厚板沖裁工藝的模擬仿真及其參數(shù)優(yōu)化

吳勝超，王濤，劉華，劉百宣，劉光輝

（鄭州機(jī)械研究所，鄭州 450001）

厚板沖裁工藝的模擬仿真及其參數(shù)優(yōu)化

吳勝超，王濤，劉華，劉百宣，劉光輝

（鄭州機(jī)械研究所，鄭州 450001）

目的 研究沖裁間隙、凸模刃口圓角和斜刃角度等因素對(duì)厚板沖裁斷面質(zhì)量及沖裁力的影響規(guī)律，優(yōu)化沖裁工藝參數(shù)組合。方法 通過(guò)數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，以沖裁過(guò)程中相對(duì)光亮帶長(zhǎng)度和最大沖裁力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)板厚t=10 mm的60Si2Mn厚板進(jìn)行沖裁過(guò)程的模擬仿真，最后進(jìn)行工藝試驗(yàn)。結(jié)果 選取了合理的工藝參數(shù)組合：沖裁間隙為10%t，圓角半徑為0.1 mm，斜刃角度為6°，利用此工藝參數(shù)組合模擬得到了較好的斷面質(zhì)量及較小的沖裁力，工藝試驗(yàn)也驗(yàn)證了此工藝參數(shù)的合理性。結(jié)論 通過(guò)模擬得到的工藝參數(shù)是合理的，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)作用。

數(shù)值模擬；正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)；相對(duì)光亮帶；沖裁力

沖裁是借助模具使板料分離的一種基本工序，既可以制作平板零件或作為毛坯繼續(xù)進(jìn)行拉深、彎曲、成形等工序，又可以對(duì)沖壓件進(jìn)一步進(jìn)行沖壓加工，如剖切、切口、修邊等[1]。為了提高零件的強(qiáng)度和剛度，增加其使用壽命，厚板沖裁工藝的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的零件直接采用厚板沖裁而成或用其準(zhǔn)備毛坯，這樣也可提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本[2—3]。由于厚板沖裁工藝所需成形力較大，降低了模具壽命，而且沖裁斷面質(zhì)量低，這就影響了該工藝的推廣及應(yīng)用[4]，因此，對(duì)厚板沖裁變形機(jī)理進(jìn)行深入研究，并制定合理的工藝參數(shù)就具有十分重要的意義。目前更多的工程技術(shù)人員傾向于研究厚板沖裁過(guò)程中各單因素對(duì)沖裁面質(zhì)量或沖裁力的影響規(guī)律，如沖裁間隙對(duì)沖裁力的影響、刃口圓角對(duì)沖裁斷面質(zhì)量的影響等。沖裁間隙、凸模刃口圓角半徑、斜刃角度等工藝參數(shù)的組合對(duì)沖裁質(zhì)量以及沖裁力的綜合影響研究較少，還未見有文獻(xiàn)報(bào)道。

文中利用 Deform-3D有限元軟件以及 Normal C&L斷裂準(zhǔn)則[5]，就沖裁間隙、凸模刃口圓角半徑、斜刃角度等工藝參數(shù)組合對(duì)沖裁質(zhì)量及沖裁力的綜合影響設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，對(duì)厚板沖裁過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)最終的模擬結(jié)果優(yōu)化工藝參數(shù)組合，并進(jìn)行相關(guān)工藝試驗(yàn)。

1 厚板沖裁工藝分析

文中研究的沖裁件的二維圖見圖1，由規(guī)格為長(zhǎng)a=250 mm、寬b=84 mm、厚t=10 mm的板料沖裁而得，為某產(chǎn)品的輥鍛工序作毛坯用。厚板沖裁過(guò)程分為彈性變形階段、塑性變形階段及斷裂分離階段。與薄板沖裁相比，厚板沖裁不僅在模具結(jié)構(gòu)上有較大的改進(jìn)，在沖裁力的計(jì)算方式以及沖裁件斷面質(zhì)量的控制等方面也有較大的差異。例如，板料厚度增加，厚板沖裁工藝的最大沖裁力呈現(xiàn)非線性增加的趨勢(shì)，而單位板厚上所需的最大沖裁力逐漸減小[6]。另外，為了降低沖裁力，減輕沖裁時(shí)的振動(dòng)和噪聲，厚板沖裁一般采用斜刃口模具[7]。影響沖裁斷面質(zhì)量及沖裁力的因素有很多，如沖裁間隙、刃口圓角、模具刃口狀態(tài)、沖裁件輪廓形狀、刃口摩擦等。另外，采用斜刃模具進(jìn)行厚板沖裁時(shí)，有必要研究斜刃角度對(duì)沖裁斷面質(zhì)量和沖裁力的影響規(guī)律。

