精沖變形過程細(xì)觀模型

文/盧險峰·南昌大學(xué)

周開華·中國北方工業(yè)公司

本文提出了一種較新的精沖變形過程細(xì)觀模型，即“V槽壓入—沖擊壓縮—壓入剪切—件料分離—材料轉(zhuǎn)移—卸離沖頭與頂出凹模”六個階段，較科學(xué)地解釋了精沖件斷面由塌角、剪切面、凸邊及毛刺四個部分組成及其各部分形成的機(jī)理與過程。

2014年，精密沖裁技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了一百周年。在一百年的不斷發(fā)展過程中，強(qiáng)力齒圈壓板精沖一直為精密沖裁中最為基礎(chǔ)的形式。本文討論的精沖變形過程細(xì)觀模型是指此種典型形式的精密沖裁。

很多文獻(xiàn)均介紹了精沖工藝全過程，或叫精沖技術(shù)加工全過程，但對精沖變形過程或變形模式的闡述卻較少見到或闡述欠深入。至少，現(xiàn)有的這些過程或模式尚未能解釋清楚精沖斷面的組成問題。期望本文探討的模型能使大家對這個問題有更深一層的認(rèn)識。

1.精沖件的斷面組成

80年以前，人們認(rèn)識到精沖件的斷面組成（與普通沖裁件相比），主要是由塌角、剪切面和毛刺3部分組成；隨后，各國學(xué)者則從更精細(xì)的角度，認(rèn)識到精沖件的斷面是由塌角、剪切面、凸邊及毛刺四部分組成，如圖1所示。

迄今，國內(nèi)外學(xué)者對精沖件整個斷面之塑性剪切面的形成，從精沖機(jī)理上作了解釋，但還不甚深入，尤其在其塌角、毛刺及處于毛刺側(cè)的凸邊的形成過程和機(jī)理方面。本文從細(xì)觀角度，對毛刺及凸邊形成機(jī)理與過程作了一種較新但為初步的探討。

圖1 精沖件斷面組成

1－塌角 2－剪切面 3－凸邊 4－毛刺

2.精沖變形過程的實驗

在研究精沖變形機(jī)理的過程中，研究者們大致做了兩種實驗：

一種是工藝實驗，通過該實驗捕捉到了精沖變形過程中的塑性流動情況。比如，圖2所示為某精沖實驗過程中，拍攝到的沖頭進(jìn)入材料一定深度時的剖面照片。根據(jù)圖2可以分析出：精沖變形區(qū)材料纖維沿厚度方向有很大伸長，橫向上材料纖維則有密集壓縮；即使在最后分離之前始終保持為一個整體。由此推斷，將來的工件與坯料的分離應(yīng)該是拉斷分離的。

圖2 精沖變形區(qū)塑性流動照片

一種是模擬實驗，通過有限元方法（FEM）對精沖性能好的塑性材料，進(jìn)行精沖過程中塑性流動情況進(jìn)行模擬。比如，圖3為對厚度4mm的C10材料、精沖一圓形件的變形過程進(jìn)行模擬，測得各階段的等效應(yīng)力與等效應(yīng)變值[9]。

從圖3中等效應(yīng)力(圖左)可知：1)隨著沖頭切入深度的增加，齒圈下面的壓應(yīng)力區(qū)逐漸變小，最后區(qū)域接近消失，且在沖裁結(jié)束前還顯示出了灰色的拉應(yīng)力區(qū)；2)靠近沖頭刃尖的下端面處，壓應(yīng)力區(qū)隨著沖頭切入深度的增加逐漸變小；而靠近凹模刃尖上端面的壓應(yīng)力區(qū)基本也是此種變化；3)在沖裁結(jié)束前，沖頭、凹模刃尖連線的變形及其鄰域在壓應(yīng)力的范圍內(nèi)又出現(xiàn)了各一處拉應(yīng)力區(qū)，此為繼續(xù)精密沖裁至快結(jié)束時的拉裂提供了預(yù)示。

從圖3中等效應(yīng)變(圖右)可知：1)縱觀全過程，齒圈壓板下面等效應(yīng)變一直很大，表明該尖沖頭壓入的局部變形量很大；2)沖頭與凹模刃尖連線區(qū)域，其應(yīng)變是沖頭進(jìn)入材料一段時間后開始出現(xiàn)，隨后逐漸增大，至沖裁結(jié)束前變形更大，此為繼續(xù)精密沖裁至快結(jié)束時的件料分離變形也提供了依據(jù)。

圖3 精沖過程FEM模擬結(jié)果

3.早期的精沖變形模式

早期的研究者根據(jù)對精沖塑性變形過程中的測試、觀察與分析，提出了一種精沖變形模式，如圖2所示，通過它對精沖過程中材料的變形和發(fā)展過程作出了以下描繪。圖4a為精沖開始時，圖4b為沖頭進(jìn)入材料一定深度時的情況。

