基于裂纹萌生控制的增塑精冲成形工艺设计方法与流程

本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种基于裂纹萌生控制的增塑精冲成形工艺设计方法。

背景技术：

精冲是精密冲裁的简称，狭义上的精冲指的是强力压边精冲，是一种从普通冲裁发展而来的冲压分离工艺。精冲工艺利用带齿圈的压边圈与反顶板、极小的冲裁间隙(单边间隙一般设置为板厚的0.5％左右)和能够提供三向动力的精冲压力机，实现高质量的冲裁。精冲零件的断面光洁、垂直，平整度好，精度高，所生产零件通常无需再次加工即可投入使用，加工效率极大提高，大大降低了生产成本。精冲技术现已经广泛地应用于钟表、计算机、照相机、打字机、仪器仪表等精密机械的制造当中，而且在家用电器、汽车工业、航空航天和办公设备等工业部门中应用也在日益扩大。

目前，传统的精冲工艺分为压边和冲裁两个过程，在冲裁过程中，一般是依据经验设置一个压边力与反顶力，这两个力在整个冲裁过程中保持不变，即在恒定的压边力与反顶力下完成冲裁行程。在设置压边力与冲裁力时，通常忽略了材料在冲裁不同阶段对于不同力的需求，会造成实际所设置的力大于或小于材料完成精冲所需的力，而且在考虑到保证冲裁质量的前提下，这个力通常是大于材料完成冲裁所需要的力，这样就会造成能源的浪费，同时设置过大的力又会造成模具的磨损加剧。

本发明提出了一种基于裂纹萌生控制的增塑精冲成形工艺设计方法，根据材料冲裁过程中不同阶段设置不同的力，完成冲裁过程。这样既能保证成形零件的表面质量，又可以减少能源消耗，提高了模具的使用寿命，获得良好的综合经济效益。本发明对降低精冲过程中的能源消耗和提高精冲零件成形质量和模具寿命具有重要意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于裂纹萌生控制的增塑精冲成形工艺设计方法，实现抑制裂纹萌生的效果，获得全光亮带的精冲零件，以降低精冲过程中的能源消耗，提高精冲零件成形质量，增加模具使用寿命，获得良好的综合经济效益。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于裂纹萌生控制的增塑精冲成形工艺设计方法，实现本增塑精冲成形工艺设计方法采用的精冲设备，包括相对设置凸模与凹模，待精冲板料放置于凸模和凹模之间，凸模上套设有压边圈，凹模连接有反顶板的顶部；

所述的基于裂纹萌生控制的增塑精冲成形工艺设计方法，包括以下步骤：

1)依据精冲材料的断裂准则，求得板料裂纹萌生时临界静水应力；

2)对板料进行精冲时压边圈、凸模和反顶板上分别施加有压边力fbh、冲裁力fp和反顶力fcp，反顶力fcp随着冲裁行程增加而增加，从冲裁行程初始位0行至冲裁行程位s1过程中，压边力fbh逐渐增加，当从冲裁行程位s1行至冲裁行程结束过程中，压边力fbh逐渐减小，当冲裁行程达到行程位s1时，板料达到临界静水应力。

按照上述技术方案，在所述的步骤2)中，在冲裁行程0-s1时，压边力由fbh0增加到fbh1；在冲裁行程从s1行至冲裁行程结束时，压边力由fbh1减小到fbh2，反顶力随着冲裁行程的增加，反顶力由fcp0增加到fcp1。

按照上述技术方案，所述的步骤2)中，当行程位s1为板厚的1/3。

按照上述技术方案，在所述的步骤2)中，冲裁行程位s1的确定过程为：

a)将整个冲裁过程等分为n段，形成n+1个凸模行程节点；

b)通过有限元软件在凸模行程的每个节点上进行仿真，调节压边力与反顶力，使凹模刃口处板材材料的实际静水应力等于临界静水应力，并记录每个凸模行程节点的压边力与反顶力，得到n+1组压边力与反顶力的数值；

c)将n+1组数据点进行拟合，得到冲裁过程中的压边力和反顶力的加载曲线。

按照上述技术方案，所述的步骤a)中，将整个冲裁过程等分为10段，形成11个行程节点，分别为0,0.1t，0.2t，0.3t，0.4t，0.5t，0.6t，0.7t，0.8t，0.9t，t；t为被冲裁的板材板厚。

