T2銅板沖裁間隙對(duì)沖裁力及斷面質(zhì)量的影響

鄭海濤，樊瑜瑾，楊 振，鄭淮和，唐 軍

（1.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明650500；2.昆明昆開專用數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司，昆明650106）

T2銅板沖裁間隙對(duì)沖裁力及斷面質(zhì)量的影響

鄭海濤1，樊瑜瑾1，楊 振1，鄭淮和2，唐 軍2

（1.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明650500；2.昆明昆開專用數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司，昆明650106）

為提高沖裁件的斷面質(zhì)量和沖裁效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)沖裁間隙的合理優(yōu)化，現(xiàn)提出了一種新的板料沖裁試驗(yàn)構(gòu)想：采用廣泛應(yīng)用于變壓器等領(lǐng)域板厚為6 mm且相同規(guī)格的T2紫銅作為試驗(yàn)材料，通過更換凸模來改變沖裁間隙，完成在不同沖裁間隙條件下對(duì)板料的沖裁試驗(yàn)，采集并分析沖裁力隨沖裁行程的變化曲線；同時(shí)測(cè)量光亮帶的寬度和最大沖裁力位置，并擬合沖裁力、光亮帶寬度等與沖裁間隙之間的曲線.試驗(yàn)表明：沖裁力在塑性變形階段增大幅度先快后慢，而在此階段的初期沖裁間隙對(duì)沖裁力幾乎無影響，但隨著沖裁的深入，沖裁間隙越大，沖裁力則越小，當(dāng)進(jìn)入斷裂帶后沖裁力急速下降；對(duì)比在相同沖裁間隙條件下沖裁力隨沖裁行程的變化曲線和斷面質(zhì)量，可獲得沖裁件斷面光亮帶會(huì)隨著沖裁力達(dá)到最大值時(shí)而結(jié)束.研究表明，當(dāng)沖裁間隙為16.67%左右時(shí)，光亮帶寬度較大且沖裁力較小.

沖裁間隙；沖裁力；光亮帶寬度；沖裁試驗(yàn)；優(yōu)化

成型制造技術(shù)及裝備水平在很大程度上決定產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和開發(fā)能力，是衡量一個(gè)國家制造水平的重要標(biāo)志，決定著一個(gè)國家制造業(yè)的國際競(jìng)爭(zhēng)力，板料成型技術(shù)是廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的、重要的成型制造技術(shù)方法之一［1］.長期以來，人們對(duì)板料沖裁加工技術(shù)進(jìn)行了許多研究.秦泗吉等［2］研究了一定沖裁間隙范圍內(nèi)板厚對(duì)沖裁力的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料性能等其他條件一定時(shí)，沖裁力隨著板厚的增大而增大，但單位板厚上的沖裁力則隨著板厚的增加而減小，并且提出了能夠反映板厚影響沖裁力的計(jì)算公式.為提高普通沖裁件斷面中剪切面的高度，盧險(xiǎn)峰等［3］提出了一種雙重正間隙沖裁構(gòu)想，并通過試驗(yàn)表明了沖裁件斷面的剪切面高度相較普通沖裁有了較大的提高.Husson等［4］通過有限元模擬分析了消隱參數(shù)對(duì)剪切邊質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，高摩擦僅影響光澤和斷裂深度，而對(duì)剪切邊緣質(zhì)量的影響可以忽略不計(jì)，只有沖裁間隙和刀具磨損才是最顯著的消隱工藝參數(shù).Soares等［5］研究了沖裁間隙對(duì)8 mm厚、且富有韌性的LNE38鋼邊緣質(zhì)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該類材料的理想沖裁間隙范圍為2%～10%，當(dāng)沖裁間隙介于2%～5%時(shí)會(huì)表現(xiàn)出較小的斷裂角度.先前的研究顯示了沖裁間隙對(duì)不同板料和厚度的影響，而 Subramonian等［6］提出了選擇最合適的沖裁間隙時(shí)應(yīng)充分考慮沖裁件的幾何形狀，以盡量減少磨具的磨損，并通過有限元分析研究了沖裁間隙對(duì)不同形狀幾何體所受沖裁力的影響，研究表明，對(duì)于非圓形的幾何形狀，在凸凹模小半徑和幾何形狀突然變化的地方，變化沖裁間隙能夠產(chǎn)生更加均勻的應(yīng)力和磨損.Abbasi等［7］在不同時(shí)間和溫度的熱處理?xiàng)l件下，研究了部分再結(jié)晶對(duì)嚴(yán)重變形銅的機(jī)械性能產(chǎn)生的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)部分再結(jié)晶試件的應(yīng)變約為6.9，且在210℃左右時(shí)軟化率為21%以及當(dāng)溫度上升到230℃附近時(shí)，軟化率介于25%～31%，會(huì)導(dǎo)致試件集高強(qiáng)度和高延展性于一體.近年來，微沖壓技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，徐杰等［8］在黃銅箔微消隱試驗(yàn)中，研究了沖裁間隙和晶粒尺寸效應(yīng)對(duì)微變形和斷裂的影響，研究表明，最終剪切強(qiáng)度會(huì)隨著黃銅箔厚度的減小而增大，并且微沖斷裂機(jī)制會(huì)隨著帶有韌性凹痕的斷裂模式而顯著變化，沖裁間隙與晶粒尺寸的比值是一個(gè)影響微消隱微變形的主要因素，當(dāng)消隱間隙與粒徑比等于1時(shí)，最終剪切強(qiáng)度才到達(dá)極值.目前可以看出，在現(xiàn)有的研究中，板料沖壓成型技術(shù)的研究主要集中在沖裁間隙、板厚等對(duì)沖裁力及斷面質(zhì)量的影響、磨具表面磨損和壽命控制方法、基于CAE的沖壓新工藝數(shù)值模擬技術(shù)、微沖壓技術(shù)、沖壓工藝設(shè)計(jì)中沖裁間隙值的優(yōu)化理論和方法等方面［9－15］，這些研究方法所取得的成果，在很大程度上有力地促進(jìn)了成型技術(shù)的發(fā)展.沖裁間隙是影響斷面質(zhì)量和沖裁力大小的主要因素，提高斷面質(zhì)量的關(guān)鍵在于推遲裂紋的產(chǎn)生，以增大光亮帶的寬度并盡可能地減小沖裁力，延長模具的壽命.