圖4中A、B兩點分別表示沖頭與凹模的刃口。AB連線將間隙分為Ⅰ、Ⅱ兩部分，塑性變形主要集中在間隙區(qū)，即Ⅰ、Ⅱ為塑性變形區(qū)，間隙兩側(cè)為剛性平移的傳力區(qū)，此部分又分為靠近變形區(qū)的塑性變形影響區(qū)Ⅲ和彈性變形區(qū)Ⅳ。精沖的塑形變形始終在AB為對角連線的四邊形區(qū)域中進(jìn)行。例如，當(dāng)沖頭進(jìn)入材料一定深度時，A點以上的部分和B點以下的部分均已完成變形。隨著精沖過程的繼續(xù)，其塑性變形將在縮小了的AB連線為對角的四邊形中進(jìn)行。精沖過程中，Ⅰ區(qū)的材料將被沖頭逐漸擠壓到條料上，Ⅱ區(qū)的材料將被凹模逐漸擠壓到工件上。

隨著精沖的進(jìn)行，AB距離逐漸變短，四邊形區(qū)域逐漸變小，一部分材料將轉(zhuǎn)移到AB以外的已變形區(qū)，當(dāng)AB距離達(dá)到最小值時，材料全部轉(zhuǎn)移，精沖過程完畢。應(yīng)該說，此種將變形區(qū)分為Ⅰ、Ⅱ兩部分及材料轉(zhuǎn)移的精沖變形模式，對精沖塑性變形機(jī)理有一定程度的揭示，但還屬于一種較宏觀的描繪，未與精沖件斷面組成完全聯(lián)系上，稍欠深入和全面。

圖4 精沖變形區(qū)域及變形過程

1－壓邊圈 2－凸模 3－凹模 4－反壓板 5－工件

Ⅰ、Ⅱ—塑性變形區(qū)Ⅲ—塑性變形影響區(qū)Ⅳ—彈性變形區(qū)

4.精沖變形細(xì)觀模型

依據(jù)以上介紹、闡述與分析，通過學(xué)習(xí)和探究，并結(jié)合作者最近的研究成果：精沖件斷面凸邊，是精沖變形的后階段中的拉深變形、全過程里沖頭靠近刃尖下端面的彈性壓縮，兩種作用的迭加而產(chǎn)生的；而毛刺產(chǎn)生于最后階段的塑性分離及隨后的推(頂)出凹模階段。現(xiàn)筆者提出精沖變形過程細(xì)觀模型。以精沖落料為準(zhǔn)，其變形過程可分為6個階段的細(xì)觀模型，即精沖變形過程經(jīng)歷：V槽壓入—沖擊壓縮—壓入剪切—件料分離—材料轉(zhuǎn)移—卸離沖頭與頂出凹模6個階段。如圖5所示。首先，定義其變形區(qū)域為沖頭與凹模刃尖連線為中心的間隙區(qū)域及鄰域并延至V形槽部分位置上。下面詳細(xì)闡述各個具體階段的特點：

圖5 精沖變形細(xì)觀模型

(a)V槽壓入階段 (b)沖擊壓縮階段 (c)壓入剪切階段 (d)件料分離階段 (e)坯料轉(zhuǎn)移階段 (f)卸離沖頭與頂出凹模階段

⑴V槽壓入階段：如眾所知，精沖過程必先是齒圈壓板對坯料壓出V形槽，會產(chǎn)生明顯的變形和應(yīng)力場，雖然對精沖件斷面組成不造成直接反映，但影響了后續(xù)的精沖變形，也是造成精沖靜水壓的重要因素之一。
⑵沖擊壓縮階段：沖頭下行與坯料接觸施壓，致使沖頭下面材料下壓，為工件及廢料上塌角的形成作了準(zhǔn)備。普通沖裁也有這樣一個變形階段。
⑶壓入剪切階段：沖頭繼續(xù)下行切入材料，便形成了塌角(此與普通沖裁相同)，但特別之處是形成了塌角后不斷生成塑性剪切面且面積更大。依據(jù)有限元模擬，此階段在沖頭刃尖下端面及凹模刃口上端面均存在較大壓應(yīng)力區(qū)及相應(yīng)的變形，表明凸邊在開始形成。
⑷件料分離階段：沖頭下行至切入材料深度80%～90%時，所呈較小變形區(qū)（產(chǎn)生拉應(yīng)力并很快達(dá)到最大值）出現(xiàn)裂紋裂縫并很快拉斷開來（沖頭進(jìn)入材料深度達(dá)到料厚時），塑性剪切面便業(yè)已形成。此與普通沖裁的上下剪裂縫重合而突然分離截然不同。
⑸材料轉(zhuǎn)移階段：件料分離后，沖頭仍然下行一段距離，斷裂裂縫處至凹模側(cè)的材料被擠壓到廢料上并形成毛刺與凸邊，斷裂裂縫處至沖頭側(cè)的材料被擠壓到工件上并形成毛刺與凸邊。普通沖裁則沒有此材料轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。
⑹卸離沖頭與頂出凹模階段：沖頭回程上行，沖頭側(cè)面會在卸離時摩擦和擠壓廢料內(nèi)表面；與此同時，頂料板頂出工件，凹模內(nèi)壁會摩擦和擠壓工件的外表面。故剪切面被擠得更光潔，毛刺會被擠得更薄而高。