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提高微型冲裁冲模寿命和零件质量第四章:冲裁过程中冲头、板材和卸料板的相互作用

时间:2021-07-06 16:04:30 作者:锌达铖机械 点击:

本研究的第一步是对高速冲裁的基本原理有一个很好的了解。为了能够为高速冲裁设计坚固的模具,了解在不同的冲床操作速度下模具和板材之间的相互作用是很重要的。研究了不同冲裁速度下冲头、卸料板与板材的相互作用。由于冲头与脱料板之间的间隙一般很小,只有几微米左右,在小型电子元器件的冲裁中,研究冲头与脱料板的相互作用具有重要意义。冲裁速度对冲裁载荷和反向载荷的影响也是需要很好理解的重要因素。

4.1. 接近

本研究本节采用的技术方法如下:

20mm/sec1600mm/sec的冲裁速度进行冲裁试验。

确定冲裁速度对冲裁力、反向加载和脱模冲头相互作用的影响。

在准静态条件下使用DEFORM 2D进行冲裁有限元分析,并将模拟结果与实验结果进行比较。

结合实验结果和有限元分析,开发一种获得材料高应变率相关流动应力数据的方法。

 

4.2. 不同冲裁速度下冲头加载的实验研究

在不同的速度下进行冲裁实验,以了解冲头的载荷和冲头的位置-

剥离器相互作用。

4.2.1. 实验装置

实验装置将在以下小节中解释。

4.2.1.1. 压力机和工具

实验在超高速机械精密压力机上进行,压力机容量为30公吨,行程为13mm

用于实验的工具如图4.1所示。

本研究使用直径为1.5mm的圆形截面冲头。它是由碳化钨(WC)制成的。在相同的冲头速度下,采用32.74mm37.26mm两种冲头,获得不同的冲裁速度。冲头通过螺钉安装在压电传感器上,压电传感器通过螺钉固定在冲头座上。

卸料板是弹簧加载的,见图4.1。在柱塞通过压杆进行底部运动期间,弹簧对卸料板施加力。剥离器板和坯料之间最初有一个小间隙。弹簧首先向下移动剥离器板,以开始与坯料接触,然后在柱塞进一步向下移动期间施加压力。在柱塞向上运动期间,卸料板释放压力,两个回位弹簧(从模具侧)将卸料板提升到其原始位置。这将使饲料的股票。

4.2.1.2. 库存材料

坯料为磷青铜合金,C51100,厚度为0.2mm。该材料的流动应力数据来自胀形试验,如图4.14所示。

 

图4.1:冲头力测量的实验装置 

4.1:冲头力测量的实验装置

 

4.2.1.3. 传感器

激光传感器 

采用Keyence-LK-H057型激光位移传感器测量柱塞位移。

压电式力传感器

采用压电传感器测量冲头力。如图4.1所示,冲头穿过传感器,传感器安装在冲头座上。传感器来自PCB压电电子元件,型号221B03

4.1总结了工装参数。冲模间隙为板材厚度的6.5%13µ. 可见,冲头脱模间隙仅为3µ, 这是一个非常紧密的间隙,特别是在高冲压速度。通过计算冲头接触板材时的弹簧力并除以剥离器板的面积,获得1.3MPa的剥离器压力。

 

 

 

4.1:实验中使用的工装参数

参数

价值

打孔


-          材料

-          直径

-          长度


碳化钨(WC

1.5毫米

i32.74毫米(二)37.26毫米


工作表

C511000.2mm

汽提塔压力

1.3MPa

冲模间隙

13µ (6.5%板材厚度)

冲头剥离器间隙

3.µ

 

 

4.2.2. 实验程序

进行了冲裁试验,测量了不同冲裁速度下,冲裁过程中冲头所受的力。研究3例(ABC)。表4.2显示了每种情况下使用的实验参数。每个病例的每个速度至少记录20个读数。数据采集速率范围为50–250 KHz,具体取决于压力机速度。用压电传感器测量冲头力,用激光传感器测量冲头位移。

 

 

 

 

 

 

4.2:用于测量冲裁过程中力的实验参数


案例A

案例B

案例C

冲头与板材接触的BDC距离(mm/冲头长度(mm

0.86/32.74

0.86/32.74

5.38/37.26

测试冲头速度范围(mm/sec

20-800

20-465

40-1600

脱模器在冲压过程中固定板材

是的

(约1.3MPa

没有**

 

