基于聚氨酯橡膠的箔材微孔沖裁機理研究

蔡 濤，雷君相

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海理工大學 材料科學與工程學院，上海 200093）

0 引 言

隨著產品微型化和精密化發展，零件中小于1 mm的微小孔加工數量與日俱增，加工精度越來越高，對微孔加工技術提出了更高的要求。目前常用的微孔加工方法主要分為兩大類：機械加工方法和特種加工方法。機械加工方法包括微鉆削、微沖壓和微磨削等，特種加工方法包括激光加工、電解加工、超聲加工、電火花加工以及電子束加工等［1］。在大批量生產時，機械加工方法中的微沖壓法生產效率較高，其成本也比鉆削低得多，而且加工出的孔尺寸穩定。

聚氨酯橡膠作為軟凸模沖裁薄板是一種常見的機械加工方式，聚氨酯橡膠沖模與普通的鋼制模具相比，不需要精度要求較高的模架，也沒有嚴格的凸凹模配合間隙要求以及間隙均勻性要求，克服了模具凸凹模對中難的問題。但是目前對該方法的大部分研究都是用于沖裁大孔，或是孔徑遠大于板料厚度的孔，在微沖孔這個領域的研究還較少。

當機械零件的尺寸小于1 mm時，材料的成形過程就會表現出明顯的尺寸效應。通常將直徑小于0.3 mm的孔稱為微孔［2］，將厚度小于0.1 mm 的板帶材稱為箔材。本文將采用有限元數值模擬的方法研究用聚氨酯橡膠作為軟凸模沖裁微孔，來探討聚氨酯橡膠作為軟凸模沖裁微孔的可行性，以及箔材在成形過程中表現的尺寸效應進行探討。

1 聚氨酯橡膠作為軟凸模在微成形領域的運用

聚氨酯橡膠已經成功的應用于沖裁、拉深、漲形等成形工藝，在板料成形領域應用較為廣泛。但在微成形領域中利用聚氨酯橡膠模的探索還較少，上海交通大學的彭林法等［3］用橡膠作軟凸模（圖1），做了微拉深的有限元模擬和實驗驗證，較為成功，說明聚氨酯橡膠作為軟凸模在微成形領域中同樣可行。

2 微成形中的尺寸效應

圖1 橡膠軟凸模微拉深成形過程

根據經典塑性理論，材料的流動應力－應變關系不隨著零件尺寸的變化而發生改變。但是，當零件的特征尺寸達到亞毫米甚至微米量級時，零件尺寸的改變顯著地影響材料的力學性能，表現出明顯的力學性能尺寸效應，傳統的宏觀塑性理論已經無法科學地解釋微成形過程出現的尺寸效應現象。劉芳等［4］研究了厚度對微細板料成形性能的影響，采用了厚度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm和1 mm的AISI304不銹鋼薄板進行單向拉伸實驗。實驗結果表明，當板料厚度小于1 mm時，材料的流動應力隨著試樣厚度的增大而增大，表現出明顯的尺寸效應。李明星等［5］對不同厚度的SUS304不銹鋼箔進行單向拉伸試驗，得到真實應力應變曲線，如圖2所示。結果表明：相同應變情況下厚度越小流動應力越大，同樣表現出比較明顯的尺度效應。

圖2 不銹鋼箔微拉伸流動應力－應變曲線

尺寸效應產生的原因，目前的理解是，與宏觀傳統的塑性成形工藝相比，微塑性成形中微型零件的幾何尺寸可以按比例縮小，而某些材料參數卻保持不變，如材料的微觀晶粒度和表面粗糙度，從而導致材料的塑性變形性能發生了改變，使得傳統的成形工藝方法不能通過等比例縮小應用到微塑性成形領域。

微型零件的成形與宏觀零件的成形存在很多的相似性，由于存在尺寸效應，使得傳統的成形工藝理論不能直接應用到微成形工藝中。傳統的模擬和有限元分析都是建立在宏觀力學的基礎上，本文通過有限元模擬分析的方法來探討微型尺寸材料在尺寸效應影響下的成形工藝特點。

3 有限元模型的建立

工作原理如圖3（a）所示。在本文的分析中，主要的施加載荷就是剛性壓頭對軟模材料的作用。所以定義聚氨酯橡膠上層鋼性壓膜的Y方向位移或者壓力作為載荷，對于聚氨酯橡膠和薄板材料的兩側，定義材料沿X方向位移為0，來替代容框的作用，簡化分析過程，而且不影響分析的效果，如圖3（b）。選用分析軟件ABAQUS／Explicit來模擬聚氨酯橡膠沖微孔的過程，選用SUS304不銹鋼箔材，厚度為0.1 mm，孔徑大小為0.1 mm。