本发明具有以下有益效果：

本发明的基于裂纹萌生控制的增塑精冲成形工艺设计方法，通过有限元方式获取冲裁行程的等效应变和等效应力数据，依据材料的断裂准则反求出材料裂纹萌生时的临界静水应力，在冲裁过程中调节压边力与反顶力，使其适应冲裁行程的不同阶段对于力的需求，提供所需临界静水应力；根据断裂准则反求临界静水应力，依据所求临界静水应力设置压边力与反顶力，精冲过程中反顶力随着冲裁行程增加而增大，压边力随着冲裁行程增加先增大后减小；实现抑制裂纹萌生的效果，获得全光亮带的精冲零件，以降低精冲过程中的能源消耗，提高精冲零件成形质量，增加模具使用寿命，获得良好的综合经济效益。

附图说明

图1是本发明实施例中精冲示意图；

图2是本发明实施例中等效应变图；

图3是本发明实施例中等效应力图；

图4是本发明实施例中求得临界静水应力图；

图5是本发明实施例中压边力与凸模行程曲线图；

图6是本发明实施例中反顶力与凸模行程曲线图；

图7是本发明实施例中精冲过程中凹模刃口处的静水应力值；

图8是本发明实施例中压边行程中静水应力分布图；

图9是本发明实施例中精冲过程中材料位移的分布图；

图中，1-压边圈，2-凸模，3-板料，4-凹模，5-反顶板，fp-冲裁力，fbh-压边力，fcp-反顶力，fcpa-d顶件力。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图9所示，本发明提供的一个实施例中的基于裂纹萌生控制的增塑精冲成形工艺设计方法，实现本增塑精冲成形工艺设计方法采用的精冲设备，包括相对设置凸模2与凹模4，待精冲板料3放置于凸模2和凹模4之间，凸模2上套设有压边圈1，凹模4连接有反顶板5的顶部；

所述的基于裂纹萌生控制的增塑精冲成形工艺设计方法，包括以下步骤：

1)依据精冲材料的断裂准则，反求板料3裂纹萌生时临界静水应力；

2)对板料进行精冲过程时压边圈1、凸模2和反顶板5上分别施加有压边力fbh、冲裁力fp和反顶力fcp，反顶力fcp随着冲裁行程增加而增加，冲裁行程从冲裁行程初始位0行至冲裁行程位s1过程中，压边力fbh逐渐增加，当从冲裁行程行程位s1行至冲裁行程结束过程中，压边力fbh逐渐减小，当冲裁行程达到行程位s1时，板料3达到临界静水应力。

进一步地，整个精冲过程分为压边行程和冲裁行程，压边圈的底面分布有v形齿圈，精冲过程中首先是v形齿圈压入板料，形成压边行程，之后是凸模冲裁板料，形成冲裁行程，能改变的工艺参数都是在冲裁行程。

进一步地，在所述的步骤2)中，在冲裁行程0-s1时，压边力由fbh0增加到fbh1；在冲裁行程s1至行程结束时，压边力由fbh1减小到fbh2，反顶力随着冲裁行程的增加，反顶力由fcp0增加到fcp1。

进一步地，所述的步骤2)中，当s1的范围为板厚的1/3。

进一步地，当冲裁行程达到板厚三分之一时，压边力对静水应力影响减弱。故由仿真数据设置为，在冲裁行程0-1.3mm时，压边力由138kn增加到177kn；在冲裁行程1.3mm-4mm时，压边力由177kn减小到0kn。

进一步地，反顶力：在有限元仿真过程中发现，反顶力对静水应力影响伴随整个冲裁过程，将反顶力作为调节重点。有仿真数据将反顶力设置为，在冲裁行程0-4mm时，反顶力由14kn增加到113kn。

