高速沖裁過程中的韌性斷裂和斷面質量研究進展

陳明和　胡道春,2

1.南京航空航天大學， 南京，210016　　2.臺州職業技術學院，臺州，318000

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高速沖裁過程中的韌性斷裂和斷面質量研究進展

陳明和1胡道春1,2

1.南京航空航天大學， 南京，2100162.臺州職業技術學院，臺州，318000

總結和評述了沖裁過程中均勻塑性流動形成光潔表面以及空穴長大引起斷面撕裂的現象，從材料細觀損傷角度闡明了高速沖裁韌性斷裂機理及材料斷裂參數的確定方法；綜述了工藝參數對沖裁斷面質量的影響規律、沖裁過程中的熱效應以及沖裁斷面的微觀組織變化等的研究現狀；最后對高速沖裁過程中的韌性斷裂和斷面質量的研究趨勢進行了展望。

高速沖裁；韌性斷裂；沖裁斷面質量；溫升效應；絕熱剪切帶

0　引言

“互聯網+”熱潮的涌起，引領了新一代信息技術應用與創新驅動發展的新常態。信息技術制件，如以計算機(computer)、通信(communication)、消費性電子(consumer electronics)為代表的“3C”產品中的連接器端子、集成電路引線框架、航空航天領域的電連接器(aerospace electrical connector)接插件、大數據時代的互聯汽車(car on internet)高速數據傳輸連接件等金屬制件, 都具有材料超薄(毫米級以下)、外形形狀復雜且尺寸微小、形狀和位置精度高(尺寸精度要求接近微米級)、成形工藝復雜等特點[1]，常采用高速精密級進沖壓技術來生產。高速精密沖壓是在高速沖床上安裝一副包括沖裁、彎曲、拉深、成形等多道工序的精密、復雜、級進沖壓模具，同時配備自動送料、收料機構，進行自動化、高效率、大批量生產的一種沖壓生產方式，并且在沖壓量產時每分鐘沖裁次數超過1000。高速精密沖壓集精密制造、計算機技術、智能控制和綠色制造為一體，是高效率、高精度的先進制造技術，代表了精密沖壓技術的發展水平和發展方向[2-3]。

沖裁是高速精密沖壓中最基本、使用量最大的工序，它不僅可作為彎曲、拉深等后續工序的前期坯料準備工序，而且可以作為精密沖裁件而直接使用。作為連接器端子件，一般后續需要進行表面鍍金或鍍銀，以達到減少接觸電阻及防腐蝕的目的，這就要求沖裁后需要獲得質量較高的沖裁斷面以保證鍍層的耐用性及信號傳輸的可靠性。沖裁斷面具有明顯的區域特征，它一般由圓角帶、光亮帶、撕裂帶、毛刺四部分構成，沖裁過程中，凸凹模間隙內的材料在壓應力的作用下產生強烈的塑性變形，刃口附近材料內部的應力應變梯度較大。當刃口附近材料的塑性變形能力耗盡時，材料因剪切應變集中而發生損傷，引起微裂紋和內部孔洞的產生，金屬流線完全剪斷并最終形成光潔平整的斷面(光亮帶)[4-6]。繼續沖裁時，凹模圓角處的材料會承受拉應力，出現撕裂現象，最終材料完全斷裂分離。由此可見，光亮帶的結束、撒裂帶的開始即可視為沖裁過程中損傷裂紋的萌生[7]。因此，控制斷裂分離是沖裁技術的一個關鍵，剪切面與撕裂面的匯合決定了光亮帶的高度，不同的工藝參數會產生不同的沖裁斷面質量與裂紋擴展方式。研究沖裁斷裂對預防制件缺陷、抑制撕裂及控制裂紋走向有重要意義。

在整個沖裁過程中，金屬材料的行為是高度非線性的，其塑性變形和斷裂分離僅僅局限在刃口附近的狹小區域，使得刃口部位承受著極大的垂直壓力和側壓力，這種高壓會引起劇烈的摩擦熱。同時，在高速精密沖裁過程中，由于沖裁間隙非常小，沖裁速度非常大，而沖裁連續加工時間很長，局部溫升效應非常明顯，再加上材料在高速率大應變條件下的應變速率硬化、應變強化，使得精密高速沖裁斷裂機理更加復雜，迄今為止高速精密沖裁斷裂機理仍未被深入研究。

