钣金行业的模具成本在制造一个组件的总成本中占相当大的比例。因此，必须通过确保工具在生产中长时间不间断地工作来降低成本。实现这一目标的一种方法是在冲孔/冲裁过程中减小刀具上的应力。

本文利用有限元技术对这一问题进行了研究。开发了各种冲孔/冲裁刀具的三维有限元模型，这些模型能够分析刀具几何变化对冲孔/冲裁力和冲头变形的影响，根据制造部件的精度，与工具性能评估高度相关的参数。该模型还适应了刀具材料特性的变化，即高耐磨刀具通常由其切削轮廓周围的硬质合金刀片组成。有限元模型的计算结果与美国制造工程师协会（SME）的设计标准进行了核对。对如何提高冲裁工具的效率提出了一些建议。

介绍

经验表明，钣金行业的模具成本在制造一个组件的总成本中占很大一部分，因此，通过确保工具能够长时间不间断地工作来降低这一成本是至关重要的。为实现这一目标，生产工程师有以下选择：（i）使冲压/冲裁操作中使用的成型机床的挠度最小化；或（ii）将用于成形机上的模具组的偏转最小化；或（iii）减小冲孔/落料工具上的应力；或（iv）将上述三种选择结合起来。第（i）和（ii）项中的选项

文献调查表明，目前还没有理论或精确的经验关系可以帮助工具使用者合理选择刀具参数，使刀具在使用过程中变形最小，从而提高刀具寿命，提高产品质量。

为了减少工具上的应力，从而使较厚或更具抵抗力的坯料在同一台压力机上冲孔，或允许使用额定值较低的压力机，通常采用表面带有地面浮雕的冲头或模具。据报道[7,8]冲孔/冲裁力随刀具面上剪切力的不同而变化。然而，对于工具使用者来说，关于如何在实践中根据给定产品所需的冲孔力来选择剪切释放量的信息很少。

本文应用有限元技术对各种冲头的设计进行了分析，特别注意其切削断面。通过对冲头进行有限元分析得到的结果，可以得出有关在实际中选择冲头的具体结论，以使冲头的变形最小，并减少冲头上的应力。

2冲头造型

冲头的几何形状如图1所示。在本分析中，考虑了直径D和D2相交处附近提供的凸模圆角，以表示实际的元件几何结构。图2显示了有限元模型中冲孔点的节点表示，而图3描述了所考虑的不同冲头的节点表示。

长-61.34毫米

图1。具有各种冲压形状和段塞的冲头配置。

图2所示的穿孔点的节点坐标如表1所示。对于由表1中坐标定义的每个元素，在第二、第三和第四象限将有一个对称放置的元素，以这样的方式：

定义一个平行表面称为a表面是很方便的，它被放置在距离O表面沿Z轴的距离S处（图。4（a）和4（b））。这个表面上的点是通过对O表面上的点进行轴向运动而得到的。A面上与O面上的点相对应的点（Xa，Ya，Za）应为

方程2用于生成冲头有限元模型的节点数据，

图2。穿孔点几何图形的节点表示。

                                                             打孔2冲压3

图3。冲头的有限元模型：（1）平面冲头；（2）平衡凸剪冲头；（3）凹剪冲头；（4）单向冲头；（5）倒杯形冲头；（6）圆周刃口周围烧结硬质金属冲头。

表1

O型面上冲孔点的坐标

节点号坐标

XO=O，

Xo=Dl/2（DI/2 tan 4）

18        0  Xo=D/2 cos8，Yo=D/2，（D/2棕褐色

19          7t/8+（D/2 cos 9棕褐色

20          7吨/4

21

22       信息技术/2

是剪切角，如图9所示，9在图2中定义。

^一表示穿孔2和穿孔3，而方程式中没有第二项。

^b参考第4章，包括第一个术语。

O

甲b

图4。砖块配置和8节点单元，用于冲压1、6（a）和冲压2（b）。

图4显示了第一个象限的元素和第二个象限中对应的砖形式。在建立冲头的有限元模型时，将相似单元及其对称单元叠放到冲头高度。

图5说明了获得冲头变形的过程，其中需要提供材料特性、边界条件和载荷条件作为模型的输入。变形冲头1和4的视图如图6所示。

2.1条。边界条件

在冲头上施加推力时，包含冲头和冲床上盖的模架顶板倾向于偏转[6]。因此，承载冲头的模组的顶板跟随压力机顶部头部的横向运动。为了考虑这些运动，冲头顶面上的节点应被赋予一个规定的位移量，该位移量相当于冲头部分模具的偏转量。本文的主要目的是分析具有各种设计特点的冲头的刚度特性，因此将冲头的顶面固定是完全合理的。因此，边界条件相当于简单地将顶面上的节点设置为零（见表2）。

