基于聚氨酯橡胶的箔材微孔冲裁机理研究

蔡 涛，雷君相

（1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.上海理工大学 材料科学与工程学院，上海 200093）

0 引 言

随着产品微型化和精密化发展，零件中小于1 mm的微小孔加工数量与日俱增，加工精度越来越高，对微孔加工技术提出了更高的要求。目前常用的微孔加工方法主要分为两大类：机械加工方法和特种加工方法。机械加工方法包括微钻削、微冲压和微磨削等，特种加工方法包括激光加工、电解加工、超声加工、电火花加工以及电子束加工等［1］。在大批量生产时，机械加工方法中的微冲压法生产效率较高，其成本也比钻削低得多，而且加工出的孔尺寸稳定。

聚氨酯橡胶作为软凸模冲裁薄板是一种常见的机械加工方式，聚氨酯橡胶冲模与普通的钢制模具相比，不需要精度要求较高的模架，也没有严格的凸凹模配合间隙要求以及间隙均匀性要求，克服了模具凸凹模对中难的问题。但是目前对该方法的大部分研究都是用于冲裁大孔，或是孔径远大于板料厚度的孔，在微冲孔这个领域的研究还较少。

当机械零件的尺寸小于1 mm时，材料的成形过程就会表现出明显的尺寸效应。通常将直径小于0.3 mm的孔称为微孔［2］，将厚度小于0.1 mm 的板带材称为箔材。本文将采用有限元数值模拟的方法研究用聚氨酯橡胶作为软凸模冲裁微孔，来探讨聚氨酯橡胶作为软凸模冲裁微孔的可行性，以及箔材在成形过程中表现的尺寸效应进行探讨。

1 聚氨酯橡胶作为软凸模在微成形领域的运用

聚氨酯橡胶已经成功的应用于冲裁、拉深、涨形等成形工艺，在板料成形领域应用较为广泛。但在微成形领域中利用聚氨酯橡胶模的探索还较少，上海交通大学的彭林法等［3］用橡胶作软凸模（图1），做了微拉深的有限元模拟和实验验证，较为成功，说明聚氨酯橡胶作为软凸模在微成形领域中同样可行。

2 微成形中的尺寸效应

图1 橡胶软凸模微拉深成形过程

根据经典塑性理论，材料的流动应力－应变关系不随着零件尺寸的变化而发生改变。但是，当零件的特征尺寸达到亚毫米甚至微米量级时，零件尺寸的改变显著地影响材料的力学性能，表现出明显的力学性能尺寸效应，传统的宏观塑性理论已经无法科学地解释微成形过程出现的尺寸效应现象。刘芳等［4］研究了厚度对微细板料成形性能的影响，采用了厚度分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm和1 mm的AISI304不锈钢薄板进行单向拉伸实验。实验结果表明，当板料厚度小于1 mm时，材料的流动应力随着试样厚度的增大而增大，表现出明显的尺寸效应。李明星等［5］对不同厚度的SUS304不锈钢箔进行单向拉伸试验，得到真实应力应变曲线，如图2所示。结果表明：相同应变情况下厚度越小流动应力越大，同样表现出比较明显的尺度效应。

图2 不锈钢箔微拉伸流动应力－应变曲线

尺寸效应产生的原因，目前的理解是，与宏观传统的塑性成形工艺相比，微塑性成形中微型零件的几何尺寸可以按比例缩小，而某些材料参数却保持不变，如材料的微观晶粒度和表面粗糙度，从而导致材料的塑性变形性能发生了改变，使得传统的成形工艺方法不能通过等比例缩小应用到微塑性成形领域。

微型零件的成形与宏观零件的成形存在很多的相似性，由于存在尺寸效应，使得传统的成形工艺理论不能直接应用到微成形工艺中。传统的模拟和有限元分析都是建立在宏观力学的基础上，本文通过有限元模拟分析的方法来探讨微型尺寸材料在尺寸效应影响下的成形工艺特点。

