基于有限元分析的電工純鐵DT4E材料沖裁加工工藝研究

何臨江

基于有限元分析的電工純鐵DT4E材料沖裁加工工藝研究

何臨江1,2

（1.廈門金越電器有限公司 技術(shù)中心，福建 廈門 361021； 2.華僑大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，福建 廈門 361021）

電工純鐵DT4E材料屬于超低碳鋼材料，具有優(yōu)良的塑性、韌性及電磁性能，為保證其在沖裁過(guò)程中形成優(yōu)良的沖裁斷面質(zhì)量，采用有限元分析方法開展了電工純鐵DT4E材料沖裁過(guò)程的研究。通過(guò)分析DT4E材料在沖裁過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變及溫度場(chǎng)的分布及演變過(guò)程，闡明了DT4E材料的沖裁斷面的形成機(jī)理?；诮⒌臎_裁仿真模型，采用田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)法開展了沖裁速度、沖裁間隙、凸凹模磨損及潤(rùn)滑效果對(duì)沖裁斷面影響的研究，并揭示了其對(duì)沖裁斷面特征的影響大小及規(guī)律。結(jié)果表明這些研究參數(shù)對(duì)不同的沖裁斷面特征，比如光亮帶、塌角、毛刺等，有不同的影響規(guī)律，這為電工純鐵DT4E材料的沖裁加工提供了實(shí)際的指導(dǎo)意義。

有限元分析；電工純鐵；沖裁加工；沖裁斷面

DT4E電工純鐵具有優(yōu)良的塑性、韌性和電磁性能，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、開關(guān)繼電器、加速器、電力電氣等領(lǐng)域[1]。目前采用多工位級(jí)進(jìn)模進(jìn)行沖壓加工，成為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效率、低成本生產(chǎn)的主要加工工藝之一，同時(shí)沖壓加工還能夠保證零件的尺寸精度和表面質(zhì)量。謝暉等[2]通過(guò)采用試驗(yàn)和有限元相結(jié)合的手段研究了沖孔孔徑、沖裁間隙、沖裁速度和摩擦對(duì)高強(qiáng)鋼板的沖裁斷面質(zhì)量的研究，結(jié)果表明沖裁間隙和沖裁速度是影響沖裁斷面質(zhì)量的主要因素。BABU等[3]采用有限元仿真方法模擬了316不銹鋼的沖裁加工，研究了不同沖裁工藝參數(shù)對(duì)塌角和毛刺的影響。白云峰等[4]采用Deform軟件開展了凹模刃口倒角對(duì)沖裁塌角的研究，結(jié)果顯示隨著刃口倒角高度的減小，塌角高度隨之減小，但倒角高度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致斷裂帶增大。FALCONNET等[5]采用有限元和試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了銅合金材料的沖裁加工和模具磨損。趙中華等[6]通過(guò)采用試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法研究了沖裁速度對(duì)斷面質(zhì)量的影響研究，結(jié)果指出沖壓速度在合理范圍內(nèi)能夠保證較好的光亮帶寬度。Komori等[7]重點(diǎn)研究了沖裁仿真模型中裂紋萌生及擴(kuò)展的模擬。黃珍媛等[8]針對(duì)磷青銅材料開展了沖裁間隙、模具表面粗糙度等對(duì)斷面質(zhì)量的影響研究，結(jié)果表明模具表面精度越高，斷面質(zhì)量越好。

盡管諸多學(xué)者采用有限元仿真或試驗(yàn)的方法針對(duì)沖裁加工開展了較深入的研究[9-13]，但針對(duì)電工純鐵DT4E材料這類高塑性、高韌性和低硬度材料的沖裁加工研究卻鮮有報(bào)道。DT4E材料在沖壓加工過(guò)程中加工硬化嚴(yán)重、易產(chǎn)生粘結(jié)黏附、沖裁斷面質(zhì)量難以保障，比如光亮帶小，塌角和毛刺大等難題。

因此，本文針對(duì)DT4E材料采用有限元分析的方法，著重分析DT4E材料的沖裁斷面的形成過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上采用田口試驗(yàn)方法研究沖裁工藝參數(shù)對(duì)斷面質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 沖裁仿真模型的建立

1.1 幾何模型

在高速?zèng)_裁過(guò)程中，DT4E材料在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生彈性變形、塑性變形、損傷及斷裂，并在此過(guò)程中發(fā)生熱力耦合效應(yīng)，整個(gè)沖裁過(guò)程可近似為絕熱條件，因此本文基于建立了對(duì)稱的二維絕熱沖裁仿真模型，如圖1所示。其中，工件材料厚度為1.5 mm，沖孔直徑為3 mm，將凹模底面固定（限定6個(gè)方向自由度）并設(shè)定分析步型為熱力耦合的顯式動(dòng)力學(xué)分析，設(shè)定沖頭運(yùn)動(dòng)速度為＝100 mm/s，沖裁間隙為0.075 mm，沖裁時(shí)間為0.02 s。將沖裁變形區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化，非沖裁區(qū)單元網(wǎng)格疏化。工件和模具的初始溫度為20℃。模具設(shè)定為剛體，凸凹模刃口圓角半徑設(shè)定為1＝2＝0.005 mm。工件材料及模具材料屬性如表1所示。