*钉住是指通过施加力将板材压下

**虽然脱料板正在钉住薄板,但冲头太长,以至于在穿过薄板后发生了钉住。

 

4.2.3. 实验结果分析方法

记录不同速度下的冲头位移和冲头力。当数据在较高的消隐速度下有噪声时,使用MATLAB中内置的低通巴特沃斯滤波器进行消隐。如图4.2所示,连续记录每个速度下的冲头位移和冲头力。

 

 

图4.2:冲头力和冲头位移(连续记录多个行程) 

 

4.2:冲头力和冲头位移(连续记录多个行程)

 

通过考虑上止点和下止点的最大和最小闸板位移,将连续曲线分成不同的行程。

在卸料器加载和卸载期间,最大冲裁力和冲头上的最大力在所有冲程上取平均值,并根据速度绘制测量值。然而,为了显示冲裁循环中测得的所有力,选择一个冲程(随机)来表示每种速度下作用在冲头上的各种力。这种方法比任何用于平均力的平均技术都要好,因为平均过程中会损失振动幅度和最大冲裁力。

冲头力和冲头位移根据标准化时间绘制,其中

标准化时间=瞬时时间/冲程总时间。因此,每个冲程的标准化时间从01不等,与压力机速度无关。

4.2.4. 结果

对不同速度下测得的力和柱塞位移进行了分析。中的图

4.3、图4.4和图4.5分别解释了ABC情况下冲头所受的不同力。

在对应于案例A的图4.3中,剥离器板随后在~0.3标准化时间处钉住材料。使用剥离器弹簧和压杆将剥离器板固定到材料上。当柱塞向BDC进一步向下移动时,脱扣器弹簧压缩,对脱扣器板施加压力。这会导致一些振动被引入剥离器弹簧,从而导致剥离器板。由于冲头和剥离器板之间的间隙非常小,剥离器板的振动反过来对冲头施加横向载荷。当冲头穿过材料时,在大约0.43标准化时间看到的尖峰是冲裁载荷。当冲头接触板材并迫使其自身穿过板材时,它会弹性压缩。当板材发生断裂时,冲裁载荷几乎瞬间下降,释放了存储在冲头中的弹性能。冲头返回到其原始状态,并在张力中稍微过冲,这由图4.3中的卡扣或反向加载表示。在冲头进一步向下运动的过程中,由于冲头侧面在板材上的摩擦,摩擦力施加在冲头上。摩擦力在下止点改变方向。在大约0.68标准化时间,卸料板松开,即弹簧放松,通过模座上的回缩弹簧将卸料板推回其原始位置。这会导致系统产生一些振动,类似于~0.3标准化时间时的振动。

 

 


冲裁力情况A–冲裁速度465mm/冲压力情况A-1400 SPM

图4.3:以465mm/秒的冲裁速度冲裁情况A时冲头上确定的力 

4.3:以465mm/秒的冲裁速度冲裁情况A时冲头上确定的力

 

4.4显示了为案例B测量的冲头力,其中剥离器板未用于固定板材。因此,在这种情况下,没有观察到脱料板-冲头的相互作用。记录了冲裁载荷、反向载荷和冲头上的摩擦力。虽然在实际生产中使用了脱料板,但为了了解钉扎板材对冲裁负荷的影响,在其他条件相同的情况下,为了实验目的,将脱料板去掉。

 

 

 

冲裁力情况B-冲裁速度465mm/冲压力情况B-1400 SPM

图4.4:以465mm/秒的冲裁速度冲裁情况B时冲头上确定的力 

4.4:以465mm/秒的冲裁速度冲裁情况B时冲头上确定的力

 

4.5显示了在使用较长冲头的情况下,为案例C测量的冲头力。因此,冲头在剥离板钉住材料之前首先穿透板材。虽然这在现实中并不常见,但使用较长的冲头可以获得较高的冲裁速度。因此,在比情况AB更高的速度下,记录了冲裁速度对力的影响。

 

