金屬薄料聚氨酯橡膠沖裁試驗(yàn)研究

張騰飛，邢英杰，諶祖輝，范 惲，蔣付強(qiáng)，徐文驥

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024；2.中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，陜西西安710065）

金屬薄料聚氨酯橡膠沖裁試驗(yàn)研究

張騰飛1，邢英杰1，諶祖輝2，范 惲2，蔣付強(qiáng)1，徐文驥1

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024；2.中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，陜西西安710065）

用聚氨酯橡膠作為凹模沖裁T2紫銅、304不銹鋼和3J21合金等典型金屬薄料，研究了沖頭高度、薄料厚度、薄料物理性能與沖裁力的關(guān)系，并對比分析了斷面形貌。結(jié)果表明：沖裁力隨薄料厚度和抗拉強(qiáng)度的增加而增大；在一定范圍內(nèi)，沖裁力隨沖頭高度的增加而減??；最小沖頭高度隨薄料厚度和薄料延伸率的增加而增大，0.1 mm厚的T2紫銅、304不銹鋼和3J21合金所需的最小沖頭高度分別為0.35、0.55、0.3 mm；拉斷面占斷面的比例分別約為30%、60%、95%；沖頭高度對斷面形貌沒有明顯影響。

聚氨酯橡膠沖裁模；沖裁力；沖頭高度；物理性能

在機(jī)械、電子和儀器儀表等領(lǐng)域中存在著大量0.2 mm以下的薄料沖裁，尤其在航空航天領(lǐng)域中，許多調(diào)整墊片、密封件、止動(dòng)墊圈及膜片等薄壁沖裁鈑金件，其材料厚度一般在0.02～0.2 mm之間［1］。使用剛模沖裁這些零件，要求凸凹模間隙特別小甚至零間隙，普遍存在模具裝配困難、壽命短等問題，導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高、生產(chǎn)效率降低。

使用抗壓的彈性體代替鋼模中的凸模或凹模進(jìn)行沖裁，能有效地解決上述問題。聚氨酯橡膠作為一種高硬度、彈性好、抗撕裂性能好、流動(dòng)性好的彈性體，在模具行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。蔣俠民等［2］研究了聚氨酯橡膠沖裁的成形機(jī)理，以及切割模板高度、壓邊余量等工藝參數(shù)和壓料板、頂桿等模具結(jié)構(gòu)對成形性能的影響。陳毓勛［3］進(jìn)行了多種金屬與非金屬薄料的可沖性試驗(yàn)。張賢國［4］、洪慎章等［5］結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)對聚氨酯橡膠沖裁進(jìn)行了研究。Sato等［6］研究了純鋁的聚氨酯橡膠在沖孔過程中反頂力對沖孔斷面質(zhì)量和沖孔尺寸精度的影響，得出的結(jié)論是隨著反頂力的增加，圓角帶占斷面的比例減小，同時(shí)沖孔件回縮減小，尺寸精度提高。Takahashi等［7］研究了Fe78B13Si9薄料聚氨酯沖裁過程中不同反頂力下聚氨酯橡膠壓入深度對斷面毛刺的影響，發(fā)現(xiàn)在較小的反頂力下，增加壓入深度會(huì)使毛刺加大；而在較大的反頂力下，并未產(chǎn)生明顯的影響。

本文以0.1、0.15、0.2 mm厚的T2紫銅、0.1 mm厚的304不銹鋼和0.1 mm厚的3J21合金等典型金屬薄料作為聚氨酯橡膠沖裁對象，分別研究沖頭高度、薄料的厚度及其物理性能與沖裁力的關(guān)系，并對比分析斷面形貌，以期獲得適合3種薄料的沖頭高度。通過對沖裁件斷面形貌進(jìn)行對比觀察，分析不同物理性能的薄料沖裁規(guī)律。

1 聚氨酯橡膠沖裁機(jī)理

聚氨酯橡膠近似于體積不可壓縮的彈性體。在沖裁過程中處于封閉的容框中，受壓后產(chǎn)生變形并對坯料產(chǎn)生壓力，使沖頭、壓板和坯料三者之間形成截面近似為三角形的環(huán)形空穴，聚氨酯橡膠與壓板的接觸面及其與坯料的接觸面分別產(chǎn)生摩擦力阻止坯料移動(dòng)（圖1a）。隨著聚氨酯橡膠受到的壓力增大，迫使坯料向空穴內(nèi)部變形，坯料內(nèi)部拉應(yīng)力逐漸增大；同時(shí)，由于刃口的作用，刃口處的坯料內(nèi)部存在剪應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到坯料的塑性變形條件后，坯料在刃口處沖頭側(cè)出現(xiàn)剪切痕跡，聚氨酯橡膠側(cè)出現(xiàn)拉伸變形（圖1b）。隨著壓力繼續(xù)增大，塑性變形向坯料內(nèi)部發(fā)展，坯料內(nèi)部的拉應(yīng)力繼續(xù)增大，刃口處的坯料由于應(yīng)力集中而成為坯料的薄弱環(huán)節(jié)；當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，坯料在刃口處變薄并逐漸向空穴方向產(chǎn)生偏向縮頸直至斷裂［1］（圖1c）。

