1、2006年第6期沖壓STAMPINGC M E T 鍛壓裝備與制造技術1引言薄板,一般是指厚度在0.02mm 0.6mm 范圍內的板料,在現代沖壓加工特別是精密級進模高速沖壓中薄板沖裁占有很高的比例1。沖裁約束條件對板料沖裁過程的應力狀態有很大影響,是決定裂紋產生、成長和斷面質量的一個重要因素。決定沖裁約束條件的因素主要包括兩個方面:第一是有無壓邊圈,第二個是沖裁輪廓是否對稱。研究不同約束條件下薄板沖裁過程的應力狀態,對了解裂紋擴展方式、斷面質量的影響機理,預防工件缺陷,抑制裂紋產生,控制裂紋走向具有重要意義。目前,這方面的實驗研究仍然比較困難,現行沖壓工藝書籍中所分析的主要是無壓料板雙面沖裁

2、的應力狀態2-3。數值模擬是目前比較實用的技術,利用它可以方便的對不同的約束條件下的應力狀態進行分析。本文就是利用商業化的有限元分析軟件DEFORM-2D T M ,對沖裁工藝進行了模擬,著重分析了有壓料板雙面沖裁的應力狀態,并將其與無壓料板情況進行了對比。2有限元分析模型的建立本文沖裁模擬所用板料是錫磷青銅(QSn6.5-0.1。該材料在電子產品級進模高速沖壓生產中應用非常廣泛。圖1所示是QSn6.5-0.1材料的真實應力應變曲線,該曲線是參照文獻45及金屬材料物理試驗方法標準,使用單向拉伸試驗確定的。圖2是利用DEFORM-2D T M進行沖裁模擬的模型示意圖,其中板厚t=0.3mm ,沖

3、裁單面間隙c=0.1mm ,板料寬度L=8mm ,凸模寬度Lp=6mm ,凸凹模圓角r =0.002mm 。斷裂準則采用Cockcroft&Latham ,C=1.2。在網格劃分時采用網格密度窗口以提高運算速度。沖裁工藝有限元模擬方法可參考文獻678。3模擬結果及分析3.1無壓料情形圖3為無壓邊狀態下的沖裁過程,板料變形,裂紋產生、生長,斷裂的過程符合文獻23無壓邊沖裁過程的描述。圖4為薄板開始斷裂前的刃口的靜水應力狀態,由應力狀態看出,凸、凹模端面的靜水壓應力比凸、凹模側面的靜水壓應力大,凸模端面的靜水壓應力最高。凸、凹模側面的某些區域還表現為靜水拉應力,而凹模側面的靜水應力代數值最

4、大,所基金項目:2004粵港關鍵領域重點突破資助項目(2004A10402002收稿日期:2006-09-12作者簡介:郭雷(1980-,男,碩士生,主攻板料成形及其數值模擬文章編號:1672-0121(200606-0059-02基于數值模擬的薄板沖裁過程應力分析郭雷,黃珍媛,黃敏飛,阮鋒(華南理工大學機械學院,廣東廣州510640摘要:沖裁過程中的約束條件對沖裁裂紋的產生和成長有很大影響,是決定斷面質量的一個重要因素。有無帶壓邊圈和沖裁輪廓是否對稱是決定約束條件的兩個重要因素。本文通過自建材料模型,運用Cock-croft &Latham 斷裂準則對有壓邊和無壓邊情形下的雙面薄板沖

5、裁過程進行了有限元模擬,并根據模擬結果分析了有壓邊雙面沖裁的應力狀態,得出了與實際相符的模擬結果。關鍵詞:機械制造;沖裁;薄板;約束條件;有限元模擬中圖分類號:TG386.41文獻標識碼:B圖1真實應力-應變曲線600500應變應力圖2模擬模型及網格密度窗口定義密度0.125密度0.015上模密度1壓邊圈板料下模LpLCt圖3無壓邊雙面沖裁過程592006年第6期沖壓STAMPINGC M E T 鍛壓裝備與制造技術以首先在凹模刃口側面處板料中產生裂紋,繼而才在凸模的刃口側面處產生裂紋,裂紋重合后工件分離。3.2有壓料板的情況級進模薄板沖裁中最常見的是帶壓料板雙面沖裁的情形。由于添加了壓料板,

6、產生了壓邊力,這使得沖裁過程應力變化非常復雜。從圖5的模擬結果能發現,在有壓料板的沖裁中,裂紋首先從凸模側刃口產生,這與無壓料板雙面沖裁過程明顯不同。裂紋產生初始點的不同對斷面質量會造成影響。圖6所示為有壓料板沖裁在凸模下行板料厚度20%時的應力狀態。從圖6a 、b 可以看出,作為平面應變問題的沖裁加工,在凸、凹模刃口下面的區域附近為兩向壓應力,表明這個區域為三向壓應力狀態,其他區域為一拉一壓。凸、凹模刃口側面最大主應力代數值高于凸、凹模端面最大主應力,且凸模刃口側面的最大主應力又高于凹模側面。而從整個沖裁過程來看,如圖6c ,靜水應力絕大部分為負值,由于靜水應力一定程度上反應了物體體積的改變