冲裁力情况C-冲裁速度930mm/sec冲压力情况C-1400 SPM

图4.5:冲裁速度为930 mm/sec的情况C冲裁过程中冲头上确定的力 

4.5:冲裁速度为930 mm/sec的情况C冲裁过程中冲头上确定的力

 

4.2.4.1. 速度对冲裁载荷和反向载荷的影响

速度(因此应变速率)是影响冲裁力的一个重要参数。研究了各种冲裁速度对冲裁载荷的影响,如图4.6所示。下料所需的力在40mm/sec时为378N,在1616mm/sec时为522N。在所研究的速度范围内,负载增加了38%C51100是一种铜合金,与钢相比具有很高的导热性;因此,冲裁过程中产生的热量在板材中迅速散失。这样可以防止板材中的温度升高。因此,下料载荷受应变速率的影响比温度的影响更大

C51100型。


速度对最大冲裁力的影响

图4.6:冲裁速度对最大冲裁力的影响 

与板材接触瞬间的冲头速度(mm/sec

 

4.6:冲裁速度对最大冲裁力的影响

 

有趣的是,冲头上的反向载荷也随着速度的增加而增加,如图4.7所示。

当冲裁速度为20mm/sec时,反向载荷为冲裁载荷的13.5%,当冲裁速度为808mm/sec时,反向载荷为冲裁载荷的40%。这是因为冲裁过程中储存在冲头中的弹性力在较高的速度下会突然释放。这强调了冲头和其他工具的设计需要吸收反向载荷,而不是将其转移到压力机的构件上。冲头上的阻尼器可用于降低反向载荷。卸荷曲线角度与压力机和模具刚度之间的关系如所示

[郭等,1998]。这可用于降低工具上的反向负载。

冲头最大反向载荷

图4.7:冲裁速度对冲头最大反向载荷的影响 

与板材接触瞬间的冲头速度(mm/sec

 

4.7:冲裁速度对冲头最大反向载荷的影响

 

4.2.4.2. 脱料板钉扎对冲裁载荷的影响

在情况a(剥离器板容纳板材)和情况B(剥离器板不容纳板材)之间,冲头负载差别非常小。情况A显示更高的负载,因为(i)在两种情况下取出并放回工具时出现实验偏差,或(ii)在情况A中,当剥离器压力固定材料时,板材处于压缩状态,并略微应变硬化。因为薄板材料在情况A中比在情况A中更硬

BA情况下,冲裁载荷增大。

脱料器钉扎对最大冲裁力的影响

图4.8:脱料器固定对最大冲裁力的影响 

4.8:脱料器固定对最大冲裁力的影响

 

4.2.4.3. 速度对汽提塔板振动的影响

脱料板钉扎过程中的振动幅度主要受弹簧特性的影响。如图4.9所示,最大振幅出现在~933mm/sec的冲裁速度下。钉扎过程中的振动幅度显著低于未钉扎过程。图4.10表明,脱钉过程中的振动幅度在很大程度上取决于压头速度。高速冲裁时冲裁力的幅值达到1300N。冲头的侧面会经历这些振动。对于细长冲头来说,这是一个值得关注的问题。因此,重要的是减少剥离器板的振动,并将目前存在的剥离器--冲头相互作用降至最低。

 

脱料板固定期间冲头上的最大力

图4.9:钉扎过程中脱料板振动时速度对冲头载荷的影响 

                0          200         400         600         800        1000       1200       1400       1600       1800

                                       卸料板脱钉瞬间的冲压速度(mm/sec

4.9:钉扎过程中脱料板振动时速度对冲头载荷的影响

 

图4.10:脱钉过程中脱料板振动时速度对冲头上载荷的影响 

4.10:脱钉过程中脱料板振动时速度对冲头上载荷的影响

 

4.2.4.4. 冲裁曲线分析及其与零件边缘质量的关系

冲裁载荷曲线可分为不同的段,如图4.11中情况A所示。曲线的初始部分(a-b)对应于冲头、模具和板材的弹性挠度。曲线的下一部分(b-c)对应于侧翻和剪切,0.02mm的初始线性截面对应于侧翻,其余部分对应于剪切。剪切截面中曲线的形状由板材的机械性能决定。如果板材应变变硬,曲线往往保持几乎平坦。这是因为待切割板材厚度的减小被板材变形区域的应变硬化所补偿。剪切之后是材料的断裂,如曲线中的区域“c-d”所示。力的突然下降导致冲头反向加载,如区域“d-e”所示。