圖1 聚氨酯橡膠沖裁過程

2 試驗(yàn)裝置及條件

聚氨酯橡膠沖裁模具示意圖見圖2，主要包括上模板組件與下模板組件。上模板組件包括模柄、上模板、沖頭、調(diào)整墊片、卸料板、卸料橡膠等，調(diào)整墊片用來調(diào)節(jié)沖頭伸出卸料板的深度，即沖頭高度；下模板組件包括下模板、聚氨酯橡膠凹模、容框、頂桿、壓料橡膠等，容框的作用是容納聚氨酯橡膠凹模，使聚氨酯橡膠處于密封空間內(nèi)、且能在壓縮變形較小的情況下提供大的壓力。上、下模板組件之間采用精密導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向。

圖2 聚氨酯橡膠沖裁模具示意圖

在沖裁過程中，上模板組件在壓力機(jī)的帶動(dòng)下向下移動(dòng)至卸料板并與坯料接觸，由于壓料橡膠的預(yù)緊力較大，此后卸料板停止向下移動(dòng)且與容框保持不動(dòng)；壓力機(jī)繼續(xù)下壓，上模板組件除卸料板外繼續(xù)向下移動(dòng)，卸料橡膠產(chǎn)生壓縮，沖頭逐漸伸出卸料板并與坯料接觸；壓力機(jī)繼續(xù)下壓，直至調(diào)整墊片與上模板接觸。上述過程中，沖頭使坯料產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)壓頭繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，上模板組件與容框同時(shí)向下移動(dòng)，受壓料橡膠的作用，容框與卸料板會(huì)對坯料產(chǎn)生很大的壓邊力，由于頂桿固定不動(dòng)，聚氨酯橡膠凹模會(huì)產(chǎn)生壓縮，達(dá)到足夠的壓力后，可將沖裁件沿沖頭的刃口輪廓沖制出來。

聚氨酯橡膠沖裁試驗(yàn)在T2紫銅、304不銹鋼與3J21合金薄料上進(jìn)行，3種材料的主要物理性能見表1。

表1 薄料主要物理性能

沖裁試驗(yàn)在OM-8750B系列計(jì)算機(jī)控制萬能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)的主要性能指標(biāo)見表2。

表2 試驗(yàn)機(jī)主要性能指標(biāo)

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 沖頭高度與薄料厚度對沖裁力的影響

試驗(yàn)過程中，分別采用0.02、0.05、0.1 mm厚的墊片調(diào)節(jié)沖頭高度，并在厚度為0.1、0.15、0.2 mm 的T2紫銅薄料上分別進(jìn)行沖裁試驗(yàn)，沖裁速度為10 mm/min。

試驗(yàn)獲得的沖頭高度與薄料厚度對沖裁力（包括聚氨酯橡膠凹模受壓產(chǎn)生的力和壓料力）的影響曲線見圖3?？煽闯?，對于一定厚度的薄料，隨著沖頭高度的增加，沖裁力減??；當(dāng)0.1 mm厚的薄料沖頭高度增加到0.55 mm、0.15 mm厚的薄料沖頭高度增加到0.6 mm、0.2 mm厚的薄料沖頭高度增加到0.65 mm后，沖裁力不再顯著減小，變化趨勢趨于平緩。這是因?yàn)殡S著沖頭高度的增加，沖頭、壓板和薄料之間形成的環(huán)形空穴、近似為三角形的截面面積增大，相應(yīng)地，處于三角形斜邊上的薄料長度增加，受力面積增大，使得在聚氨酯橡膠壓縮量相同的情況下，薄料內(nèi)部產(chǎn)生更大的拉應(yīng)力，薄料更易斷裂，表現(xiàn)出更小的沖裁力。當(dāng)沖頭高度繼續(xù)增加并超過一定數(shù)值后，會(huì)出現(xiàn)沖頭尚未完全伸出卸料板、薄料已斷裂的情況，表現(xiàn)為此時(shí)的沖裁力比沖頭高度較小時(shí)的沖裁力無明顯減小，而是趨于一致，此時(shí)的沖頭高度已超出了合理的高度范圍。

圖3 不同厚度的T2紫銅薄料沖裁力變化趨勢

需要指出的是，在沖頭高度小于圖3所示3種厚度的薄料各自對應(yīng)的最小沖頭高度的情況下，沖裁件無法沖制出來，而是對薄料造成一定程度的拉深。這是因?yàn)榄h(huán)形空穴的斜面面積太小，薄料內(nèi)部的拉應(yīng)力不足以使薄料斷裂。

