板料的冲压成型特性研究

1、板料的冲压成型特性研究    关键词:冲压;板料;成型方法 1 引 言 冲压是通过模具使板料产生塑性变形从而得到成品零件的一种塑性成型方法。冲压通常在常温状态下进行,所以也称作冷冲压。热冲压只用于当板料厚度超过8100mm的时候才使用。冲压用的金属材料通常为板料或带料,因此也称作板料成型。一些非金属材料(如夹板,云母片,石棉,皮革)也可以采用冲压成型。 冲压广泛的用于金属制品业的各个领域,在汽车、仪表、军工和家用电器等工业中占有极其重要的地位。 冲压需要考虑工艺,设备和模具这三个基本问题。板料冲压的特点如下: (1)材料利用率高; (2)可以加工复杂形状

2、的薄壁零件; (3)冲压件在形状和尺寸精度上的互换性好; (4)可以得到质量轻,强度高和刚性好的零件; (5)生产率高,易操作并且容易实现机械化和自动化; 冲压模具的成本高,因此只适合于大批量生产。对于小批量和多品种的制品生产,采用简单冲压模及新型设备如冲压加工中心,来满足市场的需求。 金属板料冲压的材料包括低碳钢、铜、铝、镁合金和高塑性的合金钢等。 冲压成型设备包括有剪床和冲床。前者是将板料剪成具有一定宽度的条料,以便以后的冲压。后者用来剪切和成形。 2 冲压成型的特性 冲压成型有多种方法,有不同的形式和名称。但这些方法塑性变形的本质是相似的。冲压成型有以下几个非常突出的特点: (1)垂直于

3、板面单位面积上的力虽然不大但足以在板面方向上使材料产生塑性变形。这个垂直于板面单位面积上的力远小于板面方向的内应力,所以大多数的冲压变形都可以近似的当作平面应力状态来处理,使其变形力学的分析和工艺参数的计算等都得到很大程度的简化。 (2)基于板料毛坯的相对厚度小,在压应力下的抗不稳定性比较弱,因而,在没有抗不稳定性的装置(如压边装置)下,冲压成型过程就很难进行下去,因此以拉应力为主的冲压成型过程多于以压应力为主的冲压成型过程。 (3)在冲压成型过程中,板料毛坯的内应力的值等于或小于材料的屈服应力。在这一点上,冲压成型不同于体积成型。在冲压成型过程中,在变形区压应力状态下的静态压力对成型极限与变

4、形抗力的影响没有在体积变形中那么重要。 (4)在冲压成型中,模具对板料的抑制作用不像体积成型(如模锻)中的那样。在体积成型中,是依靠模具与制件完全相同的型腔强制成型的。然而在冲压成型过程中,在大多数情况下,板料有一定的自由度,只有一个表面与模具有接触。在有些特殊情况下,如球形或锥形零件成型时的悬空部分,以及罐装零件端部的卷曲部分,板料两侧的表面部分都不与模具接触,这些区域的变形是依靠模具对其相邻部分施加的外力实现控制的。 基于冲压成型的特点和以上提到的一些机械性能的特点,冲压技术有不同于体积成型的一些特点: (1)由于不需要在板料的表面施加很大的单位压力就可以成型,所以在冲压成型中关于模具强度

5、与刚度的问题并不十分重要。 相反地,一些简单的模具技术以及依靠气体和液体的成型的技术却得到了快速发展。 (2)与体积成型相比,基于平面压力简单的应变状态,现在对冲压成型中的变形、力学方面以及能量方面的参数研究已经较为成熟,冲压成型可以利用更合理更科学的方法进行。基于对板料性能与冲压变形参数在时间上的测量和分析,利用计算机和一些更为先进的技术手段,实现冲压成型过程智能化控制和仿真就成为了可能。 (3)冲压成型和原材料之间的关系十分密切,对于冲压成型性能的研究,即成型性能及形状稳定性的研究,已经成为了冲压技术的要点内容。对于板料冲压性能的研究不仅是冲压技术发展的需要,而且也促进了钢铁工业制造技术的

