吳業(yè)全，羅愛(ài)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(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（寶鋼），上海 201900）

沖裁力是合理選用壓力機(jī)（沖床）和設(shè)計(jì)模具的重要依據(jù)，沖裁力的計(jì)算和預(yù)估對(duì)模具設(shè)計(jì)和壓機(jī)選擇具有重要意義。高強(qiáng)鋼板在輕量化車身中的應(yīng)用日益廣泛[1—2]，相比于普通強(qiáng)度鋼板，高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度顯著升高導(dǎo)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮沖裁力的影響；另一方面，對(duì)壓機(jī)噸位也提出了更高的要求。

目前，一些學(xué)者對(duì)沖裁力的計(jì)算方法展開(kāi)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(qiáng)度變化的傳統(tǒng)計(jì)算公式；張紀(jì)梁[5]、杜忠友[6]等得到采用 Timmerbeil公式來(lái)計(jì)算沖裁力較為準(zhǔn)確的結(jié)論；董冠文[7]、梁波[8]、黃樂(lè)精[9]等提出利用沖裁力系數(shù)來(lái)計(jì)算沖裁力的方法；魏良慶[10]等結(jié)合鋼板小孔沖裁變形的特點(diǎn)提出了沖裁力計(jì)算的力學(xué)模型；彭成允[11]等也基于厚板提出相應(yīng)力學(xué)模型；孫小撈[12]、錢(qián)奇良[13]分別在 AutoCADR14環(huán)境下利用編程的方法來(lái)計(jì)算相應(yīng)沖裁力；李和平[14]和呂琳[15]則各自利用滑移線法來(lái)計(jì)算精密沖裁力。然而，大多數(shù)學(xué)者提出的沖裁力計(jì)算公式是基于普通強(qiáng)度板所得，適用于普通強(qiáng)度鋼板的沖裁力公式需要面向高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行必要的修正。

文中搭建了高強(qiáng)鋼板材沖孔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合車身上廣泛應(yīng)用的DP、QP鋼系列以及MS系列超高強(qiáng)鋼板進(jìn)行沖孔實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合超高強(qiáng)鋼板的沖裁力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，得到了適用于計(jì)算不同高強(qiáng)鋼材料沖裁力的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，并將公式進(jìn)行修正，獲得了適用于不同高強(qiáng)鋼板材沖裁力與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系式，最后選用DP980及1700MS鋼進(jìn)行沖孔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所得修正關(guān)系式的可行性，這也為高強(qiáng)鋼零件沖切壓力機(jī)噸位的選取和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 沖孔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了獲得不同高強(qiáng)鋼板材的沖裁力，文中搭建了相應(yīng)的沖孔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其中，沖孔試樣的尺寸設(shè)計(jì)為40 mm×135 mm，沖頭刃口部分直徑為20 mm，沖孔試樣見(jiàn)圖1，沖孔模具見(jiàn)圖2。為了能夠?qū)崿F(xiàn)不同的沖孔間隙，文中設(shè)計(jì)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(guò)更換凹模鑲塊的方式來(lái)改變沖孔間隙。

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

在高強(qiáng)鋼板材的沖孔實(shí)驗(yàn)中，在沖頭上部安裝有HBM公司的U10M系列傳感器，通過(guò)壓力傳感器來(lái)采集實(shí)驗(yàn)時(shí)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(guò)數(shù)據(jù)線的方式與電腦相連接，這樣可將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沖頭的受力，即沖裁力傳到電腦上，以便后續(xù)分析。沖孔實(shí)驗(yàn)中采用的模具整體裝配見(jiàn)圖3。

圖2 沖孔模具Fig.2 Die of hole punching

圖3 沖孔實(shí)驗(yàn)整體模具Fig.3 Whole die of hole punching test

高強(qiáng)鋼板材的沖孔實(shí)驗(yàn)在 H2W300小松伺服壓力機(jī)上進(jìn)行，如圖4所示。該伺服壓力機(jī)的最大下壓速度為700 mm/s，最大有效載荷為300 t；同時(shí)，該伺服壓力機(jī)可以精確控制下壓的位移，保持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中下壓速度恒定，以排除因壓力機(jī)下壓速度不穩(wěn)定帶來(lái)的外界因素影響。

