大沖裁間隙對中厚板沖裁力影響的研究

陳黎明，劉少華

（湖南財經工業職業技術學院，湖南 衡陽 421002）

大沖裁間隙對中厚板沖裁力影響的研究

陳黎明，劉少華

（湖南財經工業職業技術學院，湖南 衡陽 421002）

在30T萬能材料拉伸試驗機上利用簡易快換模具對厚度為5mm、8mm、10mm三種規格的Q235材料進行沖裁試驗，通過對試驗結果、沖裁變形過程、沖裁時板料的受力情況進行分析，得出了大沖裁間隙對中厚板沖裁時沖裁力的影響規律，并提供了中厚板沖裁時降低沖裁力的方法，為中厚板的沖裁加工提供可靠的理論依據。

中厚板；沖裁間隙；沖裁力；降低沖裁力方法

中厚鋼板是指料厚為4～25mm的鋼板，被廣泛用來制造各種容器、爐殼、爐板、橋梁及汽車大梁、拖拉機等大型機械受力零件及焊接構件等。目前，中厚板大部分采用切割加工，這類加工存在生產效率低、產品尺寸不穩定、斷面不平整并伴隨有過燒和嚴重粘渣現象，使得中厚板的運用受到一定程度的限制。隨著現代沖壓技術的發展及其應用范圍的擴大，許多中厚板結構件都嘗試采用沖壓生產，這不僅能保證構件具有足夠的強度和剛度，滿足零件的使用需要，還能成倍地提高生產效率，從而有效地降低生產成本。但目前中厚鋼板沖裁時普遍存在沖壓力大、斷面質量差、凸模容易折斷等缺陷，使得沖壓的優勢難以在中厚鋼板加工中發揮。而中厚板沖裁缺陷的產生跟模具間隙有著直接的關系，因而對模具間隙在中厚板沖裁時對沖裁力影響的研究，將有利于沖裁在中厚板生產中得到進一步推廣。

1 試驗條件

1.1 試驗材料和設備

本次試驗采用的中厚板材料為Q235，料厚分別為5mm、8mm和10mm，材料的力學性能見表1。試驗設備為30T萬能材料試驗機。

1.2 試驗模具

試驗模具采用簡易模具，試驗時，將模具在試驗機外由人工將毛坯材料放入凸模6和凹模3之間，為保證凸、凹模在試驗時的正確位置，導柱4應超出凸模20mm，以保證10mm板料放入時，導柱已進入凹模固定板2的導向孔10mm以上，更換凸模時，只要將凸模固定板5與上墊板7分開，將凸模從固定板中取出即可。該模具采用人工卸料，以保證沖裁力不受卸料力的影響。

1.3 試驗數據

本次試驗采用的凹模刃口尺寸為φ15mm，凸模刃口尺寸分別采用φ13.5mm、φ13mm、φ12.5mm，無壓力裝置，每次沖裁完后，在試驗機外由人工卸除工件和廢料，確保每次沖裁不受卸料力和推件力的影響。

表1 試驗材料的力學性能

2 結果分析

2.1 沖裁變形過程分析

由于沖裁間隙的存在，使得沖裁變形過程中伴隨有彎曲、拉伸等現象產生，變形過程較為復雜，且沖裁變形又是在瞬間完成的，為了便于分析，可將沖裁變形過程分為彈性變形、塑性變形和斷裂分離三個階段。沖裁開始時，由于凸、凹模間隙的存在，凸模作用在板料上的作用力使板料產生彈性壓縮、拉伸等變形，盡管此時凸模端面略擠入板料，板料另一端略擠入凹模，但當外力撤除后，材料能恢復原狀。由于在沖裁過程中，板料處于自由狀態，因而凸模端部下面的材料略有彎曲，凹模刃口上面的材料開始上翹，間隙越大，彎曲和上翹越嚴重。

隨著凸模的不斷壓入，材料內部的應力逐漸增大，當其內部的應力達到屈服極限時，便開始產生塑性變形，同時由于模具間隙的存在，使得彎曲和拉伸變形程度增加，從而導致板料內部的拉應力增加，冷作硬化加劇，且在凸模和凹模刃口的尖角處產生應力集中，當尖角處材料的應力超過其抗拉強度時，材料在凸模和凹模的尖角處便產生微裂紋。

