沖壓件結構優(yōu)化設計及成形技術.doc

第 65 頁 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項1.設計（論文）的內容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂3）其它1 緒論1.1 課題背景在市場上，用板金沖壓工藝制造的零件占全部金屬制品的90%以上。由此可見，其工藝在國民經(jīng)濟與軍事諸方面所占的位置是極其重要的。板金沖壓具有勞動生產(chǎn)率和材料利用率高，重量輕等優(yōu)點。輕工十大產(chǎn)品中，金屬件基本都是板金沖壓產(chǎn)品。軍工產(chǎn)品中力求重量輕的航空航天產(chǎn)品自不待言，其他軍用品，如需要量大的彈殼之類，也都是板金沖壓產(chǎn)口。近年來，隨著飛機、汽車、電子、儀表、日用工業(yè)品等工業(yè)的發(fā)展，沖壓加工技術得到了高速的發(fā)展。目前，除一般的成型方法外，又出液壓成形，強力旋壓成形，超塑成形，爆炸成形，以及精密沖裁和高速沖壓等加工技術。沖壓技術在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位，是國防工業(yè)及民用工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的加工方法，在電子產(chǎn)品中，沖壓件約占80%85%；在汽車、農業(yè)機械產(chǎn)品中，沖壓件約占75%80%；在輕工業(yè)產(chǎn)品中，沖壓件約占90%以上。此外，在航空及航天工業(yè)中，沖壓件也占有很大的比例。冷沖壓是塑性加工的基本方法之一，它是利用安裝在壓力機上的模具，在室溫下對板料施加壓力使其變形和分離，從而獲得具有一定形狀、尺寸的零件的壓力加工方法。因為它主要用于加工板料零件，所以也稱板料沖壓。在冷沖壓加工中，將材料（金屬或非金屬）加工成零件（或半成品）的一種特殊工藝裝備，稱為冷沖壓模具（俗稱冷沖模）。冷沖模在實現(xiàn)冷沖壓加工中是必不可少的工藝裝備，沒有先進的模具技術，先進的沖壓工藝就無法實現(xiàn)。沖壓加工在汽車、拖拉機、電機、電器、儀表和日用品的生產(chǎn)中，已占據(jù)十分重要的地位1。1.2 國內外研究狀況隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展，眾多融合了計算機圖形學、有限元技術和塑性成形理論的模擬軟件開始出現(xiàn)，例如dynaform, pam-stamp. ls-dyna3d, autoform,optris, abaqus/explicit等，得到了許多工業(yè)部的重視和應用。美國的gm,ford, chrysler,德國的大眾、奔馳，日本的豐田、三菱、日產(chǎn)等大型汽車制造公司，己開始應用這類軟件指導板料成形件的開發(fā)和生產(chǎn)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。數(shù)值分析技術以其高效率、低成本的優(yōu)勢在薄板沖壓成形領域中得到了廣泛的應用。美國、日本等世界一流的科學研究中心采用有限元數(shù)值模擬和網(wǎng)格技術對零件、模具、沖壓工藝和材料性能之間的相互適應性進行了三維動態(tài)仿真分析，涉及領域之廣泛、研究成果之顯著，引人矚目。我國在板料成形數(shù)值模擬方面起步較晚，較發(fā)達國家(美、日等)晚了十幾年。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在板料成形數(shù)值模擬方面已經(jīng)取得了很大進展，但主要集中在部分高校里，華中理工大學針對不完全對稱盒形件的成形特點，開發(fā)了有限變形彈塑性薄膜有限元程序對其進行分析研究。吉林工業(yè)大學采用更新的lagrange法以及有限元變形虛功率增量型原理的彈塑性大變形有限元法，研究了金屬板料成形的塑性流動規(guī)律以及成形過程中發(fā)生的起皺、裂紋等現(xiàn)象，首次提出了多點成形時非連續(xù)接觸邊界約束的處理方法，建立了基于mindlin殼理論三維金屬板料成形過程分析的有限元模型，編制了用于板料多點成形分析的有限元專用軟件，成功分析了多點成形時的金屬流動規(guī)律。哈爾濱工業(yè)大學采用剛粘塑性本構關系，開發(fā)了粘塑性板殼成形有限元分析程序，并對方盒件的成形過程進行了分析；:對板料粘性介質脹形過程中的應變速率變化也進行了模擬研究。