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吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 I 摘 要 冲压是利用安装在冲压设备上的模具对材料施加压力 使其产生分离或 塑性变形 从而获得所需冲件的一种压力加工方法 冲压通常是在常温下对 材料进行冷变形加工 且主要采用板料来加工成所需零件 所以也叫冷冲压 或板料冲压 冲压所使用的模具称为冲压模具 简称冲模 冲模是将材料 金属或非金属 批量加工成所需冲件的专用工具 本次设计选用冲裁和拉深冲压工艺 1 冲裁是利用模具使板料产生分 离的冲压工序 主要包括冲孔和落料工序 冲孔是指在板料或者工件上冲出 所需形状的孔 冲去的为废料 而落料是指从板料上冲下所需形状的零件或 者毛坯 2 拉深是利用具有一定圆角半径的拉深模 将平板毛坯或空心件 毛坯冲压成各种空心零件的冲压过程 拉深件的几何形状很多 大体可以划 分为旋转体零件 盒形零件 和复杂曲面零件三大类 拉深变形存在于很多 成形工序之中 掌握拉深变形特点和拉深变形规律有着十分重要的意义 本次设计任务包含两副模具 通过对法兰拉深圆筒形件的工艺分析 合 理设计了 1 副完成落料 首次拉深的落料拉深复合模和 1 副末次拉深模 关键字 冲压 拉深 冲模 复合模 拉深模 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 II ABSTRCT Stamping is a kind of pressure processing methods what are to pressure force from the mold installed in stamping equipment to the material to produce plastic deformation or separation to obtain the necessary pieces Stamping is usually to proceed deformation of the material cold processing at room temperature and material to become deformed in the deformation processes mainly sheet metal parts as required also known as cold or sheet metal stamping The die used in stamping process is called stamping die or die Die is put the materials metal or non metallic for bulk processed into pieces by the special instrument The choice of design are drawing and blanking stamping technics 1 Blanking is stamping processes to have a separate sheet metal by the using of molds mainly including punching and blanking processes Punching is punch the the necessary forms holes in the sheet metal or the workpieces for the waste to The blanking is expected from the on board requirements under the shape of parts or rough 2 Drawing is the stamping process which uses a certain radius of the fillet drawing dies put flat or rough rough hollow ram into a variety of hollow parts Drawing prrts have many geometric shapes which can be roughly divided into three categories that is rotating body parts box shaped parts components and complex surface Drawing deformation exists in many forming processes so mastering drawing deformation characteristics and the drawing of deformation is very important The design task includes two dies by the analysis of law Lanla deep cylinder shaped pieces getting the rational design of a 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 III compound die which inclodes complete blanking and the