 

实验获得的60 SPM下的冲裁载荷

图4.11:(左)60 SPM下的下料负荷曲线(右)毛坯边缘轮廓 

4.11:(左)60 SPM下的下料负荷曲线(右)毛坯边缘轮廓

 

4.2.4.5. 速度对毛边质量的影响

4.12显示了使用平冲头的情况A的毛边。毛坯边缘质量随速度变化不大。剪切带与断裂带在不同速度下保持相同的比率。总的来说,可以得出结论,在C5100材料的冲裁过程中,当速度从20毫米/秒到1616毫米/秒时,冲裁边缘不会随速度变化很大。

 

图4.12 

4.12:在不同的下料速度(从左到右)(i187mm/secii500mm/seciii875mm/sec和(iv1250mm/sec下获得的情况A下的下料边缘

 

4.13显示了在从40mm/sec1250mm/sec的不同冲裁速度下获得的剪切边长度非常小(10%)的增加。虽然落料速度对剪切带的长度有影响,但在所研究的速度范围内影响不大。

 

冲裁速度对剪刃长度的影响

图4.13:冲裁速度对剪切长度的影响 

                      下料速度(mm/sec 

4.13:冲裁速度对剪切长度的影响

 

 

4.3. 冲裁的有限元模拟

虽然用有限元方法模拟冲裁过程比较普遍,但模型的精度取决于材料的流动应力曲线、热性能、用于预测裂纹的损伤计算等输入数据。冲裁是一个非常高的变形过程,必须发生断裂才能完成操作。板料变形区的应力应变达到很高的水平。

4.3.1. 模拟设置

本节解释了用于冲裁有限元模拟的板材性能和模具参数。

4.3.1.1. 板材特性

本研究使用0.2mm厚的C51100(磷青铜合金)板材。

材料性能是通过粘性压力膨胀试验(在精密成形中心进行,如图4.14所示)和拉伸试验数据获得的[Ling1996]。板材经历高应变变形。在这些高应变下,应力-应变关系是未知的。因此,在外推期间保持恒定值。

        

 

图4.14:模拟中使用的C51100流动应力数据 

4.14:模拟中使用的C51100流动应力数据(实验-通过粘性压力膨胀试验获得)

 

断裂准则和损伤值 

有限元模拟中的断裂起始点由模拟中应用的延性断裂准则表示。方程4-1显示了用于表示大多数断裂准则的一般形式,以估计损伤值C。根据断裂准则,函数“f”被建模为最大主应力、有效应力或其他变形参数的函数。 

函数“f”被建模为最大主应力、有效应力或其他变形参数的函数

哪里为有效应变,C为损伤值

在韧性断裂萌生模拟中,需要考虑变形历史。在大多数情况下,结合应力和应变历史的韧性断裂准则用于预测断裂萌生。

如果方程式4-1左侧的积分在模拟过程中达到临界损伤值(CDV),则在模拟过程中开始延性断裂。在冲裁过程中,这种起爆决定了剪切带和断裂带的高度。将毛坯边缘的实验和模拟结果进行比较,以确定每种材料的临界损伤值(模拟中剪切和断裂带的长度必须等于实验中剪切和断裂带的长度)。

提出了各种韧性断裂准则。由[Weidenmann等人,

结果表明,Rice&Tracy损伤准则最适合模拟冲裁过程中的断裂。因此,本研究采用这一标准。将实验得到的毛坯边缘(剪切带和断裂带长度)与模拟结果进行比较,确定了临界损伤值。

Rice&Tracy标准,如当前研究中使用的等式4-2所示

4-2

α = 0.3Rice&Tracy常数)C=17(临界损伤值)

4.3.1.2. 几何设置

下料工艺示意图如图4.15所示。表4.3中使用了图4.15所示的符号,给出了模拟中使用的工具和板材的尺寸以及参数。

表4.3模拟中使用的参数和值 

 

4.3模拟中使用的参数和值

参数

价值

板材和厚度‘t’

C511000.2 mm

冲头直径“dp”

1.5毫米

冲孔拐角半径'rp'

0.0127mm0.005in

剥离器直径'db'

1.506毫米

模具直径'dd'