圖1 沖裁仿真模型

表1 沖裁仿真模型主要參數(shù)

1.2 材料模型

金屬材料在沖裁過(guò)程中發(fā)生彈塑性變形、損傷及斷裂，而材料的本構(gòu)模型是描述材料在此過(guò)程中變形行為的規(guī)律，是沖裁仿真模型的關(guān)鍵。另外，金屬材料在變形過(guò)程中，短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，并使得局部位置溫度急劇升高，應(yīng)力減小。同時(shí)，在不同沖裁階段不同位置處金屬材料的應(yīng)變速率也有較大差異，從而反映到不同的應(yīng)力水平。因此本文針對(duì)DT4E材料的本構(gòu)模型選用為J-C模型。此模型的結(jié)構(gòu)式較為簡(jiǎn)單，采用較少的模型參數(shù)便能描述出材料在變形過(guò)程中應(yīng)變強(qiáng)化、應(yīng)變率強(qiáng)化和熱軟化效應(yīng)之間的耦合作用對(duì)應(yīng)力水平變化的影響。DT4E材料的模型參數(shù)如表2所示。另外，本文采用損傷累積的剪切模型來(lái)反應(yīng)材料的斷裂及分離過(guò)程。

表2 DT4E材料本構(gòu)模型參數(shù)

1.3 摩擦模型

在高速?zèng)_裁過(guò)程中，模具和工件材料間的接觸與摩擦情況嚴(yán)重影響材料的變形及溫度的分布。本文選用粘結(jié)－滑擦模型，如式（1）所示。該接觸摩擦模型將整個(gè)沖裁過(guò)程中模具與工件材料分為粘結(jié)區(qū)和滑擦區(qū)，在粘結(jié)區(qū)服從剪切屈服理論，而在滑擦區(qū)則服從庫(kù)倫定律。

式中：τ為材料剪切強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖裁斷面分析

圖2（a）為最終的沖裁斷面仿真結(jié)果，可以看出，沖裁斷面有明顯的區(qū)域特征，分為塌角帶、光亮帶、斷裂帶和毛刺帶。為驗(yàn)證沖裁仿真模型的準(zhǔn)確性，按照沖裁仿真模型的設(shè)置參數(shù)開展沖裁加工試驗(yàn)，結(jié)果如圖2（b）所示。沖裁斷面不同特征的仿真和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示，結(jié)果表明，考慮沖裁試驗(yàn)過(guò)程中工藝波動(dòng)以及模型的簡(jiǎn)化，沖裁仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較高的吻合度，仿真模型能夠較好地模擬DT4E材料的沖裁加工過(guò)程。

圖2 DT4E沖裁斷面

表3 沖裁仿真和試驗(yàn)的沖裁斷面特征數(shù)據(jù)

2.2 沖裁過(guò)程物理場(chǎng)參量演變過(guò)程

為了能夠更好地分析和深入理解沖裁過(guò)程中各種工藝參數(shù)變化對(duì)斷面質(zhì)量的影響，需要對(duì)其沖裁過(guò)程進(jìn)行分析。圖3～圖5為板料在正常間隙時(shí)沖裁過(guò)程中不同沖裁關(guān)鍵位置（行程深度）的沖裁加工過(guò)程，大致可以分為彈性變形、塑性變形和微裂紋產(chǎn)生及斷裂分離四個(gè)階段。

圖4 沖裁過(guò)程中等效應(yīng)變場(chǎng)云圖

圖5 沖裁過(guò)程中溫度場(chǎng)云圖

在沖裁剛開始時(shí)，凸模向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)接觸到工件材料后的瞬間，凸模端面下的工件材料會(huì)產(chǎn)生彎曲、拉伸和壓縮等彈性變形，而凹模端面上的材料則向上翹曲變形，如圖3（a）和圖4（a）所示。在此階段材料變形區(qū)的應(yīng)力并沒(méi)有達(dá)到彈性極限，變形區(qū)內(nèi)的材料僅僅產(chǎn)生彈性變形。