北京航空航天大學對板料成形過程中的接觸摩擦和懸空區(qū)起皺進行數(shù)值模擬。上海鐵道學院的李堯臣用有限元法模擬了金屬板材的沖壓成形過程，分析了金屬板材在沖壓過程中的屈曲現(xiàn)象，建立了增量形式的變分原理，跟蹤了板料起皺的發(fā)展、折疊、衰減的全過程。上海交通大學對板料成形的回彈進行了較為系統(tǒng)的研究，提出在板料回彈模擬中采用修正的拉格朗日法較為合適。板料成形數(shù)值模擬技術的一個突出成就是實現(xiàn)了汽車覆蓋件的成形模擬，通過對板料成形過程進行高精度數(shù)值模擬，可以觀察沖壓速度、模具間隙、摩擦因素等對成形性能的影響。在汽車覆蓋件模擬方面，ford公司的s.c.tang作了長期的卓有成效的研究，早在1980年就用小變形有限元程序分析了當汽車車身零件成形中采用曲面壓料面時，壓邊圈夾緊階段工件的變形。c.q.du等還對轎車頂弧(roofbow)、后加強板(rail reinforcement)、輪轂(disk wheel)成形時的回彈題進行了模擬研究，日本的板料成形研究協(xié)會更是開發(fā)了模擬軟件robst，該軟件與mitsubishicad/cam系統(tǒng)連接后設計出來的覆蓋件模具，已初步在生產(chǎn)實際中得到驗證。mazda motor用pam-stamp分析了邊框外覆蓋件。我國對復雜汽車覆蓋件成形過程的數(shù)值模擬技術也進行了探索，林忠欽等運用有限元軟件autoform和lsdyna3d對santana2000的外側板的成形過程進行了模擬，包向軍等運用ls-dyna3d，在綜合考慮了毛坯尺寸、壓邊力、拉延筋的布置等因素的情況下，實現(xiàn)了汽車內門板的優(yōu)化設計。國內學者和技術人員在運用有限元數(shù)值模擬方法來解決生產(chǎn)實際問題方面，雖然有了很大的進步，但與國外不論在規(guī)模上，還是問題復雜程度方面都有相當?shù)牟罹?，要縮短這一差距，甚至超越發(fā)達國家，還有很長的一段路要走16。1.3 課題研究方法本課題在分析沖裁、彎曲、拉深等基本沖壓成型方法的機理和特點的基礎上，結合沖壓件的制造工藝性，論述了沖壓件的結構工藝性。1.4 論文構成及研究內容本論文主要包括沖壓件常用成型方法及技術特點、沖壓常用原材料、常見沖壓件結構優(yōu)化設計方案及應用實例和照相機前蓋板工藝方案優(yōu)化及模具設計五部分構成。本文主要研究了沖裁、彎曲、拉深成形機理、特點、規(guī)律，在此基礎上又研究了其工藝性；對幾個典型的沖壓件進行了結構工藝優(yōu)化；系統(tǒng)的對照相機成形工藝進行了設計及其模具設計。2沖壓件常用成形方法及技術特點沖壓件成形方法有許多種，在本文中著重介紹最基本的沖壓成形方法：沖裁、彎曲和拉深。2.1 沖裁變形機理2.1.1 沖裁變形過程沖裁時板料的變形具有明顯的階段性，像單向拉伸那樣，由彈性變形過渡到塑性變形，最后產(chǎn)生斷裂分離。1.彈性變形階段 如圖2.2(a)所示，當凸模下壓接觸板料時，材料特產(chǎn)生短暫的、輕微的彈性變形。此時如果提升凸模，變形將完全消失。塑性變形階段如圖2.2(b)所示，凸模繼續(xù)下壓，板料變形區(qū)的應力將繼續(xù)增大。當應力狀態(tài)滿足屈服準則時，材料便進入塑性變形階段。這一階段突出的特點是材料只發(fā)生塑性流動，而不產(chǎn)生任何裂紋，凸模繼續(xù)切入板料，同時將凹模下面的材料擠入孔內。2.斷裂分離階段圖2.1(c)，(d)，(e)表示了斷裂分離的全過程，其中圖(c)表示當凸模切入板料達到一定深度時，在凹模側壁靠近刃口處的材料首先出現(xiàn)裂紋。這表明塑性剪切變形的終止和斷裂分離的開始。圖(d)表示裂紋發(fā)展與貫通的情形。在一般情況下，在凹模附近產(chǎn)生的裂紋向凸模刃口方向發(fā)展的過程中，處在凸模側面靠近刃口附近的材料也將產(chǎn)生裂紋，并且上下裂紋將貫通。圖(e)表示沖裁結束時板料被完全分裂分離的情形。被沖入孔的塊料在落料時為工件，沖孔時為廢料。留在凹模面上的材料在沖孔時為工件，落料時為廢料。普通沖裁件的剪切斷面狀況如圖2.1(f)所示，其精度一般在itl0級以下，表面粗糙度ra在3.2m-50m11。如圖2.1(f)所示，斷面明顯分為四個區(qū)域：a為圓角區(qū)，即塌角；b為光亮帶，表面光滑，表面質量最好；c為剪裂帶，表面粗糙并略帶斜度，不與板面垂直；d為毛刺。