朱蓮萍，孫小峰，莊新村，孫曉龍，高灑蕾，何雪婷

（1.中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 201324；2.上海交通大學模具CAD 國家工程研究中心，上海 200030）

可剝墊片又稱層撕墊片，是由多層金屬材料或復合材料通過樹脂粘合而成的層狀板料，通過機加工或者沖裁下料得到一定的形狀，用于飛機裝配間隙的調節(jié)。本研究提到的可剝墊片是由1100-H19 鋁合金和2024-T3 包鋁合金通過樹脂黏合而成的材料，其結構如圖1所示。沖裁作為一種常規(guī)的下料工藝，利用模具使板料產生分離的沖壓工序，包括落料、沖孔、切口、剖切、修邊等。板料沖裁過程通常劃分為彈性變形、塑性變形和斷裂3 個階段[1]。對應的沖裁截面特征通常由圓角帶、光亮帶、撕裂帶以及毛刺4 個部分組成，如圖2所示。對于多層材料，在試驗過程中還發(fā)現(xiàn)了其分層的截面特征。

圖1 鋁合金可剝墊片的結構及分層現(xiàn)象Fig.1 Structure and delamination of aluminum alloy peelable gasket

圖2 沖裁零件的斷面特征Fig.2 Section characteristics of blanking parts

學者們對鈑金件的沖裁工藝參數(shù)和沖裁機理進行了大量的研究。Hilditch[2]和Le 等[3]研究了沖裁工藝參數(shù)對斷面質量的影響。Maiti 等[4]通過彈塑性有限元法分析了低碳鋼薄板的沖裁過程，分析了間隙和摩擦潤滑對沖裁載荷的影響。Ghosh 等[5]針對鋁合金的剪切過程進行了相關的試驗和數(shù)值模擬研究，對比了3種不同的損傷模型 （Tvergaard-Gurson 模型、Cockroft-Latham 模型和剪切破壞模型）的優(yōu)劣。Husson 等[6]在有限元分析中提出的粘塑性硬化和新的損傷模型來預測沖裁力和刃口的演化，模擬結果表明，沖裁間隙和模具磨損是影響刃口質量的最重要的沖裁工藝參數(shù)。

近年來，學者們也開展了多層板的沖裁研究，Klocke等[7]通過試驗研究了碳纖維增強塑料 （CFRP）沖裁工藝參數(shù)對穿孔尺寸、形狀精度和切削力的影響，提出了較高的壓邊力可以抑制CFRP 的分層。Ou 等[8]使用Abaqus 研究了鋰離子電池電極材料的沖裁機理，采用了Cockroft-Latham 損傷模型建立了2D 數(shù)值模型，沖裁模擬結果表明，上、下兩層活性材料層起著緩沖沖裁力的作用，毛刺長度隨間隙或圓角半徑的增大而增大。Gutknecht 等[9]提供了在Abaqus 有限元軟件下建立沖裁用金屬-聚合物夾層板模型的方法，研究了應力狀態(tài)對損傷萌生的影響。

本研究以可剝墊片這種多層膠粘金屬板為研究對象，對普通沖裁工藝進行了試驗研究，并基于Cockroft-Latham 斷裂準則，使用商用軟件Simufact 建立了可剝墊片多層金屬的普通沖裁2D 仿真模型。仿真結合試驗，完成了可剝墊片普通沖裁分層機理的探索。

1 沖裁試驗設計方案

1.1 材料

本研究所用的材料是總厚度為1.57mm 的鋁合金可剝墊片，由0.076mm 厚的10 層1100-H19 鋁合金和0.81mm 厚的2024-T3 包鋁合金膠粘而成。所需的飛機零件形狀如圖3所示。

圖3 飛機零件外形示意圖（mm）Fig.3 Diagram of aircraft parts (mm)

1.2 沖裁設備及試驗參數(shù)