2.2条。冲压载荷

为了分析冲头的变形，定义了与冲孔载荷相对应的静载荷。应提供冲头材料的杨氏模量和泊松比。当假设冲孔力学基于纯剪切时，瞬时冲孔力Fp（见图7）如参考文献[6]所示：

图5。有限元程序。

冲压件1冲压件4

图6。变形冲头视图。

表2

设置冲头顶部表面节点的规定位移

节点号规定位移（mm）

图7·加载冲头的切削刃。

=、D hC[kln（/）英寸

因此最大力

（4）忽略摩擦的影响时。

从塑性失稳理论可以很容易地看出，材料的抗拉强度可以用以下公式表示：

（五）

或

0B=Ce欧元0[n/e]n（6）

如果存在初始变形。（等式）的表达式的替换。（5） ）在等式中。（4） 呈现：

pmax=Tt D ho kf（7）

式中，k n 3表示冲孔中的剪切系数。对于描述变形几何量ho/h与整个剪切带中实际存在的有效变形的某个平均值之间的关系，参数k近似为一个常数。参数Ho和H分别是初始和瞬时的厚度，C是应力特性，N是应变硬化指数，是毛坯材料的极限抗拉强度，D是冲头的直径。

参照图7，单位长度上的径向分量摩擦力Fx（=-VFp）、Fy（=AFP）和推力分量FZ（=Fp）可以确定为：

sin0 0 0

                         0 cos9 0（8）

式中，9以度为单位，定义了XY平面中冲头圆周上节点荷载的位置（图。2或8）。

由于冲头点剪切角为（图9），适用于冲头2和冲头3的径向分力Fx和轴向或推力分量Fz以及单位长度的法向力（Fn=Fp）为

sin0 0 00 sin“0（9）

                               0 0秒

对于适用于冲孔4的情况，这些力如下：

正弦o 00 sin“0

                       0 0秒

现在考虑了切削刃上三个节点的法向压力分布。如果Fp是从r分布到r的负载，如图。

图8。径向变形。

图9。在图10所示冲头的切削刃上施加载荷。荷载分布。剪切角p。

10，8节点单元在Fp方向上的三个节点荷载如下所示：

=FpR

其中，r/r载荷Fx、Fy和FZ必须根据等式分配到切削刃上的节点。（11）。

表3

切削刃表面的节点载荷

对于数值计算，使用以下冲压和坯料几何形状：冲孔直径d＝12 mm；坯料厚度Ho＝6 mm；毛坯材料的极限拉伸强度＝520 N/MM2；2.92（EQN）之后。（7） ）；应变硬化指数n=0.264；b=R-R=（2-3.5）〇如文献[8]所示；模具与冲头之间的间隙为0.1 ho；摩擦系数u=0.10。

对于钢，杨氏模量为210 GPa，泊松比为0.3；而对于硬质金属，这些量分别为500 GPa和0.22。

代替式中给出的压力分布。（11） 变成等式。（8） —（10）得到0.666的1、10和26处的节点力（图2），如表3所示。冲头1、2、3、5和6的模型由184个线性六边形单元组成，而冲头4的模型由183个线性六面体单元组成。

三。变形冲头

凸模的节点变形用u、v和w表示，分别是x、y和z分量的位移。冲头的最外层节点（例如节点编号25）的位移很有意义，因为这与刀具性能直接相关，径向位移AR表示切削时冲头尺寸和位置的变化。参考图8，AR精确地由

