精沖塌角的成形機理與改進方法分析

文/羅丞，屈亞奇，張祥林·華中科技大學材料科學與工程學院

精沖塌角的成形機理與改進方法分析

文/羅丞，屈亞奇，張祥林·華中科技大學材料科學與工程學院

羅丞，碩士研究生，主要從事精沖工藝設計及模具開發方向的研究。

減小精沖齒形件（尖角處）的塌角是業界十分關注的工作，本文通過成形流速仿真形象說明了塌角的形成機理，即條料上壓邊部分對零件部分的牽扯力，導致零件塌角部分材料向下運動的速度小于其他部分的材料。目前減小塌角的改進方法有增大反頂力、對向凹模精沖、負間隙精沖、修整、預壓以及級進分步切角等方法。本文對這些方法進行了一一分析對比。

運用精沖工藝生產齒形件（可引申為帶尖角零件）越來越成為一種趨勢，但若塌角過大會使零件的工作面積顯著減小，進而削弱零件的使用性能。本文通過有限元方法，探索了塌角產生的機理，并比較了幾種方法的優缺點。

精沖塌角成形機理有限元分析

有限元模型建立及結果

為了說明塌角的形成機理，運用有限元模擬軟件DEFORM-2D對沖裁過程進行數值模擬。采用二維軸對稱模型，精沖工藝參數見表1，板料為彈塑性體，凸模、凹模、壓邊圈、反頂器皆為剛性體，模擬中不考慮溫度變化對材料的影響。有限元模型及網格劃分，如圖1所示，劃分10000個網格，為防止網格畸變，整體網格每計算5步進行一次網格重劃分，以保證運算順利進行。

表1 精沖工藝參數

圖1 精沖有限元模型

在零件的中間和邊緣產生塌角的位置各取一點進行點跡跟蹤，根據模擬結果觀察它們的速度變化。圖2a為塌角產生的初始時刻，材料的運動速度圖；圖2b為塌角產生之后，材料的運動速度圖。可通過顏色分布觀察到在塌角開始產生的時候，零件由內向外的運動速度是逐漸減小的，在零件邊緣速度最小，圖中的速度曲線分別為靠近零件中心部分的P1點和零件邊緣處的P2點的速度曲線。精沖的塌角大部分是在沖頭剛進入零件的前一小段時間內產生，這段時間零件中心和零件邊緣的速度差較大，故導致產生了相應的高度差。圖2b中標記的時刻為塌角產生過程結束的時刻，此時零件邊緣的速度和零件中心的速度相等，塌角不再增大。在此之后零件邊緣產生一定的回彈，速度會稍稍大于零件中心的速度，此時塌角會有細微的減小。

圖2 速度模擬結果

在沖裁塑性變形區域中的廢料側從上到下選取三個點，P3、P4、P5。這三點的速度曲線起伏情況接近，主要在0～0.13s內有較大的速度，這個區間剛好是塌角產生的區間，如圖3所示。理想狀態下，零件部分的材料向下運動的速度應該相等，而事實上在零件邊緣會出現塌角的部分，材料的運動速度是小于零件中心部分的速度。在大致忽略材料沖壓過程發生彈性形變產生的勢能的情況下，根據能量守恒原理，此時塌角部分材料所損失的動能應該等于廢料部分產生的動能，所以廢料區域速度較大的時間段也就是塌角產生的時間段。

圖3 廢料區域的材料速度狀態

減小精沖塌角的改進方法

增大反壓力法

精沖過程中施加反壓力可以使零件擁有較好的平面度，同時反壓力使變形區的靜水壓增大，變形區材料的塑性得以提高。反壓力模擬參數見表2，經過數值模擬得到，不同反壓力參數下的塌角大小，如圖4所示。可以看出，隨著反壓力的增大，塌角逐漸減小，所以可以通過增大反壓力來減小塌角。反壓力的增大可以使得零件中心部分的運動速度減小，變相的使塌角部分的速度接近零件中心的速度，導致塌角的減小，但是反壓力使塌角減小的同時會導致能耗增多，并且會一定程度上減小零件的厚度，導致零件精度得不到保障，此外，其對塌角的減小也有一定的極限，并不適合在精沖工藝設計中當作解決塌角的獨立方法，可以和其他方法進行組合，在其他方案中將反壓力調整到一個合適的大小來進一步的減小塌角的大小。

表2 反壓力模擬參數

圖4 不同反壓力下的塌角大小

對向凹模精沖

對向凹模精沖是一種新型的減小塌角的精沖工藝方式，可通過對向凹模產生方向壓得到無毛刺、無塌角的沖裁，如圖5所示。在對向凹模沖裁中，使用一個特殊的帶凸起的上凹模（凸起凹模）。凸起凹模的頂部是一個平面，平面的寬度為料厚的30%～40%，凸起的高度取料厚的1.2倍左右。沖裁行程開始，首先是凹模上升，接著就開始沖裁夾在凹模和突起凹模之間的材料。在行程為料厚的70%～80%時，停止沖裁，此時切斷凸模進行分離落料，對向凹模精沖采用的是伺服壓力機驅動。