1　沖裁過程中的韌性斷裂準則

沖裁過程及沖裁斷面如圖1所示。

(a)沖裁過程

(b)沖裁斷面圖1　沖裁過程及沖裁斷面示意圖

1.1沖裁過程中的細觀損傷和韌性斷裂

塑性變形、韌性損傷、韌性斷裂是三種緊密聯系的力學現象，從細觀、物理學的角度來看，金屬塑性變形過程可以看作材料組分晶粒的位錯、滑移等缺陷運動。材料的變形會在晶界、第二相粒子與基體的界面等位置形成局部的應力和應變集中，隨著宏觀變形的持續，局部應力、應變集中又會產生微孔洞、微裂紋等微缺陷，這些微缺陷的積累和發展導致宏觀裂紋的產生和擴展，最終使材料失效斷裂[8-9]。因此，孔洞形核、長大與聚合是材料塑性變形損傷和斷裂過程的重要特征，而細觀損傷力學模型以孔洞演化理論為基礎，從物理本質上反映了材料微觀結構的劣化最終導致材料失效斷裂過程[10]。

沖裁時材料變形被限制在凸凹模之間的狹小區域內，剪應變集中、靜水壓力與等效應力的比值(即應力三維度)增幅不大，因而空穴的形核與長大受到限制，材料內部空穴型損傷不明顯，失效破壞的主要形式是由剪應變集中而造成的剪切斷裂[11]。此時，少量的空穴形核及局部的長大萌生的裂紋隨著凸模的下行而擴展，形成平整的斷面，即沖裁光亮帶。在沖裁的后期，變形區域的拉應力不斷增大，應力三軸度快速增大，損傷性質也將發生變化，塑性應變和應力三軸度的聯合作用將會引起空穴的快速增多及長大，材料將發生撕裂，整個撕裂面將由密集的橢圓形空穴所覆蓋，此撕裂面即沖裁撕裂帶[12]?？梢钥闯?，在沖裁過程中，隨著應力三軸度的增大，前期發生剪切斷裂，隨后發生拉伸斷裂，沿著沖裁斷面空穴體積分數逐漸增多，斷面的光潔度相應降低，即沖裁撕裂帶比光亮帶要更粗糙一些，這在沖裁斷面上可得到驗證。

1.2沖裁過程中的常用韌性斷裂準則及其統一描述形式

迄今為止，許多學者從宏觀斷裂和細觀損傷層面上提出了多種韌性斷裂準則及其相關參數。Freudenthal[13]認為，材料在塑性變形過程中單位體積內所吸收的塑性變形能達到一定值時，材料就會產生宏觀裂紋，可表示為

(1)

Rice等[14]描述了理想塑性材料中的一個孤立球形孔洞在高三軸應力下的近似擴展規律，并引入了靜水壓力的影響，可表示為

(2)

式中，σ1為最大拉應力；σh為靜水壓應力；ART為材料常數。

Oyane等[15]通過對多孔體的壓縮塑性本構關系進行研究，并考慮靜水應力的影響，提出了相應的韌性斷裂準則：

(3)

式中，AO為材料常數。

Cockcroft等[16]認為，在一定的溫度和應變速率下，塑性變形最大拉應力σ1是導致材料韌性破壞的主要因素，相應的韌性斷裂準則為

(4)

Brozzo等[17]考慮到在塑性變形中，靜水應力可以抑制或加速韌性斷裂過程，同時還考慮了應力應變歷史對韌性斷裂的影響，即

(5)

Goijaerts[18]基于拉伸和沖裁試驗，提出了預測裂紋萌生的韌性斷裂準則：

(6)

式中，AG、 BG為材料常數。

以上常用的韌性斷裂準則一般都是塑性變形時的應力、應變、相關材料常數有關的函數，均采用了應力變量沿塑性變形路徑積分的形式，可統一描述為

(7)

