精冲塌角的成型机理及措施
运用精冲方法生产齿形件（可引申为带尖角零件）越来越成为一种趋势，但若塌角过大会使零件的工作面积显著减小进而削弱零件的使用性能。本文通过有限元方法，探索了塌角产生的机理，并比较了几种方法的优缺点。
精冲塌角成形机理有限元分析
有限元模型
为了说明塌角的形成机理，运用有限元模拟软件DEFORM-2D对冲裁过程进行数值模拟。有限元模型及网格划分如图1所示，材料为结构钢AISI，板料厚度为5mm，采用二维轴对称模型，板料为弹塑性体，凸模、凹模、压边圈、反顶器皆为刚性体，划分个网格。为防止网格畸变，整体网格每计算5步进行一次网格重划分，以保证运算顺利进行。
图1精冲有限元模型
模拟条件
本实验有限元模拟的条件如表1所示，模拟中不考虑温度变化对材料的影响。
表1精冲工艺参数
项目工艺参数
材料AISI
冲裁间隙/mm0.
凹模圆角/mm0.3
压边力/KN
反顶力/KN
材料厚度/mm5
模拟结果及分析
采用表1中的工艺参数模拟的精冲的结果如图2所示；此外，在零件的中间和边缘产生塌角的位置各取一点进行点迹跟踪，观察它们速度的变化。图2(a)为塌角产生的初始时刻，材料的运动速度图，图2(b)为塌角产生之后，材料的运动速度图。可通过颜色分布观察到在塌角开始产生的时候，零件由内向外的运动速度是逐渐减小的，在零件边缘速度最小，图中的速度曲线分别为靠近零件中心部分的P1点和零件边缘处的P2点的速度曲线。精冲的塌角大部分是产生在冲头刚进入零件的前一小段时间，也就是曲线图中0~0.s之间，这段时间零件中心和零件边缘的速度差较大，故导致产生了相应的高度差。图2(b)中的时刻为塌角产生结束的时刻。此时零件边缘的速度和零件中心的速度相等，塌角不再增大。在此之后零件边缘的速度会稍稍大于零件中心的速度，此时塌角会有细微的减小，如图3所示，此时零件边缘产生一定的回弹，导致零件边缘速度增大。
(a)
(b)
图2速度模拟结果
图3塌角产生结束时刻与冲裁结束时刻的塌角大小
在冲裁塑性变形区域中的废料侧从上到下选取三个点，P3、P4、P5。图4为他们的速度曲线，可以看出三个点的速度曲线起伏情况接近，主要在0s~0.13s内有较大的速度，这个区间刚好是塌角产生的区间。理想状态下，零件部分的材料向下运动的速度应该相等，而事实上在零件边缘会出现塌角的部分，材料的运动速度是小于零件中心部分的速度。在大致忽略材料冲压过程发生弹性形变产生的势能的情况下，根据能量守恒原理，此时塌角部分材料所损失的动能应该等于废料部分产生的动能，所以废料区域速度较大的时间段也就是塌角产生的时间段。
图4废料区域的材料速度状态
尖角零件有限元模拟
图5为60°尖角零件的有限元模拟结果，板料厚度为5mm，可见60°尖角零件的塌角大小模拟结果大约为零件的30%~40%，对于实际零件会严重影响零件的使用性能和使用寿命。
图5尖角零件有限元模拟
图6为尖角零件的速度模拟结果，可以看出尖角处的材料流动速度和零件中间部分的材料的流动速度相差很大，很长一段时间尖角处的速度小于零件整体向下的速度，故导致产生极大的塌角。同时尖角角度越小塌角越大，根据能量守恒原理，在尖角区域，废料和尖角部分的角度比即体积比越大，废料对尖角部分材料向下运动的速度的影响越大。
图6尖角零件速度模拟
减小精冲塌角的改进方法
增大反压力法
精冲过程中施加反压力可以使零件拥有较好的平面度，同时反压力使变形区的静水压增大，变形区材料的塑性得以提高。模拟参数如图表2所示，经过数值模拟得到不同反压力参数下的塌角大小如图7所示，由此可以绘制塌角随反压力变化曲线，如图8所示。从曲线可以看出，随着反压力的增大，塌角逐渐减小，所以可以通过增大反压力来减小塌角[4]。反压力的增大可以使得零件中心部分的运动速度减小，变相的使塌角部分的速度接近零件中心的速度，导致塌角的减小，但是反压力对塌角的减小的同时会使得能耗增多，并且会一定程度上减小零件的厚度，导致零件精度得不到保障，此外，其对塌角的减小也有一定的极限，并不适合在精冲工艺设计中当作解决塌角的独立方法，可以和其他方法进行组合，在其他方案中将反压力调整到一个合适的大小来进一步的减小塌角的大小。
表2反压力模拟参数
图7不同反压力下的塌角大小
图8塌角随反压力变化曲线
对向凹模精冲
对向精冲是一种新型减小的塌角的精冲工艺方式，可通过对向凹模产生方向压得到无毛刺，无塌角的冲裁。如图5所示。在对向凹模冲裁中，使用一个特殊的带突起的上凹模(突起凹模)。突起凹模的顶部是一个平面，平面的宽度为料厚的30~40%，突起的高度取料厚的1浮倍左右。冲裁行程开始，首先是凹模上升，接着就开始冲裁夹在凹模和突起凹模之间的材料。在行程为料厚的70%~80%时，停止冲裁，此时切断凸模进行分离落料，对向凹模精冲采用的是伺服压力机驱动[3]。
