冲压件结构优化设计及成形技术.doc

第 65 页 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用a4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它1 绪论1.1 课题背景在市场上，用板金冲压工艺制造的零件占全部金属制品的90%以上。由此可见，其工艺在国民经济与军事诸方面所占的位置是极其重要的。板金冲压具有劳动生产率和材料利用率高，重量轻等优点。轻工十大产品中，金属件基本都是板金冲压产品。军工产品中力求重量轻的航空航天产品自不待言，其他军用品，如需要量大的弹壳之类，也都是板金冲压产口。近年来，随着飞机、汽车、电子、仪表、日用工业品等工业的发展，冲压加工技术得到了高速的发展。目前，除一般的成型方法外，又出液压成形，强力旋压成形，超塑成形，爆炸成形，以及精密冲裁和高速冲压等加工技术。冲压技术在现代工业生产中占有十分重要的地位，是国防工业及民用工业生产中必不可少的加工方法，在电子产品中，冲压件约占80%85%；在汽车、农业机械产品中，冲压件约占75%80%；在轻工业产品中，冲压件约占90%以上。此外，在航空及航天工业中，冲压件也占有很大的比例。冷冲压是塑性加工的基本方法之一，它是利用安装在压力机上的模具，在室温下对板料施加压力使其变形和分离，从而获得具有一定形状、尺寸的零件的压力加工方法。因为它主要用于加工板料零件，所以也称板料冲压。在冷冲压加工中，将材料（金属或非金属）加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，称为冷冲压模具（俗称冷冲模）。冷冲模在实现冷冲压加工中是必不可少的工艺装备，没有先进的模具技术，先进的冲压工艺就无法实现。冲压加工在汽车、拖拉机、电机、电器、仪表和日用品的生产中，已占据十分重要的地位1。1.2 国内外研究状况随着计算机软硬件技术的发展，众多融合了计算机图形学、有限元技术和塑性成形理论的模拟软件开始出现，例如dynaform, pam-stamp. ls-dyna3d, autoform,optris, abaqus/explicit等，得到了许多工业部的重视和应用。美国的gm,ford, chrysler,德国的大众、奔驰，日本的丰田、三菱、日产等大型汽车制造公司，己开始应用这类软件指导板料成形件的开发和生产，产生了良好的经济效益。数值分析技术以其高效率、低成本的优势在薄板冲压成形领域中得到了广泛的应用。美国、日本等世界一流的科学研究中心采用有限元数值模拟和网格技术对零件、模具、冲压工艺和材料性能之间的相互适应性进行了三维动态仿真分析，涉及领域之广泛、研究成果之显著，引人瞩目。我国在板料成形数值模拟方面起步较晚，较发达国家(美、日等)晚了十几年。经过多年的发展，我国在板料成形数值模拟方面已经取得了很大进展，但主要集中在部分高校里，华中理工大学针对不完全对称盒形件的成形特点，开发了有限变形弹塑性薄膜有限元程序对其进行分析研究。吉林工业大学采用更新的lagrange法以及有限元变形虚功率增量型原理的弹塑性大变形有限元法，研究了金属板料成形的塑性流动规律以及成形过程中发生的起皱、裂纹等现象，首次提出了多点成形时非连续接触边界约束的处理方法，建立了基于mindlin壳理论三维金属板料成形过程分析的有限元模型，编制了用于板料多点成形分析的有限元专用软件，成功分析了多点成形时的金属流动规律。哈尔滨工业大学采用刚粘塑性本构关系，开发了粘塑性板壳成形有限元分析程序，并对方盒件的成形过程进行了分析；:对板料粘性介质胀形过程中的应变速率变化也进行了模拟研究。北京航空航天大学对板料成形过程中的接触摩擦和悬空区起皱进行数值模拟。上海铁道学院的李尧臣用有限元法模拟了金属板材的冲压成形过程，分析了金属板材在冲压过程中的屈曲现象，建立了增量形式的变分原理，跟踪了板料起皱的发展、折叠、衰减的全过程。上海交通大学对板料成形的回弹进行了较为系统的研究，提出在板料回弹模拟中采用修正的拉格朗日法较为合适。板料成形数值模拟技术的一个突出成就是实现了汽车覆盖件的成形模拟，通过对板料成形过程进行高精度数值模拟，可以观察冲压速度、模具间隙、摩擦因素等对成形性能的影响。