剪切间隙对紫铜薄板剪切加工影响的实验和仿真研究.pdf

第 卷第 期 年 月新余学院学报 ，剪切间隙对紫铜薄板剪切加工影响的实验和仿真研究 欧阳兵，李涛涛，王惠琼，李芳（萍乡学院机械电子工程学院，江西萍乡 櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆）摘要：对 的 紫铜板进行了剪切加工实验，并采用 有限元软件进行了模拟仿真，研究了剪切间隙对铜板剪切断面形貌、边缘加工硬化及剪切过程中的剪切力的影响，实验结果和仿真结果有很好的一致性。结果发现，剪切间隙对剪切断面特征和加工硬化程度有直接影响，在相对间隙为 时，具有最大的硬度值和最大的加工硬化影响深度；剪切断面形貌特征与加工硬化密切相关，加工硬化最大值出现在剪切带与断裂带的分界处；剪切间隙的变化影响了剪切力，在间隙较大时，加工硬化比较严重，裂纹更容易萌生和扩展，使剪切带高度和最大剪切力减小。关键词：紫铜板；剪切间隙；断面形貌；加工硬化；剪切力中图分类号：文献标识码：文章编号：（）櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆 收稿日期：基金项 目：江 西 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目“大 尺 度 线 结 构 光 视 觉 三 维 测 量 中 的 光 条 高 质 量 成 像 技 术 研 究”（）。作者简介：欧阳兵（），男，江西萍乡人，助理实验师，硕士。紫铜具有优良的可塑性、导电性、导热性及耐蚀性，被广泛应用于电工器材、导热器材、电机短路环及电磁加热感应器等设备。紫铜板材常采用冲裁、剪切等方法进行加工，但由于紫铜优良的可塑性，在加工过程中易形成尖锐、拉长的毛刺而影响后续板材的利用甚至引起设备的短路而造成重大损失，因此，需要严格控制紫铜板材的剪切质量。冲裁间隙直接影响冲裁件剪切带、毛刺及冲裁力等参数 。对塑性良好的铝板等进行冲裁加工实验，结果表明冲裁间隙对毛刺形成过程及板材断面质量影响很大 。增大冲裁间隙，剪切带高度减小，毛刺增大，冲裁力也有一定程度的减小，但降低并不明显。在薄铜板冲裁加工时，通过对冲裁间隙的优化，也可得到各特征带均匀、毛刺小的断面质量 。在板材分条加工领域，阎秋生等 通过对镀锌板的圆盘剪分切试验，发现侧向间隙直接影响了分切断面形貌及边缘加工硬化，且分切断面加工硬化分布与断面形貌特征直接相关。工艺参数的优化研究非常耗时且成本昂贵，很多学者采用数值仿真的方法来优化冲压等塑性成形加工过程 ，以减少或者避免成型过程中常见的毛刺等缺陷。此外，数值模拟可以更好地了解板材塑性成型过程中材料的变形过程。紫铜薄板的剪切加工与板材的冲裁、分条加工有相似之处，但对剪切加工过程中工艺参数对分切断面质量的影响还缺乏深入研究。本文通过紫铜板材的剪切加工实验，研究了剪切间隙对紫铜薄板剪切断面形貌、边缘加工硬化及剪切力的影响，并通过 新余学院学报 年 仿真软件来研究材料剪切成型过程，从而为紫铜薄板剪切间隙的选择提供依据。剪切加工实验及有限元仿真 剪切加工原理金属板材的剪切加工是利用一对上、下直刀的相对运动来完成的，如图所示，上、下刀架上分别安装两把直刀，水平安装下刀，上刀相对下刀呈一定倾角 安装。