1.526毫米

模具拐角半径'rd'

0.0127mm0.005in

汽提塔压力('fb'/面积)

4兆帕(580/平方英寸)

冲模材料

碳化钨(WC

冲孔速度

行程功能(图4.16

摩擦系数

0.1

 

 

其他模拟参数和边界条件见表4.4。图4.16显示了模拟中使用的消隐速度的近似值。由于它是一台机械压力机,如果已知任何一台SPM的速度,则可以计算出其他SPM的速度。

 

4.4:模拟参数和边界条件

对象

模拟参数和边界条件

打孔

-  刚体

-  如果要计算应力,弹性材料E=650GPaWC

板材

-  塑料车身

-  轴对称的

脱模器

-对应于4 MPa压力的力

 

 

 

图4.16:(顶部)作为冲程函数的柱塞速度(正弦波形)(底部)近似于与板材接触的0.2mm长度的直线 

4.16:(顶部)作为冲程函数的柱塞速度(正弦波形)(底部)近似于与板材接触的0.2mm长度的直线

 

板材变形区的网格对于预测(i)冲头上的应力和(ii)板材中的断裂起始和扩展非常重要。对于厚度为0.2 mm的薄板,变形区中沿薄板厚度约有100个元素。图4.17显示了变形区薄板中的网格分布。

 

 

图4.17:(顶部)冲裁模拟设置(底部)下料接口处薄板网的放大图 

4.17:(顶部)冲裁模拟设置(底部)下料接口处薄板网的放大图

 

 

4.18显示了冲头穿透板材的不同阶段。冲头首先接触板材,然后在板材中引起翻滚和剪切。经过一段剪切后,板材开始断裂。在断裂结束时,毛坯与蛞蝓分离。这一过程,发生在现实中的消隐,是复制在模拟。

 

图4.18:冲头穿透板材的不同阶段 

4.18:冲头穿透板材的不同阶段

 

4.3.2. 实验结果与模拟结果的比较

在相同的冲模间隙、冲模尺寸、卸料器压力、毛坯材料和厚度等参数下,将模拟得到的冲裁边区域和载荷-行程曲线与实验得到的曲线进行了比较。

4.3.2.1. 比较毛坯边缘区域以验证用于板材的损伤模型

4.19显示了如何在模拟和实验毛坯边缘区域中测量不同区域。表4.5比较了实验和模拟情况下不同区域的长度。模拟结果与实验测量结果基本一致。剪切带和断裂带的变化可能是由于模拟中使用的断裂模型造成的。临界损伤值决定了板料裂纹萌生的瞬间,进而影响板料的剪切带和断裂带长度。因此,在模拟中使用的断裂(损伤)模型和临界损伤值似乎足够精确,可以在未来的模拟中使用。

 

图4.19:实验和模拟冲压件边缘的比较 

4.19:实验和模拟冲压件边缘的比较(Zb–毛刺,Zf–断裂带,Zs剪切区,Zr–翻转区),用于下料0.2mmC51100材料,1.5mm直径孔

 

4.5:实验和模拟毛坯零件边缘的比较

区域

模拟米)

实验*(µ米)

翻滚(Zr

22

10

剪切力(Zs

105

100

断裂(Zf

71

84

*从数字显微镜拍摄的照片中测量剪切和断裂。翻滚区域根据图片估算。

 

4.3.2.2. 板料流动应力模型的载荷-行程曲线验证

模拟和实验负载-行程曲线之间的比较如图4.20所示。虽然模拟和实验得到的最大冲裁载荷相差不到10%,但曲线的形状却有很大的不同。实验载荷-行程曲线在约0.05mm行程处达到最大值,并且几乎保持不变,直到开始断裂,之后载荷突然下降。然而,在模拟中,载荷达到最大值,并在断裂开始前随行程明显下降。在断裂过程中,观察到载荷突然下降。由于模拟中用于板材的流动应力曲线不同,这些曲线彼此不同。薄板中的应变远高于1,而流动应力曲线只有在应变<1时才有数据。高应变下的应力是外推的,外推的准确性不得而知。因此,通过模拟和实验得到的负载-行程曲线存在差异。这种差异可以通过改变薄板材料的流动应力曲线来解决。下一节将介绍一种获得材料在高应变和不同应变率下的流动应力数据的方法。

