高浮雕银章热压材料本构模型及成形特性研究.pdf

第 56 卷 第 10 期 2023 年 10 月 天津大学学报(自然科学与工程技术版)Journal of Tianjin University(Science and Technology)Vol.56 No.10Oct.2023 收稿日期：2022-09-02；修回日期：2022-12-27.作者简介：张 杰（1960 ），男，博士，教授，ZhangJ.通信作者：孔 宁，.基金项目：国家自然科学基金资助项目(51605026).Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51605026).DOI:10.11784/tdxbz202209002 高浮雕银章热压材料本构模型及成形特性研究 张 杰1，朱恒飞1，汪旭超2,3，孔 宁1，李 钢2，杨 玉2(1.北京科技大学机械工程学院，北京 100083；2.中国金币集团有限公司，北京 100045；3.深圳国宝造币有限公司，深圳 518118)摘 要：随着纪念币成形向高浮雕、大变形方向的发展，传统的通过冷加工方法的纪念币挤压成形已无法满足大变形的成形要求，为了解决高浮雕银章成形困难的问题，研究了热加工条件下的银章成形特性 通过 Gleeble3500 单向压缩试验对 25600 的银材料热流动行为进行研究，结合有限元仿真软件研究材料的成形性能与热压工艺，随后开展了高浮雕银章热压试验 通过 Gleeble3500 试验确定了银材料的热压金属流动行为，在 25 时存在明显的加工硬化现象，而高温时回复再结晶软化机制占据主导地位 利用 Johnson-Cook 本构方程实现了对应力-应变曲线的分温度区间描述 依据拟合的 Johnson-Cook 本构模型开展 25600 纯银板坯杯突有限元仿真，研究温度、摩擦系数和冲压速度对板坯成形的影响 采用杯突值(IE)来衡量材料的变形能力，结果表明高温、低摩擦、低冲压速度时，材料拥有更大的 IE 值 当温度从 25 增大到 600 时，IE 值随之增大了 94.7 在同一温度下，当冲压速度从3 mm/min 增大到 12 mm/min、摩擦系数从 0 增大到 0.100 时，IE 值均减小，减小幅度在 10.9%以内 开展的高浮雕银章热压试验也验证了热压成形特性，在温度高时浮雕的填充效果更好 600 时银章的浮雕填充饱满，而 25 和300 分别出现了饼坯开裂和压印不足的缺陷 高浮雕银章的热压结果表明了热加工条件下银章的成形特性优于冷加工成形，本研究工作可为高浮雕银章的热压成形理论及应用技术的发展奠定基础 关键词：高浮雕银章；银章压印；本构模型；热压试验 中图分类号：TG371 文献标志码：A 文章编号：0493-2137(2023)10-1021-10 Research on Constitutive Model and Forming Characteristics of Hot-Pressed Materials for High-Relief Silver Medals Zhang Jie1，Zhu Hengfei1，Wang Xuchao2,3，Kong Ning1，Li Gang2，Yang Yu2(1.School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.China Gold Coin Group Co.，Ltd.，Beijing 100045，China；3.Shenzhen Guobao Mint Co.，Ltd.，Shenzhen 518118，China)Abstract：The stamping of commemorative coins is developing toward high relief and large deformation.Traditional cold working methods cannot achieve forming requirements with large deformation.To solve the difficulty of forming high-relief silver medals，the forming characteristics of silver medals under hot working conditions were studied.The thermal flow behavior of silver materials at 25600 was studied by the Gleeble3500 unidirectional compression test.The forming properties and hot pressing process of the material were studied using the finite element simulationsoftware.Subsequently，the high-relief