式(7)等號右邊的C值為韌性斷裂臨界值，與材料自身性能有關，且屬于統計物理量，在實際應用中認為是常數。在應用這些韌性斷裂準則之前，要預先確定常數C，它直接關系到該準則對測量結果的精度大小。由于確定與常數C有關的材料參數(如孔洞體積分數)需要大量的試驗數據，且是統計值，故這種預測方法不便于在工程中應用。因此，在目前的應用中，都是采用一些接近成形過程的宏觀試驗數據來確定準則中的常數C值。

1.3沖裁韌性斷裂準則中材料參數C值的確定

在預測沖裁過程中斷裂發生時，Goijaerts等[19-20]首先測量板料發生分離瞬間的凸模行程，再借助有限元模擬該沖裁過程，當模擬凸模行程達到試驗測量值時，用各個單元的應力應變場數據來計算C值，分別應用Cockroft & Latham、Rice & Tracey、Oyane韌性斷裂準則模擬了沖裁工藝和拉伸過程，并基于應力三軸度的影響規律提出了預測沖裁過程中裂紋萌生的Goijaerts韌性斷裂準則。Hambli等[21]利用沖裁試驗反求技術，根據沖裁力-凸模行程曲線最大沖裁力出現的位置確定裂紋萌生時凸模的行程，然后結合有限元模擬反求出該凸模位置處的應力應變場數據以確定C值，并應用于現有的六種韌性斷裂準則，最終比較分析得出Rice & Tracey準則因考慮了靜水應力的影響，故在沖裁模擬過程中精度較高。Shim等[22]在研究薄材沖裁韌性斷裂時，認為根據沖裁光亮帶高度處的應力應變場數據即可確定材料常數C值，并利用Cockroft & Latham準則模擬了鋁箔材和銅箔材的沖裁過程，結合沖裁試驗驗證了模擬的精度。Rafsanjani等[23]利用Rice & Tracey準則研究了鉻不銹鋼X30Cr13在沖裁過程中的熱黏塑性對韌性斷裂的影響規律。Subramonian[24]根據沖裁光亮帶和撕裂帶的高度值并結合有限元模擬，得到基于Rice & Tracey準則磷青銅C51100材料的C值。Komori[25]根據拉伸試驗分別確定了SS400材料Freudenthal、Cockroft & Latham、Brozzo、Oyan四種韌性斷裂準則的常數C值，并采用網格節點分離技術模擬了沖裁過程中的裂紋萌生。秦泗吉[26]在研究板材的剪切加工時，通過試驗測得板料斷裂產生時模具壓下量并通過數值計算最大等效應變得到Cockroft & Latham準則中的材料常數C值。方剛等[27-28]采用Cockroft & Latham準則進行數值模擬，對沖裁過程中裂紋產生、擴展以及材料斷裂分離的過程、沖裁力的變化等作了分析。文獻[29-31]借助拉伸試驗初步確定了材料常數C值，將沖裁試驗獲得的圓角帶、光亮帶總高度值作為裂紋萌生時凸模的行程，根據此凸模行程結合沖裁模擬結果確定裂紋萌生時的等效應變，在拉伸試驗獲取的C值基礎上，優化得到沖裁過程中基于Cockroft & Latham準則的材料常數C值，并探討了高速沖裁機理及其工藝參數優化。汪金飛等[32]利用Cockroft & Latham準則和Rice & Tracey準則對沖裁過程微裂紋產生和最終斷裂進行了模擬，分析比較了兩種斷裂準則下開始斷裂時的靜水壓力及載荷行程曲線。黃志超等[33]采用Ayada斷裂準則，預測了沖裁過程中靜水應力、等效應力和等效應變的分布以及發展趨勢。文獻[34-36]將考慮靜水應力和應變歷史對材料損傷影響的Oyane模型用于斷裂的預測，分析了精沖過程中靜水應力、等效應力、等效應變和損傷的分布以及發展趨勢。

由上述研究結果不難發現，國外研究沖裁韌性損傷時多選用Rice & Tracey準則，而國內則選用Cockroft & Latham準則較多，且Rice & Tracey準則基于空穴長大、聚合理論，而Cockroft & Latham準則屬于宏觀斷裂準則，對材料微觀結構理想化和簡單化。因此，Sartkulvanich等[37]在沖裁模擬過程中分別選取了8種不同韌性斷裂準則進行了對比研究，結果得出修正的Rice & Tracey準則由于具有較小的偏差值(圖2)，對于沖裁斷裂模擬來說相對適宜。

