剪切间隙对紫铜薄板剪切加工影响的实验和仿真研究.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、,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
6、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
7、 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。
8、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
9、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
10、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
11、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
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