第一章 绪论
1.1 厚钢板小孔冲裁概述
厚钢板小孔冲裁加工属于冲裁加工的一种。冲裁加工具有快速、高效、制件质量稳定、适合批量生产、生产成本低等特点，在生产中得到了普遍应用。通常所说的冲压成形工艺，被加工材料在很小区域内产生很大的塑性变形，而且以破坏分离为最终目的，这就使得这种看似简单的加工方法，比其他塑性加工工艺复杂的多，在加工过程中往往伴随着一些不能简单说明的复杂现象。对于厚钢板冲裁，至今仍然没有标准的料厚范围，但根据冲裁加工的常规加工料厚范围，一般认为板厚 t≥4mm 的板料为厚板材料。对于小孔的尺寸范围，至今没有标准衡量和数据界定，通常将孔径在 0.5mm～3mm 范围内的孔统称为小孔。在一定的板厚条件下，当冲孔的直径小于某一定值时，由于小凸模强度和刚度的限制而无法冲孔。冲孔直径越小、凸模越长，长径比越大，凸模越容易折断。但仅从冲孔直径大小来划分冲小孔凸模，忽略了冲孔料厚，等于没有考虑凸模载荷，显然也不全面。
厚板冲裁工艺设计时会遇到许多问题，如按普通冲裁力计算公式计算出的冲裁力往往过小，且在手册中查不出合理的模具间隙值。因此，厚钢板冲小孔的工艺和模具设计无章可循，往往是通过经验设计。厚钢板小孔冲裁时，凸凹模要承受更大的压应力，尤其非圆断面凸模的尖角、凸耳、折线交点处，接触应力远大于平均压应力，以致于超过通常的 T7A、T8A、10A、Cr12、Cr12MoV、GCr15 等材料制造的凸凹模的许用压应力，使其局部应力超过极限应力而崩刃、开裂，较细而又未加固的凸模则经常折断，凹模则在冲裁轮廓折线交接处、锐角顶的小圆角根部易突然开裂。因此，采用高强度、高耐磨优质冲模新材料取代上述常规冲模材料制作厚钢板小孔凸模显得十分重要。
目前，在航天、航空、兵工、电子、汽车、仪器仪表、机械及建筑等行业中，厚钢板小孔冲裁的应用日趋广泛并取得了较好的经济效益。特别是近年来，随着材料科学的发展，模具技术水平的不断提高，新型模具材料的推广应用，尤其是耐热钢、不锈钢、硬质合金等高强度、高耐磨性材料的出现，对小孔冲裁加工提出了更高的要求，为解决厚钢板小孔冲裁时的模具寿命问题奠定了坚实的基础。
1.2 国内外研究现状
国内对厚钢板小孔冲裁的研究主要集中在二十世纪八、九十年代。安建华、许树勤等对厚板冲小孔时的冲裁力进行了计算，并提出了近似计算公式，建议采用实例和计算来确定模具间隙，但仍然处于摸索阶段。小孔冲裁的凸模由于受力条件十分恶劣，在工作过程中经常发生失稳弯曲、崩刃、折断、严重磨损等破坏。因此，目前国内对厚钢板小孔冲裁的研究主要集中在分析冲头失效形式以及如何预防小冲头的破坏方面。研究者们提出了细长凸模的主要失效形式，如小冲头的强度、刚度和韧性不足，在冲裁的过程中易产生崩刃、失稳弯曲和折断；在冲孔卸料过程中，由于重载后整体模具释放变形能量而回弹，易使冲头受到不均衡侧向力折断；在冲孔和卸料过程中，小冲头易受任何原因引起的侧向力而产生严重磨损、崩刃或折断；小孔冲裁挤剪切力大，摩擦发热严重，粘着磨损严重。
针对这些失效形式也提出了很多行之有效的措施，主要是从模具设计方面（冲头为主）、模具制造装配以及其他方面考虑（选材及热处理）。但从失效机理方面入手来分析研究模具寿命方面的资料几乎没有。有很多文献分析了厚钢板冲裁的过程，也比较了小孔冲裁与普通冲裁过程中板料变形的不同之处。彭成允等人根据塑性成型理论和厚板小孔冲裁机理并结合生产实际，运用主应力法和上限法对冲裁过程建立了力学模型进行了应力分析。李兴成等人运用实验法分析中厚板冲裁时影响冲裁力的几个主要因素，并由试验确定了对于给定厚度的板料，斜刃口模具倾角α对冲裁力的影响是主要的。但对冲裁机理的深入研究几乎是一片空白，尚无资料可查。关于冲裁过程中有关冲裁力计算的资料较多，但采用的公式和说法大相径庭，而且冲裁过程中冲裁力的真实曲线也很少有涉及到的。
对小孔冲裁的计算机模拟方面的研究也很少，目前看到的是先采用 Deform2D 软件分析冲裁的断裂机理，再用 Deform3D 进行缺陷分析预测，但目前仍然处于起步阶段。国外，日本学者在这方面做了相对较多的工作。1997 年，小森和武等人采用节点分离及网格重划分技术，对冲裁加工进行了分析。1998 年，汤川伸树等人用 FEM对板料剪切断裂前的加工过程进行了模拟，得出了相对间隙和刃口圆角尺寸对应力、应变分布的影响规律。荷兰的 Y.W.Stegeman 等采用弹塑性 Von-Mises 模型对冲裁加工过程进行了模拟，得到了剪切速度对剪切力的影响，还采用了精确的网格试验法，用显微镜对网格的变形进行观测，得出冲裁过程中模具切入量和材料应变分布的关系。近几年一些国家的学者对板材的断裂问题进行了研究。他们分别采用不同的断裂准则分析了裂纹的扩展。但是专门对厚钢板小孔冲裁进行研究的资料尚无。
第二章 厚钢板小孔冲裁过程的数值模拟
2.1 引言
