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转发自：第２３卷第６期 塑性工程学报 Ｖｏｌ．２３　Ｎｏ．６

２０１６年１２月 ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＰＬＡＳＴＩＣＩＴＹ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｄｅｃ．　２０１６ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－２０１２．２０１６．０６．００９

作者：（山东科技大学机械电子工程学院，青岛　２６６５９０）　苏春建１　闫楠楠２　张晓东４　陆　顺５

（山东科技大学土木工程与建筑学院，青岛　２６６５９０）　王　清３

摘　要：针对普通冲裁方式获得的厚板冲裁件常存在尺寸精度低、断面质量差及翘曲严重等问题，采用双侧齿圈压边的方式对厚板精密冲裁成形进行模拟和力学分析，建立了厚板的精冲数学模型及有限元模型，研究了成形中应力应变问题及静水应力、材料流动的规律，并通过对６、８、１０和１２ｍｍ厚板进行有限元模拟，探讨了不同板厚对双侧齿圈压边精冲的影响，最后进行实验验证，分析结果表明双侧齿圈压边冲裁方式能够增加厚板剪切变形区的静水压力，充分发挥材料的塑性，提高厚板冲裁件断面质量。

关键词：厚板；双侧齿圈压边；精密冲裁；力学分析

中图分类号：ＴＧ３８６　　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００７－２０１２（２０１６）０６－００５１－０７

Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｉｃｋｐｌａｔｅ　ｕｓｉｎｇ　ｂｉｌａｔｅｒａｌ　ｇｅａｒ－ｒｉｎｇ　ｂｌａｎｋ－ｈｏｌｄｅｒ

ＳＵ　Ｃｈｕｎ－ｊｉａｎ１　ＹＡＮ　Ｎａｎ－ｎａｎ２　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ４　ＬＵ　Ｓｈｕｎ５

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６５９０　Ｃｈｉｎａ）

ＷＡＮＧ　Ｑｉｎｇ３

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６５９０　Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｐｏｏｒ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｓｅｖｅｒｅ　ｗａｒｐｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｉｃｋ－ｐｌａｔｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｐａｒｔ　ｂｙｃｏｍｍｏｎ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，ａ　ｂｉｌａｔｅｒａｌ　ｇｅａｒ－ｒｉｎｇ　ｂｌａｎｋ－ｈｏｌｄｅｒ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋ

ｐｌａｔｅ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｉｃｋ　ｐｌａｔｅｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｂｉｌａｔｅｒａｌ　ｇｅａｒ－ｒｉｎｇ　ｂｌａｎｋ－ｈｏｌｄｅｒ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ，ｓｔｒａｉｎ，ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｆｌｏｗ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｉｎｂｌａｎｋｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　６，８，１０ａｎｄ　１２ｍｍ　ｔｈｉｃｋｐｌａｔｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉｌａｔｅｒａｌ　ｇｅａｒ－ｒｉｎｇ　ｂｌａｎｋ－ｈｏｌｄｅｒ　ｃａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋ　ｐｌａｔｅ　ｓｈｅａｒ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｚｏｎｅ，ｍａｋｅ　ｆｕｌｌ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｉｍ－ｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｉｃｋ　ｐｌａｔｅ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｉｃｋ　ｐｌａｔｅ；ｂｉｌａｔｅｒａｌ　ｇｅａｒ－ｒｉｎｇ　ｂｌａｎｋ－ｈｏｌｄｅｒ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｂｌａｎｋｉｎｇ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ

　引　言

随着厚板精冲技术在各个领域的广泛应用，精冲工艺的研究已成为现代冲裁技术的重点。普通冲

＊国家自然科学基金资助项目（５１３０５２４１）；山东省高等学校科研计划项目（Ｊ１２ＬＡ０３）；山东省泰山学者建设工程专项项目（ｔｓｈｗ２０１３０９５６）。

通讯作者：苏春建　Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｃｈｕｎｊｉａｎ２００８＠１６３．ｃｏｍ作者简介：苏春建，男，１９８０年生，山东菏泽人，博士

（后），副教授，主要从事金属板材精密塑性成形研究收稿日期：２０１５－１１－２５；修订日期：２０１６－０３－０５

裁方式获得的厚板冲裁件尺寸精度低、断面质量差［１－４］。本文提出一种双侧齿圈压边的精密冲裁方式，即只需在压边圈及凹模上设置齿圈就可以实现精冲工艺，对其进行研究，能够大幅减少由于昂贵的精冲设备而带来的附加成本，有较大的经济价值。