在汽车覆盖件模拟方面，ford公司的s.c.tang作了长期的卓有成效的研究，早在1980年就用小变形有限元程序分析了当汽车车身零件成形中采用曲面压料面时，压边圈夹紧阶段工件的变形。c.q.du等还对轿车顶弧(roofbow)、后加强板(rail reinforcement)、轮毂(disk wheel)成形时的回弹题进行了模拟研究，日本的板料成形研究协会更是开发了模拟软件robst，该软件与mitsubishicad/cam系统连接后设计出来的覆盖件模具，已初步在生产实际中得到验证。mazda motor用pam-stamp分析了边框外覆盖件。我国对复杂汽车覆盖件成形过程的数值模拟技术也进行了探索，林忠钦等运用有限元软件autoform和lsdyna3d对santana2000的外侧板的成形过程进行了模拟，包向军等运用ls-dyna3d，在综合考虑了毛坯尺寸、压边力、拉延筋的布置等因素的情况下，实现了汽车内门板的优化设计。国内学者和技术人员在运用有限元数值模拟方法来解决生产实际问题方面，虽然有了很大的进步，但与国外不论在规模上，还是问题复杂程度方面都有相当的差距，要缩短这一差距，甚至超越发达国家，还有很长的一段路要走16。1.3 课题研究方法本课题在分析冲裁、弯曲、拉深等基本冲压成型方法的机理和特点的基础上，结合冲压件的制造工艺性，论述了冲压件的结构工艺性。1.4 论文构成及研究内容本论文主要包括冲压件常用成型方法及技术特点、冲压常用原材料、常见冲压件结构优化设计方案及应用实例和照相机前盖板工艺方案优化及模具设计五部分构成。本文主要研究了冲裁、弯曲、拉深成形机理、特点、规律，在此基础上又研究了其工艺性；对几个典型的冲压件进行了结构工艺优化；系统的对照相机成形工艺进行了设计及其模具设计。2冲压件常用成形方法及技术特点冲压件成形方法有许多种，在本文中着重介绍最基本的冲压成形方法：冲裁、弯曲和拉深。2.1 冲裁变形机理2.1.1 冲裁变形过程冲裁时板料的变形具有明显的阶段性，像单向拉伸那样，由弹性变形过渡到塑性变形，最后产生断裂分离。1.弹性变形阶段 如图2.2(a)所示，当凸模下压接触板料时，材料特产生短暂的、轻微的弹性变形。此时如果提升凸模，变形将完全消失。塑性变形阶段如图2.2(b)所示，凸模继续下压，板料变形区的应力将继续增大。当应力状态满足屈服准则时，材料便进入塑性变形阶段。这一阶段突出的特点是材料只发生塑性流动，而不产生任何裂纹，凸模继续切入板料，同时将凹模下面的材料挤入孔内。2.断裂分离阶段图2.1(c)，(d)，(e)表示了断裂分离的全过程，其中图(c)表示当凸模切入板料达到一定深度时，在凹模侧壁靠近刃口处的材料首先出现裂纹。这表明塑性剪切变形的终止和断裂分离的开始。图(d)表示裂纹发展与贯通的情形。在一般情况下，在凹模附近产生的裂纹向凸模刃口方向发展的过程中，处在凸模侧面靠近刃口附近的材料也将产生裂纹，并且上下裂纹将贯通。图(e)表示冲裁结束时板料被完全分裂分离的情形。被冲入孔的块料在落料时为工件，冲孔时为废料。留在凹模面上的材料在冲孔时为工件，落料时为废料。普通冲裁件的剪切断面状况如图2.1(f)所示，其精度一般在itl0级以下，表面粗糙度ra在3.2m-50m11。如图2.1(f)所示，断面明显分为四个区域：a为圆角区，即塌角；b为光亮带，表面光滑，表面质量最好；c为剪裂带，表面粗糙并略带斜度，不与板面垂直；d为毛刺。(a) 弹性变形；(b) 塑性变形；(c) 出现裂纹；(d) 裂纹贯通；(e) 板料完全断裂分离；(f) 剪切断面1凸模；2板料；3凹模；4冲孔为工件，落料为废料；5落料为工件，冲孔为废料图2.1 冲裁变形过程及冲裁件剪切断面2.1.2 冲裁变形区及受力1、冲裁变形区冲裁变形区是指材料被分离断开的那一部分区域，但具体的模型尚未有统一的认识。冲裁时板料的变形区不是简单的剪切面，因为冲裁时板料不仅产生剪切变形，而且还有弯曲变形。有实验研究提出，冲裁过程中材料的最大塑性变形集中在以凸模与凹模之上、下刃口尖端连线为中心的区域，为一个纺锤形范围，如图2.2(a)所示，即从刃口尖端起向中间逐渐增宽的形状范围。这一范围随材料的伸长率和加了硬化指数的增大而增大。