圖3 有限元模型

3.1 聚氨酯橡膠材料的本構模型

Mooney－Rivlin模型在工程有限元模擬中經常被采用，該模型對橡膠變形150%以內的變形特征描述性很好［6］。因此本文聚氨酯橡膠采用 Mooney－Rivlin模型：

ABAQUS用Mooney－Rivlin模型定義超彈性時，需要用到參數C10、C01、D1。由關系式［7］：

即可得出肖氏硬度（HS）與C10、C01的關系。

本模擬橡膠參數見表1，采用HS91的聚氨酯橡膠材料。

表1 橡膠主要參數

3.2 不銹鋼材料的本構模型

本文選用Johnson－Cook模型定義不銹鋼的塑性。根據ABAQUS6.12幫助文檔，Johnson－Cook理論模型為：

本文不考慮溫度依賴和應變速率依賴，僅以A、B、n定義板料的塑性。李明星等［4］對SUS304不銹鋼箔材建立的本構模型：

式中，n為加工硬化指數，n＝0.71；A、B為與特征尺寸相關的參數。

式中，t為箔材厚度（mm）；d為箔材晶粒尺寸（mm）。

取晶粒尺寸為0.037 mm的SUS304不銹鋼，計算得，A＝290 Mpa，B＝1 206 Mpa。選取剪切斷裂準則，斷裂應變設為0.6，ks設為0.3，等效塑性位移＝0.001 mm。即等效塑性應變達到0.6時產生初始裂紋，當等效斷裂位移達到0.001 mm時，材料失效，本文采用單元刪除法來處理失效的單元。

3.3 ABAQUS有限元模型的建立

用二維軸對稱簡化模型，凹模與鋼性壓頭采用解析剛體，凹模孔徑0.1 mm，坯料厚0.1 mm，直徑0.34 mm，模型見圖4。容框與橡膠采用tie約束，橡膠與坯料、坯料與凹模之間均采用Surface－to－Surface接觸，坯料與橡膠之間的摩擦因子取0.1，凹模與坯料之間摩擦因子取0。邊界條件為凹模固定，給鋼性壓頭設定一個下壓的位移，鋼性壓頭帶動橡膠下壓完成沖裁過程。

圖4 橡膠沖微孔的有限元模型

4 有限元計算結果及分析

在ABAQUS6.12中模擬的用聚氨酯橡膠沖裁小孔的過程如圖4所示，由于孔徑與坯料厚度相同，屬于厚料沖小孔，因此不銹鋼板料并沒有出現明顯的彈塑性變形。首先，板料在上模作用下發生彈性變形，如圖5（a）；當上模行程達到0.0038 mm時，板料達到屈服極限，板料開始發生塑性變形，如圖5（b）；緊接著，當上模行程達到0.0048 mm時，如圖5（c），板料迅速達到了斷裂條件開始產生裂紋；當上模行程達到0.0058 mm時，坯料完全斷裂，如圖5（d）。整個斷裂過程都是在極短的過程發生，這時由于孔徑與坯料厚度相同，屬于厚料沖小孔，因此不銹鋼板料并沒有出現明顯的彈塑性變形，而是迅速達到了斷裂條件開始產生裂紋。

圖5 橡膠沖孔過程示意圖

圖6是沖裁力隨上模行程變化的曲線，從曲線中可以看出沖裁力變化的趨勢。當上模切入板材深度小于0.003 mm時，沖裁力呈線性快速增加，此時材料處于彈性變形區；當上模切入深度大于0.003 mm時，材料并沒有出現明顯的塑性變形，此時沖裁力增加趨勢基本與彈性變形階段相近，直至切入深度為0.0038 mm時沖裁力最大，達到165 N，緊接著開始產生裂紋；產生裂紋以后沖裁力開始下降，當上模行程達到0.0058 mm時，發生徹底斷裂，板料沖裁過程結束。

圖6 沖裁力變化曲線

在這個模型的基礎上，改變聚氨酯橡膠軟凸模的厚度，從0.15 mm到2 mm，圖7為聚氨酯橡膠厚度與單位壓力的關系圖。

聚氨酯橡膠模沖裁普通薄板時，在一定范圍內隨著聚氨酯橡膠厚度的增加，沖裁力減小。但是由圖7可以看出，在沖裁過程中，聚氨酯橡膠厚度的改變對沖裁力大小的影響很小。造成這種現象的原因是由于板料的厚度以及孔徑太小，在沖裁的過程中并沒有出現明顯的彈塑性變形，而迅速達到斷裂，使得板料在成形過程中受斜壓力的影響很小，所以使得聚氨酯橡膠厚度對沖裁力大小的影響很小。