3 有限元模型的建立

工作原理如图3（a）所示。在本文的分析中，主要的施加载荷就是刚性压头对软模材料的作用。所以定义聚氨酯橡胶上层钢性压膜的Y方向位移或者压力作为载荷，对于聚氨酯橡胶和薄板材料的两侧，定义材料沿X方向位移为0，来替代容框的作用，简化分析过程，而且不影响分析的效果，如图3（b）。选用分析软件ABAQUS／Explicit来模拟聚氨酯橡胶冲微孔的过程，选用SUS304不锈钢箔材，厚度为0.1 mm，孔径大小为0.1 mm。

图3 有限元模型

3.1 聚氨酯橡胶材料的本构模型

Mooney－Rivlin模型在工程有限元模拟中经常被采用，该模型对橡胶变形150%以内的变形特征描述性很好［6］。因此本文聚氨酯橡胶采用 Mooney－Rivlin模型：

ABAQUS用Mooney－Rivlin模型定义超弹性时，需要用到参数C10、C01、D1。由关系式［7］：

即可得出肖氏硬度（HS）与C10、C01的关系。

本模拟橡胶参数见表1，采用HS91的聚氨酯橡胶材料。

表1 橡胶主要参数

3.2 不锈钢材料的本构模型

本文选用Johnson－Cook模型定义不锈钢的塑性。根据ABAQUS6.12帮助文档，Johnson－Cook理论模型为：

本文不考虑温度依赖和应变速率依赖，仅以A、B、n定义板料的塑性。李明星等［4］对SUS304不锈钢箔材建立的本构模型：

式中，n为加工硬化指数，n＝0.71；A、B为与特征尺寸相关的参数。

式中，t为箔材厚度（mm）；d为箔材晶粒尺寸（mm）。

取晶粒尺寸为0.037 mm的SUS304不锈钢，计算得，A＝290 Mpa，B＝1 206 Mpa。选取剪切断裂准则，断裂应变设为0.6，ks设为0.3，等效塑性位移＝0.001 mm。即等效塑性应变达到0.6时产生初始裂纹，当等效断裂位移达到0.001 mm时，材料失效，本文采用单元删除法来处理失效的单元。

3.3 ABAQUS有限元模型的建立

用二维轴对称简化模型，凹模与钢性压头采用解析刚体，凹模孔径0.1 mm，坯料厚0.1 mm，直径0.34 mm，模型见图4。容框与橡胶采用tie约束，橡胶与坯料、坯料与凹模之间均采用Surface－to－Surface接触，坯料与橡胶之间的摩擦因子取0.1，凹模与坯料之间摩擦因子取0。边界条件为凹模固定，给钢性压头设定一个下压的位移，钢性压头带动橡胶下压完成冲裁过程。

图4 橡胶冲微孔的有限元模型

4 有限元计算结果及分析

在ABAQUS6.12中模拟的用聚氨酯橡胶冲裁小孔的过程如图4所示，由于孔径与坯料厚度相同，属于厚料冲小孔，因此不锈钢板料并没有出现明显的弹塑性变形。首先，板料在上模作用下发生弹性变形，如图5（a）；当上模行程达到0.0038 mm时，板料达到屈服极限，板料开始发生塑性变形，如图5（b）；紧接着，当上模行程达到0.0048 mm时，如图5（c），板料迅速达到了断裂条件开始产生裂纹；当上模行程达到0.0058 mm时，坯料完全断裂，如图5（d）。整个断裂过程都是在极短的过程发生，这时由于孔径与坯料厚度相同，属于厚料冲小孔，因此不锈钢板料并没有出现明显的弹塑性变形，而是迅速达到了断裂条件开始产生裂纹。

图5 橡胶冲孔过程示意图

图6是冲裁力随上模行程变化的曲线，从曲线中可以看出冲裁力变化的趋势。当上模切入板材深度小于0.003 mm时，冲裁力呈线性快速增加，此时材料处于弹性变形区；当上模切入深度大于0.003 mm时，材料并没有出现明显的塑性变形，此时冲裁力增加趋势基本与弹性变形阶段相近，直至切入深度为0.0038 mm时冲裁力最大，达到165 N，紧接着开始产生裂纹；产生裂纹以后冲裁力开始下降，当上模行程达到0.0058 mm时，发生彻底断裂，板料冲裁过程结束。

