冲裁间隙对铜板断面质量影响的有限元模拟*

吴小蓉，韩继龙

(1.沈阳机床(集团)有限责任公司，辽宁 沈阳 110142； 2.山西晋东化工有限公司， 山西 泉阳 045000)

冲裁间隙对铜板断面质量影响的有限元模拟*

吴小蓉1，韩继龙2

(1.沈阳机床(集团)有限责任公司，辽宁 沈阳 110142； 2.山西晋东化工有限公司， 山西 泉阳 045000)

冲裁间隙选择是冷冲压工艺的一个重要参数，利用ANSYS有限元软件对紫铜板不同间隙冲裁形成断面进行数值模拟。结果表明，冲裁间隙对形成落料断面质量有明显影响，间隙过小或过大，均可形成尖锐、拉长的条状毛刺，合理的间隙尺寸可得到较好的断面质量，模拟结果与实际理论分析吻合较好。

冲压加工；冲裁间隙；断面质量；有限元分析

0 引 言

冲裁是利用具有剪切刃口的凸、凹模，使材料的一部分和其余部分沿着一定的轮廓周边分离的一种冷冲压工序[1]。其可以是冲制零件的工序，如用落料和冲孔冲制垫圈，也可作为后续的弯曲、拉深等成型工序的备料工序。在现代冲压加工过程中，特别是对精密级进模的高速冲压加工，薄板冲裁占有越来越高的地位[2]。

影响冲裁件断面质量的因素较多，其中最主要的因素还是模具间隙大小及其分布的均匀性和模具刃边状态对冲裁截面质量的影响[3-5]。薄板冲压加工经验表明，冲裁模间隙的合理选用问题是模具设计是否成功及产品质量保证的重要因素。笔者利用ANSYS13.0软件，以紫铜板为研究对象，模拟分析不同间隙选取对断面质量的影响。

1 冲裁工艺

1.1 冲裁过程

冲裁过程中的冲压凸模与凹模的锋利边缘组成了上、下刃口，上刃口和下刃口之间有一定的间隙。冲裁过程大致可分为三个阶段：

(1) 弹性变形，由凸模施加压力，使材料产生弹性压缩和弯曲，材料略有被挤入凹模洞口的现象。

(2) 塑性变形阶段，凸模继续加压，材料中压应力达到屈服点，部分材料被挤入凹模，产生塑性剪变位。由于间隙的存在，材料同时发生弯曲与拉深现象。压力继续增大时，在凸、凹模刃口处由于应力集中，此时该部位应力先达到抗剪强度极限，材料发生断裂和形成裂纹。

(3) 剪切断裂阶段，随凸模的继续下压，裂纹向材料内部扩展，直至被拉断分离。当间隙值恰当时，上下裂纹应在中部会合，而使材料完全断裂分离。此后凸模下降仅是克服摩擦力，将冲裁件推出凹模。

1.2 冲裁断面质量

冲裁件质量截面并不光滑平整，一般说来表现为圆角带、光亮带和断裂带三部分。圆角带是开始塑性变形时，由于材料的纤维受弯曲及拉深形成的，若材料软则圆角大。光亮带是塑性剪变位时形成的，此部分光亮且底面垂直，软材料对应光亮带宽，硬材料则窄。断裂带是在断裂阶段形成，其在拉应力作用下，裂纹不断扩展，金属纤维被拉断的结果，所以表面粗糙且带锥度。正常的冲裁件截面上应无毛刺、撕裂、裂纹等缺陷，冲裁件底面则略向外鼓。

图1(a)、(b)和(c)分别对应模具间隙过小、合理以及过大时的断面质量示意图。若间隙过小或过大，则上下裂不会合拢，相隔一定距离，材料最后分离时断裂层出现毛刺与夹层。

图1 不同间隙冲裁件断面质量示意图

2 有限元分析

利用ANSYS13.0大型商用有限元软件，对紫铜板冲裁过程进行数值模拟。建模采用1/4对称模型，紫铜板厚度为2 mm，设为弹塑性材料模型，其抗剪屈服强度69 MPa，抗拉强度为196 MPa。为考察间隙大小及对断面质量的影响，分别模拟计算了过小间隙(0.05 mm)，中间合理间隙(0.085 mm)和过大间隙(0.135 mm)三种情况。