冲裁载荷-行程曲线的比较

模拟和实验

图4.20:从实验和有限元模拟获得的冲裁载荷-行程曲线的比较 

 

4.20:从实验和有限元模拟获得的冲裁载荷-行程曲线的比较

 

4.4. 高应变率材料模型的发展

在高应变率(高达104 s)下,高应变(高达4)的流动应力数据必须可用−1) 温度(200°C甚至更高),以精确模拟冲裁过程。如果用传统的拉伸和压缩试验不能可靠地获得这些数据,那么这些数据是很困难的。

通常使用高速霍普金森杆压缩试验,但这些试验是:(a)困难和昂贵的进行,(b)只能提供有限应变(约1.5)的数据。扭转试验也可用,尽管它们不像拉伸和压缩试验那样被广泛接受和使用。为了获得材料的流动应力数据,目前还没有扭转试验的试验标准。此外,试样应为实心或空心圆柱体[Sartkulvanich et al2004]等人提出了一种通过金属切削(加工)获得Johnson-Cook参数的方法,该方法采用实验和有限元分析相结合的混合方法。

由于上述方法提供的数据不足以进行冲裁有限元分析,或涉及繁琐的试验程序,因此本文提出了一种通过冲裁试验获得材料流动应力数据的方法。此外,通过模拟(并具有与实际变形过程相似的应力状态)的试验获得流动应力数据通常更为准确。以下方法用于通过冲裁获得流动应力数据。

下料试验和有限元分析在低速(20mm/秒切削速度)下进行,对应于变形区~500sec-1的应变率。

使用4.4.1.1中说明的方法获得低应变率下材料的流动应力数据

使用低应变速率下获得的流动应力数据,并使用中说明的方法

4.4.1.2获得了高应变速率下的流动应力曲线。

该方法还考虑了温度对材料流动应力数据的影响。

本方法中作出了以下假设/近似值。

板材中的应变分布不随冲裁速度(应变率)而变化。

应变速率在整个冲裁过程中近似为一个常数,仅随冲裁速度变化,因为随速度的变化远大于过程中的变化。

板材和冲头/模具之间的摩擦对冲裁力的影响可以忽略不计。CoF值为00.2时,冲裁力相差2%。因此,一杯咖啡

有限元模拟采用0.1

4.4.1. 方法说明

4.4.1.1. 在低应变率(~100 sec-1)下获得应力应变数据的方法

4.21中的流程图显示了获得准静态冲裁条件下流动应力曲线的建议方法。由于在准静态冲裁中只有很小的温度升高,所以没有考虑温度效应。该步骤使用拉伸试验或双轴试验获得的流动应力曲线,并外推到更高的应变,以便进行冲裁的有限元分析(4.4.2节给出了一个示例,说明

方法适用于特定材料。)

总的想法是比较力-行程曲线从实验和模拟在小的行程增量。在每一步,如果从实验和模拟得到的力不匹配,则针对对应于该冲程点的特定平均有效应变修改流动应力曲线。

 

图4.21:通过低应变率下的冲裁试验获得流动应力曲线的流程图 

4.21:通过低应变率下的冲裁试验获得流动应力曲线的流程图

 

图4.22:在变形区取的点平均应力、应变和温度值 

4.22:在变形区取的点平均应力、应变和温度值

 

4.4.1.2. 在高应变率下获得应力应变数据的方法(以103–105 sec-1的顺序)

高应变速率流动应力数据可通过结合图4.21中获得的流动应力数据和较高速度下的实验冲裁力曲线来计算。图4.23所示为确定高应变率相关流动应力数据的简单程序。该方法不考虑温度的影响,因为最大冲裁力出现在冲裁开始时,此时温度的影响很小,可以忽略不计。这也有助于分离材料流动应力的应变率效应和温度效应(4.4.4节给出了C51100在较高应变率下的力-行程曲线示例。)

这里,流动应力曲线的比例因子等于高应变率下的最大冲裁力与准静态条件下的最大冲裁力之比。

 

图4.23:使用更高应变率的冲裁试验绘制流动应力曲线的流程图 

4.23:使用更高应变率的冲裁试验绘制流动应力曲线的流程图

 