图6 冲裁力变化曲线

在这个模型的基础上，改变聚氨酯橡胶软凸模的厚度，从0.15 mm到2 mm，图7为聚氨酯橡胶厚度与单位压力的关系图。

聚氨酯橡胶模冲裁普通薄板时，在一定范围内随着聚氨酯橡胶厚度的增加，冲裁力减小。但是由图7可以看出，在冲裁过程中，聚氨酯橡胶厚度的改变对冲裁力大小的影响很小。造成这种现象的原因是由于板料的厚度以及孔径太小，在冲裁的过程中并没有出现明显的弹塑性变形，而迅速达到断裂，使得板料在成形过程中受斜压力的影响很小，所以使得聚氨酯橡胶厚度对冲裁力大小的影响很小。

图7 聚氨酯橡胶凸模厚度与冲裁力的关系

钢性模微冲裁中冲压速度对冲裁力的影响成反比关系，即冲压速度越大，冲裁力越小，而聚氨酯橡胶模有着与传统钢模不同的曲线。选取不同的冲压速度进行冲裁，分别取10、30、50 mm／s和100 mm／s。在该模型上取板料远端上一点，在不同冲裁速度下模拟得到的压应力曲线，如图8所示。可以看出，冲裁速度越大，板料压应力也越大。

图8 冲裁速度对材料压应力的影响

造成这种现象的原因是，虽然板料的弹塑性变形不是很明显，但是依然存在。冲裁过程中，橡胶会与板料间产生空腔，冲裁速度提高，使得橡胶在空腔狭小区域内的流动性越差。冲裁速度提高使得空腔内的橡胶挤入量减小，橡胶在尚未完全挤入空腔的情况下单位压力迅速增加，流动性降低。此时板料不能受到足够的拉应力，因而使板料断裂所需的单位压应力增加。

5 成形过程中尺寸效应的影响

在前文建立的有限元模型基础上，不改变聚氨酯橡胶凸模的厚度、冲裁速度，以及孔径大小，选取不同厚度的SUS304不锈钢箔材，厚度H分别为0.1 mm，0.08 mm，0.06 mm和0.05 mm，进行冲孔。由前文所提到的SUS304不锈钢箔材的本构关系，得到相对应的特征尺寸相关的参数A、B值，进行有限元模拟分析，结果如图9所示。图10为冲裁过程中相对应的行程与冲裁力关系图，冲裁0.1 mm厚箔材的最大冲裁力为165 N，而冲裁0.05 mm厚箔材的最大冲裁力为104 N，前者约为后者的1.6倍，按照传统的宏观力学理论，不考虑尺寸效应的影响，前者的值应为后者的两倍，在冲裁的过程表现出明显的尺寸效应。造成这种现象的原因是，由于箔材的尺寸效应，使得板料表现出相对的“越小越强”，使得冲裁力的大小没有随着板料厚度的减小相应等比例减小。

图9 不同厚度的SUS304不锈钢箔材冲孔模拟图

图10 不同厚度箔材的冲裁力与行程关系图

6 结 论

本文运用ABAQUS／Explicit软件，采用有限元数值模拟的方法，研究聚氨酯橡胶作为软凸模对箔材进行微孔的冲裁，探究了该方法的可行性，对于微冲裁领域的研究提供了一种参考。聚氨酯橡胶软凸模厚度的改变，对冲裁力大小产生的影响很小。在一定范围内，冲压速度的提高，会使板材受到的压应力增加。对不同厚度的SUS304不锈钢箔材进行冲裁，由于尺寸效应的影响，使得冲裁力的大小并不随着箔材厚度的改变而等比例改变，表现出不同于传统成形过程。本文对SUS30不锈钢箔材尺寸效应的探讨，也同样适用于其他的材料，为研究其他材料的尺寸效应提供了参考价值。

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［5］ 李明星.SUS304不锈钢箔微冲裁尺寸效应研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

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