圖2　沖裁件有限元建模的斷裂準則評價[37]

由于沖裁斷裂往往集中在非常小的區域，而且應變梯度較大，再加上溫度的影響，傳統測量方法無法直接獲得應變場。在實際生產中，人們更希望采用簡單的宏觀試驗和計算模擬相結合的方法來確定斷裂準則中的材料參數。韌性斷裂的主要特征是材料中裂紋出現前的損傷軟化，通過宏觀試驗建立軟化特征描述變量，并將其耦合到材料彈塑性本構關系中，通過有限元方法模擬整個韌性損傷軟化和斷裂過程。在斷裂準則中還需引入溫度變量，考慮溫度對材料韌性損傷斷裂的影響，預測高速沖裁中材料的韌性損傷。

2　沖裁斷面質量研究

沖裁斷面的質量受到材料性能、沖裁間隙、模具刃口磨損狀態、產品形狀、板料厚度、模具結構、沖裁速度等多個因素的影響，很多學者對此進行了研究，力求獲得這些因素與沖裁斷面質量之間的定量關系。

2.1基于數值模擬技術的沖裁斷面質量研究

借助沖裁數值模擬技術研究各工藝參數對沖裁斷面質量的影響。Maiti等[38]對厚度為1.0 mm的磷青銅材料進行了沖裁數值模擬，分析了不同沖裁形狀和凸模角度對沖裁斷面質量的影響。Hatanaka等[39]模擬分析了沖裁間隙、刃口半徑、不同材料加工硬化指數等因素對光亮帶、毛刺高度的影響規律。文獻[40-41]探討了磷青銅在每分鐘沖裁次數為300時，凸模材料、沖裁間隙、沖裁次數與沖裁斷面質量之間的關系，建立了毛刺高度的預測模型。Husson等[42]利用有限元技術模擬分析了0.58 mm厚的銅合金在每分鐘沖裁次數為700時的沖裁間隙、刃口形狀、摩擦狀況等工藝參數對沖裁件輪廓、沖裁力的影響。Soares等[43]研究了沖裁間隙對8 mm厚LNE38冷軋板材沖裁斷面質量的影響規律。Rafsanjani等[23]利用有限元技術，分別探討了沖裁間隙、沖壓速度對X30Cr13材料的沖裁斷面質量影響規律，如圖3所示。Su等[44]借助數值模擬技術，以增加沖裁斷面光亮帶高度為目的，分析優化了沖裁工藝參數。趙中華等[45]研究了沖壓速度對沖裁斷面質量的影響規律，建立了物理試驗模型和有限元模擬分析模型，確定合適的沖壓速度以提高沖裁斷面質量。

圖3　沖裁間隙及沖壓速度對沖裁斷面光亮帶長度的影響[23]

2.2基于物理試驗的沖裁斷面質量優化

學者們在通過沖裁物理試驗驗證數值模擬結果的同時，進一步探索了沖裁過程中材料的變形機理。Greban等[46]系統研究了不同銅合金材料在沖裁過程中毛刺高度、微觀組織的變化情況。Mucha[47]借助試驗研究了各種模具材料在不同沖裁間隙下的磨損情況以及沖裁間隙對毛刺高度的影響。Ghiotti等[48]研究了不同的阻尼減振條件對沖裁過程中材料動態響應的影響，并優化了阻尼減振機構以獲得較佳的沖裁斷面質量。張磊等[49]從沖裁間隙和沖裁速度兩個方面分析了0.23 mm厚的銅合金沖裁件斷面質量，討論了不同情況下兩種因素對于毛刺的影響，并指出較小的間隙及高速沖裁可以抑制毛刺的產生進而提高斷面質量。黃珍媛等[7,50]運用正交試驗方法,研究了沖裁間隙、模具表面粗糙度、每分鐘沖裁次數(100，300，600)對高速精密沖壓中0.30 mm厚的磷青銅的沖裁斷面質量影響，并構建了薄板精密沖裁變形有限元模型，研究了精密沖裁變形過程。谷維亮[51]運用正交試驗方法和沖裁試驗，研究了沖裁間隙、刃口圓角半徑、凸模粗糙度、每分鐘沖裁次數(300，500，700)對0.50 mm厚的磷青銅的沖裁斷面質量的影響規律，根據因素效應曲線圖，得到了沖裁斷面質量較好的多組工藝組合方案。