隨著凸模的不斷壓入，在凸模和凹模尖角處產生的微裂紋向材料內部擴展，當兩處產生的裂紋在材料內部對接時，板料便產生斷裂分離。

2.2 沖裁時材料的受力分析

沖裁時，變形區為凸、凹模刃口之間的板料部分，其變形主要以塑性剪切變形為主，同時由于間隙原因，還會出現拉伸、彎曲和橫向擠壓等變形情況。

沖裁時，板料一方面要承受凸模和凹模施加的正壓力，同時由于凸模與凹模之間間隙的存在，使得凸模和凹模施加給板料的正壓力不在同一直線上，由于此時板料受到這兩個力產生的彎矩的作用，因而造成板料不是純剪切變形，還要產生彎曲變形。由于彎矩的作用，使得凸模下的板料產生彎曲，凹模上的板料產生上翹，從而使凸模和凹模實際接觸的板料面積減少，僅限于凸模和凹模刃口附近窄小的環形區域內，其寬度約為料厚的1/5～2/5。故凸、凹模刃口部位單位壓力分布曲線相當陡峭。

由于板料的彎曲，使得擠入板料的凸模側壁受到凹模面上材料的擠壓，擠入凹模的材料對凹模側壁也產生擠壓，根據作用力和反作用力的關系，凸模和凹模刃口的側面對板料也會產生反擠壓作用，形成對剪切面的側壓力。由于這對側壓力不在同一直線上，因而也會形成力矩，其方向與凸、凹模施加給板料正壓力產生的力矩相反，并在沖裁瞬時與之保持平衡，以阻止板料進一步彎曲變形。在沖裁過程中，正壓力產生的力矩隨正壓力的增大而增大，使板料彎曲變形加大，這將使板料受到的側壓力隨之增大，由側壓力產生的力矩也隨之增大，阻止板料進一步彎曲。因此自由沖裁時工件的不平整程度是有限的。

由于摩擦系數的存在，因而在板料與模具的接觸面上由于正壓力和側壓力的作用，還會產生摩擦力，有正壓力則必有摩擦力，其方向與板料相對模具端面滑動的方向相反。由于正壓力比側壓力大得多，因而垂直方向的摩擦力對板料斷裂分離過程的影響要比水平方向的摩擦力大得多。

中厚板沖裁時，沖裁間隙與料厚的比值達到15%以上時，隨著模具間隙的進一步增加，沖裁力略有降低，但對沖裁力的影響不大，這是因為在此情況下沖裁時，板料彎曲變形程度增加，當材料內部應力達到材料的抗剪強度時，產生的剪切裂紋在彎曲拉應力作用下迅速擴展，使材料撕裂而斷裂，因而斷面的光亮帶窄，斷裂帶寬，斷面錐度大。

3 降低沖裁力的方法

由于中厚板沖裁時的沖裁力較大，為滿足一些缺乏大噸位沖壓設備的企業能進行中厚板的沖裁，需要從工藝角度采用降低沖裁力的措施。降低沖裁力的措施可以從兩方面著手，一是從如何減少同時沖裁的輪廓周長，二是如何減少材料的抗剪強度。為此，有以下三種方法。

3.1 多孔階梯沖裁

對于多孔中厚板的沖裁，在設計凸模時，可將凸模成階梯布置，使得沖裁時凸模不同時進行，從而避免了沖裁力最大峰值的出現，達到降低沖裁力的目的。在采用多孔階梯沖裁時，為避免小凸模折斷，小凸模的長度應比大凸模的長度短些。

3.2 斜刃沖裁

對于大的中厚板件，可采用斜刃沖裁。這樣可以避免整個刃口周邊同時沖切材料，而是逐步地將材料切離，因而能顯著的降低沖裁力。至于凸模還是凹模做成斜刃，采用斜刃落料時，凸模應為平刃，將凹模做成斜刃；沖孔時，則凹模應為平刃，凸模為斜刃，從而保證工件平整。此外為保證沖裁時受力均勻，避免沖裁時模具承受單向側壓力而發生偏移，啃傷刃口，斜刃應當對稱布置。

3.3 加熱沖裁

加熱沖裁是基于金屬材料隨溫度的升高，抗剪強度降低的原理，從而使沖裁力降低。此時，沖裁力按平刃沖裁力公式計算，但材料抗剪強度τ在沖裁溫度時的數值只有常溫下的1/3甚至更小。表2所列為鋼在加熱狀態時的抗剪強度。

表2 鋼在加熱狀態時的抗剪強度τ MPa

采用加熱沖裁時，加熱溫度應注意避免金屬材料的藍脆區，以及在加熱過程中金屬的氧化、脫碳和冷卻變形等問題。此外，在模具工件零件材料的選擇上，應避免材料在交變溫度下的軟化和變形，因而要選擇熱沖模具材料，在卸料裝置設計時，應避免橡膠等受熱軟化或融化的彈性材料。

[1]陳黎明，李淑寶.沖壓工藝與模具設計[M].電子工業出版社.北京.2012.8.

[2]康永林.中國中厚板產品生產現狀及發展趨勢[J].中國冶金.2012.9.

[3]李興成.中厚板尺寸問題研究[J].陜西工學院學報.2001.6.

TG386

A

1671-0711（2017）07（上）-0133-02

此文為衡陽市2015年科學技術發展計劃項目研究成果（2015KJ39）。