.