圖4 伺服壓力機(jī)Fig.4 Servo press

2 沖裁力計(jì)算方法與實(shí)驗(yàn)分析

2.1 沖裁力計(jì)算方法

在實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)中，為了合理選擇沖壓設(shè)備及設(shè)計(jì)沖壓模具，通常需要對(duì)沖裁力進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)，壓力機(jī)噸位必須大于所計(jì)算的沖裁力。沖裁力的大小通常與沖裁切變線總長(zhǎng)度、材料厚度和材料抗拉強(qiáng)度有關(guān)，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式可用式(1)確定。

式中：f為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；bσ為材料抗拉強(qiáng)度(MPa)；L為切邊線長(zhǎng)度(mm)；t為材料厚度(mm)。

2.2 沖裁力實(shí)驗(yàn)分析

為了獲得不同高強(qiáng)鋼材料的沖裁力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)f，文中結(jié)合上述所搭建的沖孔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)不同高強(qiáng)鋼板材進(jìn)行相應(yīng)的沖孔實(shí)驗(yàn)以獲得其沖裁力。其中，沖孔試樣的毛坯尺寸設(shè)計(jì)為40 mm×135 mm，沖頭刃口部分直徑為20 mm。每種高強(qiáng)鋼材料設(shè)計(jì)了3個(gè)沖孔試樣，不同材料試樣在沖孔過(guò)程中沖裁力隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖5。

取每種材料試樣的最大沖裁力的平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(shí)間曲線Fig.5 Force-time curve of punching with different materials

根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合沖孔試樣的尺寸參數(shù)和材料力學(xué)性能參數(shù)，將各參數(shù)代入到?jīng)_裁力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(1)中，可得到不同高強(qiáng)鋼材料的沖裁力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 高強(qiáng)鋼材料沖裁力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Tab.2 Experience coefficient for blanking force of HSS material

由于在實(shí)際生產(chǎn)中，材料種類繁多，不同高強(qiáng)鋼材料具有不同的沖裁力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，為了能更方便粗略計(jì)算高強(qiáng)鋼板材沖裁力，將經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(1)進(jìn)行修正，使得沖裁力大小表現(xiàn)為與材料抗拉強(qiáng)度相關(guān)?，F(xiàn)將不同材料的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)與強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到經(jīng)驗(yàn)系數(shù)f與抗拉強(qiáng)度bσ之間的關(guān)系，見(jiàn)式(2)。結(jié)合沖裁力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(1)，便可獲得不同材料沖裁力與材料抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系式：

基于上述沖裁力修正計(jì)算公式(3)，結(jié)合材料抗拉強(qiáng)度，便可粗略估計(jì)相應(yīng)高強(qiáng)鋼沖裁所需沖裁力，這可為沖壓模具設(shè)計(jì)，壓力機(jī)噸位的選取提供指導(dǎo)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)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(qiáng)鋼材料 DP980及 1700MS鋼，進(jìn)行相應(yīng)的沖孔實(shí)驗(yàn)，不同材料試樣在沖孔過(guò)程中沖裁力隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖6，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖6 不同材料沖裁力-時(shí)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(jù)修正關(guān)系式(3)，計(jì)算兩種材料所需的沖裁力，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同材料的實(shí)驗(yàn)沖裁力與計(jì)算沖裁力對(duì)比Tab.4 Experimental force and calculating force of different materials

由對(duì)比結(jié)果可知，兩種板材通過(guò)修正公式所得的沖裁力與實(shí)驗(yàn)所得沖裁力相差不大，相對(duì)誤差分別為2%和2.2%，可見(jiàn)該修正公式是可行的。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)超高強(qiáng)鋼板材的沖裁進(jìn)行了研究。搭建了高強(qiáng)鋼板材沖孔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用沖孔實(shí)驗(yàn)，獲得了適用于計(jì)算高強(qiáng)鋼沖裁力的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，并對(duì)沖裁力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式進(jìn)行修正，獲得了高強(qiáng)鋼板材沖裁力與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系式，為預(yù)估沖裁力、選擇壓力機(jī)噸位提供了參考。