silver medal hot pressing test was performed using finite element simulation software.At 25，there was an obvious work hardening phenomenon，and at high temperatures，the recovery re-crystallization softening mechanism dominated.Using the Johnson-Cook constitutive equation，the stress-strain curve was described in different temperature ranges.Based on the fitted Johnson-Cook constitutive model，the finite ele-ment simulation of cupping of 25600 pure silver plates was performed.The effects of temperature，friction coef-1022 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 10 期 ficient，and stamping speed on the formability of the plates were studied.The cupping value(IE)was used to measure the deformation ability of the material.The results showed that the material has higher IE value at high temperature，low friction and low stamping speed.When the temperature increased from 25 to 600，the IE value increased by 94.7%.At the same temperature，when the stamping speed increased from 3 mm/min to 12 mm/min or the frictioncoefficient increased from 0 to 0.100，the IE value decreased within a range of 10.9%.The implementation of the high-relief silver medal hot pressing test verified the hot-press forming properties.The relief-filling effect was better when the temperature was high.The relief filling of the silver medal was full at 600，while the cracking of the cake and the insufficient imprinting defects appeared at 25 and 300，respectively.The hot pressing results of the high-relief silver medal showed that the forming properties of silver medals under hot working conditions are better than those under cold working conditions.This research work can lay a foundation for developing hot pressing form-ing theory and application technology for high-relief silver medals.Keywords：high-relief silver medal；silver medal stamping；constitutive model；hot pressing test 金属银具有良好的延展性与白色金属光泽，在货币、装饰行业中应用十分广泛 纪念币最常使用的加工方法为冷挤压，它的成形优势在于表面质量好、尺寸精度高、成形速度快，缺点是材料的变形抗力较大，对模具和设备要求较高 目前常见的金属纪念章表面图案与文字的浮雕高度在 0.10.7mm 左右，采用冷挤压加工方式的废品率在 10%以上 然而随着浮雕的设计高度增大到 1.53.0mm，这些具有大直径、精细花纹和大镜面特征的高浮雕纪念章的加工难度明显提升，冷挤压成形的废品率高达 50%并且其主要成形缺陷为浮雕压印不足、镜面效果受损和金属饼坯开裂等 Bohm 