厚钢板小孔冲裁是利用模具使板料产生分离的冲压工序，是一个既有变形又有分离的极其复杂的塑性加工问题。这种加工方式在刃口附近的变形程度剧烈，断裂前产生的极限塑性应变值远高于其他塑性加工。因此，冲裁变形过程远比其它一些成形工序如拉深、弯曲、胀形等复杂，这些成形工序可以通过理论分析的方法，对诸如应力、应变、变形力等进行预测或计算，而对冲裁加工则很难进行类似的理论分析。此外，板材冲裁加工过程中的断裂问题非常复杂，剪切带成形的范围很窄，断裂过程中出现的一些复杂现象，至今未能得到很好的解释。
基于有限元方法的数值模拟技术由于其独特的优势，在塑性加工领域获得了广泛的应用。通过数值模拟，可以了解金属塑性成形的全过程，包括金属成形过程中各阶段材料变形的趋势、材料内部的应力、应变、应变速率、成形载荷及速度矢量场等。这对金属塑性加工工艺设计、模具设计、压力机的选择以及成形质量的控制等具有很大的现实意义。在有限元模拟过程中，要涉及一些具体的技术问题，如材料模型的选择，单元类型的选择，模具几何模型的建立、分析及简化，单元网格的划分与重划分，断裂问题的处理，分析类型，约束条件等。对于不同的塑性加工问题，解决和处理的方法可能有所不同。因此，为了更好地揭示冲裁加工过程中的某些共性规律，在进行有限元分析之前，需要做一定的理论准备工作。
第三章 厚钢板小孔冲裁的力学分析.................. 35-52
3.1 金属塑性加工的基本理论.................. 35-37
3.2 厚钢板小孔冲裁工艺分析.................. 37-44
3.3 板厚、间隙与冲裁力的关系.................. 44
3.4 厚钢板小孔冲裁力的计算.................. 44-51
3.4.1 冲裁力的力学模型建立 ..................44-50
3.4.2 冲裁力的计算.................. 50-51
3.5 本章小结.................. 51-52
第四章 厚钢板小孔冲裁实验研究.................. 52-60
4.1 简易实验模具设计.................. 52-54
4.1.1 模具结构设计.................. 52-54
4.1.2 凸模结构设计.................. 54
4.2 分步冲裁实验.................. 54-58
4.2.1 实验准备 ..................54-55
4.2.2 实验数据及结果分析 ..................55-58
4.3 本章小结 ..................58-60
第五章 厚钢板小孔冲裁模失效分析.................. 60-65
5.1 厚钢板小孔冲裁凸模的失效形式.................. 60
5.2 厚钢板小孔冲裁凸模的失效原因分析.................. 60-62
5.2.1 磨损失效 ..................60-61
5.2.2 弯曲或折断 ..................61-62
5.3 影响厚钢板小孔冲裁凸模寿命.................. 62-64
5.4 本章小结.................. 64-65
结论
本论文获得的主要结论如下：
(1)分析了厚钢板小孔冲裁机理、材料应力应变状态，其变形都主要集中在间隙区域及其周围的狭小区域内；在整个变形过程中，材料受到的三向压应力成分较大，受力状态类似于精冲。弥补了厚钢板小孔冲裁机理研究的不足，完善了冲裁工艺基础理论；
(2)与普通冲裁不同，厚钢板小孔冲裁的废料厚度小于原材料厚度，光亮带所占比例较普通冲裁的大，达到料厚的 70%；冲裁力曲线也不同于普通冲裁，其上有多个压力峰值；
(3)通过设置不同的成形参数对冲孔过程进行模拟分析，得到了不同的冲裁力行程曲线；综合分析了凸凹模相对间隙、板厚 t、材质、凸模形式等对冲裁力及冲孔质量的影响规律，得到了冲孔直径为 φ 4mm，料厚为 5m m条件下的最佳冲裁间隙值为2t%，为实际生产提供了该类模具设计的工艺参数依据；
(4)针对厚钢板小孔冲裁的变形特点，设计了简易的模具装置，通过两种材料LF2、Q235 的厚板小孔冲裁实验，与普通冲裁进行了对比，并对模拟结论进行了实验验证，证明了理论与数值模拟研究的正确性；
(5)从理论角度分析比较了厚钢板小孔冲裁与普通冲裁的差异，得出了厚钢板小孔冲裁的变形过程及冲出孔特点；通过对两种不同形式凸模冲孔时的应力、应变分析，得到了不同形式凸模进行小孔冲裁时的特点；
(6)根据塑性成型理论及冲裁变形机理，建立冲裁力计算模型，得出了不同于普通冲裁力计算公式的厚钢板小孔冲裁力的计算公式，并通过具体实例将该公式与普通冲裁力的计算公式进行了比较，提供了厚钢板小孔冲裁时冲裁力的计算依据；
参考文献
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