4.4.2. C51100的方法学评估(使用模拟和实验结果)

采用第4.4.1节中说明的方法获得了C51100在准静态和高应变率条件下的流动应力曲线。在变形区进行了对应于约102-104sec-1应变率的实验。并进行了相应的有限元分析比较。

4.4.2.1. 实验装置和程序

300kn高速机械压力机上进行了冲裁试验。本研究中所用工具的详细信息如表4.1所示,示意图如图4.1所示。剥离板是弹簧加载的。使用压电传感器测量冲头力

221B03来自印刷电路板压电电子元件)和冲压位移测量使用凯恩斯LKH057激光位移传感器。数据采集速率范围为50–250 KHz,具体取决于压力机速度。

实验得到了冲裁速度为20mm/s1600mm/s时的载荷-行程曲线。每个测试速度至少记录20个读数。实验装置、条件和结果的更多细节见4.2。图4.27显示了获得流动应力曲线的方法中使用的实验中的冲裁速度。

4.4.3. C5100在准静态条件下的流动应力曲线

4.21流程图中说明的方法用于获得低应变率下的流动应力曲线。以下各节给出了该过程的详细信息。

4.4.3.1. 模拟设置

本文采用deform2d软件对冲裁过程进行模拟。由于该过程发生在很短的时间内(几毫秒),热传递到模具是可以忽略的,因此在模型中没有考虑。考虑了板材内部的温升和热传导。对实验参数如表4.1所示,冲裁速度为20mm/sec的冲裁过程进行了有限元分析。模拟中使用的其他参数如表4.6所示。

 

 

4.6:模拟中使用的参数-通过消隐试验获得高应变率流动应力数据的方法

仿真参数

价值

打孔

-材料模型

 

弹性模量=650 GPaWC

工作表

-  材料模型

-  导热系数

 

塑性(流动应力如图4.24所示)

84/

骨折

-  损伤模型

-  临界损伤值

 

米饭和特蕾西

3*

*通过实验和数值模拟,匹配毛坯边缘的剪切和断裂长度,选择了临界损伤值。

 

用于有限元模拟的C51100流动应力曲线

图4.24:使用膨胀试验获得的C51100的流动应力曲线 

4.24:使用膨胀试验获得的C51100的流动应力曲线(通过拟合Hollomon's外推)

方程式s=842.4e) 并用于有限元模拟0.1355

4.25显示了从模拟中获得的板材中的应变、应变率和温度分布。应变值平均约为2,而应变率平均约为375/s。只有20°C板材中的温度升高,其对流动应力的影响可以忽略。

 

                            图4.25:(从左上角顺时针)C51100板材下料的有限元模型设置,0.2mm厚;应变分布;应变率分布;板材变形区的温度分布(冲头行程为0.1mm时)    

4.25:(从左上角顺时针)C51100板材下料的有限元模型设置,0.2mm厚;应变分布;应变率分布;板材变形区的温度分布(冲头行程为0.1mm时)

 

4.4.3.2. 实验和模拟力曲线的比较

实验和模拟的力-行程曲线比较并绘制在图4.26中。可以看出,两条曲线几乎相互重叠,这意味着模拟中使用的流动应力外推是材料应力-应变关系的良好近似。但是,其他材料不一定如此。因此,使用附录A中的方法测试相同流量应力曲线的另一种外推,其中外推的流量应力曲线用于模拟,然后调整流量应力曲线,以匹配实验和模拟的力-行程曲线。

 

C5110060spm20mm/sec下实验和模拟冲裁力的比较

图4.26:实验和模拟力-行程曲线的比较(20毫米/秒)    

                                                                       冲头行程(mm

4.26:实验和模拟力-行程曲线的比较(20毫米/秒)

 

4.4.4. 高应变率下C5100的流动应力曲线

既然C51100在准静态应变率下的流动应力曲线可用,那么可以使用图4.21中所述的方法获得更高应变率下的流动应力曲线。材料的流动应力曲线按一个系数缩放,该系数等于较高应变率下的最大冲裁力与375s-1应变率下的最大冲裁力之比。不同冲裁速度下的最大冲裁力(从实验中获得)如图4.27所示。