由上述研究結果可以發現，結合數值模擬和沖裁試驗，對不同材料的沖裁斷面質量進行了一定的研究，主要集中于工藝參數的優化，如沖裁間隙、每分鐘沖裁次數、沖裁過程中的摩擦因數、刃口形狀等，以獲得較佳的沖裁斷面質量，即提高光亮帶所占的比例。但對于高速沖裁過程，特別是每分鐘沖裁次數1000以上的薄材沖裁，由于材料在大應變速率條件下的動態響應機理及溫升效應的探索仍未深入，造成薄材高速沖裁的數學模型還不夠精確，而通過高速沖裁試驗來優化工藝參數受限于現有模具技術及高速沖壓工藝及設備耗時費力，因此，對于薄材高速沖裁斷面質量及工藝參數優化仍需要展開系統和深入的工作。

3　沖裁斷面的微觀組織及溫升效應

(a)顯微照片[47](b)纖維流動方向[52]圖4　沖裁斷面微觀結構

在對沖裁斷面微觀組織研究方面， Mucha[47]和Achouri等[52]分別獲取了沖裁斷面晶粒大小及金屬流線分布等的微觀形貌(圖4)，可以發現沖裁斷面區域產生了強烈的塑性變形，且晶粒明顯細化。Ismail等[53]利用納米壓痕技術得到了0.65 mm厚的無取向硅鋼材料在每分鐘沖裁次數80條件下沖裁邊緣的屈服應力數據曲線(圖5)，可以看出，在較低沖速條件下，沖裁斷面附近區域存在明顯的加工硬化現象。Gaudillière等[54]借助HOPKINSON壓桿試驗機完成了3.0 mm厚的C40鋼高速沖裁(14.6 m/s)，并觀測到沖裁斷面中產生了絕熱剪切帶現象(圖6)，這表明高速沖裁過程中的溫升效應對材料的影響將不可忽略，需進一步深入研究。Sapanathan等[55]利用EBSD技術獲取了鋁/銅復合材料沖裁斷面的晶體取向圖，發現斷面微區存在超細晶(晶粒直徑小于1 μm)，如圖7所示。Rafsanjani等[23]利用有限元技術，探討了X30Cr13材料在沖裁過程(沖裁間隙c=10%t，沖壓速度v=1 m/s)的溫度變化，沖裁斷面局部溫度高達387 ℃；Hu等[56]對0.12 mm厚的磷青銅薄材在高速沖裁過程(沖裁間隙c=6.5%t，沖壓速度v=1 m/s)進行了數值模擬，發現沖裁斷面局部溫度高達444 ℃,局部溫升將對沖裁斷裂損傷及沖裁斷面的微觀組織帶來顯著影響，而高速沖裁過程中的溫升效應及材料的動態響應行為將成為后續研究的熱點之一。

圖5　沖孔邊緣的屈服應力分布[53]

圖6　高速沖裁斷面中的絕熱剪切帶[54]

圖7　沖裁斷面微區的晶體取向圖[55]

沖裁時各種工藝參數對材料韌性損傷及沖裁斷面的影響較大，現有研究對于宏觀的沖裁斷面質量、數值模擬等方面進行了深入和系統研究，其研究成果豐富，深化了對高速沖裁本質的認識，然而在進行沖裁機理探索時，由于對起關鍵作用的微細觀結構對宏觀變形局部化的控制和影響的重視與研究不夠，很難對其機制進行深入和有效的分析，主要原因是對于局部化過程中的動態力學響應參數及與其對應的微結構演化缺少實時觀測和記錄的方法和手段，故難以將二者(即宏觀與微觀)有機結合起來進行分析。