针对７ｍｍ以上中厚板冲裁件常出现的断面质量差等问题，本文以ＡＩＳＩ－１０２０钢为研究对象，在双侧齿圈压边方式下用 ＤＥＦＯＲＭ 软件模拟分析８ｍｍ板材的精冲机理，分析变形区材料的应力应变状态，并对６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ和１２ｍｍ厚板进行有限元模态分析，探讨不同板厚对双侧齿圈压边精冲的影响。

１　金属板材精密冲裁理论基础

１．１　精密冲裁的机理

精密冲裁是塑性剪切过程，是在专用（三动）压力机上借助特殊结构的精冲模，在强力作用下使板材发生塑性剪切［５］。其成形原理如图１所示，冲裁过程中凸模接触板料之前，通过施加一定压力使Ｖ形齿圈将材料压紧在凹模上，从而在Ｖ形齿的内面产生横向侧压力，以阻止材料在剪切区内撕裂和金属横向流动，在凸模压入材料的同时，利用顶出器的反压力将材料压紧，并在压紧状态中凸模向下运行进行冲裁，使剪切区的材料处于三向压应力状态，进而提高材料的塑性，使材料沿着凸凹模刃口形状发生塑性分离。

图１　精冲成形原理图

Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ

１．２　精冲变形区的力态分析

图２所示为模具对板料进行冲裁时的受力情况，当凸模下降至与板料接触时，板料受到的外力和板料变形区内存在的应力如图３所示。

图２　精密冲裁时作用于板材上的力图

　　注：Ｐ、Ｐｄ分别为顶件板对材料的垂直作用力；Ｆ为凸模作用于材料的上的冲裁力，Ｆ＝Ｐ＋Ｐｄ；Ｎ１、Ｎ２分别为凸、凹模对材料的侧压力；Ｆ１、Ｆ２分别为凸、凹模侧面对材料的摩擦力；Ｆ３、Ｆ４分别为凸、凹模端面对材料的摩擦力；Ｐｖ为齿圈对材料的作用力。

Ｆｉｇ．２　Ｆｏｒｃｅ　ａｃｔｓ　ｏｎ　ｓｈｅｅｔ　ｐｌａｔｅ　ｉｎ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ

图３　一点处的应力状态

Ｆｉｇ．３　Ｓｔｒｅｓｓ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｐｏｉｎｔ

在精冲变形区内任一点Ｏ处取坐标系ＸＹＺ，在该处取微元六面体，其上作用应力如图２、图３所示。σｙ是由Ｐ引起的正应力，σｖｘ、σｖｙ分别是由Ｐｖ

在Ｘ方向分量Ｐｖｘ和Ｙ方向分量Ｐｙ引起的正应力， σＮ为侧压力Ｎ引起的正应力，σｚ是模具对材料的约束作用引起的正应力，剪应力τｘｙ、τｙｘ是由外摩擦力引起的。

在Ｏ点处的应力张量为：

Ｔσ＝Ｔεσ＋Ｔσρ 式中　Ｔεσ———球形应力张量

　　　Ｔσρ———应力偏量 （１）

－σｘ＋σＮ τｘｙ ０

熿燄

Ｔσ＝τｙｘ －（σｙ＋σｖｙ） ０＝０ ０ －σｚ燅熿－σｍ ０ ０燄０ －σｍ ０＋燀０ ０ －σｍ燅

熿 １（σｖｙ＋σｙ＋σｚ）－２（σＮ＋σｖｘ）　τｙｘ　０燄

３ ３

τｙｘ　 １（σｖｘ＋σＮ＋σｚ）－２（σｙ＋σｖｙ）　０

３ ３

０　０　 １（σｖｘ＋σｖｙ＋σｙ＋σＮ）－２（σＮ＋σｖｘ）燀３ ３燅

（２）

熿－σｍ ０ ０燄

Ｔεσ＝ ０ －σｍ ０（３）燀０ ０ －σｍ燅

１（σｙ＋σＮ＋σｖｘ＋σｖｙ＋σｚ） （４） σｍ ＝

３

式中　σｍ———平均应力

精冲时变形区的球形应力张量Ｔεσ是Ｏ点所受的静水压，该张量影响Ｏ点材料的塑性［６－７］。从式（４）可以看出影响变形区静水压力的因素，可通过以下途径来提高静水压力：１）增大σｙ，主要是通过增大顶件反力；２）增大σＮ，主要是通过在一定程度上减小凸凹模间隙；３）增大σｖｘ＋σｖｙ，通过增大压边力Ｐｖ 来实现；４）采用最佳压边圈齿形内角 α。由图１可知：

