精沖變形過程細觀模型

文/盧險峰·南昌大學

周開華·中國北方工業公司

精沖變形過程細觀模型

文/盧險峰·南昌大學

周開華·中國北方工業公司

本文提出了一種較新的精沖變形過程細觀模型，即“V槽壓入—沖擊壓縮—壓入剪切—件料分離—材料轉移—卸離沖頭與頂出凹模”6個階段，較科學地解釋了精沖件斷面由塌角、剪切面、凸邊及毛刺4個部分組成及其各部分形成的機理與過程。

截止2014年，精密沖裁技術已經發展了一百周年。在一百年的不斷發展過程中，強力齒圈壓板精沖一直為精密沖裁中最為基礎的形式。本文討論的精沖變形過程細觀模型是指此種典型形式的精密沖裁。

很多文獻均介紹了精沖工藝全過程，或叫精沖技術加工全過程，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識。

精沖件的斷面組成

1980年以前，人們認識到精沖件的斷面（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，各國學者則從更精細的角度，認識到精沖件的斷面是由塌角、剪切面、凸邊及毛刺4部分組成，如圖1所示。

迄今，國內外學者對精沖件整個斷面的塑性剪切面的形成，從精沖機理上作了解釋，但還不甚深入，尤其在其塌角、毛刺及處于毛刺側的凸邊的形成過程和機理方面。本文從細觀角度，對毛刺及凸邊形成機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

精沖變形過程的實驗

在研究精沖變形機理的過程中，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，拍攝到的沖頭進入材料一定深度時的剖面照片。根據圖2可以分析出：精沖變形區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該是拉斷分離的。

圖2 精沖變形區塑性流動照片

一種是模擬實驗，在精沖過程中通過有限元方法（FEM）對精沖性能好的塑性材料的塑性流動情況進行模擬。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行模擬，測得各階段的等效應力與等效應變值。

從圖3a等效應力圖可知：1）隨著沖頭切入深度的增加，齒圈下面的壓應力區逐漸變小，最后區域接近消失，且在沖裁結束前還顯示出了灰色的拉應力區；2）靠近沖頭刃尖的下端面處，壓應力區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力區基本也是此種變化；3）在沖裁結束前，沖頭、凹模刃尖連線的變形及其鄰域在壓應力的范圍內又各出現了一處拉應力區，此為繼續精密沖裁至快結束時的拉裂提供了預示。

從圖3b等效應變圖可知：1）縱觀全過程，齒圈壓板下面等效應變一直很大，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域，其應變是沖頭進入材料一段時間后開始出現，隨后逐漸增大，至沖裁結束前變形更大，此為繼續精密沖裁至快結束時的件料分離變形也提供了依據。

圖3 精沖過程FEM模擬結果

早期的精沖變形模式

早期有研究者根據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4所示，通過它對精沖過程中材料的變形和發展過程作出了以下描繪。圖4a為精沖開始時，圖4b為沖頭進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，即Ⅰ、Ⅱ為塑性變形區，間隙兩側為剛性平移的傳力區，此部分又分為靠近變形區的塑性變形影響區Ⅲ和彈性變形區Ⅳ。精沖的塑形變形始終在AB為對角連線的四邊形區域中進行。例如，當沖頭進入材料一定深度時，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，其塑性變形將在縮小了的AB連線為對角的四邊形中進行。精沖過程中，Ⅰ區的材料將被沖頭逐漸擠壓到條料上，Ⅱ區的材料將被凹模逐漸擠壓到工件上。

隨著精沖的進行，AB距離逐漸變短，四邊形區域逐漸變小，一部分材料將轉移到AB以外的已變形區，當AB距離達到最小值時，材料全部轉移，精沖過程完畢。應該說，此種將變形區分為Ⅰ、Ⅱ兩部分及材料轉移的精沖變形模式，對精沖塑性變形機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系上，稍欠深入和全面。

精沖變形細觀模型

依據以上介紹、闡述與分析，通過學習和探究，并結合作者最近的研究成果，可得出結論：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生的；而毛刺產生于最后階段的塑性分離及隨后的推(頂）出凹模階段。現筆者提出一種精沖變形過程細觀模型。以精沖落料為準，其變形過程可分為6個階段的細觀模型，即精沖變形過程經歷：V槽壓入—沖擊壓縮—壓入剪切—件料分離—材料轉移—卸離沖頭與頂出凹模6個階段。如圖5所示。首先，定義其變形區域為沖頭與凹模刃尖連線為中心的間隙區域及鄰域并延至V形槽部分位置上。下面詳細闡述各個具體階段的特點。

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，會產生明顯的變形和應力場，雖然對精沖件斷面組成不造成直接反映，但影響了變形區材料后續的精沖變形，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力區及相應的變形，表明將來處于毛刺側的凸邊在開始產生。

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（產生拉應力并很快達到最大值）出現裂紋裂縫并很快拉斷開來（沖頭進入材料深度達到料厚時），塑性剪切面便業已形成。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移的現象。

⑹卸離沖頭與頂出凹模階段：沖頭回程上行，沖頭側面會在卸離時摩擦和擠壓廢料內表面；與此同時，頂料板頂出工件，凹模內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。

圖5 精沖變形細觀模型

結束語

從細觀角度分析精沖變形機理與過程，可以得出以下結論：

⑴精沖件的斷面組成，定有塌角、剪切面、凸邊及毛刺4個部分。此種斷面構成與精沖件的精度指標有必然聯系及對應關系。

⑵精沖變形過程是由“V槽壓入—沖擊壓縮—壓入剪切—件料分離—材料轉移—卸離沖頭與頂出凹模”6個階段組成。此種細觀模型對揭示精沖變形的實質提供了更深入的路徑。

[1]日本塑性加工學會編.ブレス加工便覽.東京：丸善株式會社，昭和50年

[2]涂光祺編著.精沖技術.北京：機械工業出版社，1990

[3]周開華，幺延光，齊翔憲編. 明精沖手冊.北京：國防工業出版社，1998

[4]盧險峰編著.沖壓工藝模具學.北京：機械工業出版社，1998

[5]VDI 2904 part5 May 1994.VDI-Association of German Engineer

[6]周開華主編.精沖技術圖解.北京：國防工業出版社，2008

[7]盧險峰編著.沖壓工藝模具學(第3版）.北京：機械工業出版社，2014

[8]盧險峰、周開華.初析精沖毛刺側凸邊的形成.鍛造與沖壓 沖壓[12]，2013.24：32-34

[9]周開華主編.簡明精沖手冊（第2版）.北京：國防工業出版社，2006