目前，隨著高低壓開關(guān)柜、變壓器制造行業(yè)的深入發(fā)展［16］，以銅、鋁母線為代表的傳統(tǒng)材料的廣泛應(yīng)用，新的科學(xué)問題不斷出現(xiàn).本文通過對(duì)T2紫銅采用沖裁試驗(yàn)手段，并同步采集每個(gè)斷面特點(diǎn)，研究沖裁間隙、沖裁力、光亮帶寬度三者之間的關(guān)系，進(jìn)一步對(duì)沖裁間隙如何影響斷面質(zhì)量的過程進(jìn)行研究探索.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

沖裁可以概括為板料在凸、凹模的作用下產(chǎn)生雙向裂紋擴(kuò)展相迎分離的過程，通常在分析沖裁變形機(jī)理時(shí)，簡(jiǎn)單地把該過程分為3個(gè)階段，即彈性變形階段、塑性變形階段、斷裂分離階段.在沖裁試驗(yàn)過程中，通過模擬量數(shù)據(jù)采集卡采集壓力變送器和位移傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，研究沖裁間隙（以下試驗(yàn)中的沖裁間隙均指相對(duì)間隙（z/t），如圖1所示）對(duì)沖裁力及斷面質(zhì)量的影響.

圖1 沖裁間隙Fig.1 Punching clearance

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所采用的材料為 T2紫銅，板料厚度6 mm，板料的力學(xué)性能如表1所示.

表1 板料的力學(xué)性能［2］Table 1 Mechanical properties of sheet

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

1.3.1 試驗(yàn)數(shù)控母線加工機(jī)床

試驗(yàn)使用的是三合一母線加工機(jī)床VHB－150，此母線加工機(jī)床包括3個(gè)工位：液壓沖孔、銅排折彎、母排剪板.本試驗(yàn)采用的是液壓沖孔機(jī)工位，其主要參數(shù)如下：輸入電壓，220 V；額定工作油壓，70 MPa.標(biāo)準(zhǔn)配套沖孔模具的參數(shù)為：凸模，Φ11 mm、Φ10.75 mm、Φ10.5 mm、Φ10.25 mm、Φ10 mm；凹模，Φ11.5 mm.主要功能：進(jìn)行手動(dòng)沖裁，能夠進(jìn)行沖孔加工，可反頂進(jìn)行沖裁件的退料.

1.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集工具

使用壓力變送器測(cè)量沖裁力，輸入電壓18～24 V、輸出電壓0～5 V、測(cè)量壓力0～100 MPa，可將電壓轉(zhuǎn)化為壓力，沖裁力F計(jì)算公式為

式中：F為沖裁力；P為液壓缸內(nèi)部液壓的油壓力；R為液壓缸內(nèi)部活塞的半徑，R＝20 mm.

