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摘 要: 提出用应变测量法测定冲压模具的冲压力和压力中心的位置，以替代目前常用的经验概算法，从而提高模具的寿命、冲压件质量及设备利用率等。
关键词：模具；压力中心；应变；测量装置
在进行冲压模具设计时，须计算出模具工作时的冲压力大小及模具压力中心（模具冲压力合力的作用中心）的位置两项力学参数。冲压力大小是模具设计时进行强度、刚度计算及设备选用的主要依据；而模具压力中心的位置则必须与模柄的中心线相重合，冲压工作时，还应使压力机的作用力中心与模具压力中心重合，否则在冲压时会引起偏弯矩，使模具发生歪斜、间隙不匀，以及模具磨损增加、寿命下降，影响产品质量，严重时还会使凸、凹模卡住或碰撞而损坏。
目前，在冲压模具设计中，确定冲压力和压力中心的方法均是以经验法为基础的经验估算、概略计算、实用公式等。这些方法虽有一定的实用性，但对于一些复杂形状和精密工件的冲压模，以及连续模、复合模等复杂模具，在应用时往往显得不够精确。用计算机虽能精确地计算出压力中心的位置，但由于受制造精度、使用条件等的影响，往往难以保证模具的压力中心与模柄中心及冲压机床的作用力中心重合。因此，提高确定冲压力和压力中心位置的精度，特别是确定机床冲压力中心与模具压力中心的位置精度作为模具设计的依据是十分必要的。
本文阐述通过应变测量技术，用实验手段测量出冲压模具压力中心的位置及冲压力，为冲压模具的设计、制造、调整、使用提供依据。
1测量装置的结构
测量装置安装于压力机滑块与上模之间，如图1所示。其一般结构可如图2，由柄部、测量表面（弹性元件）及上模安装孔三部分组成。测量表面为圆柱形，柄部、测量表面、上模安装孔之间应有较高的同轴度。柄部用以将测量装置安装于压力机滑块上，测量表面用来粘贴应变片以测量应变，上模安装孔则用于安装上模。为使拆卸测量装置后仍能使上模准确地安装于压力机滑块上，应将测量装置的柄部设计成与冲压模的模柄一致；而测量装置的上模安装孔应设计成与压力机滑块的模柄安装孔一致。由于不同压力机滑块的模柄安装孔的形式不尽相同，因此，测量装置这两部分的具体结构应按不同的压力机的有关结构、尺寸进行设计。
2应力分析
当模具进行冲压工作时，若模具的压力中心处于模柄中心，则冲压力的合力也处于测量装置中心和压力机滑块中心，模具不会产生偏弯矩，测量装置只受压应力σy；若模具压力中心偏离模柄中心，模具会产生一偏弯矩M，测量装置受此偏弯矩的影响会产生弯曲应力σW。弯曲应力在测量装置的外表面有最大值，且相对表面处大小相等、方向相反。这时测量装置横截面上的应力分布如图3所示。
据图3应力分布，若将测量装置相对表面处的应力相加，则有：
排除了压应力σy的影响，为纯弯曲应力。
这样，由压应力可以算得冲压力P：
式中，F——测量装置的横截面积；W—─测量装置外圆表面处的抗弯截面系数。
3应力测量
用粘贴式电阻应变计（简称应变片）作为测量应变的元件粘贴在测量装置的测量表面。由于应变效应，应变片的电阻变化率ΔR/R的大小与粘贴处的应变ε（ε=ΔL/L）的大小成比例。用动态电阻应变仪与记录器配合，测得应变片随测量装置表面变形的动态应变ε，取其最大值，即可据公式σ=Eε得到应变片粘贴处的最大应力[1]。
4 应变片粘贴位置的确定
由于测量装置外圆表面处的应变最大，为使应变片有最大的输出，提高测量装置的灵敏度，应变片应粘贴于外圆表面。
应变片在外圆表面粘贴位置的布置见图4。其中，相对表面二组应变片R1、R2和R3、R4用于测量压应力σy；x轴方向相对表面的二片应变片R5、R6用于测量压力中心在x方向的偏移量ex；y轴方向相对表面的二片应变片R7、R8用于测量压力中心在y方向的偏移量ey。