隨著凸模的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，變形區(qū)內(nèi)的材料應(yīng)力急劇增大至屈服極限后，工件材料便進(jìn)入對(duì)沖裁斷面影響較大的塑性變形階段。在此階段，工件材料受凸凹模的作用發(fā)生如拉伸、彎曲和擠壓等變形而進(jìn)行較大的塑性流動(dòng)，變形區(qū)內(nèi)的溫度也在快速上升，如圖5（b）所示。在拉伸和彎曲變形作用下，在凸模刃口附近的工件材料逐漸產(chǎn)生塌角，并在剪切帶上形成光亮帶，但尚沒(méi)有微裂紋的萌生。

隨著凸模的進(jìn)一步壓入，剪切變形局部區(qū)域內(nèi)溫度升高較快，材料的應(yīng)變軟化現(xiàn)象更加明顯，如圖5（c）所示，最終在凹模刃口區(qū)域側(cè)面開始萌生微裂紋，如圖4（c）所示，然后微裂紋逐漸向上擴(kuò)展，同時(shí)凸模刃口側(cè)面位置也開始萌生微裂紋并向凹模方向擴(kuò)展，如圖5（d）所示。

隨著凸模的繼續(xù)壓入，上下兩條微裂紋分別沿著剪切帶方向逐漸向中間擴(kuò)展并匯合，最終形成一條完整的斷裂帶，如圖5（e）所示。隨后被剪斷的材料被凸模逐漸推出凹模型腔，完成一次完整的沖裁過(guò)程。

2.3 沖裁力變化過(guò)程

沖裁過(guò)程的幾個(gè)階段也同樣可以在沖裁力曲線中得過(guò)驗(yàn)證，如圖6所示。當(dāng)沖裁開始后，板料和模具接觸，首先板料產(chǎn)生彈性變形，沖裁力曲線如0－a段所示，在很短時(shí)間內(nèi)沖裁力快速上升。隨后工件材料進(jìn)入塑性變形階段，如圖中曲線a－b段所示，沖裁力較前一階段的上升趨勢(shì)變緩，隨著凸模的繼續(xù)下行和材料的塑性變形，剪切變形局部區(qū)域內(nèi)溫度升高較快，如圖5（c）所示，材料的軟化效應(yīng)明顯，沖裁力開始緩慢下降，如曲線b－c所示。當(dāng)材料所受的應(yīng)力大于材料的強(qiáng)度極限時(shí)（c點(diǎn)），發(fā)生塑性剪切失穩(wěn)現(xiàn)象，微裂紋開始萌生，隨著微裂紋的擴(kuò)展直至整條剪切帶斷裂分離后，沖裁力呈快速下降趨勢(shì)，如曲線c－d－e段所示。隨后凸?？朔Σ磷枇_裁件（或廢料）從凹模中推出，如曲線e－f段所示。

a、b、c、d、e、f.不同沖裁關(guān)鍵位置（行程深度）

2.4 沖裁工藝參數(shù)對(duì)沖裁斷面的影響

影響沖裁斷面質(zhì)量的因素有沖裁速度、沖裁間隙、凸凹模磨損狀態(tài)、潤(rùn)滑效果、模具材料、表面涂層等。為節(jié)約生產(chǎn)試驗(yàn)成本以及避免生產(chǎn)過(guò)程的工藝性波動(dòng)影響，本文基于前文建立的可靠的沖裁仿真模型，重點(diǎn)考慮沖裁速度、沖裁間隙、凸凹模具磨損以及潤(rùn)滑效果對(duì)沖裁斷面的影響規(guī)律。根據(jù)Ferhat等[14]研究結(jié)果，凸凹模磨損主要現(xiàn)在模具沖裁刃口圓角的增大，因此通過(guò)調(diào)整凸凹模刃口圓角半徑模擬凸凹模具磨損對(duì)沖裁結(jié)果的影響。另外在仿真模型中通過(guò)調(diào)整摩擦系數(shù)來(lái)表示不同潤(rùn)滑效果對(duì)沖裁結(jié)果的影響。