first time drawing processes and a single drawing process die Key words blanking drawing die combined die drawing die 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 IV 目录目录 第一章 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 冷冲压技术的现状及发展趋势 2 1 2 1 冷冲压技术在工业生产中的地位 2 1 2 2 冲压技术的现状及发展方向 3 1 3 毕业设计的目的意义和设计内容 9 1 3 1 毕业设计的目的意义 9 1 3 2 设计的主要内容 10 第二章 冲压概论及原理 11 2 1 冲压成形的特点 11 2 2 冲压成形中毛坯的分析 12 2 3 冲压变形中的应力 14 2 4 冲压成形中的起皱 19 2 5 冲裁变形机理 21 2 6 拉深 24 第三章 模具设计 27 3 1 设计产品 27 3 2 零件工艺分析 27 3 3 零件的工艺方案的确定 28 3 4 毛坯尺寸的计算 28 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 V 3 5 判断能否一次拉成 29 3 6 试制订首次拉深因数 30 3 7 排样方式和材料利用率 33 3 7 1 排样方式 33 3 7 2 材料利用率 35 3 8 确定拉深系数 35 3 9 工序压力计算 37 3 9 1 计算冲压力 37 3 9 2 计算压边力 拉深力 39 3 10 选用压力机 41 3 10 1 落料拉深模具 41 3 10 2 末次拉深模具 42 3 11 确定模具压力中心 42 3 12 要工作部分尺寸的计算 43 3 12 1 冲裁模具 43 3 12 2 拉深模具 45 3 13 模具类型及结构选择 47 3 13 1 落料拉深模 47 3 13 2 末次拉深模具 49 3 14 零部件的结构设计与选择 50 3 14 1 落料拉深模卸料装置的设计计 50 3 14 2 模架选择 53 第四章 结论 54 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 VI 4 1 致谢 54 4 2 主要参考文献 55 4 3 附录 56 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 1 第一章 绪论 1 1 引言 冲压加工技术应用范围十分广泛 在国民经济各工业部门中 几乎都有 冲压加工或冲压产品的生产 如汽车 飞机 拖拉机 电机 电器 仪表 铁道 电信 化工以及轻工日用产品中均占有相当大的比重 冲压是利用安装在冲压设备上的磨具对材料施加压力 使其产生分离或 塑性变形 从而获得所需冲件的一种压力加工方法 冲压通常是在常温下对 材料进行冷变形加工 且主要采用板料来加工成所需零件 所以也叫冷冲压 或板料冲压 冲压所使用的模具称为冲压模具 简称冲模 冲模是将材料批 量加工成所需冲件的专用工具 冲模在冲压中至关重要 没有符合要求的冲 模 批量冲压生产就难以进行 没有先进的冲模 先进的冲压工艺就难以实 现 冲压工艺与模具 冲压设备和冲压材料构成冲压加工的三要素 冲压加 工无论在技术方面还是经济方面都有许多独特优点 尤其是在冲压件大批量 生产的情况下 冲压加工的优点能得到充分体现 并获得较好的经济效益 冲压零件具有表面质量好 重量轻 成本低的优点 它是一种经济的加工方 法 冲压工艺是一种生产效率很高 少切削或无切削的先进加工方法 在经 济和技术方面都有很多优点 它操作简便 便于实现机械化和自动化 适合 与较大批量零件生产 其制品一般都不需要做进一步的机械加工 尺寸精度 和互换性都比较好 所以 它在航空 汽车 拖拉机 点击电器 精密仪器 仪表等工业中占有重要的地位 此外 随着加强国防建设放入需要和和人们 物质生活水平的提高 在注入家电 电子元器件和兵器等领域内 冷冲压加 工量也有相当大的比例 可见 支持和促进冷冲压加工技术 对发展国民经 济和加速工业化建设 具有十分重要的意义 由于冲压加工具有节材 节能和生产率高等突出特点 决定了冲压产品 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 2 成本低廉 效益较好 因而冲压生产在制造行业中占有重要地位 随着科学 技术的进步和工业生产的迅速发展 模具已成为当代工业生产的重要手段 冲压生产和模具工业得到了世界各国的高度重视 1 2 冷冲压技术的现状及发展 1 2 11 2 1 冷冲压技术在工业生产中的地位 美国工业界认为 模具工业是美国工业的基石 日本称模具工业为 进入富裕社会的原动力 德国给模具工业冠之以 金属加工业中的帝王 称号 欧盟一些国家称 模具就是黄金 新加坡则把模具工业作为 磁力 工业 中国模具权威称 模具是印钞机 可见模具工业在世界各国经济 发展中所具有的重要地位 模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重 要标志之一 通常冲压工方法在常温下进行 主要用于金属板料成型加工 故也称板 料成形 冲压成形在较大批量生产条件下 虽然设备和模具资金投入大 生 产要求高 但与其它加工方法 如锻造 铸造 焊接 机械切削加工等 相 比较 具有以下优点 1 生产效率高 制品的再现性好 而且质量稳定 2 可实现少无切削加工 