剪切过程中首先在金属板材的一端切入，然后逐渐扩展到整个板宽，最后在另一端切出，板材剪切过程如图所示，最终形成塌角、剪切带、断裂带、毛刺等特征。图 剪切加工原理图 剪切加工过程 剪切加工实验选择 厚、宽的 紫铜板材进行剪切加工实验，紫铜板力学性能如表所示。加工装置为 型精密数控剪床，如图 所示。上下刀之间的加工间隙采用相对间隙 （剪切间隙 与板厚 的百分比）作为变化参数，本文采用的相对间隙 分为 组，分别为 、和 。上、下刀为 型 硬质合金（含量 ），其硬度为 ，弹性模量为 。研究剪切间隙对板材剪切加工的影响，选择紫铜板材剪切断面各特征带高度、边缘加工硬化程度及剪切力等作为评价指标 。表 紫铜板力学性能抗拉强度 抗剪强度 硬度 屈服强度 延伸率 第 期欧阳兵，李涛涛，王惠琼，等：剪切间隙对紫铜薄板剪切加工影响的实验和仿真研究 图 剪切加工装置剪切试样的断面和截面（垂直于剪切断面的剖面）形貌借用 超景深显微镜进行观察，研究各特征变化与剪切间隙之间的关系。剪切边缘区域显微硬度采用 型显微维氏硬度计进行检测，载荷 ，并保持载荷 ，试样断面和截面的形貌特征及硬度测试示意图如图 所示，相邻测试点间距为 ，以获得剪切试样断面加工硬化规律及分布情况。剪切过程中的剪切力利用 三向测力仪检测，均取多个试样的测量平均值作为测量结果，以研究不同剪切间隙下与刀刃平行的水平力 、与送料方向一致的纵推力 及与垂直于板料的剪切力 三个力的差异。图 断面形貌特征及硬度测试示意图 仿真分析建模为深入理解剪切过程，采用 有限元软件建立板材剪切模型，剪切过程的有限元模型如图所示，上刀、下刀设定为刚体，刃口采用实验测量所得的椭圆弧轮廓，椭圆弧长轴为 ，椭圆弧短轴为 。剪切材料为 厚的 铜板，设定为弹塑性体，接触类型为剪切摩擦，摩擦系数取 。压板设定为刚体，由于其施加的压边力较小，设定为 的恒力。模拟剪切间隙依据实验加工的参数设定 组，分别为板厚的 、和 。仿真过程中保持下刀固定，上刀向下运动实现对材料的剪切，剪切过程中剪切应力主要集中在剪切区域，对剪切区域的网格进行了细化，断裂准则选用 准则。改变不同的剪切加工间隙进行模拟仿真，将实验所得结果与仿真所得的截面形貌、有效应力、剪切力等进行对比。新余学院学报 年图 有限元分析模型 实验与仿真结果 剪切间隙对板材断面形貌的影响图 是不同相对间隙 下的剪切断面（上）及截面形貌（下）实验结果对比图。可以看出，剪切间隙不同，在剪切断面上都有明显的剪切带和断裂带，剪切带与断裂带之间有清晰的分界线，且剪切带占比大于断裂带。在相对间隙为 和 时，毛刺非常小，断面非常平直。随着剪切间隙的增大，断面断裂带部分出现斜角并逐渐增大，毛刺也逐渐增大，在相对间隙为 时，出现明显的断面斜角及毛刺。图 不同相对间隙下的剪切断面（上）与截面形貌（下）实验结果对比图图 是相对间隙为 时模拟结果与实验结果的截面形态对比图。从图可以看出，仿真结果的截面形貌各特征与实验结果非常接近，说明仿真结果具有很高的可信度。图 相对间隙为 的仿真和实验截面形貌对比第 期欧阳兵，李涛涛，王惠琼，等：剪切间隙对紫铜薄板剪切加工影响的实验和仿真研究 为了深入研究剪切间隙对断面质量性能的影响，统计了剪切断面形貌各特征带的高度，如图 所示，不同间隙下剪切带高度的实验与仿真结果对比如图 所示。