圖1 沖裁件二維簡(jiǎn)圖Fig.1 Two-dimensional sketch of blanking part

2 有限元模型建立及分析

2.1 有限元模型的建立

為優(yōu)化工藝參數(shù)組合以獲得較好的沖裁質(zhì)量和較小的沖裁力，建立了厚板沖裁的有限元模型。厚板材料為60Si2Mn，將厚鋼板設(shè)置為塑性體，模具結(jié)構(gòu)定義為剛體[8]。另外，對(duì)坯料的斷裂部分進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，以更接近真實(shí)的沖裁變形，提高模擬精度，選用Normalized Cockcroft & Latham斷裂準(zhǔn)則，斷裂閾值設(shè)置為3.88[9—12]。建立的有限元模型見圖2。

圖2 厚板沖裁有限元模型Fig.2 FEM of thick plate punching

2.2 沖裁質(zhì)量分析

為了探究工藝參數(shù)對(duì)最大沖裁力及沖裁斷面質(zhì)量的影響，先選用沖裁間隙為7%t、凸模圓角半徑為0.1 mm、斜刃角度為 2°的工藝參數(shù)組合，對(duì)厚板進(jìn)行沖裁模擬。圖3所示為模擬的斷面質(zhì)量，毛刺較多且長(zhǎng)，這對(duì)后續(xù)的加工將產(chǎn)生較為不利的影響，并且光亮帶較窄。圖4顯示了沖裁過(guò)程中沖裁力的變化規(guī)律，采用此組合參數(shù)的最大沖裁力為 118 t，對(duì)設(shè)備的要求較高，超出了目前車間120 t曲柄壓力機(jī)的沖裁能力范圍，因此，為了提高沖裁斷面質(zhì)量及降低最大沖裁力，需探究工藝參數(shù)對(duì)其影響規(guī)律，選擇合理的工藝參數(shù)組合。

圖3 厚板沖裁模擬結(jié)果Fig.3 Simulation result of thick plate punching

圖4 沖裁力變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of blanking force

3 沖裁工藝參數(shù)優(yōu)化分析

3.1 沖裁工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

沖裁間隙、凸模刃口圓角半徑、斜刃角度等因素對(duì)沖裁質(zhì)量及沖裁力產(chǎn)生重要影響。為尋找合理的參數(shù)組合以設(shè)計(jì)沖裁工藝，文中采用了正交試驗(yàn)來(lái)探究各工藝參數(shù)組合對(duì)沖裁質(zhì)量及沖裁力的影響規(guī)律，選取沖裁過(guò)程中相對(duì)光亮帶長(zhǎng)度和最大沖裁力作為試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，而選取沖裁間隙、凸模刃口圓角半徑以及斜刃角度作為影響因素。正交試驗(yàn)是利用正交表對(duì)多影響因素的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)合理的安排與分析，既不影響試驗(yàn)效果，又盡可能地減少試驗(yàn)次數(shù)，降低試驗(yàn)花費(fèi)的時(shí)間、人力、物力等成本[13—15]。在設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)中，每個(gè)因素依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取3個(gè)水平，根據(jù)規(guī)則選用 L9(34)正交表，因素水平表見表 1，模擬結(jié)果見表2。

表1 因素水平表Tab.1 Factors and levels

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental result

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果的分析

為了探究沖裁間隙、凸模刃口圓角半徑、斜刃角度等因素對(duì)沖裁質(zhì)量及沖裁力產(chǎn)生的影響，采用綜合平衡法對(duì)表2的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得出了極差分析結(jié)果，見表3。其中Ti分別是各影響因素第i個(gè)水平所在試驗(yàn)中的結(jié)果之和，ti是Ti除以 3所得的結(jié)果，也就是各水平所對(duì)應(yīng)的平均值。極差是各影響因素的ti值中最大值與最小值之差，反映了各影響因素水平的變化對(duì)指標(biāo)的影響。極差值越大，表明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度越大。由表3可知，沖裁間隙對(duì)相對(duì)光亮帶長(zhǎng)度的影響最大，圓角半徑次之，斜刃角度最小（基本可忽略）；對(duì)于沖裁力來(lái)說(shuō)，斜刃角度影響最大，沖裁間隙次之，圓角半徑最小。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析Tab.3 Range analysis of orthogonal experiment results