当凸模进入到材料内部某一深度时，变形区还是从刃口开始的纺锤形范围，初始纺锤形中的一部分成为了已变形区，如图2.2(b)2区所示。(a) 初始冲裁；(b) 切入板料图2.2 冲裁板料的变形区在纺锤形范围内，虽然材料已接近或正在进行剪切变形.但其中各点处的应力状态仍然是不相同的。2、变形区及临域的应力分析(1)冲裁力造成的应力如图2.3所示，冲裁变形时，位于凸模平面下方、凹模平面上方的材料，由于受到模具直接传递的高压作用，成为压应力区，同时，材料的塌角处，既要支撑变形区，又因摩擦力的作用而受到拉伸，成为拉应力区9。(2)力偶引起的应力讨论这种应力时，首先应分清冲裁时模具结构上加压料板和不加压料板的区别，如图2.4所示。图中左边是不加压料板冲裁时产生的应力(符号)，因此，冲裁过程中的裂缝一般无产生于凹模一侧的材料上。如果冲裁时加有压料板，如图2.5右边所示，这时，凸模外侧材料产生拉应力，故裂缝有可能也从凸模一侧刃口先开始产生39。 图2.3 冲裁力引起的应力 图2.4 力偶引起的应力(3)冲裁时板料所受的外力在无压料板的自由冲裁情况下，板料所受外力如图2.5所示。由于凸模与凹模间有一定的间隙，使得板料在受到凸模与凹模正压力作用的同时还受到弯矩的作用，板料的变形不可能是纯剪切，还要产生弯曲变形。因此冲裁时凸模和凹模实际接触板料的面积只限于刃口附近窄小的环形区域内，其宽度约为料后的1/5-2/5。故凸凹模刃口部位的单位压力分布曲线相当陡峭。正压力的合力分别以与表示，显然，两者大小相等、方向相反。由于与不在同一条直线上，便形成了弯矩。此弯矩使板料产生弯曲变形，造成凹模口外的板料上翘，凸模端面下的板料下凹。图2.5 冲裁时板料所受应力板料的弯曲变形对模具刃口的侧面产生挤压作用，反过来，凸模和凹模刃口的侧面对板料产生反挤作用，形成对剪切面的侧压力。侧压力的合力和也将形成一个力矩，其方向与相反，并在冲裁瞬时与之保持平衡，即，以阻止板料进一步弯曲变形。在冲裁过程中，mp随正压力的增大而增大，使板料弯曲变形加大，这将使板料受到的侧压力随之增大，并与抗衡，阻止板料进一步弯曲。因此自由冲裁时工件的不平整程度是有限度的。有正压力必有摩擦力，凸模和凹模刃口端面对板料的摩擦力分别为和，为料与模具材料之间的摩擦系数，其方向与板料相对凸模和凹模端面滑动的力向相反。凸模和凹模刃口侧面对板料剪切面施加的摩擦力分别为和，其方向与板料相对凸模相凹模的运动方向相反。垂直方向的摩擦力对板料断裂分离过程的影响要比水平方向的摩擦力大得多39。(4)冲裁时变形区的应力状态板料由于受到上述外力的作用，会产生剪切、弯曲等各种变形，因此其变形区及临域的应力状态是很复杂的，并且与变形过程有关。应力状态如图2.6所示，其中：a点三向应力状态。为凸模侧压及材料弯曲引起的压应力；为弯曲引起的压应力与侧压引起的拉应力的合成应力；为凸模下压引起的拉应力。b点由凸模下压和材料弯曲引起的三向压应力状态。c点沿材料纤维方向为拉应力，垂直于纤维方向为压应力。d点材料弯曲引起径向拉应力和切向拉应力，凹模上平面材料受到压挤产生轴向压应力。e点材料弯曲引起的拉应力和凹模侧压引起的压应力的合成应力和，应力符号一般为正；凸模下压引起轴向拉应力39。图2.6 各点的应力状态2.2 冲裁件的工艺性分析冲裁件的工艺性分析包括技术和经济性两方面的内容。在技术方面，根据冲裁件产品图纸，主要分析该冲裁件的形状特点、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素，检查是否符合冲裁工艺的要求，在经济性方面，主要根据其产量和批量，分析产品成本，阐明采用冲裁工艺可取得的经济效益。因此，对冲裁件的工艺分析，主要讨论在不影响零件使用性能的前提下，结合具体的生产条件，能否以最简单、最经济的方法制造出来。若能做到、表示该冲裁件的工艺性好；反之则差17。2.2.1 影响冲裁件工艺性的因素图2.7 冲裁件窄槽尺寸1、形状和尺寸不同形状和尺寸的冲裁件有不同的工艺要求。如要求外形简单、对称，最好是由圆弧和直线组成，避免冲裁件上有过长的悬臂和窄槽，其宽度应大于料厚t的两倍，即图2.7中的b应大于2t。