4　高速沖裁韌性斷裂和斷面質量研究趨勢

沖裁時由于剪切應變集中形成空穴形核與長大，進而造成剪切裂紋萌生與斷裂，決定了沖裁斷面中的光亮帶高度，也就相應決定了沖裁斷面的質量。在理論和應用上，特別是“互聯網+”的經濟新常態下，為了快速、大批量地制造高性能、高精度的連接器，采用精密高速沖壓技術是發展方向；而隨著生產企業產能擴充及人工成本增加的雙重挑戰，沖壓速度提升的需求尤為迫切。而在沖裁韌性斷裂及沖裁斷面質量的研究方面雖已取得了不少成果和進展，但對其中不少關鍵問題，仍然需要展開系統和深入的工作，包括以下方面：

(1)高速沖裁過程中裂紋萌生時的韌性損傷閥值。對韌性斷裂特征的定量描述一直受到試驗條件制約，因為斷裂往往集中在非常小的區域，而且應變梯度較大，傳統測量方法無法直接獲得應變場。截止目前，不少研究成果多是借助室溫準靜態下的單向拉伸試驗結合數值模擬確定材料的韌性斷裂時的應變臨界值，因而需要更為科學合理的試驗手段和方法。

(2)高速沖裁過程中材料的動態力學響應?，F有研究可能由于每分鐘沖裁次數不高(一般低于800)，材料的應力應變關系常由室溫條件下準靜態的單向拉伸試驗獲得。利用材料準靜態條件下的力學性能去探討高速動態條件下的成形性能顯然不再適合。

(3)高速沖裁過程中的熱效應。高速沖裁過程中，絕大部分(>90%)的塑性功轉化為熱，再加上摩擦熱，溫升效應將會對材料的韌性斷裂和沖裁斷面帶來不可忽略的影響[57]。

(4)高速沖裁斷面微觀結構變化。受到薄材試樣制備的困擾及觀測手段的限制，使得薄板高速沖裁斷面內的微觀結構演化規律很難深入開展。

對于上述諸多關鍵問題研究的不足，主要原因在于：首先高速動載下材料力學行為比起靜態時要復雜得多，涉及應變、應變速率、慣性、溫升、摩擦磨損等，分析和處理起來較為困難；然后沖裁過程十分短暫，一般在幾微秒甚至更短的時間內完成，材料又經歷了大應變(1～3)和超高應變速率(103～104s-1)[24,58]，可以預測在如此短暫的時間內經歷超高應變率變形的材料其結構及演化將十分復雜，這無疑為局部化過程中力學響應的實時測試及其對應的微結構演化的觀察帶來了較大困難；最后沖裁空間及沖裁斷面空間尺度很小，通常很難對沖裁過程中溫升及沖裁斷面施行定點高倍(如透射電鏡)觀測與分析?？傊?，高速沖裁研究涉及力學、計算數學、材料、化學甚至物理學等諸多交叉學科的理論與試驗，需從宏觀到微觀、數值模擬和物理試驗等多層次上的結合進行研究與分析。

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(編輯陳勇)

Research Progresses of Ductile Fracture and Blanked Surface Quality in High-speed Blanking

Chen Minghe1Hu Daochun1,2

1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016 2.Taizhou Vocational & Technical College,Taizhou,Zhejiang,318000

The smooth edge formed by shear crack propagation in plastic zone and premature fracture initialized by void growth and coalescence in blanking process were introduced, the mechanism of blanking ductile fracture and the determination of fracture parameters were explored with meso-damage theory. The influences of the processing parameters upon the blanking quality, the effects of material softening due to the heat generated during plastic work, and the microstructure of blanked surface were critically reviewed. Then the key problems for the development of high-speed blanking were discussed, and the viewpoints of future development of ductile fracture and blanked surface quality were proposed．

high-speed blanking; ductile fracture; blanked surface quality; thermal effect; adiabatic shear band

2015-07-01

TG386

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.09.020

陳明和，男，1962年生。南京航空航天大學機電學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為鈦合金及難成形材料成形技術、材料成形性能分析與評價、板料成形CAE技術、集成計算材料工程(ICME)、材料超塑性及成形/擴散連接技術、飛機(飛行器)鈑金精密制造及抗疲勞制造技術等。胡道春，男，1977年生。南京航空航天大學機電學院博士研究生，臺州職業技術學院機電工程學院講師。