冲裁工艺对材料变形的影响及试验分析

冲裁是生产微小零件的主要工艺之一，特别是在电子工业领域。因此，目前相关的研究主要集中在电子产品方面。W.B.Lee等研究了线框的精度与模具、工艺参数的关系。结果表明：随着冲裁间隙的增大，最大冲裁力和冲裁能逐渐减小并存在一最小值，然后又开始逐渐增大，即在所考察的冲裁间隙范围内存在最小的最大冲裁力和冲裁能。同时，与常规冲裁一样，线框冲裁中也存在最优冲裁间隙：镍合金A42^[2]的冲裁间隙为材料厚度的13.92%，铜合金EFTEC64T^[2]的冲裁间隙为材料厚度的6.83%。此外，随着冲裁间隙的减小，冲裁断面上的圆角断裂角度、断裂高度和毛刺高度都增大，而光亮带高度减小。而且观察到与常规冲裁同样的现象：间隙过小时，发生二次剪切；间隙过大时，发生二次拉裂。铜合金的毛刺比镍合金高，这是由于铜合金的伸长率比镍合金好。试验结果也表明：对两种线框材料来讲，沿轧制方向的强度要比沿与轧制方向垂直的方向更大。

M.Geiger等在冲裁试验中采用硬化（平均晶粒度10μm）和再结晶软化（平均晶粒度70μm）两种状态的CuZn15。试验结果表明：冲头宽度w_p为0.5mm或更大时，最大冲裁力保持不变；当w_p减小到0.25mm即小于试样厚度s₀时，最大冲裁力减小10%。这是因为冲头宽度为0.5mm或更大时，变形区应变呈火焰型分布且在凹模附近存在最大位移，而当w_p减小到0.25mm小于试样厚度s₀时，应变分布出现不同变化，冲头下的变形区出现最大位移即冲裁开始后，冲头下的材料流向了两侧，而不是进入凹模。其次冲头宽度与冲裁断面分布也有关系，在微尺度冲裁中，冲裁断面分布仍由圆角、光亮带、断裂面组成，在冲裁的初始阶段，在试样的上表面材料的流动引起了较大位移，这引起了光亮带上的弯曲，圆角部分也较小。此外，试样的晶粒尺度对材料的流动也有影响。将试验规律与微弯曲试验对比发现，在冲裁中存在与弯曲试验不同的作用机制，导致了剪切抗力的增大。在冲裁变形中，当几何比例系数减小时，变形集中在有限的几个晶粒上，而这些晶粒被模具限制，变形位相受到局限，从而不能像多晶材料存在大量晶粒和晶界，容易发生剪切变形。

T.A.Kals等的冲裁试验表明：在冲裁工艺中，由于材料被各种工具所限制，变形区很小。因此在拉伸和弯曲试验中所发生的微尺度效应在冲裁试验中不太明显。冲裁力并没有因为尺度的减小而减小，最大冲裁力和最终剪切强度随着材料厚度的增加稍有增大。各种晶粒尺度都表现出这一现象，而且最大冲裁力和最终剪切强度随着晶粒尺度的减小而稍有增大。但随着几何比例因子的减小这一效应逐渐减弱，原因可能是此时晶粒尺度与板厚接近，变形抗力增加。冲裁断面仍然保持圆角、光亮带、断裂面，基本没有太大变化，但是光亮带、断裂面与上下底面的角度发生变化，这可能与几何比例系数有关。但是随着几何比例系数的减小，断面的不规则越来越严重，这是由于在有限区域晶粒变形受到更大的局限，晶粒尺度和板厚接近时，晶粒的变形不能选择优势位相，而且在冲裁初始就发生断裂现象，另外有的地方根本没有毛刺而有的地方却有大量毛刺。(www.xing528.com)

L.V.Raulea等分别针对多晶和单晶材料进行微冲裁试验，试验表明：多晶材料的变形断面具有对称性，而在单晶材料的变形中，这一对称性消失了。这是由于单晶材料的各向异性严重而且晶粒相位差异也较大所致。单晶材料的断面也很不规则。多晶材料和单晶材料的冲裁力和冲裁行程的关系也表明，对于多晶材料，几个试样的结果基本相同，具有可再现性。而无论是最大冲裁力还是曲线的轮廓，单晶材料的冲裁力和冲裁行程的关系曲线则显示了强烈的不可再现性。这可能与单晶的形成过程中，晶粒滑移位相与冲裁方向不一致所致，或者在变形过程中，有些晶粒发生旋转或激发了其他晶粒的滑移，从而导致单晶材料变形的不规律行为。