一般情况下，要求冲裁件的外形不能有尖角，特别是小于90度的尖角，应采用，r0.5t的圆角过渡，以便提高模具寿命方便于制造。冲裁时，为了防止凸模折断或弯曲，冲孔尺寸不能太小10。 2、生产批量冲裁模的制造费用较高，故产量小时采用其它加工方法可能较冲裁更为经济。只有在大批量生产时，冲裁加工才能取得明显的经济效益。一般来说，产量很大时可选用连续模和高效冲压设备，以提高生产率、降低成本；中、小批量生产时，常采用简单模或复合模，以降低模具成本10。3、其它对冲裁件进行工艺分析时，除了考虑上述的形状、尺寸、精度、尺寸标注和生产批量等主要因素外还应考虑冲裁件的厚度、板料性能、以及冲裁工序和其它工序(如弯曲、拉深等)之间的关系和相互影响。通过分析若发现制件工艺性不好时，可会同产品设计人员对冲裁件的形状、尺寸、精度和原材料选用等方面进行必要的但改，以改善工艺性和提高经济效益。例如图2.8(a)所示零件，在不影响使用条件下，只需对形状稍加改进，就可进行无废料冲裁，材料利用率可提高40，生产率可提高一倍5。冲裁件一般比较简单，主要是根据零件图纸、产量和工艺条件(模具设计、制造能力，冲压设备条件等)进行分析并确定最佳工艺方案。例如图2.9(a)所示的航空用电缆搭接片，除了从排样分析材料利用率外，在工艺方案上还可有两种选择。图2.9(b)为冲孔后落料：图2.9(c)为冲孔，冲两端头，分离。选择哪种方案较好所依据的原则就是：在保证产品精度和产量要求前提下、以最好的经济效益来确定所采用的工艺方案6。图2.8 冲裁件的形状改进图2.9 工艺方案比较4、排样方法及材料的经济利用 在冲压零件的总成本中，材料费约占60-80；因此，材料的经济利用是冲裁工艺中要考虑的一个重要问题。(1)材料的经济利用 冲裁件在条料或板料上的布置方法叫排样。排样是否合理直接影响材料的经济利用。衡量排样经济性的标准是材料利用率，即冲裁件的实际有效面积与冲裁此工件所用板料面积a之比值3 (2.1)式中；工件有效面积(mm)；a 冲裁此工件所用的板料面积(mm)。 从图2.10可知；若能减少废料面积，材料利用率则可提高。废料可分为两部分，即工艺废料和设计废料(或称结构废料)。前者与排样形式有关，后者则是由零件结构形状决定的无法改变。进行合理排样的目的就是减少工艺废料。1-零件的有效面；2-设计废料面积；3-工艺废料面积；a-条料的侧搭边；-冲裁件之间的搭边；b-条料宽度；l-进距图2.10 冲裁件的废料和搭边 (2)排样方法排样的目的是减少废料，提高材料利用率。但在选择排样方法时除了材料利用率之外，还应考虑到模具制造和使用是否方便、板料的纤维方向是否满足后续工序要求等因素。根据材料的利用情况，排样方法可分为三种4：1)有废料排样沿工件的全部外形冲裁。工件与工件之间、工件与条料侧边之间都存在有搭边废料，如图2.11所示因为有搭边，这种排样能保证冲裁质量，模具寿命也长，但材料利用率低。 图2.11 有废料排样 图2.12 少废料排样2)少废料排样沿工件部分外形切断或冲裁，废料只有冲裁刃口之间的搭边，如图2.12所示材料利用率高。3)无废料排样工件与工件之间，以及工件与侧边之间均无搭边废料，如图2.13所示。是否能做到无废料冲裁，与工件的几何形状有很大关系。采用少、无废料排样除节约原材料外，还可简化模具结构、降低冲裁力，但也存在着一些缺点，即工件质量和精度较差，模具寿命较低。其原因是由于条料本身公差及冲裁时条料的导向与定位公差大所致。此外，在少、无废料排样中，一般采用单边冲裁，也影响工件断面质量和模具寿命。图2.13 无废料排样 此外，按工件形状及排样方式，又可分成直排、斜排、对排、多排、混合排及冲裁搭边等见表2.1。表2.1 排样类型序号排样类型排样简图应用情况有废料无废料或少废料1直排比较简单的方形、矩形2斜排椭圆形，十字、t字、字、和角尺形件3对排梯形、三角形、半圆形、山字、字形件4多排大批量生产中尺寸不太大的圆形，六角形5混合排材料计厚度均相同的两种或两种以上的工件6冲裁搭边细而长的工件或将宽度均匀的板料只在工件的长度方向冲定形状 5、搭边值的确定 排样时，工件之间以及工件与条料侧边之间留下的余料称为搭边。搭边的作用是补偿条料送进时进距与边距的偏差，并将其在模具上定位，以保证冲裁件轮廓的完整。 搭边值要合理确定。