等1发现铝材料在冷压成形位移的最后 1/5，载荷增大近 4.5 倍 Hiroshi 等2分析了具有微腔结构的模具对铝合金板材压缩填充行为的演变，确定了浮雕结构影响压印过程的金属流动 因此在生产更具有艺术表现力的高浮雕纪念章时，采用传统的冷挤压加工将面临着生产成本昂贵、生产周期过长并且依赖长期积累的经验等困难 为了降低企业生产成本、提升生产效率，有必要进行纪念章材料成形性能方面的研究 纪念章热挤压时材料的流动性有所改善，能够很大程度降低金属的变形抗力、减小模具磨损、提高成形的速率，在纪念章压印中拥有一定的研究价值 同时贵金属行业中的列支敦士登与德国梅耶造币厂联合研制了多次反复热压的 Smart-Minting 造币技术标准，并运用该技术标准制造了多种超高浮雕的纪念币，这表明造币行业中的热挤压技术在生产高浮雕纪念章时具有一定的可行性 由于贵金属纪念币行业的技术保密性，公开发表的纪念币材料性能和压印成形特性的文献较少，与银章热挤压技术相关的资料更是鲜有报道，仅在纪念币的压印过程分析与压印模拟计算方面发表了一些研究 例如，Thome 等3开展了具有微浮雕结构的模具压印薄板试验，结果表明印模的型腔几何尺寸对压印过程中的金属流动和模具填充能力影响显著 Xu 等4采用动态显示物质点法的有限元模型模拟了纪念币压印过程，解决了纪念币边缘畸变单元负体积导致的模拟错误 Li 等5采用基于常规机制的应变梯度塑性理论创建了能够提高压印模拟精度的本构模型，并对纪念币的压印成形过程进行了仿真，该仿真虽然计算精度高但是计算成本很大，压印模拟单元数量超过了 1106个 本文的研究目标是在纪念币压印研究的基础上开展热压材料本构模型的建立与成形特性研究，最终确立高浮雕银章的热压生产工艺参数 银章材料热压下的本构模型是描述热挤压过程流动应力变化的重要手段 历年来，关于材料本构模型建立的研究已经取得了丰富的成果6-7，比较常见的有 Arrhenius 模型、Johnson-Cook 模型、M-K 模型和 BP-ANN 模型等8-9 首先，本构模型建立时包括了不同的影响参数 例如，在考虑温度和应变速率对流动应力的影响下，Xu 等10对 Al-Mg 合金进行了温度 298418K、应变速率 110-4110-1s-1的单向拉伸试验，获得了稳态应变速率下应力与应变、应变速率、温度之间的关系 Ma 等11则创建了 900950、应变速率小于 0.01s-1的钛合金本构模型 Nayan 等12基于镍铜合金的流变应力和变形温度、应变速率的关系建立了双曲-正弦 Arrhenius 型本构方程 其次，在考虑材料损伤与变形行为对流动应力的影响上，Zhu 等13不仅确定了应变、应变速率和温度对流动应力的影响，还考虑了应力状态对损伤起始时等效塑性应变的影响 Tong 等14提出了能够预测中锰钢在单轴热压条件下的应力应变关系以及屈服点等变形行为的本构模型 Kim 等15则通过DP590 钢的单向拉伸和胀形试验建立了可用于检验 2023 年 10 月 张 杰等：高浮雕银章热压材料本构模型及成形特性研究 1023 屈服准则、各向异性参数对板材成形影响的模型 此外，在本构模型准确度优化方面，陈冰等16通过遗传算法搜索本构参数的最优组合，实现了 5 个本构参数的最小二乘辨识，建立了具有逆向辨识能力的本构模型 Zhu 等17运用分段函数和过渡函数的改进方程与修正参数使模型更加精确地预测了 42CrMo 的热压缩行为 Liu 等18建立了应变补偿 Arrhenius 本构模型和具有更高预测精度与稳定性的神经网络本构模型 以上本构模型的建立过程中充分考虑了材料的变形参数和变形特点，为本文纯银热压材料本构模型的构建提供了理论依据和实践指导 银章坯料由高纯度金属精密加工而成，内部缺陷对本构模型精度的影响可以忽略，同时银章压印更关注加工速率、成形温度以及工艺参数的影响 因此本文将采用能够体现材料温度、应变速率与加工硬化的 Johnson-Cook 方程来构建高浮雕银章的热压本构模型 银章热压技术的重点在于热压工艺参数的选择 金属热压过程主要考虑模具和试样的温度、摩擦条件、冲压速度与载荷大小等工艺参数的影响19.Hamid 等20对 DP780 钢板的热冲压过程进行了分析，结果表明随着温度的增高，板带的应力水平有所降低，同时板带的变形回弹量也将升高 Li 等21对板带冲压成形过程中的摩擦机理进行分析，确定了成形中摩擦状态与模具表面的硬度粗糙度、冲压速度、压力以及试样的润滑等因素相关 同时在热压过程中会出现高摩擦力和严重磨损的情况 Patrik 等22通过金属平板拉伸试验发现试样的温度升高时黏着磨损将降低，但在高接触压力下，温度升高黏着磨损将增加 此外，为了提升材料的可成形性，Zhu 等23提出了一种新的预冷热冲压工艺，通过在金属成形之前添加预冷阶段，可以降低热成形温度，提高应变硬化指数，最终改善金属的均匀变形能力 Chen 等24建立了一套能够实现实时监测板料和模具温度的热冲压试验装置，并测得了对于厚度为 1.2mm 的 B1500HS钢板，当初始成形温度为 800，接触压力为20MPa、保压时间为 10s 时，实现了最佳的热压工艺参数组合 