本研究的試驗在110t 普通沖床設備上進行，試驗設備和沖裁模具結構如圖4所示，沖裁形程為1.6mm。模具的主要結構包含凸模、凹模、壓邊和反頂塊，其中壓邊和反頂塊由聚氨酯彈簧材料加工而成。聚氨酯材料的彈性模量為20MPa。上壓邊的作用面積為2000mm2，高度為30mm，壓縮量為5.3%；反頂?shù)淖饔妹娣e為24000mm2，高度為35mm，壓縮量為4.7%。凸凹模的間隙為0.07mm，凸凹模刃口采用直角結構，具體沖裁試驗參數(shù)：間隙為0.07mm，壓邊力為2.1kN，反頂力為22.6kN，沖裁速度為1mm/s。

圖4 沖裁設備及模具結構Fig.4 Structure diagram of blanking press and tool

2 沖裁有限元建模

2.1 材料本構模型

本研究采用2D 數(shù)值模擬仿真，材料模型使用Von Mises 屈服準則。本研究中薄層板和基板材料采用Swift定律的方程[10]：

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

2.2 損傷模型

金屬的韌性斷裂一般是金屬材料經過劇烈塑性變形后而發(fā)生的宏觀斷裂現(xiàn)象。自從20世紀60年代以來，國內外學者對這種現(xiàn)象進行了深入系統(tǒng)的研究，并提出了10 余種基于不同物理量的韌性斷裂準則[12]。然而，發(fā)現(xiàn)Cockroft 和Latham 提出的準則預測了金屬成形過程中能真實反映斷裂應變的損傷定律[13]，因此選用Cockcroft-Latham 斷裂準則，具體的損傷模型[14]為：

其中，為斷裂時的等效塑性應變；為等效應力；σ1 為第1 主應力；為等效塑性應變；C為材料發(fā)生斷裂時的損傷臨界閾值。由于沖裁過程中材料塑性變形超過斷裂閾值C，最終產生斷裂和延性破壞。從相關有限元仿真文獻[15]中，設定1100 鋁合金Cockroft-Latham 斷裂準則中損傷臨界值C為0.49，2024-T3 鋁合金Cockroft-Latham 斷裂準則中損傷臨界值C為0.30。網格刪除數(shù)量選擇4，即局部損傷值達到后，刪除4 個周邊網格的方式實現(xiàn)裂紋區(qū)的顯示。

2.3 有限元建模

通過商用軟件Simufact 建立了如圖5所示的沖裁過程的2D 有限元模型。金屬片層之間膠層厚度僅為0.008mm，模擬采用假設忽略膠層，采用黏性摩擦系數(shù)0.8 的模型來表述金屬片層之間的膠黏狀態(tài)，根據材料供貨信息，膠層的脫黏標準ASTM D903 中，為0.175～1.050N/mm，因此金屬片層之間的脫粘力條件設置成1MPa。沖裁過程中的板料表面采用了潤滑處理，模擬模型中使用剪切摩擦模型，摩擦系數(shù)選擇0.1[15]。凸凹模沖裁間隙根據試驗選用0.07mm。

圖5 有限元模型示意圖Fig.5 Schematic of finite element model

3 分層機理研究

3.1 沖裁試驗結果

試驗后所得到的樣本主要使用顯微鏡觀察分層現(xiàn)象，用線切割來制備金相小樣，試樣上的3 個區(qū)域分別標記為A、B、C。如圖6所示。小樣拋光后在蔡司金相顯微鏡上進行觀察，明顯的分層發(fā)生基板和薄層板之間的剪切邊緣處，內部材料不受影響。基板上可以看出沖裁典型的截面特征圓角帶、光亮帶、撕裂帶，并且撕裂帶區(qū)域最長。

薄層板部分太薄，剪切斷面特征屬于撕裂帶特征，在圖片處理軟件上測量得到3 個試樣的撕裂帶長度以及整個疊層板的厚度，可計算得出撕裂帶整體占比，試驗數(shù)據見表2，表中的A、B、C記號與圖6的位置所對應。