进一步地，在获得了临界静水应力之后，目标就是调节冲裁过程中的压边力与反顶力，使凹模4刃口处材料的实际静水应力处在临界静水应力之下，以达到抑制裂纹萌生的效果。

进一步地，在所述的步骤2)中，冲裁行程点s1的确定过程为：

a)将整个冲裁过程等分为n段，形成n+1个凸模2行程节点；

b)通过deform有限元软件在凸模2行程的每个节点上进行仿真，调节压边力与反顶力，使凹模4刃口处板材材料的实际静水应力等于临界静水应力，并记录每个凸模2行程节点的压边力与反顶力，得到n+1组压边力与反顶力的数值；

c)将n+1组数据点进行拟合，得到冲裁过程中的压边力和反顶力的加载曲线。

板材在以上的压边力和反顶力的加载曲线下，可以实现抑制裂纹萌生的效果，获得全光亮带的精冲零件。

进一步地，所述的步骤a)中，将整个冲裁过程等分为10段，形成11个行程节点，分别为0,0.1t，0.2t，0.3t，0.4t，0.5t，0.6t，0.7t，0.8t，0.9t，t；t为被冲裁的板材板厚。

凸模2行程即为冲裁行程，冲裁过程中凸模2移动的行程。

进一步地，在整个冲裁行程中板料3均处于临界静水应力或在临界静水应力之下。

本发明的工作原理：

采用变载精冲成形工艺，具体包括以下三个方面：

1、求临界静水应力。在制定精冲工艺时，通过有限元方式获取冲裁行程的等效应变和等效应力数据，跟据材料的断裂准则反求出材料裂纹萌生时的临界静水应力。依据临界静水应力的值，配置压边力与反顶力，提供材料冲裁行程中的静水应力。

2、压边力设置。由于在冲裁行程起始时，材料受力状况较好，可以在很小的压边力下实现冲裁，随行程增加受力状况逐渐变差，故冲裁行程0-s1时，压边力由fbh0增加到fbh1；当在冲裁阶段后期，通常设置在压边圈1上的齿圈对板料3剪切区影响较小，可以适当减小压边力，故在冲裁行程s1至终了时，压边力由fbh1减小到fbh2。

3、反顶力设置。由于在冲裁行程起始时，材料受力状况较好，剪切区静水应力很大，可以在很小的反顶力下实现冲裁，随着冲裁行程的增加，材料受力状况逐渐变差，而反顶力对剪切区静水应力的影响也逐渐增大，故随着冲裁行程的增加，将反顶力由fcp0增加到fcp1。

采用以上工艺方法，可以在冲裁行程采取较小的载荷完成冲裁，降低能源消耗，增加模具使用寿命，获得良好的综合经济效益。

本发明的一个实施例中，

进一步地，关于s1为1/3板厚的由来，是在仿真过程中，发现当凸模2行程超过板厚1/3时，压边力增加对静水应力影响减弱，所以决定在凸模2行程达到1/3板厚之后，减小压边力，主要改变反顶力来在达到临界静水应力，可以起到节能的作用。

具体过程：建立如图所示deform仿真模型；采用对称模型建立，精冲成形工艺冲裁出一个直径20mm，厚度为4mm的tc4钛合金板料3。

设计仿真试验。

固定反顶力为48kn，压边力分别取(72；96；120；144；168)kn，进行精冲工艺仿真。如图为5组仿真结果。

如图7所示，图中为每隔0.1t，凹模4刃口处的静水应力值。

可以发现，当凸模2行程超过1/3板厚时，增大压边力，静水应力改变极小，故在1/3行程之后，减小压边力。

这一趋势也可以从压边行程静水应力分布图看出；如图8所示。

静水应力分布图中，发现，压边圈1对板厚1/3之上影响较大。

材料位移分布也可证明，材料位移图如图9所示。

发现位移量最大的地方，也是在板厚1/3左右处。

由此，得出压边力发挥作用明显的行程为板厚1/3之前。数据基于deform有限元件得来，具体数量关系还未明确。

选取tc4钛合金为精冲材料，tc4钛合金被广泛应用于航空航天航海等领域，它的精冲成形工艺对tc4钛合金的规模化应用具有重要意义。本案例采用精冲成形工艺冲裁出一个直径20mm，厚度为4mm的tc4钛合金板料3。

由拉伸试验得tc4钛合金的抗拉强度σb＝1000mpa，则冲裁力fp＝l·t·σb·f1＝226kn，压边力fbh＝lr·2h·σb·f2＝353kn，反顶力fcp＝0.25·fb＝56kn，冲裁速度为10mm/s。具体实施过程为：