间隙过小时，由于凸、凹模两刃口边缘伸展出来的裂纹要向外错开一段距离，这样，上下两裂缝之间的材料随着冲裁过程的进行将被第二次剪切，当间隙更小时，甚至第三、四次等的剪切，使得冲件的切断面甚至出现双重或多重截面，即在断面上形成第二个光亮的塑剪带，并形成伸长的毛刺，如图2所示为过小间隙冲裁模拟图，此时，断面边缘毛刺被拉长，断面质量恶化。

间隙过大时，凸模与板料接触过程中，板料在凹模和凸模的共同作用下产生弯曲和压缩，材料向下凹被挤入凹模。凸模继续加压，材料与刃口接触区首先达到屈服点，材料继续挤入凹模，此时产生塑性剪变位，材料同时发生弯曲与拉深现象。随着压力的不断增大，刃口处发生应力集中，该部位应力首先达到抗剪强度极限产生裂纹。若凸模继续向下运动，裂纹向材料内部扩展，直到被拉断。图3为间隙过大时冲裁件的毛刺，可看到，由于模具间隙过大，裂纹不能有效重合，故紫铜板的冲裁件产生了条状毛刺。

而对于0.085 mm的中间尺度间隙，图4为模拟得到的冲裁效果。可看到断裂处是应力的主要集中区，且超过了材料的抗剪强度。其断面也有一定毛刺

出现，但毛刺不大，整个冲裁落料大部分平整，塌角也较小。模拟效果与图1中间尺寸间隙所示断面质量也基本吻合。所以，选择合理的冲裁间隙对断面质量影响较大。

图2 小间隙冲裁模拟图 图3 间隙过大时冲裁件的毛刺

图4 中间尺寸间隙冲裁模拟

3 结 语

利用ANSY13.0有限元软件，对紫铜板不同间隙冲裁形成断面进行数值模拟。结果直观展现了紫铜板冲裁断面产生的拉伸断裂及毛刺等冲裁效果。模具间隙对冲裁断面质量影响明显，若间隙过小或过大，均可形成尖锐、拉长的条状毛刺。模拟结果与实际理论分析吻合较好，可用于进一步深入分析和优化冲裁工艺。

[1] 郑家贤.冲压工艺模具设计[M].北京：机械工业出版社, 2005.

[2] 张涛川,王 晖,段春梅.应用精冲工艺实现冲裁零件的高质量控制[J].装备制造技术, 2007(9):55-56.

[3] 周全福.厚板冲模凸模进入凹模尺寸的确定[J].锻压技术，1994(3):59-60.

[4] 张正修, 李欠娃.高精度仪表零件的整修与精冲[J].模具制造,2001(10):17-20.

[5] 王 静,鲁世红,于长生.基于ANN的冲裁合理间隙的预测研究[J].机械科学与技术,2006,25(8):891-894.

Finite Element Simulation of Blanking Clearance Effect on Copper Plate Section Quality

WU Xiao-rong1， HAN Ji-long2

(1.ShenyangMachineTool(Group)Co.,Ltd,ShenyangLiaoning110142，China；2.ShanxiJindongChemicalIndustryCo.,Ltd,QuanyangShanxi045000,China)

The choice of blanking clearance is an important parameter of cold stamping process, using finite element software ANSYS to simulate the formed section of different blanking clearance for copper plate. Results show that the blanking clearance has significant effect on the quality of forming blanking section, either the gap is too small or too large, all can form a sharp and elongated strips burr. Reasonable gap size can get a good cross section quality.The simulation results are well according with the actual theoretical analysis.

stamping processing; blanking clearance; section quality; finite element analysis

2014-02-26

吴小蓉(1981)，女，湖南耒阳人，工程师，硕士，主要从事机械设计方面的研究工作。

TG386.2

A

1007-4414(2014)02-0087-02