王凌浩,黎志勇,單隴紅
(廣東理工學院,廣東 肇慶526100)
沖裁作為金屬板料加工的重要工序之一,成形過程涉及彈性變形、塑性變形和剪切斷裂,不同的沖裁工藝參數(shù)產(chǎn)生不同沖裁質(zhì)量[1]。沖裁間隙作為最重要的參數(shù)之一,合理的取值,將直接有效地提高沖裁質(zhì)量、延長模具壽命。傳統(tǒng)的間隙設計方法有:經(jīng)驗確定法、理論確定法和試沖確定法。但隨著有限元理論與數(shù)值模擬技術的發(fā)展,傳統(tǒng)的方法逐步被仿真模擬技術替代。目前,有大量的沖裁間隙研究,但沒有一種研究具有普遍性。本文以高強度鋼19MnB4為材料,通過模擬,確定合理的沖裁間隙,為實際生產(chǎn)提供指導。
沖裁可以概括為板料在凸、凹模的作用下產(chǎn)生雙向裂紋擴展相迎分離的過程,在分析沖裁變形機理時,可以簡要的概括為3個階段:變形階段、塑性變形階段、斷裂分離階段[2]。研究沖裁間隙對沖裁力及斷面質(zhì)量影響的過程中,試驗中的沖裁間隙均指相對間隙z/t,如圖1所示。
圖1 沖裁間隙
對于沖裁工藝的有限元數(shù)值模擬,模擬結(jié)果的質(zhì)量與斷裂準則的選擇有直接關系。目前,精密沖裁模擬的斷裂準則大多采用Cockcroft&Latham斷裂準則和Oyane斷裂準則兩種。
Cockcroft&Latham表明材料的破壞跟材料所受的最大主應力密切相關;Oyane則考慮靜水應力對韌性破壞的影響,可以定量表示瞬時的損傷狀態(tài),對整個過程中應力-應變對材料的劣化效應有直觀的體現(xiàn)[3]。
研究表明[4],當材料抗破壞能力較強時,兩種準則的模擬結(jié)果與實際相符;材料抗破壞能力較弱時,尤其精密沖裁,Oyane模擬的結(jié)果更加準確真實、切合實際。本文模擬材料為19MnB4,具有高硬度、高強度、低塑性、低韌性的特點,斷裂準則選Oyane.
依據(jù)根據(jù)前輩學者[2,5-7]研究成果、實際板料沖裁經(jīng)驗和材料有關數(shù)據(jù)[8],設置Deform模擬相關參數(shù),如表1所示;并對沖裁塑性變形區(qū)進行局部網(wǎng)格細化,如圖2所示。
表1 模擬參數(shù)
圖2 模型與網(wǎng)格劃分
沖裁間隙對產(chǎn)品斷面質(zhì)量以及模具壽命有很大影響。間隙過大,沖裁力較小,但斷面光亮帶較小,光潔度差,出現(xiàn)較大毛刺,情況嚴重將導致工件報廢;間隙過小,斷面光亮帶較大,光潔度好,毛刺較小,但沖裁力較大,降低模具壽命。實際上,間隙過大或過小,沖裁功都會增大,所以以沖裁功的變化來確定合理沖裁間隙比較理想。沖裁功[9]的表達式為:
式中:F(l)為凸模瞬時沖裁力;dl為凸模行程增量;L為凸??傂谐?。
根據(jù)表1中設置的6組不同間隙進行模擬,模擬結(jié)果如圖3(a)所示;再根據(jù)模擬結(jié)果與公式(1)進行計算,擬合得到?jīng)_裁功隨間隙變化的趨勢,如圖3(b)所示。
圖3 沖裁力與沖裁功變化曲線圖
圖3 (a)可以看出,沖裁間隙對最大沖裁力的影響并不顯著;圖3(b)表明,當間隙為0.046 mm,沖裁功最小,可以認為在當前沖裁條件下合理的沖裁間隙為0.046 mm.
國標 GB/T 16743—2010[10]中,將沖裁件的斷面分為塌角、光亮帶、斷裂帶和毛刺4個部分,如圖4所示。圖中A為塌角(圓角帶),B為光亮帶,C為斷裂帶,D為毛刺,t為板料厚度。
圖4 沖裁斷面圖
根據(jù)有限元模擬的結(jié)果,統(tǒng)計出斷面中塌角、光亮帶和毛刺的數(shù)據(jù),繪制隨沖裁間隙變化趨勢圖,如圖5所示??梢园l(fā)現(xiàn),隨著間隙的增大,塌角的斷面占比逐漸的增大,光亮帶斷面占比不斷減小,毛刺高度增大,這些變化趨勢均符合實際情況。
圖5 沖裁斷面隨間隙變化圖
利用有限元軟件對高強度鋼19MnB4板料不同沖裁間隙進行模擬,結(jié)果顯示不同間隙對沖裁力的影響并不顯著,但對斷面質(zhì)量影響顯著,沖裁間隙越小,斷面質(zhì)量越好,但并不是越小越合理;分析了沖裁功隨沖裁間隙的變化趨勢,分析得出:厚度為1.5 mm的19MnB4板料合理的沖裁間隙為0.046mm,為板料沖裁模的設計提供了指導。