本文将通过银章材料成形性能的有限元分析总结银章压印工艺参数对成形特性的影响规律，结合银章材料的热压试验实现对成形工艺参数的选择和成形性能的验证 针对银章压印成形，采用材料试验与有限元模拟相结合的研究方法是常用和高效的 Alvaro 等25通过单向拉深和压缩试验测量了 Cu-Al-Ni 合金硬币材料的机械性能，在此基础上建立了包含弹塑性、摩擦和磨损的压印成形仿真模型，使用加载周期内最大法向载荷下的模具位移和浮雕成形高度来评估冲压成形过程中型腔的填充率 分析结果表明摩擦系数是精确模拟压印过程的关键参数，并且基于有限元的过程模拟对纪念币开发效率的提升以及降低模具试验成本方面拥有巨大优势 Dong 等26通过冲压试验建立了高强度铝合金板材的本构模型，并且绘制了与变形温度相关的板材成形极限图，通过有限元数值模拟分析了材料变形过程的断裂失稳机理 Yan 等27则开展了测定板料杯突值的有限元试验，同时验证了使用杯突值来评估材料冲压成形性能的准确性 因此本文的研究路线是通过Gleeble3500 单向压缩试验获取纯银的材料参数并建立 Johnson-Cook 热压本构模型，利用 Abaqus 有限元仿真进行纯银板坯热压成形特性研究，最后开展高浮雕银章热压试验 本研究工作对银章的热压成形理论及应用技术的发展具有重要意义.1 纯银材料热压本构模型构建 本文采用 Gleeble3500 热压试验获取不同温度下纯银基本力学参数的变化规律，通过构建可表征应变、应变速率、温度变化对流变应力动态响应的本构模型，为后续开展纯银板坯热压成形特性仿真及制定热压工艺参数创造条件 1.1 试验设备及方法 试验采用的 Gleeble3500 热模拟试验原理如图1(a)所示，设备主要由加热系统、加载系统和计算机 （a）试验设备 （b）加热方案 图 1 Gleeble3500热模拟试验原理 Fig.1Principle of the Gleeble3500 thermal simulation test 1024 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 10 期 系统组成 该设备可实现纯银样品在不同温度下加工的力学行为测量，记录加载过程中试样的温度、载荷、应力、应变等参数变化曲线，对纯银材料的工艺参数与力学性能之间的关系进行精确的模拟 5 个试验样品均为纯度 99.9%的银材料圆柱体，直径 10mm，高 15mm，试样编号分别为 1、2、3、4、5，相应的压缩变形温度为 25、25、100、300、600 试验加热方案见图 1(b)，试样以加热速率 5/s 加热到高于指定温度 20，保温 300s 后再 降 低 到 指 定 温 度，以 恒 定 的 应 变 速 率 在Gleeble3500 热模拟试验机上进行热压缩试验 详细的试验参数如表 1 所示 试样压缩时，利用石墨和钽片以及高温润滑剂降低压头与试样之间的摩擦，减少摩擦阻力对变形过程的影响 为防止试样表面高温氧化，整个压缩过程使用氩气进行保护 表 1 试验参数 Tab.1 Test parameters 试样编号 尺寸/(mmmm)压下量/%应变速率/s-1 变形温度/1 1.0 25 2 0.1 25 3 1015 80 0.1 100 4 0.1 300 5 0.1 600 1.2 热压结果分析 在应变速率 0.1s-1下的银章材料真应力-应变曲线如图 2 所示 25、100下的曲线变化特征基本一致，在应变20%的阶段，应力值随着应变的增加快速增长，呈现出显著的加工硬化现象 应变达到100%时，应力值分别为 349.16MPa 和 299.75MPa，在这两种温度下材料表现出压缩变形能力差、变形抗力大等特征 而在 300，20%的阶段，应力增长速率较 25和 100 有所降低，试样在加工硬化与动态回复、再结晶软化的共同作用下最终趋于稳定，应变达到 100%时的应力为 180.82MPa 而 600纯 图 2 应变速率 0.1 s-1时不同温度下应力-应变曲线 Fig.2 Stress-strain curves at different temperatures at astrain rate of 0.1 s-1 银高温变形展现出的力学行为则是加工硬化与动态再结晶软化相平衡的结果，在应变增长到 35%时，材料的应力上升为最大值的 82%，随后呈现出缓慢增长 的 趋 势 应 变 达 到 100%时，应 力 值 也 仅 为39.91MPa，是室温下的 11.4%1.3 银章热压本构模型 本文采用 Johnson-Cook 本构方程(式(1)对图 2应力-应变曲线进行描述 使用该方程建立银材料的热压本构模型时考虑了试样温度变化与应变速率的影响，同时为了保证在较大温度跨度下本构模型的预测精度，将温度分为两个区间：25 t500、t500，Johnson-Cook 关系式为 ()01ln=+?nABCrmr1mtttt(1)式中：为 von-Mises 等效应力；A 是材料在参考温度和参考应变速率下的屈服强度；B 为加工硬化常数；为应变；C 为应变率硬化系数；?