Ｐｖｘ＋Ｐｖｙ＝Ｐｖ（ｃｏｓα＋ｓｉｎα）

　　取极值：令ｄ（Ｐｖｘ＋Ｐｖｙ）＝０，得：ｄα （５）

Ｐｖ（ｃｏｓα－ｓｉｎα）＝０ （６）

　　因为，压边力Ｐｖ 一定，所以，ｃｏｓα－ｓｉｎα＝０， α＝π／４

２　厚板精冲的有限元模拟仿真分析

２．１　有限元模型的建立

在有限元模拟过程中，为保证有限元模型精确描述精冲过程，又能保证模拟结果的正确性，根据实际条件做简化处理，因此把精冲过程作为轴对称问题来研究［８－９］。图４为精冲过程的有限元模型，采用Ｖ形齿圈是精冲与普通冲裁最显著的区别之一，以点划线为对称轴，为了节省时间和计算机内存，只选取工件的１／２模型进行模拟分析，将板料设置塑性体，其他工件视为刚性体（即不变形体），忽略模具的变形。

图４　精冲过程的有限元模型

Ｆｉｇ．４　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ本文有限元模拟选用直径Φ２０ｍｍ、板厚８ｍｍ的ＡＩＳＩ－２０钢为研究对象，其他参数如下。

１） 模拟几何参数：凹模外直径Φ５０ｍｍ，模具间隙０．５ｍｍ，模具圆角０．０３ｍｍ，板料厚度８ｍｍ，

Ｖ形齿圈速度２ｍｍ·ｓ－１，凸模速度１ｍｍ·ｓ－１。

２） 摩擦系数的选择：由于是冷冲压，设置冷摩擦系数为０．１２；板料与其他零件的接触容差为

０．００１。

３） 网格划分：板料作为塑性体分析，采用四节点单元。塑性剪切区域集中在模具刃口之间极窄的区域内，因此，在模具间隙处还需对网格进行局部细化。

４） 边界条件的设定：冲裁方向是沿Ｙ轴负方向，在Ｘ方向上不允许发生金属流动，把配料的轴对称面设为Ｘ方向固定不动。

５） 冲裁力是选用压力机和设计模具的重要依据之一，影响冲裁力的因素主要包括：材料机械性能及其厚度、零件尺寸、模具几何参数等。由于精冲是在三向受力状态下进行冲裁的，变形抗力要比普通冲裁大得多，因此精冲总压力为：

　　其中： ＦＺ＝Ｆ＋ＦＹ＋ＦＦ （７）

Ｆ＝１．２５Ｌｔτｂ ＝Ｌｔσｂ （８）

ＦＹ＝（０．３－０．６）Ｆ （９）

ＦＦ＝Ａｐ （１０）

式中　ＦＺ———精冲总压力

　　　Ｆ———冲裁力

　　　ＦＹ———压料力

　　　ＦＦ———顶（推）件板的反顶力

　　　Ｌ———剪切轮廓线长

　　　ｔ———材料厚度

　　　τｂ———材料的抗剪强度

　　　σｂ———材料的抗拉强度

　　　Ａ———精冲零件的承压面积

　　　ｐ———单位面积反压力，取２０～７０ＭＰａ

２．２　应力分析

图５是凸模压入板料不同位置时各阶段的等效应力分布情况。

从图５可以看出，双侧齿圈压边方式下的剪切区内等效应力分布较为广泛，主要集中在剪切区域的模具刃口连线附近以及Ｖ形齿圈内侧附近，在剪切变形中，材料水平方向的横向流动受到Ｖ形齿圈的阻碍作用，对成形中翘曲抑制作用明显，且能够增加剪切区域内的压应力值，使得材料的塑性增加，有利于精冲变形的进行。从冲裁成形前期可以看出，由于顶件板的作用，远离刃口连线附近的应力也较大，这样就能有效抑制冲裁时所产生的弯曲，随着凸模的下行剪切区域面积逐渐减小，等效应力也随之降低，但是由于在冲裁成形过程中不可避免的出现加工硬化现象，变形区的等效应力依旧很大。

冲裁成形中变形区的最大等效应力随凸模下行变化曲线如图６所示。在冲裁成形前期，远离刃口连线附近的应力较大，有效抑制冲裁时所产生的弯曲。随着凸模压入量的增加，变形区的等效应力呈明显减小的趋势，并逐渐趋于一个定值。