冲压件不需经机械加工即可进行表面处理或直 接用于装配产品 3 材料利用率高 在节省原材料消耗的情况下 能获得强度高 刚度好 重量轻的制品 4 能生产其它加工方法难以实现的复杂零件 如汽车覆盖件 飞机 导 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 3 弹 枪弹 炮弹等航空 航天及国防工业产品 因此 冲压在机械制造 电子 电器等各行各业中 都得到广泛的应用 大到汽车覆盖件 小到钟表及仪器 仪表元件 大多是由冲压方法制成的 目前 采用冲压工艺所获得的制品 在现代汽车 拖拉机 电机 电器 仪 器及各种电子产品和人们日常生活中 都占有十分重要的地位 据粗略统计 在汽车制造业中有 60 70 的零件是采用冲压工艺制成的 冲压生产所占的 劳动量为整个汽车工业劳动量的 25 30 在机电及仪器 仪表生产中有 60 70 的零件是采用冲压工艺来完成的 在电子产品中 冲压件的数量约 占零件总数的 85 以上 在飞机 导弹 各种枪弹与炮弹的生产中冲压件所 占的比例也相当大 人们日常生活中用的金属制品 冲压件所占的比例更大 如铝锅 不锈钢餐具 搪瓷盆等都是冲压制品 占世界钢产量 60 70 以上 的板材 管材及其它型材 其中大部分是经过冲压制成成品的 在许多先进 的工业国家里 冲压生产和模具工业得到高度的重视 例如美国和日本 模 具工业的产值已超过机床工业 模具工业成为重要的产业部门 而冲压生产 则成为生产优质先进机电产品的重要手段 1 2 21 2 2 冲压技术的现状及发展方向 1 模具技术的现状 1 精密模具 当代模具要求的精度比传统模具高出一个数量级 多工位级进模 精冲 模 精密塑料模的精度已达到 0 003ram 甚至更高 多工位的级进模设计和 制造技术已日趋成熟 在引进技术及设备情况下 部分企业的此类模具已达 到或接近国外先进水平 照相机塑料件模具 多型腔小模数齿轮模具及塑封 模具均已形成规模化生产 子午线轮胎橡胶活络模国产化率已大为提高 目 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 4 前 模具超精密加工已达到纳米级精度 2 大型模具 我国已能生产轿车覆盖件模具 48 英寸 212cm 大屏幕彩色电视机前壳 及后盖注塑模具 6 5kg 大容量洗衣机全套塑料模 轿车仪表板形状复杂的 注塑模 自动扶梯整体阶梯压铸模及汽车变速箱体压铸模等大型模具 另外 为了提高生产率 采用了多工位及多模腔方式 例如 高生产率级进模有 50 多个工位 塑封模每模一次生产数百件 塑胶鞋模有 18 个工位等等 3 成形工艺 随着人们对产品形状 尺寸精度 整体性及生产效率等要求的提高 以 及许多新材料新工艺的广泛应用 当代模具结构和型腔日益复杂 例如 一 台大型复合材料成型模具 其结构复杂程度和价格超过一台精密机床 一些 大型覆盖件成形模具 不仅型腔形状复杂 而且模具配套性要求极高 要求 多个相关模具型腔协调一致 用传统加工方法无法达到其质量要求 除液态 模锻 粉末锻造成型工艺外 还有多材质塑料成型模 高效多色注塑模 镶 件互换结构和各种轴芯脱模机构的创新设计也取得了较大进展 在陶瓷模具 成形工艺中 成形表面采用硅胶技术解决了模具的粘粉问题 同时采用磁吸 技术 使其具有自动调整间隙的功能 保证陶瓷砖面平整 简化了模具结构 在冲压成形加工中 多功能复合模具逐渐增多 一副多功能复合模具除了冲 压成形零件外 还担负着叠压 攻丝 铆接和锁紧等组装任务 这种用多功 能复合方式生产出来的不再是单个零件 而是成批的组装件 可大大缩短产 品的生产及装配周期 显著地提高生产率 4 模具的制造技术 CAD CAE CAM 技术的应用水平已上了一个新台阶 以高速发展的家电 制造业为例 引进了美国 德国 日本 澳大利亚等国相当数量的 CAD CAM 系统 取得了一定的经济技术 效益 促进和推动了我国的 CAD CAM 技术的发展 数控机床 加工 中心 激光 电火花 线切割 真空淬火以 及 PVO 等表面强化技术在模具制造中已得到普及 5 模具工程师 人是企业最活跃的因素 市场竞争最主要的是人才竞争 我国模具行业 的工程技术人员的素质不能适应模具工业的发展 而且人才断层现象十分明 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 5 显 队伍不稳定 人才匮乏是制约模具工业发展的重要因素之一 2 随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展 许多新技术 新工艺 新设备 新材料不断涌现 因而促进了冲压技术的不断革新和发展 其主要 表现和发展方向如下 1 冲压成形理论及冲压工艺方面 冲压成形理论的研究是提高冲压技术的基础 目前 国内外对冲压成形 理论的研究非常重视 在材料冲压性能研究冲压成形过程应力应变分析 板 料变形规律研究及坯料与模具之间的相互作用研究等方面取得了较大的发展 特别是随着计算机放入飞速发展和塑性变形理论的进一步完善 近年来国内 外已开始应用塑性成形过程的计算机模拟技术 及有限元 FEM 等数值分 析方法模拟金属的塑性成形过程 根据分析结果 设计人员可预测某一工艺 方案成形的可行性及可能出现的质量问题 并通过在计算机上选择修改相关 参数 可实现工艺及模具的优化设计 这样既节省可昂贵的试模费用 也缩 短了制模周期 研究推广能提高生产率及产品质量 降低成本和扩大冲压工艺应用范围 的各种冲压新工艺 也是冲压技术的发展方向之一 目前 国内外相继涌现 了精密冲压工艺 软模成型工艺 高能高速成形工艺 