-R

4. 结果

在对冲头的设计参数进行调查之前，

需要对有限元模型的可靠性进行评估。为了使有限元模型有效，必须将模型结果与实验结果或其他人建立的实验数据进行比较。在这种情况下，与刀具变形直接相关的有限元力模型将与美国制造工程师协会（SME）[7]和Ramanovsky[8]提供的实验力数据进行比较和检查。

4.1.  冲压载荷评估

在图11中，显示了作为剪切角4函数的冲头载荷的结果，从中可以看出，冲头载荷FZ随着剪切角（或剪切高度）的增加而逐渐减小，而冲头载荷Fx和Fy随着剪切角的增加而急剧上升。将有限元模型与有限元模型的计算结果进行了比较，结果表明有限元模型具有较好的相关性，从而验证了有限元模型的有效性。结果还强调，如果使用具有单向剪切的冲头，例如冲头4，冲头载荷或Fy或两者的组合可能对刀具性能产生严重影响（图12）。

4.2.  工具设计注意事项

从机床用户的角度来看，生产中的工装方面，如刀具故障和制造部件的尺寸精度恶化，尤其重要。如果使用特殊设计的冲头（图1），工具的性能将大大提高。因此，冲头的设计参数，如剪切卸压角

剪切角

图11。冲头荷载与剪切角p。

                                                                剪切角[度]

图12。径向挠度与剪切角p。

在冲头的表面上，切削轮廓的形状和刀具材料的特性，都是令人感兴趣的。

图13显示了各种工具的径向刚度。冲头2、3和4的剪切角4为22.50，而冲头1、5和6的剪切角为4=0 0。结果比较表明，采用平衡凸剪的冲头2可提高刀具性能。结果表明，如果零件的尺寸精度要求很高，并且要冲孔更厚或更耐冲击的坯料，则使用冲头2最为理想

在同一家媒体上。

图14描述了不同类型冲头在上述剪切角下的轴向刚度，结果对比表明冲头6优于所有其他类型的冲头。结果表明，如果冲头不承受偏心载荷，则在环形切削刃周围使用烧结硬质合金的冲头6可能是非常理想的（见图13）。

冲头2、3和4的径向挠度AR与剪切角4的关系如图12所示。结果分析表明，剪切角在17 0-22 0之间时，冲头2和3的径向变形最小，这意味着剪切角为20 0的冲头2和3可以安全使用，以满足由一系列材料制成的部件的公差标准[7-9]铝合金、黄铜、冷轧钢和不锈钢。冲头4的径向挠度随剪切角的增大而恶化。这个

图13。径向刚度与冲头类型。

图14。轴向刚度与冲头类型。

1

图15。主主应力与比值Z/L。

结果还表明，对于冲头4，单向剪切的剪切角大于20-30是不可取的，因为这可能会导致部件的尺寸精度受损。这清楚地强调了冲头设计的重要性，无论是对于刀具寿命还是在保证待制造部件的尺寸精度方面。

图15显示了冲头1、2、5和6的主主应力，作为冲头无量纲参数Z/L的函数，其中Z是沿冲头轴向长度的圆周表面上一点的可变位置，L是冲头的总长度。结果表明，在冲头刃口附近，应力达到最大值，并随Z/L比值的增大而急剧下降。结果比较表明，如果使用带平衡剪切的冲头2，刀具上的应力降低程度有所改善。

5结论

（1）目前关于冲头设计的研究已经发展出各种类型冲头的三维有限元模型（图1），并证明了这些模型在解决涉及一系列设计参数的实际问题方面的有用性。

（2）具有平衡凹凸剪切的冲头的径向变形在17 0-22 0剪切角范围内有最小值，这表明在实际应用中可以安全地提出20 0的剪切角。

（3）在所有类型冲头的刚度特性评估中，具有平衡凸剪切的冲头2表现出最佳性能（图。13和15），建议在实践中合理地推荐这种类型的冲头，以减少刀具上的应力，从而使较厚或更耐冲击的坯料在同一台压力机上冲孔，或允许使用较低额定压力。

（4由于压力机上的非对称载荷引起的偏心是冲孔/冲裁过程中的一个重要因素[6]，因此选择凸剪切平衡的冲头2相对于冲头6，在其周向切削刃周围烧结硬质金属，是显而易见的（图11），尽管冲孔6的轴向刚度比冲头2具有更大的竞争优势。