圖7 聚氨酯橡膠凸模厚度與沖裁力的關系

鋼性模微沖裁中沖壓速度對沖裁力的影響成反比關系，即沖壓速度越大，沖裁力越小，而聚氨酯橡膠模有著與傳統鋼模不同的曲線。選取不同的沖壓速度進行沖裁，分別取10、30、50 mm／s和100 mm／s。在該模型上取板料遠端上一點，在不同沖裁速度下模擬得到的壓應力曲線，如圖8所示。可以看出，沖裁速度越大，板料壓應力也越大。

圖8 沖裁速度對材料壓應力的影響

造成這種現象的原因是，雖然板料的彈塑性變形不是很明顯，但是依然存在。沖裁過程中，橡膠會與板料間產生空腔，沖裁速度提高，使得橡膠在空腔狹小區域內的流動性越差。沖裁速度提高使得空腔內的橡膠擠入量減小，橡膠在尚未完全擠入空腔的情況下單位壓力迅速增加，流動性降低。此時板料不能受到足夠的拉應力，因而使板料斷裂所需的單位壓應力增加。

5 成形過程中尺寸效應的影響

在前文建立的有限元模型基礎上，不改變聚氨酯橡膠凸模的厚度、沖裁速度，以及孔徑大小，選取不同厚度的SUS304不銹鋼箔材，厚度H分別為0.1 mm，0.08 mm，0.06 mm和0.05 mm，進行沖孔。由前文所提到的SUS304不銹鋼箔材的本構關系，得到相對應的特征尺寸相關的參數A、B值，進行有限元模擬分析，結果如圖9所示。圖10為沖裁過程中相對應的行程與沖裁力關系圖，沖裁0.1 mm厚箔材的最大沖裁力為165 N，而沖裁0.05 mm厚箔材的最大沖裁力為104 N，前者約為后者的1.6倍，按照傳統的宏觀力學理論，不考慮尺寸效應的影響，前者的值應為后者的兩倍，在沖裁的過程表現出明顯的尺寸效應。造成這種現象的原因是，由于箔材的尺寸效應，使得板料表現出相對的“越小越強”，使得沖裁力的大小沒有隨著板料厚度的減小相應等比例減小。

圖9 不同厚度的SUS304不銹鋼箔材沖孔模擬圖

圖10 不同厚度箔材的沖裁力與行程關系圖

6 結 論

本文運用ABAQUS／Explicit軟件，采用有限元數值模擬的方法，研究聚氨酯橡膠作為軟凸模對箔材進行微孔的沖裁，探究了該方法的可行性，對于微沖裁領域的研究提供了一種參考。聚氨酯橡膠軟凸模厚度的改變，對沖裁力大小產生的影響很小。在一定范圍內，沖壓速度的提高，會使板材受到的壓應力增加。對不同厚度的SUS304不銹鋼箔材進行沖裁，由于尺寸效應的影響，使得沖裁力的大小并不隨著箔材厚度的改變而等比例改變，表現出不同于傳統成形過程。本文對SUS30不銹鋼箔材尺寸效應的探討，也同樣適用于其他的材料，為研究其他材料的尺寸效應提供了參考價值。

［1］ 唐 英，崔華勝，崔詠琴，等.微小孔加工技術現狀及發展趨勢［J］.新技術新工藝，2007，2（5）：54.

［2］ 郭景哲，賈寶賢，王冬生，等.微細深孔加工研究進展及關鍵技術分析［J］.機械設計與制造，2009，（10）：257－258.

［3］ Peng L F，Peng H，Lai X M，etal.Investigation of micro／meso sheet soft punch stamping process–simulation and experiments［J］.Materials ＆ Design，2009，30（3）：783－790.

［4］ 劉 芳，彭林法，來新民.基于尺度效應的微細薄板本構模型的建立［J］.材料科學與工藝，2008，16（1）：31－33.

［5］ 李明星.SUS304不銹鋼箔微沖裁尺寸效應研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

［6］ 王 偉，鄧 濤，趙樹高.橡膠Mooney－Rivlin模型中材料常數的確定［J］.特征橡膠制品，2004，25（4）：8－10.

［7］ Johson G R，Cook W H.A constitutive model and data for metals subjected to large strains，high strain rates and high temperatures［C］.Proceedings of the Seventh International Symposium on Ballistics，1983：541－547.