采用電子尺KTC－100MM電阻尺位移傳感器測(cè)量沖裁行程，輸入電壓5 V，輸出電壓0～5 V，測(cè)量行程0～100 mm.同理，將位移傳感器測(cè)量的電壓與測(cè)量行程相對(duì)應(yīng)，轉(zhuǎn)化為實(shí)際的位移.使用USB數(shù)據(jù)采集卡采集傳感器中的數(shù)據(jù)，模擬量輸入量程為0～12 V.

1.4 試驗(yàn)步驟

選擇若干規(guī)格相同的T2紫銅作為材料，厚度均為6 mm，采用Φ11.5 mm的凹模，分別更換不同直徑的凸模來改變間隙的大小，根據(jù)1.1小節(jié)對(duì)沖裁間隙的定義，則對(duì)應(yīng)的沖裁間隙分別為8.33%、12.50%、16.67%、20.83%、25.00%，與其相對(duì)應(yīng)的分組編號(hào)分別為1～5.在試驗(yàn)過程中，對(duì)不同沖裁間隙下的沖裁行程－沖裁力曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并保存，并以2、5組為例，對(duì)比其沖裁曲線和斷面質(zhì)量，分析沖裁過程，并將2組試驗(yàn)過程中沖裁力的變化進(jìn)行比較.試驗(yàn)完成后，將每組測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù)列入表中，并對(duì)最大沖裁力、斷面光亮帶寬度與沖裁間隙之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，并分析三者在普通的沖裁過程中存在的關(guān)系.為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)應(yīng)多次沖裁，并對(duì)所要測(cè)量的數(shù)據(jù)多次測(cè)量求平均值.

2 沖裁過程及分析

2.1 沖裁過程中沖裁力和光亮帶的變化

完成5組不同間隙的沖裁試驗(yàn)后，可得到不同沖裁間隙下的沖裁行程－沖裁力關(guān)系曲線.現(xiàn)分別以12.50%、25.00%的沖裁間隙為例，圖2、圖3為得到的沖裁力隨沖裁行程的變化曲線以及與其相對(duì)應(yīng)的沖裁件斷面質(zhì)量，可以看出，兩次沖裁過程中凸模均在A處接觸到銅排，由于沖裁過程中彈性變形很小，幾乎可以忽略，因此，可以認(rèn)為從凸模接觸到銅排開始就發(fā)生了塑性變形.

對(duì)比圖2、圖3不難發(fā)現(xiàn)，凸模均在A點(diǎn)接觸銅排后便進(jìn)入塑性變形階段，隨著塑性變形程度的增大，變形區(qū)材料硬化加劇，沖裁變形抗力不斷增大，所以沖裁力不斷增大，但增大幅度并不完全相同，前一部分的沖裁力急劇上升，之后增大趨勢(shì)變緩，在 B、C兩點(diǎn)處沖裁力達(dá)到最大，分別為14 408.83和13 007.14 N，從而結(jié)束塑性變形進(jìn)入斷裂階段.在斷裂階段，所受到的沖裁力均明顯下降，直至完成整個(gè)沖裁過程，沖裁力又維持在一個(gè)穩(wěn)定值附近.2種沖裁間隙下的斷面質(zhì)量則與其相對(duì)應(yīng)，斷面左側(cè)光亮的部分為光亮帶，右側(cè)粗糙的部分則為斷裂帶.測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，這2組數(shù)據(jù)中沖裁間隙較小的光亮帶寬度比較大，并且2幅圖中光亮帶的寬度都約等于凸模從剛開始接觸銅排到?jīng)_裁力最大時(shí)所走過的位移.

圖2 沖裁間隙12.50%時(shí)沖裁行程－沖裁力曲線及斷面質(zhì)量Fig.2 Punching stroke?punching force curve and section quality when punching clearance is 12.50%

圖3 沖裁間隙25.00%時(shí)沖裁行程－沖裁力曲線及斷面質(zhì)量Fig.3 Punching stroke?punching force curve and section quality when punching clearance is 25.00%

把以上2組沖裁試驗(yàn)所得的沖裁行程－沖裁力曲線放在同一個(gè)坐標(biāo)系下，如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)，在沖裁初期，沖裁間隙對(duì)沖裁力變化的影響較小，隨著沖裁行程增加到一定程度，沖裁間隙越小，剪切作用越強(qiáng)，沖裁力越大.因此，沖裁間隙為12.50%時(shí)，板料所受沖裁力要比沖裁間隙25.00%時(shí)的大，并且在進(jìn)入斷裂帶的時(shí)間上有一定的滯后性.

