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轉發自：第２３卷第６期 塑性工程學報 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：（山東科技大學機械電子工程學院，青島　２６６５９０）　蘇春建１　閆楠楠２　張曉東４　陸　順５

（山東科技大學土木工程與建筑學院，青島　２６６５９０）　王清３

摘　要：針對普通沖裁方式獲得的厚板沖裁件常存在尺寸精度低、斷面質量差及翹曲嚴重等問題，采用雙側齒圈壓邊的方式對厚板精密沖裁成形進行模擬和力學分析，建立了厚板的精沖數學模型及有限元模型，研究了成形中應力應變問題及靜水應力、材料流動的規律，并通過對６、８、１０和１２ｍｍ厚板進行有限元模擬，探討了不同板厚對雙側齒圈壓邊精沖的影響，最后進行實驗驗證，分析結果表明雙側齒圈壓邊沖裁方式能夠增加厚板剪切變形區的靜水壓力，充分發揮材料的塑性，提高厚板沖裁件斷面質量。

關鍵詞：厚板；雙側齒圈壓邊；精密沖裁；力學分析

中圖分類號：ＴＧ３８６　　　文獻標識碼：Ａ　　文章編號：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

隨著厚板精沖技術在各個領域的廣泛應用，精沖工藝的研究已成為現代沖裁技術的重點。普通沖

＊國家自然科學基金資助項目（５１３０５２４１）；山東省高等學校科研計劃項目（Ｊ１２ＬＡ０３）；山東省泰山學者建設工程專項項目（ｔｓｈｗ２０１３０９５６）。

通訊作者：蘇春建　Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｃｈｕｎｊｉａｎ２００８＠１６３．ｃｏｍ作者簡介：蘇春建，男，１９８０年生，山東菏澤人，博士

（后），副教授，主要從事金屬板材精密塑性成形研究收稿日期：２０１５－１１－２５；修訂日期：２０１６－０３－０５

裁方式獲得的厚板沖裁件尺寸精度低、斷面質量差［１－４］。本文提出一種雙側齒圈壓邊的精密沖裁方式，即只需在壓邊圈及凹模上設置齒圈就可以實現精沖工藝，對其進行研究，能夠大幅減少由于昂貴的精沖設備而帶來的附加成本，有較大的經濟價值。

針對７ｍｍ以上中厚板沖裁件常出現的斷面質量差等問題，本文以ＡＩＳＩ－１０２０鋼為研究對象，在雙側齒圈壓邊方式下用 ＤＥＦＯＲＭ 軟件模擬分析８ｍｍ板材的精沖機理，分析變形區材料的應力應變狀態，并對６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ和１２ｍｍ厚板進行有限元模態分析，探討不同板厚對雙側齒圈壓邊精沖的影響。

１　金屬板材精密沖裁理論基礎

１．１　精密沖裁的機理

精密沖裁是塑性剪切過程，是在專用（三動）壓力機上借助特殊結構的精沖模，在強力作用下使板材發生塑性剪切［５］。其成形原理如圖１所示，沖裁過程中凸模接觸板料之前，通過施加一定壓力使Ｖ形齒圈將材料壓緊在凹模上，從而在Ｖ形齒的內面產生橫向側壓力，以阻止材料在剪切區內撕裂和金屬橫向流動，在凸模壓入材料的同時，利用頂出器的反壓力將材料壓緊，并在壓緊狀態中凸模向下運行進行沖裁，使剪切區的材料處于三向壓應力狀態，進而提高材料的塑性，使材料沿著凸凹模刃口形狀發生塑性分離。

圖１　精沖成形原理圖

Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ

１．２　精沖變形區的力態分析

圖２所示為模具對板料進行沖裁時的受力情況，當凸模下降至與板料接觸時，板料受到的外力和板料變形區內存在的應力如圖３所示。

圖２　精密沖裁時作用于板材上的力圖

　　注：Ｐ、Ｐｄ分別為頂件板對材料的垂直作用力；Ｆ為凸模作用于材料的上的沖裁力，Ｆ＝Ｐ＋Ｐｄ；Ｎ１、Ｎ２分別為凸、凹模對材料的側壓力；Ｆ１、Ｆ２分別為凸、凹模側面對材料的摩擦力；Ｆ３、Ｆ４分別為凸、凹模端面對材料的摩擦力；Ｐｖ為齒圈對材料的作用力。

