1、第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023冲裁间隙对弯链板冲孔断面质量及凸模磨损的影响汪永明1,2,董书豪1,2,李 偎1,2(1.安徽工业大学 机械工程学院,安徽 马鞍山 243032;2.安徽工业大学 特种重载机器人安徽省重点实验室,安徽 马鞍山 243032)摘要:为了研究冲裁间隙对销合链弯链板冲孔断面质量及凸模磨损的影响,运用 DEFORM 软件建立了 4 组不同冲裁间隙的冲孔仿真模型,通过仿真得到了不同冲裁间隙下的凸模行程与冲裁力变化曲线。分析了断面质量和凸模最大磨损量随冲裁间隙的变化趋势
2、,并制作了冲孔模具进行试验验证。仿真结果表明:随着冲裁间隙的增大,断面光亮带长度和凸模磨损深度会随之减小。根据不同冲裁间隙下的冲裁力曲线,绘制冲裁功曲线,确定最佳冲裁间隙值为 0.2 mm。此时,冲孔断面光亮带长度的仿真值为2.11204 mm,凸模的使用寿命预测为 62000 件。进行了冲孔试验,试验发现,当冲裁间隙为 0.2 mm 时,冲裁件的冲孔断面光亮带长度的实测值为 2.19 mm,与仿真值的相对误差仅为 3.7%,验证了仿真结果的准确性,为冲孔模具研发提供了有效指导。关键词:弯链板;冲裁间隙;冲孔;断面质量;凸模磨损DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.202
3、3.03.009中图分类号:TG386 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0068-08Influence of blanking clearance on punching section quality and punch wear for bend chain plateWang Yongming1,2,Dong Shuhao1,2,Li Wei1,2(1.School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology,Maanshan 243032,China;2.Anhui Province
4、Key Laboratory of Special Heavy Load Robot,Anhui University of Technology,Maanshan 243032,China)Abstract:In order to study the influence of blanking clearance on punching section quality and punch wear for pin-joint bent chain plate,the punching simulation models with four sets of different blanking
5、 clearance were established by DEFORM software,and the change curves of punch stroke and punching force under different blanking clearances were obtained by simulation.Then,the variation trend of the section quality and the maximum wear amount of punch with the blanking clearance were analyzed,and t
6、he punching die was made for experimental verification.The simulation results show that the length of section bright band and the depth of punch wear decrease as the punching clearance increases.Based on the punching force curves at different punching clearances,the punching power curve is plotted,a
7、nd the optimal punching clearance value is determined to be 0.2 mm.At this time,the simulated value of the length of bright band on the punching section is 2.11204 mm,and the service life of punch is predicted to be 62000 pieces.The punching test was carried out and the test results find that when t
8、he punching clearance is 0.2 mm,the measured value of the length of bright band on the punching section is 2.19 mm,and the relative error with the simulated value is only 3.7%,which verifies the accuracy of the simulation results and pro-vides effective guidance for the development of punching dies.