超塑性成形工艺及无 模多点成形工艺等高效 精密 经济的冲压工艺 其中 精密冲裁是提高冲 裁件质量的有效方法 它扩大了冲压加工范围 目前精密冲裁加工零件厚度 可达 25mm 精度可达 IT6 IT7 级 用液体 橡胶 聚氨酯等柔性凸模或凹 模来代替刚性凸模或凹模的软模成形工艺 能加工出普通加工方法难以加工 的材料和复杂形状的零件 在特定的生产条件下具有明显的经济效果 采用 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 6 爆炸等高能高效成形加工方法对于加工各种尺寸大 形状复杂 批量小 强 度高和精度要求较高的板料零件 具有很重要的实用意义 利用金属的超塑 性进行超塑性成形 可以用一次成形代替多次普通的冲压成形工序 这对于 加工形状复杂和大型板材零件具有突出的优越性 无模多点成形工艺是用高 度可调的凸模群体代替传统模具进行板料曲面成型的一种先进工艺技术 我 国已自主设计制造了具有国际领先水平的无模多点成设备 解决了多点压机 成形法 从而可随意改变变形路径和受力状态 提高了材料的成形极限 同 时利用反复成形技术可消除材料内残余应力 实现无回弹成形 无模多点成 形系统以 CAD CAM CAT 技术为主要手段 能快速经济的实现三维曲面的自 动化成形 2 冲模设计与制造设计方面 冲模是实现冲压生产的基本条件 在冲模设计和制造上 目前正朝着以 下两方面发展 一方面 为了适应高速 自精密 安全等大批量现代生产的 需要 冲模正向高效率 高精度 高寿命及多工位 多功能方向发展 与为 此向适应的新型模具材料及热表处理技术 各种高效 精密 数控 自动化 的模具加工机床和检测设备以及模具 CAD CAM 技术也正在飞速发展 另一 方面 为了适应产品更新换代和试制或小批量生产的需要 锌基合金冲模 聚氨酯橡胶冲模 薄板冲模 钢带冲模 组合冲模等各种简易冲模及其制造 技术也得到了迅速发展 精密 高效的多工位及多功能级进模和大型复杂的汽车覆盖件冲模代表 了现代冲模的技术水平 目前 50 个工位以上的级进模进距的精度可达 2 mm 多功能级进模不仅能完成冲压全过程 还可以完成焊接 装配等工 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 7 序 我国已能自行设计制造出达到国际水平的精密多工位级进冲模 如某机 电一体化的铁芯精密自动化多工位级进模 其主要零件的制造精度达 2 5 mm 进距精度 2 3 mm 总寿命达 1 亿次 我国主要汽车模具企业 已能生产成套轿车覆盖件模具 在设计制造方法 手段方面以基本达到了国 际水平 模具结构 功能方面也接近国际水平 但在制造质量 精度 制造 周期和制造成本一国外相比还存在一定差距 模具材料及热处理与表面处理工艺对模具加工质量和寿命的影响很大 世界个主要工业国家在此方面的研究取得了较大进展 开发了许多新钢种 其硬度可达到 HRC58 70 而变形只为普通工具钢放入 1 2 1 5 如火焰淬火 钢可局部硬化 且无脱碳 我国研制的 65Nb LD 和 CD 等新钢种 具有热 加工性能好 热处理变形小 抗冲击性能佳等特点 与此同时 还发展了一 些新的热处理和表面处理工艺 主要有气体软氮化 离子氮化 渗硼 表面 涂镀 化学气相沉积 物理气相沉积 激光表面处理等 这些方法能提高模 具工作表面耐磨性 硬度和耐蚀性 是模具寿命大大延长 模具制造技术现代化是模具工业发展的基础 计算机技术 信息技术 自动化技术等先进技术正在向传统制造技术渗透 交叉 融合形成了现代模 具制造技术 其中高速铣削加工 电火花铣削加工 慢走丝线切割加工 精 密磨削及抛光技术 数控测量等代表了现代冲模制造的技术水平 模具 CAD CAE CAM 技术是改造传统模具生产方式的关键技术 它以计算机软件的 形式为用户提供一种有效的辅助工具 是工程技术人员能借助计算机对产品 模具结构 成形工艺 数控加工及成本进行设计和优化 从而显著缩短模具 设计与制造周期 降低生产周期 提高生产质量 随着功能强大的专业软件 和高效集成制造设备的出现 以三维造型为基础 基于并行工程的模具 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 8 CAD CAE CAM 技术正成为发展方向 它能实现制造和装配设计 成形过程的 模拟和数控加工过程的仿真 还可对模具可制造性进行评价 使模具设计和 制造一体化 智能化 3 冲压设备和冲压生产自动化方面 性能良好的冲压设备是提高冲压技术水平的基本条件 高精度 高寿命 高效率的冲模需要高精度 高自动化的冲压设备相匹配 为了满足大批俩广 告组生产的需要目前冲压设备也由单工位 单功能 低速压力机朝着多工位 多功能 高速和数控方向发展 价值机械手乃至机器人的大量使用 使冲压 生产效率得到大幅度提高 各式各样的冲压自动线和告诉自从压力机纷纷投 入使用 近年来 为了适应市场的激烈竞争 对产品质量的要求越来越高 且其更新换代的周期大为缩短 冲压生产为了适应这一新的要求 开发了多 种适合不同批量的工艺 设备和模具 其中 无需设计专用模 性能先进的 转塔数控多工位压力机 激光切割和成形机 CNC 万能折弯机等新设备已投 入使用 特别是近年来在国外已经发展起来 国内亦开始使用的冲压柔性制 造单元 FMC 和冲压柔性制造系统 FMS 代表了冲压生产新的发展趋势 FMS 系统一数控冲压设备诶主体 包括板料 模具 冲压件分类存放系统 自动 上料与下料系统 生产过程完全有计算机控制 车间实现 24 小时无人控制生 产 同时 根据不同使用要求 