图 剪切断面形貌各特征带高度由图可知，剪切断面的剪切带高度随着剪切间隙的增大逐渐减小，断裂带、塌角及毛刺高度逐渐增大。当相对间隙为 时，剪切带高度为 ，占到板料厚度的 ；而当相对间隙为 时，剪切带高度只有 ，仅占板厚的 。当剪切相对间隙从 增大到 时，塌角和断裂带高度占板厚的比值分别从 、升高到 、。这说明，剪切间隙直接影响了剪切断面的质量和形貌。从图可以看出，剪切带高度的实验值与仿真结果有很好的一致性。图 实验与仿真结果的剪切带高度对比 剪切间隙对剪切边缘加工硬化的影响在剪切加工过程中，板材剪切边缘的局部硬化是伴随塑性变形、应力集中的复杂物理过程 。为研究剪切间隙对剪切加工硬化的影响，采用显微硬度计检测剪切断面的截面各部分的硬度值，并采用有限元仿真分析得到了不同剪切加工间隙下的有效应力分布图。图 是不同剪切间隙时检测的硬度值在 数据分析软件中生成的截面硬度云图。由图 可知，板材剪切边缘的加工硬化程度在不同剪切间隙下有着明显的差异，但在剪切边缘附近都有最大的硬度值，离剪切边缘越远，硬度越接近材料基体硬度。不同剪切间隙下，剪切方向的硬度值都是逐渐增大，然后再逐渐减小，硬度变化趋势一致。新余学院学报 年图 不同剪切间隙下的边缘硬度云图为研究不同剪切间隙时各特征带的加工硬化情况，选择距剪切面 处的硬度值进行比较，从板面塌角到板底毛刺等特征部分的硬度变化如图 所示。由图 可以看出，从板面的塌角至毛刺侧，硬度值先增大再减小，但加工间隙为 时有最大的加工硬化值。对照图中剪切带在板厚方向的位置可知，在剪切带与断裂带的分界处有硬度最大值。由于各间隙下剪切带高度的差异，所以边缘最大硬度在板厚方向上出现的位置也有较大差异。图 板厚方向硬度变化曲线图 是不同相对间隙下加工硬化影响区域和截面中最大硬度的变化图。由图 可知，加工硬化影响区域和截面的最大硬度值具有相同的变化趋势，均随着剪切间隙的增大，边缘最大硬度及影响深度都是先增大后减小。在相对间隙为 时，截面硬度最大值仅为 ，加工硬化深度为 ；相对间隙为 时，截面最大硬度达到 ，加工硬化影响深度达到 ，均为所有加工间隙中的最大值；当相对间隙为 时，截面最大硬度急剧减小为 ，加工硬化影响深度也迅速减小为 。图 加工硬化影响深度和边缘最大硬度统计图为理解剪切断面的加工硬化现象，对相对间隙为 的剪切过程中的有效应力分布进行了仿真，结果如图 所示。由图 可知，随着剪切过程的进行，剪切区域的有效应力逐渐增大，影响范围也逐渐第 期欧阳兵，李涛涛，王惠琼，等：剪切间隙对紫铜薄板剪切加工影响的实验和仿真研究 增大。有效应力主要集中在上、下剪切刀刃连接的纺锤体区域内，其中刀刃附近的有效应力最大，中间部分的应力略小。随着剪切的进行，整个截面的有效应力及其影响范围均在增加，但纺锤体区域内部的有效应力增加更快，材料内部的损伤在不断累积，当应力值达到材料的断裂强度时出现裂纹，进而扩展，直至板材断裂，此时有效应力值达到最大。这也解释了图 中最大加工硬化值出现在剪切带与断裂带交界线附近的原因。图 相对剪切为 的有效应力分布 剪切间隙对板材剪切力的影响金属板材剪切是包含了断裂力学、材料力学、物理学等原理的一个复杂过程 ，为研究紫铜板材在剪切过程中的变形过程，采用 三向测力仪检测剪切过程中的剪切力。图 是不同剪切间隙时的剪切时间 剪切力曲线，图 是剪切间隙为 的剪切力 的仿真结果。