当冲裁速度为20mm/sec时,变形区的平均应变速率为

4.4.3.1FE模拟375 sec-1。由于平均应变速率随速度线性增加,其他条件相同,图4.27中标记了一些速度的应变速率。

 

速度对最大冲裁力的影响

图4.27:冲裁速度对最大冲裁力的影响 

速度(毫米/秒)

 

4.27:冲裁速度对最大冲裁力的影响

 

基于最大冲裁力和应变速率,表4.7中计算了需要缩放的流动应力系数。


4.7:用于标度更高应变率的流动应力曲线的系数

s-1变形区平均应变速率

(冲裁速度,单位:mm/sec

最大冲裁力(N

最大下料率

高应变率力:F375

375 (20)

378

1

7500 (400)

394

1.04

2 x 1041060

447

1.18

3 x 1041600

522

1.38

 

准静态应变率下获得的流动应力曲线(如图4.24所示)按表4.7中获得的比率缩放,以获得更高应变率下的流动应力曲线。不同应变速率下获得的流动应力如图4.28所示。

 

C51100应变率相关的流动应力曲线

图4.28:使用该方法获得的更高应变率的流动应力曲线 

4.28:使用该方法获得的更高应变率的流动应力曲线

 

4.4.5. 温度对C51100流动应力的影响

由于C51100与温度相关的流动应力数据在文献中不可用,因此纯铜的流动应力与温度之间的关系使用了[Nemat-Nasser等人,1998]OFHC铜的温度相关真应力-应变曲线示例如图4.29所示。其他温度下的真实应力-应变曲线可从[Nemat-Nasser等人,1998]获得。

对于不同的应变值和平均值,计算296K时的真应力与高温时的真应力之比(图4.29中的红色垂直线显示了平均应力值的应变)。由于温度的影响,真实应力按比例减小,这就给出了系数。初步模拟结果表明,板材的最高温度约为300°C因此,获得了高达300的温度依赖性应力-应变曲线°C

 

图4.29:OFHC铜的温度相关真实应力-应变曲线 

4.29:OFHC铜的温度相关真实应力-应变曲线

4.8:用于缩放高温流动应力曲线的系数

温度(T

比率-流动应力T/流动应力22°C

22

1

222

0.8048

322

0.6272

 

对于每个应变速率,计算温度相关的流动应力曲线(类似于图4.30所示)。因此,总共有12条曲线(4条应变速率相关的x 3条温度相关的)作为模拟的DEFORM 2D中的材料特性输入。

 

图4.30:使用OFHC计算的比率获得的高温流动应力曲线 

4.30:使用OFHC计算的比率获得的高温流动应力曲线

 

4.4.6. 高应变速率下实验和模拟力曲线的比较

1060mm/sec1600mm/sec的冲裁速度下进行模拟,模拟参数与表4.6所示相同,但流动应力曲线除外,该曲线来自第4.4.4节和第4.4.5节。图4.31比较了实验和模拟的力-行程曲线。模拟预测的最大力与实验获得的最大力之间有很好的相关性。仿真得到的载荷-行程曲线形状与实验结果吻合较好。在曲线的整个行程中,这种良好的相关性表明,较高应变和应变率的流动应力数据已经以合理的精度进行了预测。

 

1600 SPM1.06 m/sec)时的冲裁力1060mm/sec时的冲裁力2400 SPM1.6 m/sec)时的冲裁力1600mm/sec时的冲裁力

图4.31:高应变率下实验获得的和模拟的力-行程曲线的比较 

4.31:高应变率下实验获得的和模拟的力-行程曲线的比较

(左)έ = 2 x 104 s-1(右)έ = 3 x 104 s-1

 

4.5. 总结与结论

1.20毫米/秒到1600毫米/秒的不同速度下进行了下料试验。

A.20毫米/秒相比,以1600毫米/秒的速度冲裁零件所需的力增加了38%

B当冲裁速度为20mm/sec时,反向载荷为冲裁载荷的13.5%,当冲裁速度为808mm/sec时,反向载荷为冲裁载荷的40%

C脱模板脱钉过程中的振动对冲头的侧面区域施加力。这可能导致冲头断裂。根据冲头的横截面面积和长度,这是一个需要进一步调查的区域。

提出了一种获取板料高应变和高应变流动应力数据的方法。用该方法计算了C51100材料的流动应力。





 

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