可以完成各种冲压工序 甚至焊接 装配等 工序 更换新产品方便快捷 冲压件精度也高 4 冲模标准化及专业生产化方面 根据国内外模具专业化情况来看专业化可以有多层意思 1 模具生产独 立于其他产品生产 专业生产模具外供 2 按模具种类划分 专门从事某一 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 9 类模具 如 中压模具 生产 3 在某一类模具中 按其服务对象或模具工艺 及尺寸大小 选取该类模具中的某种模具 例如汽车覆盖件模具 多工位级进 模具 精冲模具等等 进行专业化生产 4 专业生产模具中的某一些零件 如模架 冲头 弹性元件等 供给模具生产企业 5 按工序开展专业协作 标准化是实现模具专业化生产的基本前提 也是系统提高整个模具行业 技术水平和经济效益的重要手段 这是机械制造业向深层次发展的必由之路 模具的标准化及专业化生产 已得到磨具行业的广泛重视 因为模具为单件 小批量生产 冲模零件机具有一定的复杂性和精密性 又有一定的结构典型 性 因此 只有实现了模具的标准化 才能使冲模和冲模零件的生产实现专 业化 商品化 从而降低模具成本 提高模具质量和缩短模具制造周期 目 前 国外先进工业国家模具标准化生产程度已达 70 80 模具厂只需设计 制造工作零件 大部分模具零件从标准件厂购买 使生产率大幅度提高 模 具制造厂专业化程度越来越高 分工越来越细 我国的冲模标准化和专业化 生产近年来也有较大发展 除表现在标准件专业化生产厂家有较多增加外 标准件品种也有所扩展 精度亦有提高 但总体情况还满足不了模具工业发 展的要求 主要体现在标准化程度还不高 一般在 40 以下 标准件的品 种和规格较少 大多数标准件厂家未形成规模化生产 标准件自己量也还存 在较多问题 另外标准件生产的销售 供货 服务等都还有待以进一步提高 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 10 1 3 毕业设计的目的意义和设计内容 1 3 1 毕业设计的目的意义 毕业设计教学目的是培养学生综合运用所学的基础理论 专业知识和基 本技能 提高分析与解决实际问题的能力 使学生得到从事实际工作所必需 的基本训练和进行科学研究工作的初步能力 毕业设计作为培养学生创新精 神和实践能力的一次较为系统的训练 是学校专业教育和职业实践活动之间 顺利过渡的重要阶段 冲压模具设计的目的是 1 毕业设计的准备工作 进一步提高独立调研能力以及专业业务素质 并通过文献的查阅和实际项目资料的收集等工作锻炼解决专业工程技术问题 的能力 2 深化 扩充专业知识 并通过毕业设计中对涉及到的问题的分析研 究 提出自己的观点 并完成设计任务 经历一次严格的综合工程训练 3 解决一个本专业知识所能解决的工程技术问题同时包含相应的理论 知识 完成相应的设计说明书 论文 图纸 外文翻译等工作 进一步提 高计算 绘图 计算机应用能力以及模具的分析设计能力 4 通过毕业设计 树立良好的工作心态和细致严谨 科学的工作作风 1 3 21 3 2 设计的主要内容 查阅资料及教材 了解冲压模具结构特征及设计计算方法 CAD 绘图方 法 以及冲压成形过程中的缺陷及防止方法 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 11 本课题设计两套模具 落料拉深模和末次拉深模包括两张装配图及部分 零件图 工作量 1 草图设计 每套模具一张 2 手工或 CAD 图 共四张以上 A0图 3 译文不少于 5000 汉字 4 开题报告 2000 汉字 5 论文不少于 20000 汉字 打印 第二章 冲压概论及原理 2 1 冲压成形的特点 在生产实践中应用的冲压成形工艺方法很多 有多种形式和名称 但它 们在本质上是相同的 都是使平面形状的板料毛坯 在力的作用下 按既定 的要求产生不可恢复的塑性变形 从而完成一定形状与精度零件的制造工艺 从利用原材料的塑性进行加工这个基本原则看 它和其他所有的塑性加工方 法是一样的 但是 由于冲压成形中的毛坯是厚度远小于板平面尺寸的板料 以及由此决定的外璃作用方式与大小等原因 致使冲压成形具有如下几个非 常突出的特点 1 由于冲压成形中的板料毛坯的厚度远小于它的板面尺寸 工具对毛坯的 作用力只能方便地作用于板料的表面 而且数值不大的垂直于板面方向的单 位压力 即可引起在板面方向上数值足以使板材产生塑性变形的内应力 由 于垂直于板面方向上的单位压力的数值远小于板面方向上的内应力 所以大 多数的冲压变形都可以近似地当作平面应力状态来处理 使变形力学的分析 和工艺参数的计算等工作 都得到很大的简化 2 由于冲压成形用的板料毛坯的相对厚度 与板面尺寸相比 很小 在压 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 12 应力作用下的抗失稳能力也很差 所以在没有抗失稳装置 如压力圈等 拘 束作用的条件下 很难在自由状态下顺利地进行冲压成形过程 因此 在各 种冲压成形方法中 以拉应力作用为主的伸长类冲压成形过程多于以压应力 为主的压缩类成形过程 3 在冲压成形时 板料毛坯里的内应力数值接近或等于材料的屈服应力 有时甚至小于板料的屈服应力 而在模锻和挤压时 有时毛坯的内应力可能 超过其屈服应力许多倍 在这一点上 两者的差别是很大的 因此 在冲压 成形时 变形区应力状态中的静水压力成分对成形极限与变形抗力的影响及 其影响规律 已失去其在体积成形时的重要程度 有些情况下 甚至可以完 全不予考虑 即使有必要考虑时 其出发点与处理方法也不相同 