按照田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[15]開展了相應(yīng)的沖裁仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)安排及仿真結(jié)果如表4所示，在仿真結(jié)果數(shù)據(jù)按照影響效應(yīng)差值進(jìn)行分析得到結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，沖裁速度、沖裁間隙、凸凹模磨損及摩擦系數(shù)對(duì)光亮帶和斷裂帶的形成均有較大的影響，并且沖裁間隙為最主要的影響因子。較小的沖裁間隙意味著在沖裁過(guò)程中凸模與板料以及凹模與板料之間的靜水壓應(yīng)力較大，延緩了材料微裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展，從而有助于光亮帶寬度的增加。另外值得注意的是，隨著沖頭刃口圓角的增大，光亮帶隨之減小，而斷裂帶增大。這是因?yàn)?，沖頭刃口附近的金屬材料在變形過(guò)程中與沖頭刃口產(chǎn)生較大接觸應(yīng)力和粘結(jié)效應(yīng)，形成拉應(yīng)力，如圖8（a）所示，沖頭刃口圓角半徑增大意味著材料在刃口圓角處的粘結(jié)和滑移距離拉長(zhǎng)，促進(jìn)拉應(yīng)力的增大及微裂紋的產(chǎn)生，從而過(guò)早的發(fā)生材料斷裂與分離。而對(duì)于凹模，在沖裁過(guò)程中，隨著凸模的下行，剪切帶區(qū)域內(nèi)和凸模下方的材料被逐漸擠入凹模型腔孔內(nèi)，從而因剪切滑移的作用在拉壓應(yīng)力梯度較大的位置處逐漸產(chǎn)生微裂紋，如圖8（b）所示，較鋒利的凹模刃口則會(huì)促進(jìn)變形區(qū)材料的剪切與滑移與微裂紋，從而過(guò)早的產(chǎn)生微裂紋。圖7（c）顯示塌角隨著凸模刃口圓角、沖裁間隙及摩擦系數(shù)的增大而增大，隨著沖裁速度的提高而減小。另外，可以看出凹模刃口圓角對(duì)塌角的影響較小。圖7（d）表明隨著沖裁間隙、凹模刃口圓角及摩擦系數(shù)的增大而增大，沖裁速度和凸模刃口圓角對(duì)毛刺的高度增大較為有限。另外，結(jié)合表4可以看出，當(dāng)凹模圓角較大時(shí)，無(wú)論沖裁間隙的大小，均會(huì)造成較大的毛刺。同時(shí)，摩擦系數(shù)的增大同樣會(huì)造成較大的毛刺高度，在生產(chǎn)過(guò)程中需要格外注意潤(rùn)滑效果的改善。

表4 田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

3 結(jié)論

（1）建立了DT4E材料有限元沖裁仿真模型，通過(guò)對(duì)比沖裁仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了沖裁仿真模型的準(zhǔn)確性和高的可靠性，能夠有效地預(yù)測(cè)了DT4E材料的沖裁過(guò)程。

（2）通過(guò)對(duì)沖裁過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變和溫度場(chǎng)的分布及演變過(guò)程，闡明了DT4E材料沖裁斷面的形成機(jī)理，即微裂紋首先從凹、凸模刃口側(cè)面具有最大應(yīng)力梯度的位置處開始萌生，然后分別向中間層擴(kuò)展直至匯合，最終形成一條完整的斷裂面。

（3）根據(jù)田口分析方法獲取了沖裁速度、沖裁間隙、凸凹模磨損、潤(rùn)滑效果對(duì)沖裁斷面質(zhì)量（光亮帶、塌角、毛刺高度）的影響規(guī)律，即，沖裁速度、沖裁間隙、凸凹模磨損及摩擦系數(shù)對(duì)光亮帶均有較大的影響，凸模磨損對(duì)塌角影響較大、對(duì)毛刺影響較小，凹模磨損對(duì)塌角影響較小、但對(duì)毛刺產(chǎn)生影響較大。這為DT4E材料實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中模具磨損及維護(hù)，和斷面質(zhì)量的提升提供了實(shí)用的指導(dǎo)意義。

RR為影響效應(yīng)的大小，數(shù)值越大代表影響程度越大。

圖8 剪切變形區(qū)最大主應(yīng)力分布云圖

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Study on the Blanking Process of Electric Pure Iron DT4E Based on FEA

HE Linjiang1,2

( 1.Technical center, Xiamen Hongfa Electroacoustic Co., Ltd., Xiamen 361021, China;2.College of Mechanical Engineering And Automation, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

The Electric pure iron DT4E material is one of dead mild steels, which has excellent plasticity, toughness and electromagnetic properties. In order to ensure an excellent blanking fracture surface quality, the blanking process of DT4E was investigated based on the finite element analysis (FEA). The distribution and evolution of stress, strain and temperature fields were discussed and the mechanism of the blanking fracture surface formation was revealed. By adopting the Taguchi method, the blanking speed, the blanking clearance, wear of punch and die, and lubrication performance were studied based on the blanking simulations. The results shows that these five investigated factors have different influence on the blanking fracture surface characters, such as the shear zone, roll-over, burr depth, etc., which offering a significant guiding to the actual blanking production of electric pure iron DT4E.

finite element analysis；electric pure iron；blanking process；blanking fracture surface

TG386.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.11.010

1006－0316 (2020) 11－0063－08

2020－03－05

博士后課題：精密級(jí)進(jìn)模沖壓模具磨損行為及壽命研究

何臨江（1988－），男，河南開封人，博士，工程師，主要從事金屬材料加工及成形研究工作，E-mail：helj@nuaa.edu.cn。