搭边值过大，树料利用率低。搭边值过小，在冲裁过程中会被拉断，妨碍顺利送料，零件会产生毛刺，有时会拉入凸、凹模间隙中，损坏模具刃口，降低模具寿命。搭边值大小与下列因素有关4： (1) 材料机械性能：硬度高、强度大的材料搭边值取小一些，软材料或脆材料搭边值取大一些。(2) 工件的尺寸与形状：工件尺寸大、外形复杂、圆角半径小时搭边值取大(3) 材料厚度：厚料搭边值取大一些。(4) 送料和挡料方式，手工送料、有侧压板导向时，搭边值可取小些。2.2.2 制定工艺方案的原则制定冲裁工艺的主要工作是确定工序的顺序和工序组合、工序性质与数目等。工序的性质应根据工件的结构形状，按冲裁件的变形情况，结合具体生产条件予以确定。工序数目主要取决于零件材料的性质、几何形状的复杂程度和尺寸精度。总的原则是在保证零件质量的前提下使工序数目最少，减少模具数量，降低成本。工序组合可提高生产率，成本降低。工序组合的方式主要有复合冲裁与连续冲裁两种形式。究竟采用哪一种方式应根据生产率、零件的尺寸精度、尺寸大小、形状复杂程度及模具制造条件等具体情况来考虑。连续冲裁最适于高速冲裁和大批量生产，生产效率高。复合冲裁因零件被顶到模具工作面上，需用手或机械把它取走，生产率低于连续冲裁，操作不安全。从冲裁的精度看，复合冲裁高于连续冲裁。连续冲裁时存在送料和定位误差，当有导正销时，其精度略高，可达it10it12级。复合冲裁是在冲模的同一位置一次冲出，不存在定位误差，故冲裁精度较高，可达it8it9级。因此精度要求高的零件应采用复合模进行冲裁。复合模冲裁时，因有压料装置，零件不翘曲，断面质量好，而连续冲裁的零件不平，有拱弯或扭曲 故对平面度要求高的零件，采用复合模冲裁较为合适。复合模可以冲裁尺寸较大的零件，厚度一般在0.05-3mm；连续冲裁受压力机台面尺寸的限制，冲裁零件的尺寸较小，厚度一般为0.2-6mm2。(1) 连续冲裁的工序顺序 先冲孔后落料或切断。先冲孔的目的是为后续工序提供定位基准。 先内轮廓后外轮廓，以减少变形。 采用侧刃定距时，侧刃切边工位在前，以便控制送料进距。(2) 多工序冲裁时的工序顺序 先落料后其他工序。先落料是为了以外轮廓定位进行其他工序的冲裁，使基准统一，减少定位误差，避免过多地进行尺寸转换。 先大孔后小孔，以减少孔的变形。2.3 弯曲变形机理利用压力使板料产生塑性流动、变形，从而形成具有一定曲率、一定角度的不封闭形状零件的冲压工艺过程称为弯曲。弯曲依靠材料的塑性流动而成形，不允许工件出现任何破裂。这是弯曲工艺与冲裁工艺(材料分离机理成形)在变形特性上的根本区别3。2.3.1 弯曲变形的过程图2.14是v形件的弯曲过程。图2.14 板材在v形模内的校正弯曲过程弯曲变形过程是由弹性变形逐渐过渡到塑性变形，呈现出明显的阶段性。1 弹性变形阶段在弯曲变形初期(图2.14(a)外力矩m较小，在变形区内，其内、外层表面产生的切向应力的数值远远小于材料的屈服应力，沿板厚的全部材料层只产生弹性变形，弯曲处于弹性变形阶段。这时，如果去掉外力矩，变形将随之消失。弹性变形阶段切向应力沿板厚的分布如图2.15(a)所示3。2 弹塑性变形阶段随着凸模继续下压，外弯曲力矩m继续增大，当m增大到某一数值时，内、外表层的切向应力首先达到材料的屈服应力而进入塑性状态。继续增大外力矩m，塑性变形便由内、外表层向板料中心逐渐扩展，变形区的变形由弹件弯曲过渡为弹塑性弯曲，弯曲半径随之减小到，弯曲变形区缩小至(图2.14(b)。对于常见的金属材料，一般认为当相对弯曲半径r/t200时，变形区板料中心附近处于弹性变形状态的材料层厚度还处于相当大的比例，弯曲变形处于弹塑性变形阶段。如果把材料看成线性硬化的弹塑性材料，其切向应力沿板厚的分布如图2.15(b)所示3。3 全塑性弯曲阶段凸模继续下压，毛坯的弯曲变形区和弯曲半径继续减小，当相对弯曲半径r/tbb)；内区的正方形网格面积减小，表示材料受切向压缩作用而缩短(aa100.80.930.970.990.9981 (4) 板料相对宽度(b是板料的宽度)对弯曲变形区的变形有很大的影响。一般将相对弯曲宽度b/t3的板称为宽板，相对弯曲宽度b/t3的板称为窄板。