4 在冲压成形时 模具对板料毛坯作用力所形成的拘束作用程度较轻 并 不像体积成形 如模锻等 靠与制件形状完全相同的模腔对毛坯的全面接触 而实现的强制成形 在冲压成形中 大多数情况下 板料毛坯都有某种程度 的自由度 常常是只有一个表面与模具接触 而另侧表面是非接触的自由表 面 甚至有时存在板料两侧表面都不与模具接触的变形部分 在这种情况下 这部分毛坯的变形是靠模具对其相邻部分施加的外力实现其控制作用的 例 如球面与锥面零件成形时的悬空部分和管坯端部的 边成形等都是这种情况 由于冲压成形具有上述一些在变形与力学方面的特点 致使冲压技术也 形成了自己的一些与一般塑性加工不同的特点 1 由于不需要在板料毛坯的表面作用数值很大的单位压力即可使其成形 所以在冲压技术中关于模具强度与刚度的研究并不十分重要 相反地却发展 了许多简易模具技术 由于相同的原因 也促使靠气体或液体压力成形的工 艺方法得以发展 2 因冲压成形时的平面应力状态或更为单纯的应变状态 与体积成形相比 当前对冲压成形中毛坯的变形与力能参数方面的研究较为深入 有条件运 用合理的科学方法进行冲压加工 现在不仅采用合理设计的冲模工作部分几 何形状与尺寸以控制冲压变形过程 以获得高质量冲压件的传统技术方法 而且运用压边力与变压边力对冲压变形的控制技术 甚至借助于电子计算机 与当代的测试手段 在对板材性能与冲压变形参数进行适时测量与分析的基 础上 实现冲压过程智能化控制的研究工作也在开展 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 13 3 人们在对冲压成形过程有了较为深入的了解后 已经认识到冲压成形与 原材料有十分密切的关系 所以对板材冲压性能即成形性与形状冻结性的研 究 目前已成为冲压技术的个重要内容 对板材冲压性能的研究工作不仅是 冲压技术发展的需要 而且也促进了钢铁业制造技术的发展 为其提高板材 的质量提供了一个基础与依据 2 2 冲压成形中毛坯的分析 在冲压成形过程中 为使板料毛坯改变其原始形状成为零件 必须在毛坯 各部分之间形成一定的受力与变形关系 每一种冲压成形方法都要求毛坯各 部分之间存在一定的力与变形的关系 这是能够顺利地完成冲压成形的基本 保证 所以对冲压毛坯进行受力与变形方面的分析是十分必要的 图 2 1 冲压毛坯的分析 a 拉深 b 再次拉深 c 球面零件成形 d 翻边 图 2 1 是几种典型冲压成形中毛坯的分析 在这四种成形工序中 A 是变 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 14 形区 它是在冲压成形中产生塑性变形的部分 B 是传力区 它的作用是把 冲模的作用力传递给变形区 图 2 1b 中的 D 是暂不变形的待变形区 虽然在图示的状态下它不参与 变形 但随冲压成形过程的进行 它将不断地进入变形区参与变形 图中的 C 是自始至终都不参与变形的不变形区 有时也会出现传力区本身也是产生 塑性变形的变形区 它在本身变形的同时 把模具的作用力传给另一个变形 区 图 2 1c 所示的球面零件成形中的 E 就是这种情况 不变形区可能是传力区 也可能是不传力的已变形区或待变形区 但是 有时不变形区也可能是在全部过程中自始至终都不传力也不产生塑性变形对 冲压成形不起任何作用的无功能不变形区 图 2 1c 在冲压成形过程中各个区 部分 之间是在相互转化而不断变化的 例 如待变形区内的板料不断地进入变形区 而变形区的金属又可能不断地进入 已变形区并承担起传力的作用等 对变形区与不变形区的判断 当然可以直观地根据该部分毛坯是否在改 变其形状来决定 不过 有时候变形区的形状与尺寸并不发生变化 如再次 拉深时的变形区 所以最根本的判断方法是 如果毛坯内某个部分内任意两 点的距离不产生变化 也就是它们之间不产生相对的位移 即使该部分产生 总体的位移 或做等角速度的转动 这部分也一定不是变形区 而是非变形 区 2 3 冲压变形中的应力 在冲压成形过程中 板料毛坯形状的变化是由于模具的外作用力所引起 毛坯各部分内应力作用的结果 因此 对冲压变形中各种应力的性质 特点 产生的原因 各种冲压成形因素 参数 对应力的影响 各种应力之间的相 互影响关系 以及它们引起的变形结果等 都是实现对冲压变形过程的控制 获得高质量的冲压产品所必需的基础性的研究工作 在塑性力学中 为了分析与计算工作的需要而建立的关于应力的理论与 概念 如应力 法向应力 切向应力 正应力 主应力 斜面应力 八面体 应力等 都具有普遍性的意义 当然这对冲压变形的分析与计算也是适用的 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 15 但是 由于它是处理所有的塑性变形的一种共性方法 必然存在其针对性不 足的问题 为了便于研究冲压过程中与变形有关的问题 有必要从冲压成形 过程的特殊性出发 研究冲压成形过程中所出现的各种应力的特点 产生的 原因及其对冲压成形过程与成形结果的影响等等 这样 可从另一个侧面揭 示冲压变形的一些特有的问题 使对冲压成形过程的认识得以深化 从对冲压变形分析的需要出发 可以把冲压毛坯中的应力分为加载应力 诱发应力与残余应力等三大类别 加载应力是由模具作用于板料上的外力或外力矩直接引起的内应力 加 载应力的数值可以利用模具外作用力 或外力矩 与内应力相平衡的条件求 得 在一般的情况下 当外作用力去除以后 加载应力也随之消失 加载应 力可以作用于变形区 也可能作用于非变形区 加载应力可能是模具与板料 毛坯的表面接触压力直接作用的结果 