在實(shí)際應(yīng)用中，沖頭高度是影響成形性的關(guān)鍵工藝參數(shù)。對于0.1 mm厚的T2紫銅，合理的沖頭高度在0.35～0.5 mm之間；0.15 mm厚的T2紫銅，合理的沖頭高度在0.4～0.55 mm之間；0.2 mm厚的T2紫銅，合理的沖頭高度在0.45～0.6 mm之間。

3.2 薄料物理性能對沖裁力的影響

為了分析薄料物理性能對沖裁力的影響，分別在0.1 mm厚的T2紫銅、304不銹鋼和3J21合金薄料上進(jìn)行沖裁試驗(yàn)，沖裁速度為10 mm/min。

試驗(yàn)獲得的沖頭高度與沖裁力的關(guān)系曲線見圖4?？煽闯?，不同物理性能的薄料在合理的沖頭高度范圍內(nèi)，都表現(xiàn)出沖裁力隨沖頭高度增加而減小的趨勢。3J21合金和304不銹鋼的沖裁力變化曲線并未出現(xiàn)變化趨勢趨于平緩的情況，可見，這兩種薄料在試驗(yàn)中所采用的最大沖頭高度沒有達(dá)到合理的沖頭高度上限。

圖4 0.1 mm厚的3種薄料沖裁力變化趨勢

蔣俠民等指出沖頭高度是與薄料延伸率和厚度相關(guān)的工藝參數(shù)［2］。從圖4可看出，薄料的延伸率越小，合理的沖頭高度最小值越小。這是因?yàn)樵跊_裁過程中，處于環(huán)形空穴斜面上的薄料受到拉力后產(chǎn)生了拉伸變形，延伸率越大的薄料，拉伸變形也越大，因此需較大的沖頭高度才能完成沖制。在本試驗(yàn)條件下，3J21合金的最小沖頭高度為0.3 mm，T2紫銅的最小沖頭高度為0.35 mm，304不銹鋼的最小沖頭高度為0.55 mm。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，薄料的延伸率越小，沖裁力對沖頭高度的變化越敏感，即沖頭高度較小的變化即可引起沖裁力較大的變化。

對比沖頭高度相同時(shí)3J21合金和T2紫銅的沖裁力，或沖頭高度相同時(shí)304不銹鋼和T2紫銅的沖裁力，可發(fā)現(xiàn)，抗拉強(qiáng)度越大的薄料，沖裁力越大。這是因?yàn)樵诒×蠑嗔堰^程中，拉應(yīng)力起主要作用，當(dāng)拉應(yīng)力超過薄料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，薄料發(fā)生斷裂。理論上，抗拉強(qiáng)度較大的3J21合金的沖裁力大于304不銹鋼的沖裁力，但由于在沖裁過程中，304不銹鋼所需的沖頭高度遠(yuǎn)大于3J21合金的沖頭高度，引起了聚氨酯橡膠凹模更大的變形，因此，兩種薄料的沖裁力幾乎相同。

3.3 沖裁件分析

為了分析沖裁件表面和斷面的質(zhì)量，對0.1 mm厚的T2紫銅、304不銹鋼和3J21合金沖裁件進(jìn)行觀察，直徑3 mm的3種沖裁件表面形貌見圖5。

圖5 沖裁件表面形貌

通過觀察發(fā)現(xiàn)，沖裁件的2個(gè)表面均平整，無翹曲現(xiàn)象。這是因?yàn)樵跊_裁過程中，聚氨酯橡膠凹模提供了很大的反頂力，使沖裁件緊貼沖頭表面，因此，在沖裁過程中，沖頭表面的平整度是影響沖裁質(zhì)量的關(guān)鍵因素。同時(shí)，3種沖裁件與沖頭接觸面的邊緣均平整；304不銹鋼和T2紫銅沖裁件與聚氨酯橡膠接觸面邊緣出現(xiàn)了明顯的圓角，3J21合金沖裁件與聚氨酯橡膠接觸面邊緣并未出現(xiàn)明顯的圓角，而是較粗糙的拉斷面。

為了更直觀地比較3種沖裁件的斷面情況，用環(huán)氧樹脂將3種沖裁件固化，并沿沖裁件直徑方向研磨出截面，觀察0.1 mm厚的沖裁件斷面情況。從圖6可看出，3種沖裁件的斷面均由圓角帶和拉斷面組成。T2紫銅沖裁件的圓角帶高度h1最大，約為70 μm，長度l1較短，約為80 μm，從平面到圓角帶的過度明顯，從圓角帶到拉斷面的過度不明顯。304不銹鋼沖裁件的圓角帶長度l2最大，約為150 μm，高度h2較小，約為40 μm，從平面到圓角帶的過度不明顯，從圓角帶到拉斷面的過度明顯。3J21合金沖裁件的圓角帶高度h3與長度l3均最小，分別約為5 μm和40 μm，斷面的大部分為拉斷面，拉斷面與沖頭面的夾角約為60°。