1、通过deform有限元软件，获取冲裁行程中的等效应变、等效应力。根据oyane断裂准则，将等效应变与等效应力数值代入，求得临界等效静水应力。并调节冲裁过程的压边力与反顶力，提供所需临界静水应力。

具体为：由于裂纹的萌生一般出现在凹模4刃口处，通过deform有限元软件，获取凹模4刃口处的等效应变和等效应力的值。如图2和图3所示：

为了得到临界静水应力，将整个冲裁行程分为10段，分别求每段临界静水应力，在将其拟合。由oyane断裂准则：(等效应变；等效应力；σm：静水应力；c：断裂阈值；a：材料常数)，变形为：将上图数据代入式子，求得每段临界静水应力。最终拟合如图4所示，得到了临界静水应力。

然后通过仿真分析，调节压边力与反顶力，使实际静水应力达到临界静水应力值，即可起到抑制裂纹萌生的效果。

2、压边力：在有限元仿真过程中发现，当冲裁行程达到板厚三分之一时，压边力对静水应力影响减弱。故由仿真数据设置为，在冲裁行程0-1.3mm时，压边力由138kn增加到177kn；在冲裁行程1.3mm-4mm时，压边力由177kn减小到0kn。

3、反顶力：在有限元仿真过程中发现，反顶力对静水应力影响伴随整个冲裁过程，将反顶力作为调节重点。通过仿真数据，将反顶力设置为在冲裁行程0-4mm时，反顶力由14kn增加到113kn。

通过以上工艺力设置，可以使凹模4刃口材料处于临界静水应力之下，抑制了零件裂纹萌生，可使精冲零件达到全光亮带的效果。

在获得了临界静水应力之后，目标就是调节冲裁过程中的压边力与反顶力，使凹模4刃口处材料的实际静水应力处在临界静水应力之下，以达到抑制裂纹萌生的效果。

可以将整个冲裁过程分为10个部分，凸模2行程分别为(0，0.1,0.2,…，1)t，t为板厚。

使用deform有限元软件：

在凸模2行程为0时，调节压边力与反顶力，使凹模4刃口处材料的实际静水应力等于临界静水应力，此时，压边力与反顶力分别为：fbh0，fcp0；

在凸模2行程为0.1t时，调节压边力与反顶力，使此时凹模4刃口处材料的实际静水应力等于临界静水应力，此时，压边力与反顶力分别为：fbh1，fcp1；

。。。。。。

在凸模2行程为t时，调节压边力与反顶力，使此时凹模4刃口处材料的实际静水应力等于临界静水应力，此时，压边力与反顶力分别为：fbh11，fcp11。

依次类推，可以得到11组压边力与反顶力的数值，将11个数据点进行拟合，即可得到冲裁过程中的压边力和反顶力的加载曲线，使材料在这样的加载下，可以实现抑制裂纹萌生的效果，获得全光亮带的精冲零件。

是在仿真过程中，发现当凸模2行程超过板厚1/3时，压边力对静水应力影响减弱，在之后行程减小压边力，在达到临界静水应力的效果下，可以起到节能的作用。

综上所述，本发明提出了一种基于裂纹萌生控制的增塑精冲成形工艺设计方法。目前传统的精冲工艺分为压边和冲裁两个过程，在冲裁过程中，一般是根据经验设置一个恒定的压边力与反顶力，完成冲裁过程。在设置压边力与冲裁力时，考虑到保证冲裁质量的前提下，这个力通常是大于成形所需要的力，这样就会造成能源的浪费与模具的磨损加剧。本发明提出了一种基于裂纹萌生控制的增塑精冲成形工艺设计方法，依据材料断裂准则，反求材料在一定应变下产生断裂的临界静水应力。精冲冲裁过程中，压边力和反顶力根据所求静水应力在整个冲裁行程中可调，使材料始终处于断裂临界值以下，完成冲裁过程。这样既能保证成形零件的表面质量，又可以减少能源消耗，增加了模具的使用寿命，获得良好的综合经济效益。本发明不仅适用于低强度高塑性的软钢材料全光亮带精冲成形，更适用于高强度低塑性难变形材料的全光亮带精冲成形。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。