6、发展,为提高金属板料的质量提供了一个可靠的基础。 3 冲压成型的研究方法 通过研究冲压成型的过程,研究冲压成型的目标是认识并提供解决各种工程问题的原则。目前冲压成型的研究领域已十分广泛,采用的方法也是多种多样的。这些研究可以概括为以下几种类型。 图1中双线箭头所示是正统理论研究的过程。在这种研究工作中,把设备与模具的作用分解成力的微观成分,并且作用在金属的微观结构上来研究金属微观结构的变形,再将这些微观变形结果总结成为板料的宏观变形。这种研究方法是科学的,但是现在的金属学与力学的发展不能满足这样的需要。因此这种正统的理论性研究还处于萌芽状态,在实践中是不存在的。 因为正统的理论性研究方法遇到了

7、不可克服的困难,一种简单的理论研究方法出现在冲压成型领域中。这种研究方法的特点在图1中用实线线箭头表示,它是当前研究领域中的主要趋势。这种研究方法将金属假定为理想的均匀固体,进一步简化金属材料的性能参数,在边界条件和板料毛坯几何参数的条件下,采用数学分析的方法来分析和描述冲压成型过程和成型原理。自然地,经过前面所述的简化式运算和分析就会背离于真实的冲压成型过程及其仿真过程,结果当然只能是近似的而不能完全真实反映冲压变形过程。特别是在分析复杂的变形过程时,这种理论方法就显得有其局限性了。近些年来,基于有限元方法和计算机技术的发展,这种理论研究的方法有了很大的进展,即使在成型复杂形状冲压件中也显示

8、出了良好的可利用前景。这种理论研究方法的可行性主要集中于一些特殊冲压变形的研究,并且期望这种方法在冲压成型基本规律的研究方面获得更大的成就。        第三种冲压成型研究方法在图1中用点划线箭头所示。这种方法的特点是忽略板料在冲压成型加载作用下的变形过程,试着将最初的成型条件(包括模具的结构,模具工作部分的几何参数和冲压设备的作用特点等)和最后冲压成型的最终结果建立起直接的联系和准则。这是一种常规的经验方法,并且近些年来广泛的应用于冲压技术领域中。虽然这种方法直观,简单并且容易被工程师接受,但是它不能被用来展示

9、真正的冲压变形过程,所以它并不是更深入的进行冲压成型研究的根本方法,并且它也具有很强的局限性。 第四种冲压成型研究方法在图1中用虚线箭头所示。基于力学与金属学的基础知识,研究冲压成型的基本特点和原则,用来解决冲压过程中的实际问题。比较其它的塑性成型过程,冲压成型的特点是金属板料有独特的变形原则。所以这种方法有明确的目的并且分析结果可以被直接应用来解决冲压成型过程中的不同问题。这种研究方法的特点和效果可以用以下的例子来说明。 (1)冲压成型过程的顺序可以由冲压变形的趋向性原则来决定。 (2)根据对盒形件多次拉深过程中变形区的外部边缘速度均衡分布的原则,在成型过程中可以计算出毛坯的形状和尺寸。因此

10、对深的盒形件进行多次拉深的技术是基于成型基本原理,进而用此提高冲压成型的技术水平。 (3)根据对金属板料成型由不均衡的拉力与剪力作用下起皱现象的研究,在传统的压缩失稳理论以外发展了一种新的研究领域,其获得的成果为直接处理冲压成型中的起皱现象提供了有效的保障。 (4)冲压成型分类的理论是基于冲压变形的特点,这是一条通向冲压成型体系化研究的捷径,并且可以被用来深入研究冲压成型的极限,为提高冲压成型极限指出了清晰和明确的方向。 以上例子表明,这些方法与实际冲压成型过程密切相关,它们可以被用来有效地分析和解决冲压成型的问题。虽然这些方法的应用还处在初级阶段,目前主要集中于对冲压成型的定性分析,但随着这些研究方法的不断完善与进步,以及其与现代力学技术的完美结合,相信这些研究方法一定会极大地促进冲压成型技术的飞速发展。 参考文献 1冲模设计手册编写组. 模具手册之四冲模设计手册M. 北京:机械工业出版社,1