(a) 彈性變形；(b) 塑性變形；(c) 出現(xiàn)裂紋；(d) 裂紋貫通；(e) 板料完全斷裂分離；(f) 剪切斷面1凸模；2板料；3凹模；4沖孔為工件，落料為廢料；5落料為工件，沖孔為廢料圖2.1 沖裁變形過程及沖裁件剪切斷面2.1.2 沖裁變形區(qū)及受力1、沖裁變形區(qū)沖裁變形區(qū)是指材料被分離斷開的那一部分區(qū)域，但具體的模型尚未有統(tǒng)一的認識。沖裁時板料的變形區(qū)不是簡單的剪切面，因為沖裁時板料不僅產(chǎn)生剪切變形，而且還有彎曲變形。有實驗研究提出，沖裁過程中材料的最大塑性變形集中在以凸模與凹模之上、下刃口尖端連線為中心的區(qū)域，為一個紡錘形范圍，如圖2.2(a)所示，即從刃口尖端起向中間逐漸增寬的形狀范圍。這一范圍隨材料的伸長率和加了硬化指數(shù)的增大而增大。當凸模進入到材料內部某一深度時，變形區(qū)還是從刃口開始的紡錘形范圍，初始紡錘形中的一部分成為了已變形區(qū)，如圖2.2(b)2區(qū)所示。(a) 初始沖裁；(b) 切入板料圖2.2 沖裁板料的變形區(qū)在紡錘形范圍內，雖然材料已接近或正在進行剪切變形.但其中各點處的應力狀態(tài)仍然是不相同的。2、變形區(qū)及臨域的應力分析(1)沖裁力造成的應力如圖2.3所示，沖裁變形時，位于凸模平面下方、凹模平面上方的材料，由于受到模具直接傳遞的高壓作用，成為壓應力區(qū)，同時，材料的塌角處，既要支撐變形區(qū)，又因摩擦力的作用而受到拉伸，成為拉應力區(qū)9。(2)力偶引起的應力討論這種應力時，首先應分清沖裁時模具結構上加壓料板和不加壓料板的區(qū)別，如圖2.4所示。圖中左邊是不加壓料板沖裁時產(chǎn)生的應力(符號)，因此，沖裁過程中的裂縫一般無產(chǎn)生于凹模一側的材料上。如果沖裁時加有壓料板，如圖2.5右邊所示，這時，凸模外側材料產(chǎn)生拉應力，故裂縫有可能也從凸模一側刃口先開始產(chǎn)生39。 圖2.3 沖裁力引起的應力 圖2.4 力偶引起的應力(3)沖裁時板料所受的外力在無壓料板的自由沖裁情況下，板料所受外力如圖2.5所示。由于凸模與凹模間有一定的間隙，使得板料在受到凸模與凹模正壓力作用的同時還受到彎矩的作用，板料的變形不可能是純剪切，還要產(chǎn)生彎曲變形。因此沖裁時凸模和凹模實際接觸板料的面積只限于刃口附近窄小的環(huán)形區(qū)域內，其寬度約為料后的1/5-2/5。故凸凹模刃口部位的單位壓力分布曲線相當陡峭。正壓力的合力分別以與表示，顯然，兩者大小相等、方向相反。由于與不在同一條直線上，便形成了彎矩。此彎矩使板料產(chǎn)生彎曲變形，造成凹模口外的板料上翹，凸模端面下的板料下凹。圖2.5 沖裁時板料所受應力板料的彎曲變形對模具刃口的側面產(chǎn)生擠壓作用，反過來，凸模和凹模刃口的側面對板料產(chǎn)生反擠作用，形成對剪切面的側壓力。側壓力的合力和也將形成一個力矩，其方向與相反，并在沖裁瞬時與之保持平衡，即，以阻止板料進一步彎曲變形。在沖裁過程中，mp隨正壓力的增大而增大，使板料彎曲變形加大，這將使板料受到的側壓力隨之增大，并與抗衡，阻止板料進一步彎曲。因此自由沖裁時工件的不平整程度是有限度的。有正壓力必有摩擦力，凸模和凹模刃口端面對板料的摩擦力分別為和，為料與模具材料之間的摩擦系數(shù)，其方向與板料相對凸模和凹模端面滑動的力向相反。凸模和凹模刃口側面對板料剪切面施加的摩擦力分別為和，其方向與板料相對凸模相凹模的運動方向相反。垂直方向的摩擦力對板料斷裂分離過程的影響要比水平方向的摩擦力大得多39。(4)沖裁時變形區(qū)的應力狀態(tài)板料由于受到上述外力的作用，會產(chǎn)生剪切、彎曲等各種變形，因此其變形區(qū)及臨域的應力狀態(tài)是很復雜的，并且與變形過程有關。應力狀態(tài)如圖2.6所示，其中：a點三向應力狀態(tài)。為凸模側壓及材料彎曲引起的壓應力；為彎曲引起的壓應力與側壓引起的拉應力的合成應力；為凸模下壓引起的拉應力。b點由凸模下壓和材料彎曲引起的三向壓應力狀態(tài)。c點沿材料纖維方向為拉應力，垂直于纖維方向為壓應力。d點材料彎曲引起徑向拉應力和切向拉應力，凹模上平面材料受到壓擠產(chǎn)生軸向壓應力。e點材料彎曲引起的拉應力和凹模側壓引起的壓應力的合成應力和，應力符號一般為正；凸模下壓引起軸向拉應力39。圖2.6 各點的應力狀態(tài)2.2 沖裁件的工藝性分析沖裁件的工藝性分析包括技術和經(jīng)濟性兩方面的內容。在技術方面，根據(jù)沖裁件產(chǎn)品圖紙，主要分析該沖裁件的形狀特點、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素，檢查是否符合沖裁工藝的要求，在經(jīng)濟性方面，主要根據(jù)其產(chǎn)量和批量，分析產(chǎn)品成本，闡明采用沖裁工藝可取得的經(jīng)濟效益。