如图 所示，在不同剪切间隙时，剪切过程的水平力 从剪切开始到结束基本保持不变，这是由于上刀的倾斜角度是固定的，因此切入板材的力基本恒定。而纵推力 随着剪切的进行先增大后减小，然后保持相对稳定直至剪切终止，在不同剪切间隙时，稳定值略有不同。但在不同剪切间隙时，剪切力 的变化有较大差别，尤其是在稳定剪切、分断过程中差异较大。在斜刃上刀切入紫铜板材的初期，随着上刀的切入，剪切力 急剧增大，此阶段剪切间隙对剪切力的变化影响较小。随着剪切过程的进行，剪切力 基本保持在最大值不变，当上刀切出板材时，剪切力急剧下降。而且，剪切间隙越大，剪切力 相对越小，且剪切力 开始下降的时间越早。图 不同剪切间隙下的剪切时间 冲剪力曲线 新余学院学报 年由图 可知，仿真的剪切力 随着剪切的进行，剪切力突然增加，然后逐步达到最大值，当产生裂纹后逐渐减小。在开始切入阶段，剪切力 的增大速度与实际实验不太一样，这是由于实验时剪切刀是斜刃刀，逐渐切入材料和逐渐脱离材料，因此，是迅速增大并在达到最大值后保持近似稳定，而仿真时采用的是平刃刀，刃口部分是同时切入材料的，造成剪切力突然增大，且在达到最大值后逐渐减小。图 间隙为 的剪切力 仿真结果在不同剪切间隙时最大剪切力的变化曲线如图 所示。实验结果的水平力 、纵推力 、剪切力 和仿真结果的 的最大值随着剪切间隙的增大有着相同的变化规律，都是先略有增大然后减小。间隙较小时，三向力较大，在相对间隙为 时，和 具有最大值，而间隙为 时，三向力均有最小值，说明在此时板材最容易剪断。但不同剪切间隙的剪切力的变化并不大，变化的幅度小于 。剪切间隙小时，板材所受的拉应力较小，压应力较大，提高了板材的塑性，不易断裂，因此造成最大剪切力较大。而随着剪切间隙的增大，材料所受的拉应力增大，压应力减小，致使板材容易发生断裂分离，最大剪切力较小。图 不同剪切间隙下最大剪切力变化曲线 讨论与分析从图可知，剪切间隙的变化直接影响了剪切断面各特征的高度，随着剪切间隙的增大，剪切带逐渐减小，但断裂带、塌角和毛刺高度都增大。同时，剪切间隙也影响了剪切边缘加工硬化程度及应力分布，且不同剪切间隙时沿板厚方向的硬度变化有着相同的变化规律，都是从塌角侧到毛刺侧，硬度值逐渐增大，在剪切带与断裂带交界处达到最大值，然后再减小。就整个剪切过程而言，在刀刃切入阶段中，工件在剪切力的作用下发生弯曲，剪切力随上刀的下切急剧增加到最大值，随着上刀继续切入，此阶段剪切力基本保持不变，直到裂纹开始形成，剪切力就迅速下降。剪切过程中，在上、下刀刃作用下，刀刃附近第 期欧阳兵，李涛涛，王惠琼，等：剪切间隙对紫铜薄板剪切加工影响的实验和仿真研究 材料首先会发生弹性变形，继而发生塑性剪切，剪切面与横刀侧面接触时被滑擦挤压形成的平滑表面就是剪切带，该部分主要受侧向挤压力和摩擦力的合力作用，此处晶粒的伸长和扭转现象最为显著，故而加工硬化影响最大的区域也出现在剪切带上。从紫铜板剪切过程的受力来看，竖直方向的一对剪切力 由于剪切间隙的存在而产生力矩，使局部晶粒发生伸长和扭转，位于刀具侧边材料受侧向挤压力和摩擦力的合力作用发生弯曲变形。剪切间隙越大，附加力矩越大，造成晶粒的变形程度加剧，晶粒内部位错滑移严重，晶间变形阻力增加，造成加工硬化比较严重，导致相对间隙为 时的加工硬化达到最大。