高強鋼板材沖裁力實驗研究

吳業全，羅愛輝，徐偉力

（1. 上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2. 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；3. 汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室（寶鋼），上海 201900）

沖裁力是合理選用壓力機（沖床）和設計模具的重要依據，沖裁力的計算和預估對模具設計和壓機選擇具有重要意義。高強鋼板在輕量化車身中的應用日益廣泛[1—2]，相比于普通強度鋼板，高強鋼的強度顯著升高導致沖裁力急劇上升，一方面，容易造成模具磨損，模具選材和結構設計需要重點考慮沖裁力的影響；另一方面，對壓機噸位也提出了更高的要求。

目前，一些學者對沖裁力的計算方法展開了研究，姜奎華[3]和秦泗吉[4]等提出了沖裁力隨材料屈服強度變化的傳統計算公式；張紀梁[5]、杜忠友[6]等得到采用 Timmerbeil公式來計算沖裁力較為準確的結論；董冠文[7]、梁波[8]、黃樂精[9]等提出利用沖裁力系數來計算沖裁力的方法；魏良慶[10]等結合鋼板小孔沖裁變形的特點提出了沖裁力計算的力學模型；彭成允[11]等也基于厚板提出相應力學模型；孫小撈[12]、錢奇良[13]分別在 AutoCADR14環境下利用編程的方法來計算相應沖裁力；李和平[14]和呂琳[15]則各自利用滑移線法來計算精密沖裁力。然而，大多數學者提出的沖裁力計算公式是基于普通強度板所得，適用于普通強度鋼板的沖裁力公式需要面向高強度鋼板進行必要的修正。

文中搭建了高強鋼板材沖孔實驗平臺，結合車身上廣泛應用的DP、QP鋼系列以及MS系列超高強鋼板進行沖孔實驗，并結合超高強鋼板的沖裁力經驗計算公式，得到了適用于計算不同高強鋼材料沖裁力的經驗系數，并將公式進行修正，獲得了適用于不同高強鋼板材沖裁力與抗拉強度的關系式，最后選用DP980及1700MS鋼進行沖孔實驗，實驗結果驗證了所得修正關系式的可行性，這也為高強鋼零件沖切壓力機噸位的選取和模具結構設計提供參考。

1 沖孔實驗平臺搭建

為了獲得不同高強鋼板材的沖裁力，文中搭建了相應的沖孔實驗平臺，其中，沖孔試樣的尺寸設計為40 mm×135 mm，沖頭刃口部分直徑為20 mm，沖孔試樣見圖1，沖孔模具見圖2。為了能夠實現不同的沖孔間隙，文中設計了不同尺寸的凹模鑲塊，凹模鑲塊安裝在模具的下模座上，通過更換凹模鑲塊的方式來改變沖孔間隙。

圖1 沖孔試樣Fig.1 Specimen of hole punching

在高強鋼板材的沖孔實驗中，在沖頭上部安裝有HBM公司的U10M系列傳感器，通過壓力傳感器來采集實驗時的沖裁力。該傳感器的最大量程為 250 kN，最大采集頻率為40 000 Hz。壓力傳感器通過數據線的方式與電腦相連接，這樣可將實驗過程中沖頭的受力，即沖裁力傳到電腦上，以便后續分析。沖孔實驗中采用的模具整體裝配見圖3。

圖2 沖孔模具Fig.2 Die of hole punching

圖3 沖孔實驗整體模具Fig.3 Whole die of hole punching test

高強鋼板材的沖孔實驗在 H2W300小松伺服壓力機上進行，如圖4所示。該伺服壓力機的最大下壓速度為700 mm/s，最大有效載荷為300 t；同時，該伺服壓力機可以精確控制下壓的位移，保持實驗過程中下壓速度恒定，以排除因壓力機下壓速度不穩定帶來的外界因素影響。

圖4 伺服壓力機Fig.4 Servo press

2 沖裁力計算方法與實驗分析

2.1 沖裁力計算方法

在實際應用生產中，為了合理選擇沖壓設備及設計沖壓模具，通常需要對沖裁力進行計算，同時，壓力機噸位必須大于所計算的沖裁力。沖裁力的大小通常與沖裁切變線總長度、材料厚度和材料抗拉強度有關，其經驗計算公式可用式(1)確定。

式中：f為經驗系數；bσ為材料抗拉強度(MPa)；L為切邊線長度(mm)；t為材料厚度(mm)。

2.2 沖裁力實驗分析

為了獲得不同高強鋼材料的沖裁力經驗系數f，文中結合上述所搭建的沖孔實驗平臺，對不同高強鋼板材進行相應的沖孔實驗以獲得其沖裁力。其中，沖孔試樣的毛坯尺寸設計為40 mm×135 mm，沖頭刃口部分直徑為20 mm。每種高強鋼材料設計了3個沖孔試樣，不同材料試樣在沖孔過程中沖裁力隨時間的變化曲線見圖5。

取每種材料試樣的最大沖裁力的平均值，實驗結果見表1。

表1 不同材料的最大沖裁力Tab.1 Max. force of different material

圖5 不同材料沖裁力-時間曲線Fig.5 Force-time curve of punching with different materials

根據表1中的實驗結果，結合沖孔試樣的尺寸參數和材料力學性能參數，將各參數代入到沖裁力的經驗計算公式(1)中，可得到不同高強鋼材料的沖裁力經驗系數，見表2。

表2 高強鋼材料沖裁力經驗系數Tab.2 Experience coefficient for blanking force of HSS material

由于在實際生產中，材料種類繁多，不同高強鋼材料具有不同的沖裁力經驗系數，為了能更方便粗略計算高強鋼板材沖裁力，將經驗計算公式(1)進行修正，使得沖裁力大小表現為與材料抗拉強度相關。現將不同材料的經驗系數與強度之間的關系進行數據擬合，得到經驗系數f與抗拉強度bσ之間的關系，見式(2)。結合沖裁力經驗計算公式(1)，便可獲得不同材料沖裁力與材料抗拉強度之間的關系式：

基于上述沖裁力修正計算公式(3)，結合材料抗拉強度，便可粗略估計相應高強鋼沖裁所需沖裁力，這可為沖壓模具設計，壓力機噸位的選取提供指導。

3 實驗驗證

為了驗證上述所得修正式(3)的可行性，文中另外選取兩種寶鋼提供的高強鋼材料 DP980及 1700MS鋼，進行相應的沖孔實驗，不同材料試樣在沖孔過程中沖裁力隨時間的變化曲線見圖6，實驗結果見表3。

圖6 不同材料沖裁力-時間曲線Fig.6 Force-time curve of for blanking force of different materials

表3 不同材料的最大沖裁力Tab.3 Max. force of different materials

根據修正關系式(3)，計算兩種材料所需的沖裁力，并與實驗結果進行對比，結果見表4。

表4 不同材料的實驗沖裁力與計算沖裁力對比Tab.4 Experimental force and calculating force of different materials

由對比結果可知，兩種板材通過修正公式所得的沖裁力與實驗所得沖裁力相差不大，相對誤差分別為2%和2.2%，可見該修正公式是可行的。

4 結論

通過實驗方法對超高強鋼板材的沖裁進行了研究。搭建了高強鋼板材沖孔實驗平臺。利用沖孔實驗，獲得了適用于計算高強鋼沖裁力的經驗系數，并對沖裁力經驗計算公式進行修正，獲得了高強鋼板材沖裁力與抗拉強度的關系式，為預估沖裁力、選擇壓力機噸位提供了參考。