宽板弯曲时，宽度方向的变形受到材料之间的相互约束，不能自由流动，因此横断向变化较小，仍接近于矩形仅朽：两端可能出现翘曲，即端面宽度方向内凹。它可用一个挠度指标来表示如图2.18(b)所示，翘曲的立体图如图2.19所示；窄板弯曲时，由于宽度力向不受约束，矩形断向变成扇形。见图2.18(a)。实际弯曲件多为宽板弯曲27。 (a) 窄板弯曲；(b) 宽板弯曲图2.18 弯曲的应力、应变分析及翘曲 (5) 弯曲后板料长度增加。一般弯曲件均属于宽板弯曲，因此弯曲前后板料宽度方向基本不变形。对于r/t较小的弯曲件，由于板厚有明显的变薄现象，按照体积不变条件必然造成板料长度的增加27。图2.19 弯曲的翘曲2.3.4 弯曲件的工序安排弯曲件的工序按排是否合理，对于弯曲件的质量、生产效率与效益都有重要意义，也对弯曲的难易程度有较大影响27。图2.20 形状对称与不对称弯曲件 (1) 形状简单的弯曲件，如v形、u形、z形等，可以一次弯曲成形(如图2.20)。 (2) 形状复杂的弯曲件一般需要两次或多次弯曲成形，并应正确选择弯曲顺序(图2.21和图2.22)。弯曲时，应先弯外角，后弯内角，前次弯曲必须考虑使后次弯曲有可靠的定位，后次弯曲不能影响前次成形的部分。图2.21 两次弯成的弯曲件图2.22 三次弯曲成的弯曲件 (3) 单面不对称几何形状的弯曲件，可以采用成对弯曲成形，弯曲后再切开，如图2.23所示。图2.23 对称弯曲(4) 对于批量大、尺寸较小的弯曲件，为了提高生产率，可以采用连续模弯曲工序设计，如图2.24所示。图2.24 连续模弯曲工序设计2.4 弯曲件工艺性分析 弯曲件的结构应具有良好的工艺性，这样可简化工艺过程，并可提高弯曲件的公差等级。弯曲件的工艺性分析是根据弯曲过程的变形规律，并总结弯曲件实际生产经验而提出的。上述最小弯曲半径和弯曲件回弹的论述是弯曲件工艺性分析的重要内容。现对弯曲件工艺性要求分述如下27。1.弯曲件的弯曲半径其值不能小于材料的许可最小弯曲半径，否则会产生拉裂。若工件要求的弯曲半径很小或清角时，可分两次弯曲：第一次弯成较大的弯曲半径，然后退火；第二次再根据工件要求的弯曲半径进行弯曲。此外，也可采用热弯或预先沿弯曲区内侧开出槽口(见图2.25)后再进行弯曲。当弯曲较小的直壁高度时，采用此法较为适宜27。图2.25 在弯曲区内侧开出槽口2.弯曲件的形状弯曲件形状应对称，弯曲半径左右应一致，以保证板料不会因摩擦阻力不均匀而产生滑动造成工件偏移如图2.26所示。若工件不对称时，为了阻止板料偏移，在设计模具结构时应考虑增设压料板，或增加工艺定位孔。有时为了使毛坯在弯曲模内定位准确，特别在对毛坯进行多道工序弯曲时也需要在弯曲件上设计出工艺定位孔，见图2.2727。图2.26 弯曲件形状对对弯曲过程影响 图2.27 弯曲件上的工艺孔弯曲件形状要力求简单，某些带缺口的弯曲件，如图2.28所示，缺口只能安排在弯曲成形之后切去。首先将切口冲出，弯曲时切口处会发生叉口现象，严重时难以成形。图2.28 带缺口的弯曲件3.弯曲件孔的位置对于带孔的弯曲件，若先冲好孔再将毛坯弯曲，则孔的位置应处于弯曲变形区外(见图2.29)，否则孔要发生变形。孔边至弯曲半径r中心的距离b与材料厚度有关，通常为当t2mm时,bt；当t2mm时b2t。 若不能满足上述规定，而且孔的公差等级要求较高时，须弯曲成形后再冲孔。图2.29 带孔的弯曲件 如果工件的结构允许，可以在工件弯曲变形区上预先冲出工艺孔或工艺槽，以改变变形范围，即使工艺孔变形，可以保持所需的孔不产生变形。图2.30(a)所示的是一般工艺孔，图2.30(b)为月牙形工艺孔27。图2.30 在弯曲变形区上预冲工艺孔4.弯曲件直边高度在工件弯曲90时，为了保证弯曲件直边平直，其直边高度并不应小于2t，最好大于3t。若h2t，在弯曲成形过程中，不能产生足够的弯矩。对较厚的树料则需预先压槽再弯曲(见图2.31)，此时最小弯曲半径可以减小，或增加弯边高度，弯曲后再切掉多余部分。图2.31 弯曲件直边高度过小时 图2.32 预先冲出工艺槽或需先压槽 工艺孔的弯曲件5.弯曲件上工艺槽和工艺孔图2.32 (a)和(c)所示的弯曲件在弯曲变形时容易将材料撕裂。为了防止这种情况发生，应在毛坯上先冲出工艺槽或工艺孔，见图2.32(b)和(d) 27。