圖6 普通沖裁試驗結果Fig.6 Experimental results of conventional blanking

3.2 沖裁過程斷面仿真分析

根據圖7普通沖裁的損傷模擬結果，在行程0.25mm時，板料未出現(xiàn)損傷，也沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。當行程0.5mm 時，廢料部分與模具刃角接觸角出現(xiàn)損傷，薄層板的第1 層斷裂以及廢料部分的第1 層出現(xiàn)局部彎曲，形成圓角，圓角高度為0.19mm，第1 層的圓角高度與其余層的高度不同，從而出現(xiàn)分層。當行程到達0.75mm時，基板損傷區(qū)域增大，基板的局部彎曲進一步變大，即圓角高度進一步增大。廢料部分的薄層板區(qū)域分層又重新閉合，這是因為隨著薄層板的第2 和3 層的相繼斷裂以及薄層板各層變形趨勢的一致性導致的。當行程1mm 時，板料接近完全分離，可以發(fā)現(xiàn)零件部分的基板與薄層板之間出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，而廢料剪切邊緣沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。這是因為零件部分的基板的圓角高度為0.29mm，明顯不同于薄層板的圓角高度0.36mm。當行程達到1.25mm 時，沖裁板料完全分離，零件部分的基板的圓角高度區(qū)域與接觸的薄層區(qū)域的變形不一致，1100 薄板區(qū)域的圓角明顯大于2024 基板區(qū)域的圓角（圖7（e）），使得基板與相鄰薄板之間出現(xiàn)的分層。沖裁至行程1.5mm 時，沖裁過程完畢。從上述分析可以得出沖裁時不同鋁合金材料的變形行為，導致圓角大小的差異，沖裁方向的影響是出現(xiàn)導致分層的主要原因。從文獻[16]中可以得到圓角的大小隨著沖裁間隙的減小而減小的結論，因此可以通過改變板料的正反面放置位置或者減少模具的沖裁間隙來改善零件的分層現(xiàn)象。

圖7 有限元模擬剪切斷面損傷Fig.7 Finite element simulation of shearing zone damage

從表2的試驗數(shù)據可以看出，在顯微鏡下測量得到3 個試樣的分層深度為0.39mm、0.47mm 和0.45mm，撕裂帶占比分別為77.2%、76.9%和78.7%。模擬結果中分層區(qū)域的分層深度測量為0.52mm，疊層板撕裂帶長度為0.77mm，疊層板厚度為1.31mm，撕裂帶占比為58.8%。從圖8可以看出，模擬結果與試驗結果的分層位置和分層區(qū)域的尺寸深度也接近，尺寸深度誤差分別為25%、9.6%、13.4%；撕裂帶占比誤差為18.4%、18.1%、19.9%。尺寸深度誤差超過20%的一個原因是模具加工的時候間隙誤差導致和仿真的間隙差大。試驗中在模擬結果中可以發(fā)現(xiàn)，10 層疊層板區(qū)域未出現(xiàn)分層，分層位置出現(xiàn)在單層基板和10 層疊層板之間，分層位置與試驗結果相符。因此模擬模型的準確性基本符合要求。

表2 試驗數(shù)據Table 2 Experimental data mm

圖8 分層現(xiàn)象對比圖（mm）Fig.8 Comparison chart of delamination phenomenon (mm)

4 結論

本研究在可剝墊片沖裁試驗中，發(fā)現(xiàn)了斷面分層的現(xiàn)象，基于工藝建立了普通沖裁用鋁合金多層膠粘板有限元模型。通過仿真模型，揭示了基板與薄層板之間因剪切變形趨勢不一致（兩種材料的變形行為不同）是基板與薄層板之間出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象的主要原因。通過對比發(fā)現(xiàn)模擬結果與試驗結果基本吻合，證實了數(shù)值模型的可靠性。在后續(xù)的研究中可以進一步討論模具結構、壓邊力、模具間隙等工藝參數(shù)對鋁合金可剝墊片沖裁質量的影響。