圖4 沖裁間隙為12.50%和25.00%的沖裁行程－沖裁力曲線Fig.4 Punching stroke?punching force curve and section quali?ty when punching clearance is 12.50%and 25.00%

對(duì)比以上2組沖裁件的斷面質(zhì)量發(fā)現(xiàn)：12.50%的沖裁間隙過小，導(dǎo)致變形區(qū)內(nèi)彎矩小、沖壓材料內(nèi)部的壓應(yīng)力成分較高，同時(shí)也造成凹模刃口附近產(chǎn)生的裂紋進(jìn)入凹模下面的壓應(yīng)力區(qū)，以及凸模刃口附近產(chǎn)生的裂紋進(jìn)入凹模上表面的壓應(yīng)力區(qū)而停止發(fā)展，因此，上、下裂紋不重合，但其光亮帶的整體寬度較大，同時(shí)位于2條裂紋之間的材料將受到第二次剪切，在凹模壁的擠壓作用下，會(huì)產(chǎn)生第二光亮帶，即在原有的斷裂帶部分會(huì)出現(xiàn)分布不均勻的光亮塊，如圖5（a）所示；而25.00%的沖裁間隙過大，盡管沖裁力較小，但材料內(nèi)的拉應(yīng)力卻比較大，使得材料的拉伸斷裂發(fā)生得越早，于是斷裂帶變寬，斷面幾何變形大，光亮帶變窄，材料在凸、凹模刃口附近產(chǎn)生的裂紋也不重合，分離后產(chǎn)生的斷裂層斜度增大，出現(xiàn)斜角α，并且毛刺又高又厚，沖裁件的斷面質(zhì)量不理想，如圖5（b）所示.

圖5 沖裁間隙對(duì)沖裁斷面質(zhì)量的影響Fig.5 Effect of punching clearance on blanking section

2.2 沖裁間隙對(duì)沖裁的影響

沖裁試驗(yàn)完成后，根據(jù)5組不同沖裁間隙下的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果便可獲得最大沖裁力、最大沖裁力位置以及光亮帶的寬度等相關(guān)數(shù)據(jù)，并將測(cè)量結(jié)果列入表2中.從表2可直觀地看出不同沖裁間隙下所得到的最大沖裁力、最大沖裁力對(duì)應(yīng)位置以及光亮帶的大小.由表2中數(shù)據(jù)可知，隨著沖裁間隙的逐漸增大，最大沖裁力和最大沖裁力對(duì)應(yīng)位置均會(huì)隨之增大，但是光亮帶的寬度卻逐漸減小.同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)中不同沖裁間隙下獲得的沖裁件光亮帶寬度、最大沖裁力對(duì)應(yīng)位置等數(shù)據(jù)，生成沖裁行程－沖裁力曲線，并對(duì)比沖裁件斷面光亮帶寬度的測(cè)量值，可以發(fā)現(xiàn)，每一組沖裁件光亮帶結(jié)束的位置都近似于沖裁力達(dá)到最大值的地方，并從此處開始，板料在凸模的作用下進(jìn)入斷裂階段.

表2 不同沖裁間隙條件下所得的相關(guān)數(shù)據(jù)［2］Table2 The relevant data obtained from different punching clearance conditions

另外，根據(jù)最大沖裁力、光亮帶的寬度與沖裁間隙之間的關(guān)系，在excel軟件中進(jìn)行曲線擬合，可獲得兩條擬合曲線，見圖6和圖7.圖6為沖裁間隙與最大沖裁力之間的關(guān)系曲線，圖7為沖裁間隙與光亮帶寬度之間的關(guān)系曲線.由圖6和圖7可以看出：最大沖裁力在沖裁間隙8.33%～12.50%和20.83%～25.00%兩個(gè)區(qū)間內(nèi)變化趨勢(shì)并不明顯；而當(dāng)沖裁間隙為12.50%～20.83%時(shí)，最大沖裁力會(huì)隨著沖裁間隙的增大而快速下降；光亮帶寬度則隨著沖裁間隙的增大而近似線性地減小.

圖6 沖裁間隙－最大沖裁力曲線Fig.6 Punching clearance?maximum punching force curve

綜合以上2條擬合曲線，即可比較最大沖裁力與光亮帶寬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系.總體而言，最大沖裁力隨著光亮帶的減小而減小，雖然光亮帶寬度的下降比較均勻，但與其相對(duì)應(yīng)的最大沖裁力的變化趨勢(shì)明顯不同，只有在沖裁間隙為12.50%～20.83%時(shí)，最大沖裁力隨著光亮帶寬度的下降而快速下降.當(dāng)沖裁間隙在16.77%附近時(shí)，沖裁力曲線、斷面質(zhì)量及毛刺如圖8所示.