为应变速率；0?为参考应变速率，取101.0s=?；n 为硬化指数；m为热软化指数；rt为参考温度，取参考温度等于室温25；mt为材料的熔点温度；t 为试验温度 在对本构模型中的 5 个参数 A、B、C、n、m 进行标定时，首先以室温和参考应变速率下试样的试验数据(图 3(a)线性拟合可得 B、n，此时屈服强度 （a）25、1.0 s-1时应力-应变曲线 （b）应变硬化参数的线性拟合分析 图 325、1.0 s-1-1时应力-应变曲线和应变硬化参数的线性拟合分析 Fig.3Stress-strain curve at 25 and 1.0 s-1-1 and linear fitting analysis of strain hardening parameters 2023 年 10 月 张 杰等：高浮雕银章热压材料本构模型及成形特性研究 1025 53.26A=MPa，本构模型简化为 =+nAB(2)两边同时取对数，即 ln()lnln=+ABn(3)硬化指数 n 由ln()-ln A曲线(图 3(b)的斜率求得，n0.4658，决定系数 R20.96948 根据截距可求出加工硬化常数 B303.64MPa 得到的材料参数如表 2 所示 表 2 材料参数 Tab.2 Material parameters A/MPa B/MPa n 53.26 303.64 0.465 8 为了确定应变率硬化系数 C，再以室温下应变速率为 0.1s-1的试验结果进行线性拟合 此时本构模型简化为 0()1ln=+?nABC(4)应变率硬化系数 C 可由-()+nAB曲线(图 4)的斜率求得，曲线的截距为 0，拟合决定系数 R20.99848，这说明拟合得到的硬化系数 C 是可靠的 图 4 应变率硬化参数的线性拟合分析 Fig.4 Linear fitting analysis of strain rate hardeningparameters 最后采用应变速率为0.1s-1，温度分别为 100、300、600的试验结果拟合热软化指数 m 此时本构模型为 *()(1ln0.1)(1)=+nmABCT(5)*rmr=ttTtt(6)本文使用的 Ag999 试验样品经测定材料熔点在959.9960.3，取m960=t，可知不同温度下的*T值如表 3 所示 结合第 1.2 节中材料在不同温度下的热压结果，可知在 600下的材料软化机制明显，材料达到了加工硬化与再结晶相平衡的阶段，与室温下的热软化指数必定存在较大的差异 因此，为保证本构模型的准确性，将模型的热软化指数分为两个区间，在25 500T阶 段 热 软 化 指 数 为1m，在500t 960阶段热软化指数为2m 同时1m指数的标定采用 100和 300试样的热软化指数平均值 表 3 T*取值 Tab.3 T*values t/T*25 0 100 0.080 20 300 0.294 10 600 0.614 97 在 100时，本构方程为 ()(1ln0.1)(1 0.080 2)=+nmABC (7)此时 100 的热软化指数m可由-()+nAB(1ln0.1)+C曲线(图 5)的斜率求得，拟合决定系数 R20.99925 图 5 100 热软化指数的线性拟合分析 Fig.5Linear fitting analysis of the thermal softening index at 100 同 理 在300 时 的 热 软 化 指 数m可 由-()(1ln0.1)+nABC曲线(图 6)的斜率求得，拟合决定系数 R20.99593 图 6 300 热软化指数的线性拟合分析 Fig.6Linear fitting analysis of the thermal softening index at 300 在 600 下的热软化指数m可由-()+nAB 1026 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 10 期 (1ln0.1)+C曲线(图 7)的斜率求得，0.275 4=m，决定系数 R20.95513 图 7 600 热软化指数的线性拟合分析 Fig.7 Linear fitting analysis of the thermal softeningindex at 600 最终得到的热软化系数：10.697 3=m，2=m 0.275 4，标定的本构方程各参数取值如表 4 所示 在Johnson-Cook 本构方程中，热软化常数m值越小，表明此阶段软化机制所起的作用就越大 为了验证银材料热压本构模型的准确性，将应变速率为 0.1s-1时 Gleeble3500 试验实测值与标定的Johnson-Cook 本构方程进行对比，结果如图 8 所示 在计算本构模型的误差时，采用平均相对误差(mean relative error，MRE)进行分析，即 p11MRE100%=NiiiN(8)式中：N 为计算的流变应力个数，取 N20；i和p分别为应力实测值与计算值，本文规定i均匀分布 表 4 不同温度区间的 