圖5 對向凹模精沖原理

根據對向凹模精沖原理，我們設計了如圖6所示的對向凹模精沖的DEFORM有限元模型，在對向凹模精沖的第一階段，切斷凸模和頂桿分別設置對板料的壓力為110kN，凹模設置為不動的剛體，凸起凹模向下運動。第二階段將凸起凹模設置為向下產生280kN的壓力，讓切斷凸模向下運動，具體模擬結果如圖7所示。通過圖7a、圖7b中P1、P2兩點的速度曲線看出，在對向凹模精沖中零件中心和零件邊緣處的點的運動速度基本一致，因此產生的塌角極小。第一階段，為凹模驅動廢料部分運動使得零件的兩端預成形；第二階段相當于普通精沖的結尾階段，根據前文研究可知在普通精沖的結尾階段塌角不會增大，因此對向凹模精沖較普通精沖的塌角有了很大的減小。目前，對向凹模精沖的方法已經在日本企業得到應用，并且得到了微小模數（m=0.3mm）的齒輪。

圖6 對向凹模精沖有限元模型

圖7 對向凹模精沖模擬

負間隙精沖

負間隙精沖是一種凸模尺寸大于凹模型腔尺寸的一種擠壓式的精沖方法。我們設計了如圖8所示的負間隙精沖有限元模型，沖頭半徑為12mm，凹模型腔半徑為10mm，其他工藝參數與表1一致。

圖8 負間隙精沖有限元模型

模擬結果如圖9所示，由圖9a中P1、P2兩點的速度曲線可看出，在負間隙精沖過程中，零件中心和零件邊緣處的點的運動速度基本一致，因此產生的塌角極小，凸模超出凹模型腔的部分可以給廢料區域等同于零件區域的壓力，讓廢料區域不需要零件區域的帶動即可產生速度變化，相當于減小了廢料區域對零件邊緣區域的牽扯，使得零件邊緣的速度基本等于零件中心的速度。因此產生的塌角較普通精沖有了很大的減小。

圖9 負間隙精沖模擬結果

重疊修整法

通過修整的方法同樣可以解決零件的塌角問題，日本對普通的修整進行了改進，設計了名叫重疊修整的方法，如圖10所示。通過重疊修整的方法，可以使得零件的剪切面無缺陷，提高光潔度，去除塌角和毛刺，這種方法比普通修整好在極大的提高了修整區域的三向應力，使得塑性變形更加容易，避免了裂痕的產生。

圖10 重疊修整的原理圖

雙向修整法

雙向修整法的加工步驟與對向凹模精沖一致，其實就是將對向凹模精沖的方法用在了零件的修整上，和重疊修整的區別在于，重疊修整是單邊修整，雙向修整是雙邊修整。這種方法使修整過程的靜水壓達到一個很大的值，可使塑性變形更加容易，不容易產生裂紋。

預壓法

預壓法就是在沖裁之前，先用壓印沖頭對零件的上下部分各進行一次預壓，將平面壓成一個鋸齒形，再進行精沖。這樣可以讓原本產生塌角的地方的料提前向外凸出一部分，然后在沖裁過程中，凸出的部分會受到廢料的影響往廢料的方向移動，讓塌角的形成得到緩解，預壓法原理如圖11所示。預壓法對塌角的減小有一定的效果，但是存在的問題是在零件兩端的鋸齒處沖裁完成之后的形狀不好控制。

級進分步法

級進分步法的原理是，對尖角采用相交切角的方式，在切角的過程中采用保壓技術保證變形區靜水壓的存在，這種方法可將小角度沖裁轉變成兩個180°的直線沖裁，可以使尖角部分受到廢料影響，使得向下的速度減小情況得到緩解，從而減小塌角。但是這種方法存在的問題是，無法加工出尖角部分的圓角，加工出的是一個尖銳的尖角，故需要在后續加工中增加圓角。

圖11 預壓法原理

結束語

⑴精沖塌角的產生是由于廢料部分對零件邊緣的牽扯，導致零件邊緣部分材料流動速度小于零件中心部分材料流動速度，從而表現出材料塌陷的狀態。

⑵對向凹模精沖和負間隙精沖都是一種很好地可以將零件邊緣速度和零件中心速 度控制在很接近的狀態下的精沖方法，并且對塌角的減小有很明顯的效果。

⑶重疊修整工藝優越于普通修整工藝，可以得到更高加工要求的零件剪切面。

⑷根據能量守恒原理，可以從減小影響零件邊緣速度的廢料質量（即廢料體積）同時保證靜水壓的方向設計工藝方案減小塌角。