圖7 沖裁間隙－光亮帶寬度曲線Fig.7 Punching clearance?width of bright band curve

圖8 沖裁間隙為16.77%的沖裁行程－沖裁力曲線、斷面質(zhì)量及毛刺Fig.8 Punching stroke?punching force curve，section quality and burr when punching clearance is 16.77%

沖裁間隙為16.67%時(shí)，在沖裁力的變化曲線中，在D點(diǎn)處所受的沖裁力最大.由表2可以看出，沖裁間隙16.67%時(shí)最大沖裁力及光亮帶寬度大小在5組試驗(yàn)中較為適中，并且光亮帶比較均勻，毛刺也比較少.光亮帶寬度是影響沖裁件斷面質(zhì)量的主要因素，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡可能地增大其寬度，而光亮帶寬度的增加必然造成沖裁力的增大，沖裁力的增大又會(huì)加速模具的磨損、影響沖裁的精度等；反之，如果沖裁力過小，則會(huì)導(dǎo)致光亮帶的寬度減小，甚至造成斷面質(zhì)量不合格，出現(xiàn)大量的廢品.

3 結(jié) 論

1）在試驗(yàn)沖裁間隙范圍內(nèi)，尤其在塑性變形的初期階段，沖裁力的變化幾乎不受沖裁間隙的影響，但隨著沖裁行程的不斷深入，沖裁間隙對(duì)沖裁力的影響愈加明顯，在此階段，沖裁力會(huì)隨著沖裁間隙的增大而減小.

2）最大沖裁力在光亮帶寬度的不同階段變化趨勢(shì)不盡相同，研究表明，當(dāng)光亮帶寬度在沖裁間隙12.50%～20.83%所對(duì)應(yīng)的光亮帶區(qū)間變化時(shí)，最大沖裁力的變化才會(huì)很明顯，即隨著光亮帶寬度的減小而快速減小，但在沖裁間隙小于12.50%或是大于20.83%時(shí)最大沖裁力的變化率很小.另外，光亮帶寬度隨著沖裁間隙的增大而近似線性地減小，當(dāng)沖裁力達(dá)到最大值時(shí)，光亮帶也就隨即結(jié)束.

3）對(duì)于廣泛應(yīng)用于變壓器及開關(guān)箱等厚度為6 mm左右的T2銅排進(jìn)行沖孔時(shí)，存在合理間隙值，當(dāng)沖裁間隙在16.67%左右時(shí)，在其刃口附近最大切應(yīng)力方向產(chǎn)生的裂紋能夠會(huì)合，材料所受到?jīng)_裁力較小，此時(shí)的斷面與材料表面雖然不垂直，但總的來說還是比較平直、光滑，并且毛刺較少，斷面質(zhì)量也比較理想.

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（編輯 程利冬）

The effect of punching clearance on punching force and quality of cross section for T2 Copper

ZHENG Haitao1，F(xiàn)AN Yujin1，YANG Zhen1，ZHENG Huaihe2，TANG Jun2
（1.Institute of Electrical and Mechanical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；2.Kunming Switch CNC Equipment Co.，LTD，Kunming 650106，China）

In order to improve the efficiency and cross?sectional quality of punching parts，and achieve a reasonable optimization of punching clearance，now a new sheet metal punching test idea was proposed：the T2 copper with about 6 mm thickness and the same specifications could be used as the test material，which is widely used in transformers and other，by replacing the top die to change the punching clearance，and the punching test for sheet metal under different conditions of punching clearance could be carried out，so punching pressure with the change of the cutting stroke could be collected and analyzed；Measure burnish sectional width and position of maximum punching force simultaneously，and fit curve of both punching force and bright sectional width with the punching clearance.The experimental results show that in stage of plastic deformation the punching force increases rapidly at first then slow down，but in early period of the stage the punching clearance has no effect on the punching force，then with the depth of punching，the greater punching clearance，the smaller punching force，when entering the fault zone the punching force decline dramatically；Compare with section quality and the punching force along with the change of punching trip under the same conditions，that bright cross section will end when the punching force reaches a maximum can be obtained.Research shows that when punching clearance is about 16.77%，the bright sectional width is larger and the punching force is smaller.

punching clearance；punching force；bright sectional width；punching trials；optimization

TB31

A

1005－0299（2016）06－0061－06

2016－04－30.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51168020）.

鄭海濤（1988—），男，碩士研究生.

鄭海濤，E－mail：1102131656＠qq.com.

10.11951/j.issn.1005－0299.20160611