Johnson-Cook本构方程参数值 Tab.4 Johnson-Cook constitutive equation parameter values at different temperature ranges 温度区间 tm/tr/0?A/MPa B/MPa C n m 25 t500 0.697 3 500 t960 960 25 1.0 53.26 303.64 0.001 7 0.465 8 0.275 4 图 8 Johnson-Cook本构模型与试验值对比 Fig.8 Comparison of Johnson-Cook constitutive modeland experimental values 在应变区间 0100%内 计算结果表明 25、100、300 的 MRE 分别等于 3.32%、2.44%、5.74%，误差控制在 10%以内 而 600 的 MRE10.45%，造成误差偏大的原因在于当20，计算值明显小于实测值，这可能与该温度区间的硬化指数n 偏大有关 但在高浮雕银章热压过程中，材料整体应变水平高于 20%，而在应变大于 20%的阶段，Johnson-Cook 本构方程准确地描述了材料试验的真应力-应变曲线，因此 600 的误差影响在可控范围之内 在应变速率 0.1s-1，25600 范围内，该本构模型可以实现对纯银材料的变形抗力计算与预测，可应用于银章材料成形性能杯突试验仿真中 2 银章材料成形性能分析 在金属成形过程中，掌握材料的成形性能有助于成形工艺的设计，本文通过有限元仿真软件 Abaqus完成纯银板坯杯突试验仿真 仿真得到的杯突值(IE)能够衡量纯银板坯的深冲性能，反映纯银材料的成形性能及其影响因素，为银章压印成形工艺的开发提供参考 2.1 杯突仿真原理 试验原理如图 9(a)所示，将一个端部为球形的冲头对着一个被夹紧在上模和下模中间的纯银板坯进行冲压，形成凹痕直到板坯出现一条穿透裂纹，依据冲头位移测得的凹痕深度即为试验结果 IE 值 在 （a）试验原理 （b）有限元装配模型 图 9 纯银板坯杯突试验示意 Fig.9 Schematic of pure silver plate cupping test 2023 年 10 月 张 杰等：高浮雕银章热压材料本构模型及成形特性研究 1027 仿真分析中，危险点处的主应变二阶导数降为 0 的时刻判定材料发生破裂，此时冲头的压下位移即为 IE值27 图 9(b)是有限元装配模型 模型尺寸如表 5 所示 分别建立板坯温度为 25、100、200、300、450、600 的 6 组仿真模型，使用Johnson-Cook 本构模型模拟试样在不同温度下的材料参数 表 5 模型符号和尺寸值 Tab.5 Model symbols and dimension values 符号 尺寸值/mm 符号 尺寸值/mm a 2 d4 55.000.10 b 90 d5 55.000.10 d1 20.000.05 R1 00.750.10 d2 27.000.05 R2 00.750.05 d3 33.000.10 h 03.000.10 冲头在冲压过程中导致板坯发生较大的变形，而模具的变形量与之相比可以忽略不计 因此，在创建模型时设定冲头、上模具和下模具为解析刚性部件，板坯为可变形实体部件 本文使用 Abaqus 的静力通用算法进行计算，使用基本尺寸 3mm2的结构网格对纯银板坯进行划分，中心处采用 1mm2的网格细化，厚度方向划分 4 层，网格单元总数量为 6496 个，指派单元类型为(C3D8R)八节点线性六面体 为上模具、下模具、板坯、冲头各接触表面创建“Surface-to-Surface Contact”的接触属性，摩擦系数为 0.06 使用10kN 的夹紧力将板坯固定在上模具与下模具之间，保持成形过程中冲头速率为 6mm/min 通过计算得到冲压后不同温度下纯银板坯的 IE 值，通过修改模型的摩擦系数与冲压速度等参数来分析成形工艺对纯银板坯 IE 值的影响规律 2.2 温度对 IE值的影响 纯银板坯分别在 6 种温度下压入成形，经判断，板坯破裂的危险点均位于正中心凸起处，提取整个成形过程中危险点处的主应变值，通过计算主应变二阶导数得到试样破裂时刻的 IE 值 以 100板坯为例，计算出主应变二阶导数在冲头行程为 8.925mm 时降为 0，因此 100板坯的 IE 值为 8.925mm，结果如图10 所示 分别提取 6 种温度下纯银板坯破裂时刻的IE 值以及失效点附近 Mises 主应力和主应变，结果如表 6 所示 图 11 为不同温度下纯银板坯 IE 值变化图以及 25、300、600 板坯的冲压结果 纯银板坯的 IE 值随着温度的升高逐渐增大，说明升高温度能够提升纯银材料冲压时的塑性变形能力 温度从25 增加到 600，纯银板坯的 IE 值增加了94.7%，材料变形时的最大应力降低了 309.25MPa，临界破坏主应变值增加了 68.3%这表明在银章的生产中采用热挤压的方式能够有效降低成形难度 图 10 100 纯银板坯主应变及其导数 