因此，對沖裁件的工藝分析，主要討論在不影響零件使用性能的前提下，結合具體的生產(chǎn)條件，能否以最簡單、最經(jīng)濟的方法制造出來。若能做到、表示該沖裁件的工藝性好；反之則差17。2.2.1 影響沖裁件工藝性的因素圖2.7 沖裁件窄槽尺寸1、形狀和尺寸不同形狀和尺寸的沖裁件有不同的工藝要求。如要求外形簡單、對稱，最好是由圓弧和直線組成，避免沖裁件上有過長的懸臂和窄槽，其寬度應大于料厚t的兩倍，即圖2.7中的b應大于2t。一般情況下，要求沖裁件的外形不能有尖角，特別是小于90度的尖角，應采用，r0.5t的圓角過渡，以便提高模具壽命方便于制造。沖裁時，為了防止凸模折斷或彎曲，沖孔尺寸不能太小10。 2、生產(chǎn)批量沖裁模的制造費用較高，故產(chǎn)量小時采用其它加工方法可能較沖裁更為經(jīng)濟。只有在大批量生產(chǎn)時，沖裁加工才能取得明顯的經(jīng)濟效益。一般來說，產(chǎn)量很大時可選用連續(xù)模和高效沖壓設備，以提高生產(chǎn)率、降低成本；中、小批量生產(chǎn)時，常采用簡單模或復合模，以降低模具成本10。3、其它對沖裁件進行工藝分析時，除了考慮上述的形狀、尺寸、精度、尺寸標注和生產(chǎn)批量等主要因素外還應考慮沖裁件的厚度、板料性能、以及沖裁工序和其它工序(如彎曲、拉深等)之間的關系和相互影響。通過分析若發(fā)現(xiàn)制件工藝性不好時，可會同產(chǎn)品設計人員對沖裁件的形狀、尺寸、精度和原材料選用等方面進行必要的但改，以改善工藝性和提高經(jīng)濟效益。例如圖2.8(a)所示零件，在不影響使用條件下，只需對形狀稍加改進，就可進行無廢料沖裁，材料利用率可提高40，生產(chǎn)率可提高一倍5。沖裁件一般比較簡單，主要是根據(jù)零件圖紙、產(chǎn)量和工藝條件(模具設計、制造能力，沖壓設備條件等)進行分析并確定最佳工藝方案。例如圖2.9(a)所示的航空用電纜搭接片，除了從排樣分析材料利用率外，在工藝方案上還可有兩種選擇。圖2.9(b)為沖孔后落料：圖2.9(c)為沖孔，沖兩端頭，分離。選擇哪種方案較好所依據(jù)的原則就是：在保證產(chǎn)品精度和產(chǎn)量要求前提下、以最好的經(jīng)濟效益來確定所采用的工藝方案6。圖2.8 沖裁件的形狀改進圖2.9 工藝方案比較4、排樣方法及材料的經(jīng)濟利用 在沖壓零件的總成本中，材料費約占60-80；因此，材料的經(jīng)濟利用是沖裁工藝中要考慮的一個重要問題。(1)材料的經(jīng)濟利用 沖裁件在條料或板料上的布置方法叫排樣。排樣是否合理直接影響材料的經(jīng)濟利用。衡量排樣經(jīng)濟性的標準是材料利用率，即沖裁件的實際有效面積與沖裁此工件所用板料面積a之比值3 (2.1)式中；工件有效面積(mm)；a 沖裁此工件所用的板料面積(mm)。 從圖2.10可知；若能減少廢料面積，材料利用率則可提高。廢料可分為兩部分，即工藝廢料和設計廢料(或稱結構廢料)。前者與排樣形式有關，后者則是由零件結構形狀決定的無法改變。進行合理排樣的目的就是減少工藝廢料。1-零件的有效面；2-設計廢料面積；3-工藝廢料面積；a-條料的側搭邊；-沖裁件之間的搭邊；b-條料寬度；l-進距圖2.10 沖裁件的廢料和搭邊 (2)排樣方法排樣的目的是減少廢料，提高材料利用率。但在選擇排樣方法時除了材料利用率之外，還應考慮到模具制造和使用是否方便、板料的纖維方向是否滿足后續(xù)工序要求等因素。根據(jù)材料的利用情況，排樣方法可分為三種4：1)有廢料排樣沿工件的全部外形沖裁。工件與工件之間、工件與條料側邊之間都存在有搭邊廢料，如圖2.11所示因為有搭邊，這種排樣能保證沖裁質量，模具壽命也長，但材料利用率低。 圖2.11 有廢料排樣 圖2.12 少廢料排樣2)少廢料排樣沿工件部分外形切斷或沖裁，廢料只有沖裁刃口之間的搭邊，如圖2.12所示材料利用率高。3)無廢料排樣工件與工件之間，以及工件與側邊之間均無搭邊廢料，如圖2.13所示。是否能做到無廢料沖裁，與工件的幾何形狀有很大關系。采用少、無廢料排樣除節(jié)約原材料外，還可簡化模具結構、降低沖裁力，但也存在著一些缺點，即工件質量和精度較差，模具壽命較低。其原因是由于條料本身公差及沖裁時條料的導向與定位公差大所致。此外，在少、無廢料排樣中，一般采用單邊沖裁，也影響工件斷面質量和模具壽命。圖2.13 無廢料排樣 此外，按工件形狀及排樣方式，又可分成直排、斜排、對排、多排、混合排及沖裁搭邊等見表2.1。