1、切断凸模2、突起凹模3、材料4、凹模5、顶杆6、冲裁废料7、制件
图9对向凹模加工原理
根据图9的对向凹模加工原理，本文设计了如图10所示的对向凹模精冲。的DEFORM有限元模型，在对向精冲的第一阶段，切断凸模和顶杆分别设置对板料的压力为KN，凹模设置为不动的刚体，凸起凹模向下运动。第二阶段将凸起凹模设置为向下产生KN的压力，让切断凸模向下运动，具体模拟结果如图7所示，图11(a)为第一阶段零件的速度状态，图11(b)为第二阶段零件的速度状态，图11(c)为最终塌角的大小。在(a)(b)中可通过P1、P2两点的速度曲线看出，在对向凹模精冲中零件中心和零件边缘处的点的运动速度基本一致，因此产生的塌角极小。第一阶段，为凹模驱动废料部分运动使得零件的两端预成型；第二阶段相当于普通精冲的精冲结尾阶段，根据前文研究可知在普通精冲的结尾阶段塌角不会增大，因此对向精冲的塌角很小如图11(c)所示。塌角大小为0.mm对比图3普通精冲塌角0.mm无疑有了很大的减小。
图10对向凹模精冲有限元模型
(a)第一阶段速度状态
(b)第二阶段速度状态
(c)对向精冲塌角大小
图11对向精冲模拟
对向凹模精冲的方法已经在日本企业得到使用，如图12所示，日本企业运用方向压（对向凹模精冲）得到了微小模数齿轮（M=0.3mm）[5]。
图12对向凹模精冲的到的齿轮零件
负间隙精冲
负间隙精冲是一种凸模尺寸大于凹模型腔尺寸的一种挤压式的精冲方法。本文设计了如图13所示的负间隙精冲有限元模型，冲头半径为12mm，凹模型腔半径为10mm，其他工艺参数与表1一致。
图13负间隙精冲有限元模型
模拟结果如图14所示，图14(a)为冲裁过程零件的速度状态，图14(b)为最终塌角的大小。根据图14(a)中P1、P2两点的速度曲线可看出，在负间隙精冲过程中，零件中心和零件边缘处的点的运动速度基本一致，因此产生的塌角极小，凸模超出凹模型腔的部分可以给废料区域等同于零件区域的压力，让废料区域不需要零件区域的带动即可产生速度变化，相当于减小了废料区域对零件边缘区域的牵扯，使得零件边缘的速度基本等于零件中心的速度。故产生的塌角如图14(b)所示，大小为0.mm对比图3普通精冲塌角0.mm无疑有了很大的减小。
(a)负间隙冲裁零件速度状态
(b)塌角大小
图14负间隙冲裁模拟结果
重叠修整法
通过修整的方法同样可以解决零件的塌角问题，日本对普通的修整进行了改进，设计了名叫重叠修整的方法。如图15所示，可以看出通过重叠
修整的方法，可以使得零件的剪切面无缺陷，光洁度提高，去除塌角和毛刺，这种方法比普通修整好在极大的提高了修整区域的三向应力，使得塑性变形更加容易，避免了裂痕的产生[5]。
图15重叠修整的原理图及加工的零件
双向修整法
双向修整法的加工原理以及实际生产零件效果如图16所示，可见其加工步骤与对向凹模精冲一致，其实就是将对向凹模精冲的方法用在了零件的修整上，和重叠修整的区别在于，重叠修整是单边修整，双向修整是双边修整。这种方法使修整过程的静水压达到一个很大的值，可使塑性变形更加容易，不容易产生裂纹。
图16双向修整法
预压法
预压法的原理如图17所示，在冲裁之前，先用压印冲头对零件的上下部分各进行一次预压，将平面压成一个锯齿形，再进行精冲。从图17中可以看出对塌角的减小有一定的效果，但是存在的问题是在零件的两端的锯齿处冲裁完成之后的形状不好控制。图18为针对这种方法进行的DEFORM-2D的模拟，此方法的原理就是让原本产生塌角的地方的料提前向外突出一部分，然后在冲裁过程中，突出的部分会受到废料的影响往废料的方向移动，让塌角的形成得到缓解。
图17预压法
图18预压法模拟
级进分步法
级进分步法的原理是，对尖角采用相交切角的方式，在切角的过程中采用保压技术保证变形区静水压的存在，这种方法可将小角度冲裁转变成两个°的直线冲裁，可以使尖角部分受到废料影响导致向下的速度减小的情况得到缓解，从而减小塌角。但是这种方法存在的问题是，无法加工出尖角部分的圆角，加工出的是一个尖锐的尖角，故需要在后续加工中增加尖角的圆角。
结束语
1）精冲塌角的产生是由于废料部分对零件边缘的牵扯，导致零件边缘部分速度小于零件中心部分速度，使得表现出材料塌陷的状态。
2）对向凹模精冲和负间隙精冲都是一种很好地可以将零件边缘速度和零件中心速度控制在很接近的状态下的精冲方法，并且对塌角的减小有很明显的效果。
3）重叠修整工艺优越于普通修整工艺，可以得到更加高要求的零件剪切面。
4）根据能量守恒原理，可以从减小影响零件边缘速度的废料质量（即废料体积）同时保证静水压的方向设计工艺方案减小塌角。
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