Ｆｉｇ．２　Ｆｏｒｃｅ　ａｃｔｓ　ｏｎ　ｓｈｅｅｔ　ｐｌａｔｅ　ｉｎ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ

圖３　一點處的應力狀態

Ｆｉｇ．３　Ｓｔｒｅｓｓ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｐｏｉｎｔ

在精沖變形區內任一點Ｏ處取坐標系ＸＹＺ，在該處取微元六面體，其上作用應力如圖２、圖３所示。σｙ是由Ｐ引起的正應力，σｖｘ、σｖｙ分別是由Ｐｖ

在Ｘ方向分量Ｐｖｘ和Ｙ方向分量Ｐｙ引起的正應力， σＮ為側壓力Ｎ引起的正應力，σｚ是模具對材料的約束作用引起的正應力，剪應力τｘｙ、τｙｘ是由外摩擦力引起的。

在Ｏ點處的應力張量為：

Ｔσ＝Ｔεσ＋Ｔσρ 式中　Ｔεσ———球形應力張量

　　　Ｔσρ———應力偏量 （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———平均應力

精沖時變形區的球形應力張量Ｔεσ是Ｏ點所受的靜水壓，該張量影響Ｏ點材料的塑性［６－７］。從式（４）可以看出影響變形區靜水壓力的因素，可通過以下途徑來提高靜水壓力：１）增大σｙ，主要是通過增大頂件反力；２）增大σＮ，主要是通過在一定程度上減小凸凹模間隙；３）增大σｖｘ＋σｖｙ，通過增大壓邊力Ｐｖ 來實現；４）采用最佳壓邊圈齒形內角 α。由圖１可知：

Ｐｖｘ＋Ｐｖｙ＝Ｐｖ（ｃｏｓα＋ｓｉｎα）

　　取極值：令ｄ（Ｐｖｘ＋Ｐｖｙ）＝０，得：ｄα （５）

Ｐｖ（ｃｏｓα－ｓｉｎα）＝０ （６）

　　因為，壓邊力Ｐｖ 一定，所以，ｃｏｓα－ｓｉｎα＝０， α＝π／４

２　厚板精沖的有限元模擬仿真分析

２．１　有限元模型的建立

在有限元模擬過程中，為保證有限元模型精確描述精沖過程，又能保證模擬結果的正確性，根據實際條件做簡化處理，因此把精沖過程作為軸對稱問題來研究［８－９］。圖４為精沖過程的有限元模型，采用Ｖ形齒圈是精沖與普通沖裁最顯著的區別之一，以點劃線為對稱軸，為了節省時間和計算機內存，只選取工件的１／２模型進行模擬分析，將板料設置塑性體，其他工件視為剛性體（即不變形體），忽略模具的變形。

圖４　精沖過程的有限元模型

Ｆｉｇ．４　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｎｅ　ｂｌａｎｋｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ本文有限元模擬選用直徑Φ２０ｍｍ、板厚８ｍｍ的ＡＩＳＩ－２０鋼為研究對象，其他參數如下。

１） 模擬幾何參數：凹模外直徑Φ５０ｍｍ，模具間隙０．５ｍｍ，模具圓角０．０３ｍｍ，板料厚度８ｍｍ，

Ｖ形齒圈速度２ｍｍ·ｓ－１，凸模速度１ｍｍ·ｓ－１。

２） 摩擦系數的選擇：由于是冷沖壓，設置冷摩擦系數為０．１２；板料與其他零件的接觸容差為

０．００１。

３） 網格劃分：板料作為塑性體分析，采用四節點單元。塑性剪切區域集中在模具刃口之間極窄的區域內，因此，在模具間隙處還需對網格進行局部細化。

４） 邊界條件的設定：沖裁方向是沿Ｙ軸負方向，在Ｘ方向上不允許發生金屬流動，把配料的軸對稱面設為Ｘ方向固定不動。

５） 沖裁力是選用壓力機和設計模具的重要依據之一，影響沖裁力的因素主要包括：材料機械性能及其厚度、零件尺寸、模具幾何參數等。由于精沖是在三向受力狀態下進行沖裁的，變形抗力要比普通沖裁大得多，因此精沖總壓力為：

　　其中： ＦＺ＝Ｆ＋ＦＹ＋ＦＦ （７）

Ｆ＝１．２５Ｌｔτｂ ＝Ｌｔσｂ （８）

ＦＹ＝（０．３－０．６）Ｆ （９）

ＦＦ＝Ａｐ （１０）