由于测量装置有部分中空结构，因此,各应变片的粘贴位置还应注意，要么都贴在实心部位，要么都贴在中空部位，以保证各应变片粘贴表面处有相同的抗弯截面系数W[2]。
5 电桥的连接和测量
利用测量电桥（惠斯登电桥）相对桥臂应变相加、相邻桥臂应变相减的特性，将粘贴好的应变片分别接入动态电阻应变仪，即可测得压应变εy和弯曲应变εW，从而测得冲压力和压力中心偏移量[3]。
5.1 冲压力P的测量
测冲压力的电桥连接见图5。据上述应力分析，应变片R1测得的应变为： =εy+εW；R3测得的应变为： =εy-εW；横向片R2、R4作为温度补偿片分别接入R1、R3的相邻桥臂，以消除因温度变化而引起的应变，则
式中，μ——泊松比。
据电桥相对桥臂应变相加、相邻桥臂应变相减的特性，则电桥测得的应变ε测为：
可知用图5电桥接桥方式，可以排除弯曲应变的影响，测得的只是压应变εy，且使测得量值放大2（1+μ）倍，提高了测量的灵敏度。
将图5电桥接入应变仪，即可测得测量应变ε测。由ε测即可计算出冲压力P。
式中，E──测量装置材料的弹性模量；F──测量装置应变片粘贴处的横截面积。
5.2 x方向压力中心偏移量ex的测量
测x方向压力中心偏移量ex可如图6接成半桥测量。
据ε测x及冲压力P，可计算出实际冲压力作用中心与理想的压力作用中心在x方向的偏距ex：
5.3 y方向压力中心偏移量ey的测量
测y方向压力中心偏移量ey可如图7接成半桥测量。由测得应变值e测y和冲压力P，计算出实际冲压力作用中心与理想压力中心在y方向的偏距ey：
ey=WEε测y/2P
据此，测得的冲压力即可作为模具强度、刚度设计及选用冲压设备的依据；测得的模具压力中心在x和y二个坐标方向的偏移距离ex和ey，就可以对模柄的位置进行修正，使模柄中心与模具冲压力中心重合。若模具压力中心与模柄中心重合，则ex和ey为零，图6、图7电桥的测量应变也应为零，即应变仪显示无应变。
6 测量装置的标定
测量装置的标定主要是做冲压力的标定，即标定出电阻应变仪测得的单位应变相当于多大的冲压力[1]。标定工作可在力学万能试验机上进行。由万能试验机对测量装置施加已知压力P标，用图5电桥连接，从电阻应变仪上读出标定应变值ε标，则标定系数K为：
当进行冲压力测量时，从电阻应变仪上读取测量应变ε测（微应变），只要将ε测乘以标定系数K，就可以得到所测冲压力P：
P=Kε测（N）
显然，用标定的方法计算冲压力比上述由ε测经力学公式计算要简便得多，且能排除诸如应变片粘贴位置精度、温度等线性误差的影响，从而提高测量的精度。
7 结束语
本文阐述的测量方法，可以应用于以下几方面：
（1） 为冲压模具的结构设计、尺寸参数、精度参数的改进提供依据。
（2） 为冲压模具在压力机上的安装调试提供依据。
（3） 若冲压模具的结构（或特意设计）可以满足文述应变片布置、粘贴要求，则可以不用其他装置，直接在模具上粘贴应变片进行测量，以判别模具的工作质量，或进行安装调试，则效果更好。
用电阻应变片电测法测量力学参数，具有测量方便、精度较高的特点，应用于模具设计，可以提高模具质量。为适应不同量级的冲压力、提高测量的灵敏度，可相应设计测量装置测量部分的横截面积。
应变片一般可采用横向效应较小的箔式应变片。若要求灵敏度高，可采用半导体应变片，但其温度稳定性较差，且在测量较大应变时非线性较严重。
本方法可用于冲裁、弯曲、引伸等冲压工艺力学参数的测定。
参考文献
[1] 吉林工业大学.应变片电测技术［M］.北京：机械工业出版社，1978.53-60，109-150，257-275.
［2］郑叔芳.机械工程测量学［M］.北京：科学出版社，1999.486-495.
［3］黄长艺.机械工程测量与试验技术［M］.北京：机械工业出版社，2000.225-237 |