9、Key words:bend chain plate;blanking clearance;punching;section quality;punch wear收稿日期:2022-05-17;修订日期:2022-08-27基金项目:安徽省重点研究与开发计划项目(202004a05020008)作者简介:汪永明(1971-),男,博士,教授E-mail:wangym 冲裁是利用冲压模具使金属发生断裂分离的一种塑性加工方式。冲裁工艺参数的选取对冲裁件的断面质量、产品质量乃至模具寿命均有重要影响1-3。其中,冲裁间隙作为 1 个关键参数,一直以来备受关注。例如:王心可等4在同一冲头、不同冲裁间隙条
10、件下,对无取向电工钢圆片进行冲裁加工,发现随着冲裁间隙的增大,电工钢磁性能的劣化程度先减小后增大,从而确定了 10%15%板厚为最佳冲裁间隙范围。郑海涛等5以板厚为 6 mm的 T2 铜板为试验材料,在不同冲裁间隙下对板料展开冲裁试验,确定了当冲裁间隙为板厚的 16.67%时,T2 铜板的断面质量最为理想。廉冰娴等6使用Deform-3D 软件对汽车异形不锈钢板件进行冲压数值分析,以凸、凹模的磨损深度为优化目标,基于响应面法对压边力、冲压速度、冲压间隙等冲压工艺参数进行了优化,使模具寿命得到大幅提升。Mucha J 等7发现硬度为 55 HRC 的薄钢板在斜面局部冲裁过程中,冲头磨损是导致斜面
11、挠度值发生明显变化的主要原因,而当间隙为板厚的 15%时,冲头磨损情况会得到明显改善。Sahli M 等8以厚度为4.6 mm 的 16MnCr5 钢板为研究对象,使用 LSDYNA有限元软件对其冲裁过程进行了仿真,发现冲裁间隙的减小会导致裂纹萌生的延迟。He J 等9基于金属的表面层理论,探究了某粗晶无取向电工薄板在不同冲裁间隙下,受剪切面的单个晶粒的变形行为,并确定了该薄板的最佳冲裁间隙为板厚的 13.8%。目前,以竖直冲孔模为依托而展开的板料冲裁工艺研究较多。但是,建立在水平冲孔模具基础上的冲裁工艺研究较少。为实现销合链弯链板的自动化冲压加工,需将传统的竖直冲孔方式改为水平冲孔方式。因此
12、,本文以销合链弯链板水平冲孔为例,借助 DEFORM 仿真软件,对不同冲裁间隙下的冲孔过程进行仿真,探究冲裁间隙对断面质量和凸模磨损的影响规律,从而为销合链水平冲孔模具确定最佳的冲裁间隙值,并对凸模的使用寿命做出预测。最后进行冲孔试验,以验证仿真结果的准确性。1 弯链板冲孔理论分析销合链的单个链节为带有侧孔的 U 形弯链板,如图 1 所示。其原材料为厚度为 4.3 mm 的 40Mn 钢板。弯链板的成形过程分为落料、弓形折弯、U 形折弯和冲孔 4 道工序。图 1 弯链板结构示意图Fig.1 Structure schematic diagram of bent chain plate冲孔工序是
13、在 U 形工件上对称冲制出直径为11.1 mm 的两组孔,分别作为销孔和铰孔。水平冲孔方式是利用斜楔机构将冲床的竖直运动转换为凸模的水平运动,从而在水平方向上完成冲孔,如图 2 所示,其中,dT为凸模直径,dA为凹模直径,t 为弯链板厚度。图 2 弯链板水平冲孔方式示意图Fig.2 Schematic diagram of horizontal punching for bent chain plate板料的冲裁过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂分离 3 个阶段10-11。在弯链板的冲孔过程中,当凸模刚接触板料时,在极短的时间内会发生弹性变形,处于凸、凹模刃口附近的板料由于冲裁间隙的存在将产
14、生弯曲和拉伸变形。随着凸模的推进,此处的材料会被挤入凹模孔内,从而在断面上形成塌角。当凸模压入弯链板时,材料内应力达到屈服极限,塑性变形开始。板料被凸模挤入凹模孔内,处于冲裁间隙内的材料受到凸模侧面的剪切和挤压作用,将在断面上形成一条与板料平面垂直的光亮带。随着凸模的推进,当刃口处材料的内应力达到抗拉强度极限时,塑性变形结束,凸、凹模刃口附近将产生微裂纹。在拉应力的作用下,裂纹沿着剪切力方向向板料内部扩展直至重合,从而形成一条向板料内倾斜的粗糙断面,称为断裂带。最后,在凸、凹模的作用下板料被完全切断。断裂时,由于裂纹的起点在刃口附近,所以不可避免地产生了毛刺。由此可知,在对弯链板进行冲孔后,冲
15、孔断面上将呈现 4 个明显的特征区域,从工件外表面起,依次为塌角、光亮带、断裂带和毛刺12,如图 3a所示。而在被切断分离的废料上,4 个特征区依次为毛刺、断裂带、光亮带和塌角,如图 3b 所示。图 3中,a 为塌角宽度,b、c、d、e 依次为塌角、光亮带、断裂带和毛刺的长度。2 弯链板冲孔的有限元模型2.1 仿真材料模型本文基于 DEFORM 有限元软件建立二维和三维96第 3 期汪永明等:冲裁间隙对弯链板冲孔断面质量及凸模磨损的影响 图 3 弯链板冲孔断面形成机理(a)冲孔断面(b)冲孔废料Fig.3 Formation mechanism of punching section for
16、bent chain plate(a)Punching section(b)Punched scrap仿真模型,分别用于分析冲孔断面和凸模磨损。为了使仿真结果能够准确地反映冲孔过程,弯链板材料的参数设置应尽可能接近材料的真实属性。因此,参照 GB/T 228.1202113,对弯链板 40Mn 钢板料进行拉伸试验,获得 40Mn 钢材料的应力-应变曲线,如图 4 所示,而后导入 DEFORM 材料库中。此外,凸、凹模材料为 Cr12MoV 钢,其热处理硬度为5560 HRC,该材料对应于 DEFORM 有限元软件材料库中的 AISI-2D 材料。图 4 弯链板材料 40Mn 钢的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of 40Mn steel for bent chain plate material 2.2 仿真模型及仿真参数设定根据销合链弯链板的冲孔生产经验,其冲孔模具的单边冲裁间隙值在 0.100.25 mm 范围内选取时,均能冲压出合格零件。为制作水平冲孔模具样机,需在 0.100.25 mm 的范围内确定出最佳的冲裁间隙值。本文借助 Pro/E 三