表2.1 排樣類型序號排樣類型排樣簡圖應用情況有廢料無廢料或少廢料1直排比較簡單的方形、矩形2斜排橢圓形，十字、t字、字、和角尺形件3對排梯形、三角形、半圓形、山字、字形件4多排大批量生產(chǎn)中尺寸不太大的圓形，六角形5混合排材料計厚度均相同的兩種或兩種以上的工件6沖裁搭邊細而長的工件或將寬度均勻的板料只在工件的長度方向沖定形狀 5、搭邊值的確定 排樣時，工件之間以及工件與條料側邊之間留下的余料稱為搭邊。搭邊的作用是補償條料送進時進距與邊距的偏差，并將其在模具上定位，以保證沖裁件輪廓的完整。 搭邊值要合理確定。搭邊值過大，樹料利用率低。搭邊值過小，在沖裁過程中會被拉斷，妨礙順利送料，零件會產(chǎn)生毛刺，有時會拉入凸、凹模間隙中，損壞模具刃口，降低模具壽命。搭邊值大小與下列因素有關4： (1) 材料機械性能：硬度高、強度大的材料搭邊值取小一些，軟材料或脆材料搭邊值取大一些。(2) 工件的尺寸與形狀：工件尺寸大、外形復雜、圓角半徑小時搭邊值取大(3) 材料厚度：厚料搭邊值取大一些。(4) 送料和擋料方式，手工送料、有側壓板導向時，搭邊值可取小些。2.2.2 制定工藝方案的原則制定沖裁工藝的主要工作是確定工序的順序和工序組合、工序性質與數(shù)目等。工序的性質應根據(jù)工件的結構形狀，按沖裁件的變形情況，結合具體生產(chǎn)條件予以確定。工序數(shù)目主要取決于零件材料的性質、幾何形狀的復雜程度和尺寸精度?？偟脑瓌t是在保證零件質量的前提下使工序數(shù)目最少，減少模具數(shù)量，降低成本。工序組合可提高生產(chǎn)率，成本降低。工序組合的方式主要有復合沖裁與連續(xù)沖裁兩種形式。究竟采用哪一種方式應根據(jù)生產(chǎn)率、零件的尺寸精度、尺寸大小、形狀復雜程度及模具制造條件等具體情況來考慮。連續(xù)沖裁最適于高速沖裁和大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。復合沖裁因零件被頂?shù)侥＞吖ぷ髅嫔?，需用手或機械把它取走，生產(chǎn)率低于連續(xù)沖裁，操作不安全。從沖裁的精度看，復合沖裁高于連續(xù)沖裁。連續(xù)沖裁時存在送料和定位誤差，當有導正銷時，其精度略高，可達it10it12級。復合沖裁是在沖模的同一位置一次沖出，不存在定位誤差，故沖裁精度較高，可達it8it9級。因此精度要求高的零件應采用復合模進行沖裁。復合模沖裁時，因有壓料裝置，零件不翹曲，斷面質量好，而連續(xù)沖裁的零件不平，有拱彎或扭曲 故對平面度要求高的零件，采用復合模沖裁較為合適。復合模可以沖裁尺寸較大的零件，厚度一般在0.05-3mm；連續(xù)沖裁受壓力機臺面尺寸的限制，沖裁零件的尺寸較小，厚度一般為0.2-6mm2。(1) 連續(xù)沖裁的工序順序 先沖孔后落料或切斷。先沖孔的目的是為后續(xù)工序提供定位基準。 先內輪廓后外輪廓，以減少變形。 采用側刃定距時，側刃切邊工位在前，以便控制送料進距。(2) 多工序沖裁時的工序順序 先落料后其他工序。先落料是為了以外輪廓定位進行其他工序的沖裁，使基準統(tǒng)一，減少定位誤差，避免過多地進行尺寸轉換。 先大孔后小孔，以減少孔的變形。2.3 彎曲變形機理利用壓力使板料產(chǎn)生塑性流動、變形，從而形成具有一定曲率、一定角度的不封閉形狀零件的沖壓工藝過程稱為彎曲。彎曲依靠材料的塑性流動而成形，不允許工件出現(xiàn)任何破裂。這是彎曲工藝與沖裁工藝(材料分離機理成形)在變形特性上的根本區(qū)別3。2.3.1 彎曲變形的過程圖2.14是v形件的彎曲過程。圖2.14 板材在v形模內的校正彎曲過程彎曲變形過程是由彈性變形逐漸過渡到塑性變形，呈現(xiàn)出明顯的階段性。1 彈性變形階段在彎曲變形初期(圖2.14(a)外力矩m較小，在變形區(qū)內，其內、外層表面產(chǎn)生的切向應力的數(shù)值遠遠小于材料的屈服應力，沿板厚的全部材料層只產(chǎn)生彈性變形，彎曲處于彈性變形階段。這時，如果去掉外力矩，變形將隨之消失。彈性變形階段切向應力沿板厚的分布如圖2.15(a)所示3。2 彈塑性變形階段隨著凸模繼續(xù)下壓，外彎曲力矩m繼續(xù)增大，當m增大到某一數(shù)值時，內、外表層的切向應力首先達到材料的屈服應力而進入塑性狀態(tài)。繼續(xù)增大外力矩m，塑性變形便由內、外表層向板料中心逐漸擴展，變形區(qū)的變形由彈件彎曲過渡為彈塑性彎曲，彎曲半徑隨之減小到，彎曲變形區(qū)縮小至(圖2.14(b)。