也可能经接触表面接受外力之后再由 传力区把加载应力传递到变形区 按照诱发应力产生的原因 可以把诱发应力分为下边两种情况 1 冲压毛坯变形区 在加载应力的作用下 会产生塑性变形 使毛坯的 形状发生变化 如果这个形状的变化受到毛坯其他部分或其本身形状刚度的 阻碍 而不能顺利地实现时 就会在毛坯内引起诱发应力 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 16 图 2 2 弯曲变形区的应力 图 2 2 是板料毛坯在弯曲变形时的应力分布 其中圆周方向上的应力 是由外力矩的作用引起的加载应力 在中性层以外 圆周方向的应力是拉应 力 它引起圆周方向上的伸变形 根据体积不变条件 在其他两个垂直方向 上一定产生压缩变形 同样道理 中性层以内的圆周方向上的压应力也一定 会引起圆周方向上的压缩变形和另两个垂直方向上的伸长变形 这种在中性 层两侧不同的变形使变形区产生横向弯曲变形的趋势 在宽度方向上发生如 图 2 3 所示的翘曲 但是 事实上这种宽度方向上的翘曲变形受到毛坯两端 直边部分和变形区本身形状刚度的阻碍 不能完全顺利地实现 于是在毛坯 内部在宽度方向上就会产生诱发应力 图 2 2 诱发应力是成对产生的 在 中性层以外是拉应力 在中性层以内是压应力 图 2 3 长度大弯曲件的翘曲 2 圆筒形零件的拉深 在一般情况下属于轴对称的塑性变形过程 但是 如果板材具有各向异性的不均匀性能 即使是圆筒形零件的拉深 也会在拉 深过程中产生由不均匀变形引起的诱发应力 图 2 2 在不均匀拉力作用于板料毛坯某个局部时 可以在板面内引起不均匀分布 的拉应力以及由它引起的不均匀分布的伸长变形 根据塑性变形时体积不变 的条件可知 必然在板面内引起数值大小不同的横向压缩变形 负的应变 其结果就会形成与拉应力方向相垂直的横向诱发应力 在压缩变形大的部位 产生诱发拉应力 在压缩变形小的部位产生压应力 而这两个应力形成的内 力 又是相互平衡的 如果压缩变形的差值过大 就会在受诱发压应力作用 的部位上产生塑性失稳的起皱现象 这就是不均匀拉力作用下起皱的机理 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 17 残余应力是冲压毛坯中产生内应力的另一种形式 当冲压成形过程结束 冲压件脱离模具的作用 由模具内脱离出后 外力已完全消失 但原来在冲 压毛坯中的内应力 加载应力与诱发应力 并不会完全消除 以残余应力的 形式保留下来 由于不存在外力的作用 所以残余应力必然以拉压性质相反 的形式存在 而且也一定是相互平衡的 残余应力产生在冲压成形过程结束 之后 故它对冲压成形过程和成形极限参数没有影响 因此对它产生的原因 各种因素的影响规律等的研究工作很少 人们对它的了解也不够深入 但是 在有些情况下 残余应力的作用是不容忽视的 例如在大尺寸的非轴对称形 状的冲压件 如汽车覆盖件等 的制造时 虽然在冲压成形工序中已经得到 形状与尺寸精度完全合格的冲压件半成品 可是在冲孔和切边之后 由于残 余应力的平衡条件改变 部分残余应力得以释放 导致冲压件形状与尺寸的 变化 使装配工作造成困难 又如在对时效开裂现象敏感的板材 如不锈钢 板与黄铜板等 进行拉深成形时 由于拉深时形成的残余应力的作用 在拉 深后会在圆筒形件的侧壁产生纵向开裂现象 图 2 5 这种开裂现象可能在 脱模后立即产生 也可能在放置一段时间之后或在冲压件使用过程当中发生 故称为时效开裂 这种现象很难预测 缺陷具有隐蔽性和潜伏性 所以它的 危害也大 从这些实例看 对冲压成形时残余应力的研究 也是十分必要的 图 2 4 各向异性引起的圆筒形 图 2 5 残余应力引起的纵向开裂 件中的诱发应力 圆筒形零件侧壁上的残余应力 是板料在凹模圆角区出口边界上的反向 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 18 弯曲变形引起的圆周方向 横向 上的诱发应力形成的 其数值与板材的性 能 凹模圆角半径 拉深力 板厚 拉深高度等有关 根据各种因素对残余 应力数值的影响规律 可以对它进行一定程度的控制 降低产生纵向开裂的 可能 由于同样的原因 在圆筒形拉深件的侧壁也有纵向 轴向 的残余应 力 外表面是残余拉应力 而内表面是残余压应力 残余应力也是冲压成形的结果 它是冲压毛坯经历冲压变形和卸载两个 过程之后形成的 因此 为了研究残余应力 必须首先正确地了解冲压成形 时毛坯内部的应力分布与数值 并进一步研究内应力在卸载过程中的变化 当然 从目前的研究工作现状来看 要做到这一点还很困难 即使是形状较 为简单的轴对称形状的冲压件 也很难做到精确的计算 目前 对残余应力的研究工作已经成为一个科学技术发展的领域 出现 许多新的研究成果与实验测试方法 但是 在冲压成形中对残余应力的研究 工作不多 所用的残余应力的实验测试方法也多为应用方便 但精度不高的 传统方法 这种方法的原理是 在冲压成形后的冲压件或半成品上 根据对欲测残 余应力性质的分析与判断 用切口 切除 切开等方法 破坏冲压件的完整 性 消除维持 保留残余应力的基本条件 使残余应力得以释放 消除 由 于去除残余应力 经切开的部分必然发生形状与尺寸的变化 当然 这个形状与尺寸的变化都是弹性的 于是也就可以利用弹性力学 的方法计算出残余应力的数值 改变一些工艺参数 重复上述的工作 也可 以得到各种参数对冲压残余应力的影响 这种研究冲压残余应力的方法 只 能得到关于残余应力总体上的信息 无法测得残余应力的细微变化 而且精 确的程度也差 但是 由于这种方法方便 容易实行 而且具有很强的直观 