聚氨酯橡胶模具超声辅助冲裁试验研究

摘要

聚氨酯橡胶冲裁模具是指用置于密闭容框中的聚氨酯橡胶代替刚性模具的凹模，对金属或非金属坯料完成冲孔或落料工艺的模具，在工业生产中用以获得表面平整且无毛刺的工件。超声振动辅助塑性加工方法是指在传统的塑性加工工艺基础上为工件或工具施加特定方向和频率的超声振动，降低塑性变形中的流动应力，提高工件质量的特种加工方法。本文在研究聚氨酯橡胶模具冲裁成型的基础上引入超声振动，并对在两个维度处于亚毫米尺寸级别的微落料件进行超声辅助冲裁试验。
　　通过单轴压缩试验建立硬度90A聚氨酯橡胶的Mooney-Rivlin超弹性本构模型。确定了304不锈钢的Johnson-Cook弹塑性本构方程，使用Ductile Damage延性断裂准则定义304不锈钢的断裂损伤，在ABAQUS中对冲裁过程进行分析并对特征点进行应力分析。
　　T2紫铜、304不锈钢和3J21合金等典型坯料冲裁试验结果表明，坯料厚度和抗拉强度的增大造成冲压力的增大;较大的冲头高度下，冲压力较小;最小冲头高度随坯料厚度和坯料延伸率的增大而增大;断面均由圆角带与断裂带构成，冲头高度对断面形貌没有明显影响。
　　选取了超声波发生器与夹心式压电换能器，使用传统解析方法结合有限元优化的方法设计长67.5 mm的半波长圆锥变幅杆。使用激光测振仪测量不同的输出功率下冲头端面的振幅，振幅随输出功率的增加而增大。
　　超声辅助冲裁试验结果证明，对于T2紫铜与304不锈钢，超声振动的施加使材料软化，整个冲裁行程中的冲裁力有所减小，在输出功率240W时，最大冲裁力分别比未施加振动时减小19.8％和18.4％;超声振动的施加使落料件沿圆周断裂更加一致，圆角带分布的均匀性有所提高，在输出功率为240W时，圆角带占断面比例分别由未施加振动时的64.3％和47.7％降低到47.8％和42.7％。对于3J21合金，超声振动的施加对冲裁力和断面没有明显影响。
　　圆形微落料件冲裁试验结果表明，三种落料件由于冲裁结束后回缩量不同，造成了尺寸差异。带圆角方形微冲裁试验中，304不锈钢落料件产生翘曲现象，原因为各边未同时断裂而导致落料件受坯料拉力产生位移。通过施加超声振动，使坯料软化，拉力减小，冲裁出尺寸精度较好的304不锈钢带圆角方形微冲裁件。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源

1．2 选题背景与研究意义

1．3 国内外相关技术研究现状

1．3．1 聚氨酯橡胶模具冲压成型

1．3．2 超声辅助塑性加工

1．3．3 微冲裁

1．3．4 存在的主要问题

1．4 论文主要研究内容

2 冲裁成型机理

2．1 冲裁成型过程受力分析

2．2 冲裁成型有限元模型

2．2．1 聚氨酯橡胶本构模型

2．2．2 304不锈钢本构模型与断裂准则

2．2．3 有限元模型的设置

2．3 冲裁成型有限元分析

2．3．1 冲裁过程分析

2．3．2 特征点应力分析

2．4 本章小结

3 聚氨酯橡胶模具冲裁试验

3．1 冲裁模具的设计

3．1．1 模具参数计算

3．1．2 活动容框的设计

3．1．3 冲头的设计

3．1．4 压板的设计

3．1．5 模具整体结构与运动过程

3．2 冲裁试验设计

3．3 试验结果分析与讨论

3．3．1 冲头高度与坯料厚度对冲压力的影响

3．3．2 坯料物理性能对冲压力的影响

3．3．3 落料件断面形貌

3．4 本章小结

4 超声辅助冲裁试验

4．1 超声振动系统的组成

4．1．1 超声波发生器

4．1．2 超声换能器

4．1．3 超声变幅杆

4．2 变幅杆的设计

4．2．1 变幅杆的解析设计

4．2．2 变幅杆的模态分析

4．2．3 变幅杆的优化

4．2．4 振幅的测量

4．2．5 装置整体结构

4．3 试验结果分析与讨论

4．3．1 超声振动对冲裁力的影响

4．3．2 超声振动对断面圆角带分布的影响

4．4 本章小结

5 微冲裁试验

5．1 圆形微落料件冲裁试验

5．1．1 微落料件形貌

5．1．2 微落料件尺寸精度

5．2 带圆角方形微落料件冲裁试验

5．2．1 冲裁过程分析

5．2．2 冲裁质量与冲裁缺陷

5．2．3 超声辅助微冲裁

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