對于常見的金屬材料，一般認為當相對彎曲半徑r/t200時，變形區(qū)板料中心附近處于彈性變形狀態(tài)的材料層厚度還處于相當大的比例，彎曲變形處于彈塑性變形階段。如果把材料看成線性硬化的彈塑性材料，其切向應力沿板厚的分布如圖2.15(b)所示3。3 全塑性彎曲階段凸模繼續(xù)下壓，毛坯的彎曲變形區(qū)和彎曲半徑繼續(xù)減小，當相對彎曲半徑r/tbb)；內區(qū)的正方形網(wǎng)格面積減小，表示材料受切向壓縮作用而縮短(aa100.80.930.970.990.9981 (4) 板料相對寬度(b是板料的寬度)對彎曲變形區(qū)的變形有很大的影響。一般將相對彎曲寬度b/t3的板稱為寬板，相對彎曲寬度b/t3的板稱為窄板。寬板彎曲時，寬度方向的變形受到材料之間的相互約束，不能自由流動，因此橫斷向變化較小，仍接近于矩形僅朽：兩端可能出現(xiàn)翹曲，即端面寬度方向內凹。它可用一個撓度指標來表示如圖2.18(b)所示，翹曲的立體圖如圖2.19所示；窄板彎曲時，由于寬度力向不受約束，矩形斷向變成扇形。見圖2.18(a)。實際彎曲件多為寬板彎曲27。 (a) 窄板彎曲；(b) 寬板彎曲圖2.18 彎曲的應力、應變分析及翹曲 (5) 彎曲后板料長度增加。一般彎曲件均屬于寬板彎曲，因此彎曲前后板料寬度方向基本不變形。對于r/t較小的彎曲件，由于板厚有明顯的變薄現(xiàn)象，按照體積不變條件必然造成板料長度的增加27。圖2.19 彎曲的翹曲2.3.4 彎曲件的工序安排彎曲件的工序按排是否合理，對于彎曲件的質量、生產(chǎn)效率與效益都有重要意義，也對彎曲的難易程度有較大影響27。圖2.20 形狀對稱與不對稱彎曲件 (1) 形狀簡單的彎曲件，如v形、u形、z形等，可以一次彎曲成形(如圖2.20)。 (2) 形狀復雜的彎曲件一般需要兩次或多次彎曲成形，并應正確選擇彎曲順序(圖2.21和圖2.22)。彎曲時，應先彎外角，后彎內角，前次彎曲必須考慮使后次彎曲有可靠的定位，后次彎曲不能影響前次成形的部分。圖2.21 兩次彎成的彎曲件圖2.22 三次彎曲成的彎曲件 (3) 單面不對稱幾何形狀的彎曲件，可以采用成對彎曲成形，彎曲后再切開，如圖2.23所示。圖2.23 對稱彎曲(4) 對于批量大、尺寸較小的彎曲件，為了提高生產(chǎn)率，可以采用連續(xù)模彎曲工序設計，如圖2.24所示。圖2.24 連續(xù)模彎曲工序設計2.4 彎曲件工藝性分析 彎曲件的結構應具有良好的工藝性，這樣可簡化工藝過程，并可提高彎曲件的公差等級。彎曲件的工藝性分析是根據(jù)彎曲過程的變形規(guī)律，并總結彎曲件實際生產(chǎn)經(jīng)驗而提出的。上述最小彎曲半徑和彎曲件回彈的論述是彎曲件工藝性分析的重要內容。現(xiàn)對彎曲件工藝性要求分述如下27。1.彎曲件的彎曲半徑其值不能小于材料的許可最小彎曲半徑，否則會產(chǎn)生拉裂。若工件要求的彎曲半徑很小或清角時，可分兩次彎曲：第一次彎成較大的彎曲半徑，然后退火；第二次再根據(jù)工件要求的彎曲半徑進行彎曲。此外，也可采用熱彎或預先沿彎曲區(qū)內側開出槽口(見圖2.25)后再進行彎曲。當彎曲較小的直壁高度時，采用此法較為適宜27。圖2.25 在彎曲區(qū)內側開出槽口2.彎曲件的形狀彎曲件形狀應對稱，彎曲半徑左右應一致，以保證板料不會因摩擦阻力不均勻而產(chǎn)生滑動造成工件偏移如圖2.26所示。若工件不對稱時，為了阻止板料偏移，在設計模具結構時應考慮增設壓料板，或增加工藝定位孔。有時為了使毛坯在彎曲模內定位準確，特別在對毛坯進行多道工序彎曲時也需要在彎曲件上設計出工藝定位孔，見圖2.2727。圖2.26 彎曲件形狀對對彎曲過程影響 圖2.27 彎曲件上的工藝孔彎曲件形狀要力求簡單，某些帶缺口的彎曲件，如圖2.28所示，缺口只能安排在彎曲成形之后切去。首先將切口沖出，彎曲時切口處會發(fā)生叉口現(xiàn)象，嚴重時難以成形。圖2.28 帶缺口的彎曲件3.彎曲件孔的位置對于帶孔的彎曲件，若先沖好孔再將毛坯彎曲，則孔的位置應處于彎曲變形區(qū)外(見圖2.29)，否則孔要發(fā)生變形?？走呏翉澢霃絩中心的距離b與材料厚度有關，通常為當t2mm時,bt；當t2mm時b2t。 若不能滿足上述規(guī)定，而且孔的公差等級要求較高時，須彎曲成形后再沖孔。圖2.29 帶孔的彎曲件 如果工件的結構允許，可以在工件彎曲變形區(qū)上預先沖出工藝孔或工藝槽，以改變變形范圍，即使工藝孔變形，可以保持所需的孔不產(chǎn)生變形。圖2.30(a)所示的是一般工藝孔，圖2.30(b)為月牙形工藝孔27。圖2.30 在彎曲變形區(qū)上預沖工藝孔4.