為了更進(jìn)一步探討沖裁間隙、凸模刃口圓角半徑、斜刃角度等組合因素對(duì)沖裁質(zhì)量及沖裁力產(chǎn)生的綜合影響，優(yōu)化工藝參數(shù)組合，文中做出了各因素水平對(duì)相對(duì)光亮帶長(zhǎng)度及沖裁力的影響趨勢(shì)，見圖5。可以看出，隨著沖裁間隙的增大，沖裁力隨之減小，而相對(duì)光亮帶長(zhǎng)度先增加后減小，為了得到較小的沖裁力及較好的沖裁質(zhì)量，選擇10%t的沖裁間隙；圓角半徑在0～0.1 mm之間，沖裁力基本保持不變，0.1 mm之后略有上升，而相對(duì)光亮帶長(zhǎng)度隨著圓角半徑的增大而增加，考慮到?jīng)_裁模容易磨損，此處選擇較小的圓角半徑 0.1 mm；沖裁力隨著斜刃角度的增大而減小，而相對(duì)光亮帶長(zhǎng)度基本保持不變，后續(xù)的試驗(yàn)表明，隨著斜刃角度的繼續(xù)增大，沖裁件將產(chǎn)生較嚴(yán)重的月彎形，影響加工使用，所以選擇6°的斜刃角度。通過(guò)各因素對(duì)各指標(biāo)影響的綜合分析，優(yōu)化后的試驗(yàn)方案是：沖裁間隙為10%t；圓角半徑為0.1 mm；斜刃角度為6°。

圖6為利用Deform-3D有限元模擬軟件，選用上述試驗(yàn)方案的工藝參數(shù)得到的沖裁結(jié)果，可看出沖裁斷面毛刺較少且短，相對(duì)光亮帶長(zhǎng)度較大，斷面質(zhì)量良好。沖裁力的變化趨勢(shì)見圖7，最大的沖裁力為80 t，說(shuō)明此工藝可以在120 t的曲柄壓力機(jī)上完成。

圖5 各因素水平對(duì)指標(biāo)的影響Fig.5 Influences of each factor on target

圖6 厚板沖裁模擬結(jié)果Fig.6 Simulation result of thick plate punching

圖7 沖裁力變化趨勢(shì)Fig.7 Variation trend of blanking force

4 工藝試驗(yàn)

采用沖裁間隙為10%t、凸模刃口圓角半徑為0.1 mm和斜刃角度為6°的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)沖裁模具，利用120 t的曲柄壓力機(jī)，見圖8，進(jìn)行沖裁工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖9，試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果相一致，光亮帶占板厚比例大，毛刺小，斷面質(zhì)量?jī)?yōu)良，并且現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備可以滿足生產(chǎn)要求，減少了設(shè)備投資成本。

圖8 試驗(yàn)設(shè)備Fig.8 Equipment of process experiment

圖9 沖裁試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Results of punching test

5 結(jié)論

1) 采用有限元仿真模擬和正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了20Cr鋼10 m厚板沖裁工藝的特點(diǎn)。對(duì)于沖裁斷面質(zhì)量，沖裁間隙對(duì)其影響最大，圓角半徑次之，斜刃角度最小；對(duì)于沖裁力來(lái)說(shuō)，斜刃角度影響最大，沖裁間隙次之，圓角半徑最小。

2) 沖裁過(guò)程中相對(duì)光亮帶長(zhǎng)度和最大沖裁力作為試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化了沖裁成形工藝參數(shù)，即沖裁間隙取10%t，圓角半徑取0.1 mm，斜刃角度取6°。工藝試驗(yàn)也表明此工藝參數(shù)能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

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Simulation and Parameter Optimization of Blanking Process for Thick Plate

WU Sheng-chao,WANG Tao, LIU Hua,LIU Bai-xuan,LIU Guang-hui
(Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering, Zhengzhou 450001, China)

The paper aims to study influences of blanking clearance, fillet radius of punch and angle of beveled punch on blanking quality and blanking force of thick plate and to select the reasonable combination of blanking process parameters. Numerical simulation and orthogonal experiment design were combined. With the length of relative bright belt and the maximum blanking force as evaluation indexes, the blanking process for 10 mm thick 60Si2Mn plate was numerically simulated, and the process experiment was carried out in the end. Reasonable combination of process parameters was selected: blanking clearance of 10%t, radius of 0.1 mm, beveled punch angle of 6°. Better cross-section quality and smaller blanking force were obtained with the process parameter combination. The process experiment also verified the rationality of these process parameters. The process parameters obtained by simulation are reasonable and the result is an important guidance for practical production in enterprises.

numerical simulation; orthogonal test design; relative bright belt; blanking force

2017-11-18

鄭州市科技重大專項(xiàng)（152PZDZX007）

吳勝超（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫芩苄猿尚渭翱刂啤?/p>

劉華（1962—），男，博士，博士生導(dǎo)師，研究員，主要研究方向?yàn)榫芩苄猿尚渭翱刂啤⒍喾轿粩?shù)控聯(lián)動(dòng)成形技術(shù)及成套裝備、復(fù)合材料裝備等。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.020

TG386.2

A

1674-6457(2018)01-0156-05