圖6 沖裁件橫截面（下表面為沖頭面）

由于薄料在沖裁過程中產(chǎn)生彎曲變形，且向環(huán)形空穴方向產(chǎn)生偏向縮頸，因此，在落料件與聚氨酯橡膠接觸面邊緣會(huì)形成圓角，其余為較粗糙的拉斷面，沒有普通剛模沖裁所形成的光亮帶 （剪切帶）。

直接對斷面進(jìn)行觀察能更清晰地了解圓角帶和拉斷面的分布情況。圖7是3種沖裁件在不同沖頭高度下的斷面。通過觀察發(fā)現(xiàn)，沖頭高度的變化對沖裁件斷面圓角帶和拉斷面的分布沒有明顯影響，T2紫銅沖裁件的拉斷面約占斷面的30%，304不銹鋼沖裁件的這一比例約為60%，而3J21合金的這一比例約為95%。

圖7 不同沖頭高度下的沖裁件斷面（下表面為沖頭面）

4 結(jié)論

（1）沖裁力隨著薄料厚度和抗拉強(qiáng)度的增加而增大；在一定范圍內(nèi)，沖裁力隨著沖頭高度的增加而減小。

（2）最小沖頭高度隨著薄料延伸率的增加而增大，0.1 mm厚的T2紫銅、304不銹鋼和3J21合金薄料所需的最小沖頭高度分別為 0.35、0.55、0.3 mm。最小沖頭高度隨著薄料厚度的增加而增大，0.1 mm厚的T2紫銅合理的沖頭高度范圍為0.35～0.5 mm，0.15 mm厚的T2紫銅合理的沖頭高度范圍為0.4～0.55 mm，0.2 mm厚的T2紫銅合理的沖頭高度范圍為0.45～0.6 mm。

（3）對于0.1 mm厚的沖裁件，拉斷面約占T2紫銅斷面的30%，約占304不銹鋼斷面的60%，約占3J21合金斷面的95%。沖頭高度對斷面形貌沒有明顯影響。

［1］ 朱慧榮，邱高松.聚氨酯沖裁工藝應(yīng)用研究［J］.航天制造技術(shù)，2013（5）：35-37.

［2］ 蔣俠民，田苗，張仲元.聚氨酯橡膠在沖壓技術(shù)中的應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1989.

［3］ 陳毓勛.聚氨脂橡膠沖裁模［J］.鍛壓技術(shù)，1980（4）：16-25.

［4］ 張賢國.聚氨酯橡膠沖裁模設(shè)計(jì) ［J］.模具制造，2011 （5）：30-32.

［5］ 洪慎章，曾振鵬.套裁墊片聚氨酯橡膠沖模設(shè)計(jì)［J］.模具制造，2002（5）：17-20.

［6］ Sato K，Miya R，Ozaki K，et al.Improvements of punched edge in aluminum sheets with urethane elastomer tools［J］.Journal of Japan Institute of Light Metals，1982，32（8）：389-394.

［7］ Takahashi F，Nishimur T，Suzuki I，et al.A method of blanking from amorphous alloy foils using rubber tool［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，1991，40（1）：315-318.

Experimental Study on Punching Thin Sheet Metal with Polyurethane Rubber Die

Zhang Tengfei1，Xing Yingjie1，Chen Zuhui2，F(xiàn)an Yun2，Jiang Fuqiang1，Xu Wenji1
（1.School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.AVIC Xi′an Flight Automatic Control Research Institute，Xi′an 710065，China）

Thin sheet metal of T2 copper，304 stainless steel and 3J21 alloy is punched with polyurethane rubber die.The relations between punch height，sheet metal thickness，physical properties of the material and the punching force are investigated.Punched surfaces of punched parts are studied by comparison.The results show that punching force increases as sheet thickness decreases and increases as tensile strength increases，punching force decreases as punch height increases in certain range，higher elongation and thicker sheet lead to higher punch.Under the experimental condition，minimum punch height is 0.35 mm，0.55 mm and 0.3 mm for each sheet metal of 0.1 mm in thickness.The ratio of fracture surface height to sheet thickness for each is 30%，50%and 95%，and the influence of punch height on the ratio is not evident.

polyurethane rubber die；punching force；punch height；physical property

TG385.2

A

1009－279X（2015）06－0050-05

2015-08-07

國家科技重大專項(xiàng)（2013ZX04001-091-1）

張騰飛，男，1990年生，碩士研究生。