彎曲件直邊高度在工件彎曲90時，為了保證彎曲件直邊平直，其直邊高度并不應小于2t，最好大于3t。若h2t，在彎曲成形過程中，不能產(chǎn)生足夠的彎矩。對較厚的樹料則需預先壓槽再彎曲(見圖2.31)，此時最小彎曲半徑可以減小，或增加彎邊高度，彎曲后再切掉多余部分。圖2.31 彎曲件直邊高度過小時 圖2.32 預先沖出工藝槽或需先壓槽 工藝孔的彎曲件5.彎曲件上工藝槽和工藝孔圖2.32 (a)和(c)所示的彎曲件在彎曲變形時容易將材料撕裂。為了防止這種情況發(fā)生，應在毛坯上先沖出工藝槽或工藝孔，見圖2.32(b)和(d) 27。2.5 拉深成形 拉深是指將平板毛坯或杯形毛坯在凸模作用下拉入凹模型腔形成開口空心零件的成形工藝方法（圖2.33)。拉深也稱壓延是鈑金成形的基礎性工藝。圖2.33 拉深過程示意圖用拉深成形可以制成簡形，階梯形、錐形、半球形、盒形和其它不規(guī)則形狀的立體空心零件。拉深零件的尺寸范圍很寬，直徑小至1mm，大至2-3m厚度0.2-30mm。拉深加工的對象廣泛，材料品種繁多。因此，在日用品、電器元件、機械零件、飛機結構件和汽車零件的成形中，有著廣泛的應用。圖2.34是典型拉深件外形示意圖。圖2.34 典型拉深件外形示意圖拉深有多種形式。按照零件的外形，拉深可劃分為筒形件、錐形件、半球形件、階梯形件、盒形件和復雜形狀零件拉深。按照工序數(shù)，拉深可劃分為單次和多次拉深。按照材料變形情況，拉深可劃分為正拉深、反拉深、變薄拉深和特種拉深等。在各種拉深成形工藝中，筒形件拉深是最基本的拉深方法28。2.5.1 圓筒形件拉深時材料的變形分析圓筒形件拉深過程如圖2.33所示。凸、凹模工作部分帶圓角，凸模和凹模之間的單側間隙稍大于板料厚度。直徑d的平板毛坯在凸模的作用下，逐漸地被拉入凹模形成圓筒，圖2.35為平板毛坯逐步成形為圓筒形的過程示意圖。圖2.35 圓筒形件拉深 圖2.36 圓筒形件拉深時材料 過程示意圖 的分區(qū)及應力應變狀態(tài) 按照材料的變形和受力情況，拉深過程中的任一時刻，工件材料可以劃分為五個區(qū)，即凸緣區(qū)i、簡壁區(qū)、筒底區(qū)、凹模圓角和凸模圓角區(qū)(圖2.36)。各區(qū)材料的變形和受力狀態(tài)不同，分析于下。1.凸緣材料的變形 拉深過程中，凸緣區(qū)材料不斷拉入凹模型腔形成筒壁。隨著凸緣區(qū)的不斷減小，筒壁高度逐漸增大。凸緣區(qū)是拉深材料的主要變形區(qū)，而壓縮變形是該區(qū)材料的主要變形特征。拉深過程任一瞬間(見圖2.37)，凸緣上任一點處的周向工程應變?yōu)?(2.2)設拉深過程中板厚不變，則材料體積不變條件轉化為面積不變的關系。即 (2.3)將式(2.3)代入式(2.2)，得 (2.4)圖2.37 拉深時凸緣材料的變形凸緣材料的變形以壓縮為主，所以沒有拉裂之憂29。2.圓筒壁和筒底材科的變形 凸緣材料經(jīng)過凹模圓角區(qū)拉入凹模型腔時在凹模圓角處，材料除受徑向拉深外，同時產(chǎn)生塑性彎曲，使板厚減小。進一步從凹模圓角區(qū)拉向筒壁時，又要被校直，即經(jīng)受反向彎曲。 圓筒側壁受軸向拉伸。筒壁區(qū)材料原為凸緣區(qū)的材料。經(jīng)過拉深變形后才形成簡壁，材料經(jīng)過程度較大的變形之后，產(chǎn)生顯著的應變硬化效應。在正常拉深條件下，筒壁僅僅傳遞凸模的作用力，變形甚微。 位于平底凸模端部的筒底區(qū)材料受平面拉伸，又由于凸模圓角處外摩擦的制約作用，這部分材料受力不大、因而變形也不大。筒底區(qū)材料在拉深過程中保持基本穩(wěn)定狀態(tài)27。3.硬化、凸耳及回彈拉深過程中材料經(jīng)過塑性變形從凸緣轉化為筒壁，從而產(chǎn)生了應變硬化效應。由于變形不均勻，各處材料的硬化程度自然也不均勻。硬化效應提高了筒壁材料的承載能力。拉深后的筒形件上，從凸模圓角區(qū)向外緣，應變硬化程度逐漸增加，相對來說，凸模圓角區(qū)材料的硬化效應較小。圖2.38 拉深凸耳 由于金屬板料的面內各向異性，導致拉深過程中沿圓筒形件周向各個方位材料變形不一致從而要在拉深件上形成圖2.38所示的凸耳。凸耳的數(shù)量有2，4，6和8個，視材料的異性情況而定。板料在軋制過程中，沿板面內各個方位形成了不同的顆粒狀況和組織結構，從而使各個方向的變形能力不同，對應的r值大小也不同。在拉深過程中，工件凸緣上，r值較大的方位板厚變化小(即小)，r值較小的方位板厚變化大，從而使r值較大的方位成形后零件筒壁高度較高。各方位高度不同，在宏觀上形成了凸耳。凸耳的高度和位置與r有關。 