Fig.10Principal strain of pure silver plates and its de-rivatives at 100 表 6 不同种温度下纯银板坯变形结果 Tab.6Deformation results of pure silver plates at differ-ent temperatures 温度/IE 值/mm Mises 主应力/MPa 主应变1 25 08.516 349.172 0.581 665 100 08.925 310.223 0.613 674 200 09.826 254.621 0.667 945 300 11.262 181.798 0.745 541 450 13.457 136.699 0.839 267 600 16.586 039.163 0.979 083 图 11 不同温度下纯银板坯杯突 IE值 Fig.11Cupping IE values of pure silver plates at different temperatures 2.3 摩擦系数对 IE值的影响 在 25、100、200、300、450、600，摩擦系数为 0、0.050、0.075、0.100 下，分别创建杯突冲压模型 通过计算得到不同摩擦系数下纯银板坯的IE 值如图 12 所示，从结果可以看出 6 种温度下均表现出摩擦系数低时板坯拥有更大的 IE 值 其中 600摩擦系数为 0 时，IE 值为 16.951mm，摩擦系数为0.100 时的 IE 值为 16.105mm，摩擦系数从 0 增大到0.100，IE 值降低幅度在 5%以内 经过测量在摩擦系数增大时，纯银板坯危险点处的厚度略有降低 这是由于当摩擦系数较小时，板料与冲头间的接触力小，随着摩擦系数的增大板料受到的接触力增加，导致了 1028 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 10 期 板坯失效点附近的变形加剧，最终在材料出现裂纹时的 IE 值降低 因此在银章压印过程应该选择摩擦更小的润滑剂，保证加载过程的充分润滑 图 12 不同摩擦系数下纯银板坯杯突 IE值 Fig.12 Cupping IE values of pure silver plates at different friction coefficients 2.4 冲压速度对 IE值的影响 为确定冲压速度对 IE 值的影响规律，在 6 种温度下分别建立冲压速度为 3mm/min、6mm/min、9mm/min、12mm/min 的 Abaqus 模型并进行分析，得到不同速度下的 IE 值如图 13 所示 冲压速度为3mm/min 时，6 种温度下的 IE 值均为最大值 温度为 25时 IE 值为 8.962mm，此时板坯的变形缓慢，当冲压速度增加到 12mm/min 时，IE 值降低至8.448mm，这是因为材料的变形速度加快，进行回复再结晶的软化程度降低，材料的变形不均匀，因此高冲压速度下的 IE 值也就更小 在温度为 600时，冲压速度从 3mm/min 增加到 9mm/min 对 IE 值的影响在 2.7%以内，但是冲压速度增加到 12mm/min 时的IE 值相比 3mm/min 降低了 10.9%因此在银章压印过程中，采用高的温度和小的冲压速度更有利于提高材料的成形效果 图 13 不同冲压速度下 IE值变化 Fig.13 Variation of IE values under different stampingspeeds 3 高浮雕银章热压试验 为验证银章的热压特性，开展了人形图案高浮雕银章压印试验 银章压印使用的图案和模具如图 14所示，银章的直径为 40mm，正面浮雕设计高度4mm，背面无浮雕，上模与下模均为钢材 加工时采用的纯银饼坯直径为 38.8mm，厚度 5mm，压印设备为 YB350-1 压印机，润滑条件良好 试验共分为 4组，参数如表 7 所示 其中样品 1 为冷压加工，采用的设备压印力为 2000kN；样品 2 将饼坯加热到 300并在保温炉中保温 30min，以 2000kN 的压印力完成压印；样品 3 将饼坯加热到 300 以 1000kN完成压印；样品 4 将饼坯加热到 600 并且保温30min，使用 700kN 压印力完成压印 （a）压印图案 （b）模具 图 14 压印图案和模具 Fig.14 Imprint pattern and mold 表 7 试验参数 Tab.7 Test parameters 样品 压印力/kN 加热方案 1 2 000 不加热 2 2 000 300 3 1 000 300 4 700 600 试验得到的压印结果如图 15 所示，样品 1 图案压印不完整，坯饼发生了开裂，此时采用冷压的方式无法压印出完整图案；样品 2 压印出人物形状，但是在浮雕最高的鼻尖处有轻微压印不足，与样品 1 相比温度提升后，相同载荷的填充能力得到较大提升；样品 3 与样品 2 的温度相同但是载荷比样品 2 小了 1倍，同样在鼻尖等处存在压印不足，浮雕