2.5 拉深成形 拉深是指将平板毛坯或杯形毛坯在凸模作用下拉入凹模型腔形成开口空心零件的成形工艺方法（图2.33)。拉深也称压延是钣金成形的基础性工艺。图2.33 拉深过程示意图用拉深成形可以制成简形，阶梯形、锥形、半球形、盒形和其它不规则形状的立体空心零件。拉深零件的尺寸范围很宽，直径小至1mm，大至2-3m厚度0.2-30mm。拉深加工的对象广泛，材料品种繁多。因此，在日用品、电器元件、机械零件、飞机结构件和汽车零件的成形中，有着广泛的应用。图2.34是典型拉深件外形示意图。图2.34 典型拉深件外形示意图拉深有多种形式。按照零件的外形，拉深可划分为筒形件、锥形件、半球形件、阶梯形件、盒形件和复杂形状零件拉深。按照工序数，拉深可划分为单次和多次拉深。按照材料变形情况，拉深可划分为正拉深、反拉深、变薄拉深和特种拉深等。在各种拉深成形工艺中，筒形件拉深是最基本的拉深方法28。2.5.1 圆筒形件拉深时材料的变形分析圆筒形件拉深过程如图2.33所示。凸、凹模工作部分带圆角，凸模和凹模之间的单侧间隙稍大于板料厚度。直径d的平板毛坯在凸模的作用下，逐渐地被拉入凹模形成圆筒，图2.35为平板毛坯逐步成形为圆筒形的过程示意图。图2.35 圆筒形件拉深 图2.36 圆筒形件拉深时材料 过程示意图 的分区及应力应变状态 按照材料的变形和受力情况，拉深过程中的任一时刻，工件材料可以划分为五个区，即凸缘区i、简壁区、筒底区、凹模圆角和凸模圆角区(图2.36)。各区材料的变形和受力状态不同，分析于下。1.凸缘材料的变形 拉深过程中，凸缘区材料不断拉入凹模型腔形成筒壁。随着凸缘区的不断减小，筒壁高度逐渐增大。凸缘区是拉深材料的主要变形区，而压缩变形是该区材料的主要变形特征。拉深过程任一瞬间(见图2.37)，凸缘上任一点处的周向工程应变为 (2.2)设拉深过程中板厚不变，则材料体积不变条件转化为面积不变的关系。即 (2.3)将式(2.3)代入式(2.2)，得 (2.4)图2.37 拉深时凸缘材料的变形凸缘材料的变形以压缩为主，所以没有拉裂之忧29。2.圆筒壁和筒底材科的变形 凸缘材料经过凹模圆角区拉入凹模型腔时在凹模圆角处，材料除受径向拉深外，同时产生塑性弯曲，使板厚减小。进一步从凹模圆角区拉向筒壁时，又要被校直，即经受反向弯曲。 圆筒侧壁受轴向拉伸。筒壁区材料原为凸缘区的材料。经过拉深变形后才形成简壁，材料经过程度较大的变形之后，产生显著的应变硬化效应。在正常拉深条件下，筒壁仅仅传递凸模的作用力，变形甚微。 位于平底凸模端部的筒底区材料受平面拉伸，又由于凸模圆角处外摩擦的制约作用，这部分材料受力不大、因而变形也不大。筒底区材料在拉深过程中保持基本稳定状态27。3.硬化、凸耳及回弹拉深过程中材料经过塑性变形从凸缘转化为筒壁，从而产生了应变硬化效应。由于变形不均匀，各处材料的硬化程度自然也不均匀。硬化效应提高了筒壁材料的承载能力。拉深后的筒形件上，从凸模圆角区向外缘，应变硬化程度逐渐增加，相对来说，凸模圆角区材料的硬化效应较小。图2.38 拉深凸耳 由于金属板料的面内各向异性，导致拉深过程中沿圆筒形件周向各个方位材料变形不一致从而要在拉深件上形成图2.38所示的凸耳。凸耳的数量有2，4，6和8个，视材料的异性情况而定。板料在轧制过程中，沿板面内各个方位形成了不同的颗粒状况和组织结构，从而使各个方向的变形能力不同，对应的r值大小也不同。在拉深过程中，工件凸缘上，r值较大的方位板厚变化小(即小)，r值较小的方位板厚变化大，从而使r值较大的方位成形后零件筒壁高度较高。各方位高度不同，在宏观上形成了凸耳。凸耳的高度和位置与r有关。 拉深成形零件口部出现凸耳，使零件边缘不齐，影响零件的成形质量，必须增加去除凸耳的修边工序。如前所述，拉深件凸缘区的变形以塑性压缩变形为主。由于塑性变形总是伴有弹性变形。所以拉深结束后，工件会因卸载而产生回弹，通常，回弹将使拉深件筒口直径扩大。回弹的大小还受到拉深凸模和凹模之间间隙大小的影响。因此，拉深凸模需要将零件完全从凹模中顶出，否则零件会卡死在凹模模胶内40。