效果 所以它还是当前的重要研究方法 用剖切的方法测量残余应力时 要注意以两个问题 1 剖切方案与切口位置的选择 应该保证残余应力能够得到最大限度 的释放 2 剖切时 不要使试件承受过大的外力作用 以防止试件内部的残余 应力发生变化 影响测量精度 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 19 图 2 6 用剖切法测量残余应力的实例 图 2 6 是用剖切法测量圆筒形拉深件切向残余应力的实例 为了得到切 向残余应力在高度上的分布 在高度方向上切割成多个环形切口 然后把每 个环切开 并测量切开前后每个圆环的直径 用下式计算圆筒形拉深件侧壁 外表面上的最大切向残余应力 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 20 图 2 8 用剖切法测得的圆筒形拉深件的切向残余应力的分布 材料 08 钢 厚度 0 6mm m1 m2 与 m3分别是第一次 第二次和第三次拉深系数 图 2 8 是用剖切法测得的圆筒形拉深件侧壁上切向残余应力的分布结果 实测的结果表明 圆筒形拉深件的残余应力在高度方向上分布曲线的形状 接近于板材的硬化曲线 在拉深件上口处残余应力达最大值 另外 残余应 力也与拉深次数有关 拉深工序数目越多 残余应力也越大 2 4 冲压成形中的起皱 起皱也是冲压成形过程中的一种有害现象 轻微的起皱影响冲压件的形 状精度和冲压件表面的光滑程度 而严重的起皱可能妨碍和阻止冲压成形过 程的正常进行 因此 对起皱问题的研究 深入地了解其产生机理 科学地 掌握发生起皱的规律 对冲压生产技术的进步具有十分重要的意义 由于起 皱是一种塑性变形失稳的过程 它的产生机理和各种因素的影响规律十分复 杂 而且冲压毛坯起皱部分的几何形状和尺寸各异 其周边的约束条件也各 不相同 致使采用严谨的力学分析方法进行起皱问题的研究工作 遇到了与 当前研究工作的能力和水平不相适应而产生的困难 从本质上看 认为冲压成形中所有的起皱现象都是压应力作用结果的说法 以及认为冲压成形中起皱的原因是因为起皱部分的材料多余所致的说法 都 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 21 是正确的 但是 从对冲压成形中的起皱现象做具体而深一步的分析出发 从为解决冲压生产实际问题的要求考虑 这样的分析方法就显得不够了 为了深入地研究冲压成形中的起皱问题 必须以对毛坯在冲压成形中的 变形与受力的具体情况的分析为基础 进行起皱机理的研究 才有可能正确 地认识引起起皱的原因 找出防止起皱的正确措施 在冲压成形时 为使毛坯的形状发生变化并成为冲压件的形状 毛坯的 某些部分一定要产生逐渐趋近于模具表面的位移运动 这个靠模位移运动 可能是它本身变形的结果 也可能是毛坯其他部分的变形引起的 另一方面 为了实现这样的位移 常常要求毛坯本身产生一定大小的伸长变形或压缩变 形 如果毛坯的位移要求其本身产生压缩变形 而这部分毛坯的内力作用条 件又不足以使其产生足够大的压缩变形时 这部分毛坯就有可能产生起皱现 象 图 2 9 图 2 10 图 2 11 中冲压成形中起皱的实例 都是这种原因形成的 同一类型的起皱 在直壁空心零件的拉深过程中 冲压毛坯的外周边缘部分是主要的变形 区 通常称作法兰区 在拉深时 法兰区受直壁部分的拉力作用产生变形 其结果使法兰上各点的金属都产生向冲头靠近的位移 在轴对称的拉深成形 时 这种位移要求毛坯要有一定大小的圆周方向上的压缩应变与之相适应 但是 冲头力所形成的直壁内的拉应力和由此引起的法兰内的径向拉应力还 不足以使其产生足够大的压缩变形 于是在法兰上就会产生切向的压应力 并可能引起法兰部分的起皱 图 2 9 同样的道理 在球面 锥面或其他曲面零件成形时 位于凹模口以内的 毛坯部分 在成形过程中也要产生趋向于凸模表面的位移 这个靠模位移也 要求毛坯在圆周方向产生一定大小的周向应变 即周向压缩变形 如果这个 吉林大学材料学院 2004 级毕业设计论文 22 周向的压缩变形不够大时 就会在毛坯的靠模过程中产生周向压应力 并引 起起皱 图 2 10 图 2 11 由于这种起皱发生在凹模口内 通常称为内皱 在生产中防止和消除这种类型起皱的措施是 1 如果起皱部位在成形过程中始终具有平面或其他规则的形状 允许 在垂直于板面方向对起皱部位施加并保持一定的压力时 可以采用防起皱的 压料装置 如压边圈等 在增强毛坯抗起皱能力的条件下 使这部分毛坯产 生足够大的压缩变形以保证它顺利地完成靠模的位移运动 2 另一种方法是从根本上消除起皱的措施 其本质是用加大径向拉应 力使毛坯在产生靠模位移的部位产生径向伸长变形的办法 使毛坯在与之垂 直的圆周方向产生压缩变形 从使靠模位移运动得以顺利进行 达到防止起 皱的目的 虽然这种办法的道理比较复杂 不像第一种方法那样直观 方便 但是它是目前曲面形状零件冲压成形时防止内皱的主要措施 2 5 冲裁变形机理 冲裁是利用冲模使板料的一部分沿一定的轮廓形状与另一部分分离的工 序 经过冲裁以后 板料被分为带孔的部分和冲落的部分 若冲裁的目的在 于获得一定形状和尺寸的内孔 这种冲裁称为冲孔 若冲裁的目的在于获得 具有一定外形轮廓和尺寸的零件 这种冲裁称为落料 落料和冲孔的性质完 全相同 但冲裁的目的不同 确定模具工作部分尺寸时 应分别加以考虑 冲裁工艺是冲压生产的主要工艺之一 冲裁既可以直接冲制出成品零 件 又可以为其他成形工序 如弯曲 拉延和成形等工序准备毛坯 还可以 在已成形的冲压件上进行修边和冲孔等 板料的冲裁过程通常简单地分