7、,所以沖裁過程中板料主要區域處于受壓狀態。模擬結果表明,隨著凸模切入深度增加,在間隙區靜水應力有向正值發展的趨勢,反應了裂紋產生的區域受剪切力作用。開始斷裂前,刃口主要為壓應力區,隨著凸模下行,靠近凸模刃口的間隙區首先產生靜水拉應力。從圖6d 來看,等效應力在間隙區內數值較大,在刃口處取得最大值,變形主要集中在間隙區,斷裂前凸模刃口處的變形梯度最大,變形劇烈。所以,根據以上的分析可說明有壓料板沖裁中,裂紋必然首先在凸模刃口側面處產生,繼而在凹模刃口側面產生。在板料沖裁中,特征區域處一般可分為如下5個:凸模側面、凸模端面、剪切區、凹模側面和凹模端面。根據平面應變理論,可假設1為最大主應力,2為最

8、小主應力,平面應力3=12(1+2。可以得出在有壓料板雙面沖裁條件下,裂紋產生之前,板料各個區域的應力狀態,如圖7所示。這與文獻2中無壓料板特征點的應力有明顯區別。4結論本文通過自建材料模型并利用DEFORM-2D T M 軟件,對有壓料板和無壓料板薄板雙面沖裁過程進行了模擬,并著重對精密級進模沖裁中常見的有壓料板沖裁條件下的板料應力狀態進行了分析,得到以下結論:(1驗證了Cockcroft &Latham 斷裂準則應用在韌性金屬的沖裁加工的數值模擬中的可行性,應用其可以模擬出與實際相符的沖裁工藝過程。(2通過對模擬結果進行的應力分析,可以很好的解釋沖裁加工裂紋產生過程,說明利用數值模

9、擬的方法進行沖裁過程的應力分析是可行且合理的。(3通過對有壓料板沖裁過程各個特征區域進行的應力分析,得出了在此狀態下沖裁區域的應力狀態圖,進一步證明利用數值模擬的方法解釋沖裁加工中的各種現象,對于優化沖裁間隙圓角、摩擦條件、模具形狀等工藝參數有著十分積極的意義。圖4靜水應力狀態圖5帶壓料板雙面沖裁過程圖6有壓料板沖裁應力分布(a 最大主應力(b 最小主應力(c 靜水應力(d 等效應力圖7有壓料板情形的應力狀態示意圖133212133212321壓料板凹模凸模ADC B E DABCE602006年第6期沖壓STAMPINGC M E T 鍛壓裝備與制造技術【參考文獻】12肖景容,姜奎華,主編.

10、沖壓工藝學(第1版.北京:機械工業出版社,1999:5-40.冶金工業部信息標準研究院標準研究部編.金屬材料物理試驗方法標準匯編(第2版.北京:中國標準出版社,2002.工業出版社,2002.2001,37(6:657-657.7Stress Analysis of Thin Sheet Blanking Based on Numerical SimulationGUO Lei,HUANG Zhenyuan,HUANG M infei,RUAN Feng(School of M echanical Engineering South China Univ.of Tech.,Guangzhou

11、510640,Guangdong China Abstr act:The double sides blanking processes w ith and w ithout blank holder have been studied based on Cockroft -Latham ductile fracture damage model using DEFORM-2D T M .The stress states diagram of double side blanking w ith blank holder has been obtained by the stress ana

12、lysis.The simulation results agreed w ith the practice very much.Keywor ds:M achinery manufacture a Blanking a Thin sheet a Constraint condition a FE simulation1前言在板料拉深成形過程中,影響板料成形質量的因素有很多,諸如壓邊力大小、凹凸模圓角半徑、拉深材料性能、拉深模具參數、摩擦潤滑條件以及坯料形狀和大小等等都是重要的影響因素。其中,壓邊力(Blank Holder Force ,BHF 的大小對板料拉深成形質量影響尤為明顯1,且它也

13、是最易于控制和調節的參數2。板材拉深的主要缺陷是起皺和破裂。為了防止零件發生起皺,一般都采用壓邊圈和足夠大的壓邊力,大的壓邊力盡管可以防止或消除起皺,但可能引起拉裂。傳統模具設計中,通常憑經驗給一個壓邊力進行試沖,再根據零件拉深的結果調整壓邊力,有時反復多次也不能確定一個使零件既不產生起皺也不被拉裂的壓邊力,不僅造成材料的浪費,無疑也增加了模具的制造周期。由于計算機仿真技術在薄板沖壓成形中的應用,這一工程中的難題得到了有效的解決3。在沖壓成形工藝與模具設計課程的教學過程收稿日期:2006-09-03作者簡介:胡志華(1980-,女,碩士生,助教,主攻金屬材料成形及模具CAD/CAE /CAM文章編號:1672-0121(200606-0061-03典型圓筒件拉深的壓邊力控制數值模擬胡志華1,2,楊屹2(1.成都電子機械高等專科學校,四川成都610031;2.四川大學制造科學與工程學院,四