2.6 典型冲压件工序工艺规程制定图2.392.6.1 汽车弹簧座的成形工艺(图2.39)材料：spcd，08f 料厚：t1.5加工工序：(1) 下条料(163l原始板料的边长，mm)；(2) 落料157；(3) 拉深8048；(4) 整形r1.5；(5) 切边90；(6) 冲孔64(图中未画出)；(7) 去毛刺；(8) 发蓝。拉探特点：这是带法兰圆筒形件的拉深。(以下计算考虑料厚)拉深系数=0.52；=1.1；=0.95。查表5-8,得m=0.55,查图5-22，得=0.65,而=0.57,显然m m，=，表明一次拉深成形困难。如果采用拉深性能较好的spcd材料，可以一次拉深成形，废品率较低；但如果采用拉深性能较差的08f，废品率则高达50%40。2.6.2 宽法兰件的拉深工序尺寸计算按拉料厚中心线计算，t2.0，材料为低碳钢3。(1) =76，=2.9时，取修边余量=2.03。图2.40(2) 计算毛坯直径考虑修边余量后，=76+22.0=80。所以，毛坯直径为=110(3) 确定一次拉深成功的可能性零件的尺寸关系为=3.0，=2.23，100=1.82，=0.24查图5-22或表5-834，可知该零件不能一次拉深成形3。(4) 拉深次数及各次拉深的拉深系数由图5-22可见，当d=53时，两侧曲线查得的相对高h/d近似相等，故暂定第一次拉深直径=53(此时0.48) 。以后各次的拉深系数可由表5-1查得，=0.75，=0.78，=0.803。按极限拉深系数计算的各次拉深工序后半成品的直径分别为=0.7553=40=0.7840=31 =0.8031=2526对上述各拉深系数做适当调整，得=0.49，=0.76，=0.79，=0.81，则 =0.49110=54=0.7654=41=0.7641=32=0.8132=26(5) 由表5-3查得各次拉深工序后半成品的圆角半径分别为=20=12=7=3(6) 为了保证第一次拉深时成形的发蓝的外径在后续的拉深工序中不再收缩，将第一次拉入凹模的毛坯面积加大5%，第二、第二道工序分别增大3%和1.5%(为了简化计算，用零件总面积代替零件拉入凹模部分的面积，由此产生的误差并不大) 3。重新计算毛坯直径及第二、第三道拉深的假想毛坯直径，它们分别为=113 =112 =111(7) 核算第一次的拉深高度=()+0.43()+()=47.5/=0.88，此值大于由图5-22查得的数值，可以实现这一拉深高度。(8) 计算以后各次的拉深高度计算结果列表如下：拉深次数拉深直径拉深高度凸模与凹模的圆角半径12345643342847.548.653.1582012733冲压常用原材料冲压用原材料主要是各种金属与非金属板材。金属板料包括各种黑色金属与有色金属板材。虽然在冲压生产中所用金属板材的种类很多，但用量最多的原材料主要是钢板、不锈钢板、铝合金板及各种复合金属板7。3.1.1 普通钢板钢板是冲压生产中应用数量最多的原材料，它用于汽车、拖拉机、火车车辆等交通工具以及电器、石油化工机械、建筑等多种工业产品。由于产品使用目的与功能要求不同，在冲压生产中所用的钢板种类与形式也各不相同8。1 热轧钢板热轧钢板的供应状态有两种形式。经热轧后直接供应的钢板、表面有厚度为10m左右的黑色氧化皮。氧化皮脆而硬，在冲压成形中，尤其是在剥落时，可能损坏模具。为了克服这个问题，钢铁厂也提供经酸洗等表面处理去除氧化皮的热轧钢板。这种钢板表面粗糙，但也有利于润滑的优点，可用于成形工序。热轧钢板不具有冷轧钢板的织构组织，所以它的冲压性能不如冷轧钢板。另一方面，热轧钢板的厚度与性能波动大，对冲压加工也是不利的。除化学成分外，晶粒度的大小对强度、n值等也有影响。生产中也常用控制晶粒度的方法，对热轧钢板的性能做适当的调整。由于热轧钢板的价格便宜，现在钢铁企业也在开发冲压性能好、可用于深拉深成形的热轧钢板。2 冷轧钢板冷轧钢板表面质量好、冲压性能优异，而且板材的各种性能和厚度精度等都相当稳定，所以它是冲压生产中应用广泛的原材料。调整冷轧钢板的化学成分、控制冶炼、热轧、冷轧与退火过程，可以得到具有各种不同性能的冷轧钢板。冷轧钢板的主要特点是，利用轧制中的变形与退火中的再结晶处理方法，可获得r值增大的织构组织，改善冷轧钢板的拉深性能、曲面零件成形时的贴模性能等冲压性能。表3.1是冷轧钢板与热轧钢板在质量与性能方面的大致对比。由于冷轧钢板有相当多具有特殊性能的钢种与牌号