但同时，晶粒变形、位错的加剧，导致裂纹更容易萌生和扩展，导致剪切带高度相对较小，而最大剪切力有明显的减小，此时裂纹的扩展起主要作用。由有限元模拟分析可知，随着刀具不断切入材料，有效应力值逐渐增大，应力集中程度逐渐加剧。上刀切入阶段应力主要集中在刃口附近，中间部位的应力很小。刃口侧刀面附近塌角部位受到很大的静水拉应力，在拉应力作用下材料被拖动发生弯曲、拉伸变形，形成塌角。刀具继续切入，当刃口处材料所受的应力达到材料的抗剪强度时，剪切带开始形成。此时应力集中区向上、下刀具刃口连线的纺锤体区域靠拢，其应力值比塌角形成阶段要大。当应力强度达到材料的破坏强度时，材料开始在上、下刀刃附近出现微裂纹，最终裂纹会合造成板材断裂。而不同间隙下应力分布有所不同，剪切间隙小时，板材所受的拉应力较小，压应力较大，提高了板材的塑性，不易断裂；而随着剪切间隙的增大，材料所受的拉应力增大，压应力减小，致使板材容易发生断裂分离。剪切间隙对剪切力的影响有两个方面的作用：一方面，当剪切间隙增大时，增大了板材的变形区域，所需的剪切力增大，不利于剪切过程的进行；另一方面，剪切间隙的增大使变形区的拉应力增大，有利于裂纹的扩展，造成剪切力减小。这两方面的综合作用造成剪切间隙在一定变化范围内对剪切力的影响不是很大。综上所述，剪切加工过程中，剪切间隙是影响金属带材剪切过程的关键工艺参数，只有采用合适的剪切间隙才能使剪切过程和剪切断面质量更理想。就 厚 紫铜板的剪切过程而言，相对剪切间隙小于 比较合适，此时剪切断面质量和边缘加工硬化程度都较理想，但剪切间隙太小又将加剧刀刃的磨损、降低刀具的使用寿命，故而相对剪切间隙为 较为合适。结论本文通过紫铜薄板的剪切加工实验，从剪切断面质量、边缘加工硬化、剪切力三个方面研究了侧向间隙对斜刃剪切加工的影响。实验结果表明，剪切间隙是影响金属带材剪切过程的关键工艺参数，只有采用合适的剪切间隙才能使剪切过程和剪切断面质量更理想。（）剪切间隙的变化直接影响剪切断面的质量和形貌。随着剪切间隙的增大，剪切断面的剪切带高度逐渐减小，但断裂带、塌角及毛刺高度逐渐增大。相对剪切间隙在 范围内，剪切断面质量较好，各特征带分布均匀，毛刺较小。（）剪切间隙对剪切边缘加工硬化的影响较为显著。随着剪切间隙的增加，加工硬化程度和影响区域先增大后减小，在相对间隙为 时，具有最大的硬度值和最大的加工硬化影响深度。（）剪切断面形貌特征与加工硬化密切相关。从塌角到毛刺侧，硬度值逐渐增大，再逐渐减小，在剪切带与断裂带的分界处出现最大的加工硬化。（）三个方向的剪切力都随着剪切间隙的增大先略有增大然后减小，在相对间隙为 时 和 具有最大值，而间隙为 时，三向力均有最小值。剪切间隙较大时，附加力矩较大，造成晶粒的变形程度加剧，晶粒内部位错滑移严重，使加工硬化比较严重。但同时，裂纹更容易萌生和扩展，影响了剪切带高度和最大剪切力。参考文献：，新余学院学报 年 ，（）：，（）：，（），（）：，（）：，（）：，：，：，（）：，：，：，（）：阎秋生，赖志民，路家斌，等 镀锌板圆盘剪分切侧向间隙对断面形貌的影响 塑性工程学报，（）：冯文雅，阎秋生，路家斌，等 精密无毛刺分切圆盘剪侧隙对分切断面的影响 塑性工程学报，（）：，（）：，（）：欧阳兵 压边力及轴向间隙对电工钢圆盘剪分切的影响机理研究 广州：广东工业大学，（责任编校：任华），（，）：，（），：；