拉深成形零件口部出現(xiàn)凸耳，使零件邊緣不齊，影響零件的成形質量，必須增加去除凸耳的修邊工序。如前所述，拉深件凸緣區(qū)的變形以塑性壓縮變形為主。由于塑性變形總是伴有彈性變形。所以拉深結束后，工件會因卸載而產(chǎn)生回彈，通常，回彈將使拉深件筒口直徑擴大。回彈的大小還受到拉深凸模和凹模之間間隙大小的影響。因此，拉深凸模需要將零件完全從凹模中頂出，否則零件會卡死在凹模模膠內40。2.6 典型沖壓件工序工藝規(guī)程制定圖2.392.6.1 汽車彈簧座的成形工藝(圖2.39)材料：spcd，08f 料厚：t1.5加工工序：(1) 下條料(163l原始板料的邊長，mm)；(2) 落料157；(3) 拉深8048；(4) 整形r1.5；(5) 切邊90；(6) 沖孔64(圖中未畫出)；(7) 去毛刺；(8) 發(fā)藍。拉探特點：這是帶法蘭圓筒形件的拉深。(以下計算考慮料厚)拉深系數(shù)=0.52；=1.1；=0.95。查表5-8,得m=0.55,查圖5-22，得=0.65,而=0.57,顯然m m，=，表明一次拉深成形困難。如果采用拉深性能較好的spcd材料，可以一次拉深成形，廢品率較低；但如果采用拉深性能較差的08f，廢品率則高達50%40。2.6.2 寬法蘭件的拉深工序尺寸計算按拉料厚中心線計算，t2.0，材料為低碳鋼3。(1) =76，=2.9時，取修邊余量=2.03。圖2.40(2) 計算毛坯直徑考慮修邊余量后，=76+22.0=80。所以，毛坯直徑為=110(3) 確定一次拉深成功的可能性零件的尺寸關系為=3.0，=2.23，100=1.82，=0.24查圖5-22或表5-834，可知該零件不能一次拉深成形3。(4) 拉深次數(shù)及各次拉深的拉深系數(shù)由圖5-22可見，當d=53時，兩側曲線查得的相對高h/d近似相等，故暫定第一次拉深直徑=53(此時0.48) 。以后各次的拉深系數(shù)可由表5-1查得，=0.75，=0.78，=0.803。按極限拉深系數(shù)計算的各次拉深工序后半成品的直徑分別為=0.7553=40=0.7840=31 =0.8031=2526對上述各拉深系數(shù)做適當調整，得=0.49，=0.76，=0.79，=0.81，則 =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圓角半徑分別為=20=12=7=3(6) 為了保證第一次拉深時成形的發(fā)藍的外徑在后續(xù)的拉深工序中不再收縮，將第一次拉入凹模的毛坯面積加大5%，第二、第二道工序分別增大3%和1.5%(為了簡化計算，用零件總面積代替零件拉入凹模部分的面積，由此產(chǎn)生的誤差并不大) 3。重新計算毛坯直徑及第二、第三道拉深的假想毛坯直徑，它們分別為=113 =112 =111(7) 核算第一次的拉深高度=()+0.43()+()=47.5/=0.88，此值大于由圖5-22查得的數(shù)值，可以實現(xiàn)這一拉深高度。(8) 計算以后各次的拉深高度計算結果列表如下：拉深次數(shù)拉深直徑拉深高度凸模與凹模的圓角半徑12345643342847.548.653.1582012733沖壓常用原材料沖壓用原材料主要是各種金屬與非金屬板材。金屬板料包括各種黑色金屬與有色金屬板材。雖然在沖壓生產(chǎn)中所用金屬板材的種類很多，但用量最多的原材料主要是鋼板、不銹鋼板、鋁合金板及各種復合金屬板7。3.1.1 普通鋼板鋼板是沖壓生產(chǎn)中應用數(shù)量最多的原材料，它用于汽車、拖拉機、火車車輛等交通工具以及電器、石油化工機械、建筑等多種工業(yè)產(chǎn)品。由于產(chǎn)品使用目的與功能要求不同，在沖壓生產(chǎn)中所用的鋼板種類與形式也各不相同8。1 熱軋鋼板熱軋鋼板的供應狀態(tài)有兩種形式。經(jīng)熱軋后直接供應的鋼板、表面有厚度為10m左右的黑色氧化皮。氧化皮脆而硬，在沖壓成形中，尤其是在剝落時，可能損壞模具。為了克服這個問題，鋼鐵廠也提供經(jīng)酸洗等表面處理去除氧化皮的熱軋鋼板。這種鋼板表面粗糙，但也有利于潤滑的優(yōu)點，可用于成形工序。熱軋鋼板不具有冷軋鋼板的織構組織，所以它的沖壓性能不如冷軋鋼板。另一方面，熱軋鋼板的厚度與性能波動大，對沖壓加工也是不利的。除化學成分外，晶粒度的大小對強度、n值等也有影響。生產(chǎn)中也常用控制晶粒度的方法，對熱軋鋼板的性能做適當?shù)恼{整。由于熱軋鋼板的價格便宜，現(xiàn)在鋼鐵企業(yè)也在開發(fā)沖壓性能好、可用于深拉深成形的熱軋鋼板。2 冷軋鋼板冷軋鋼板表面質量好、沖壓性能優(yōu)異，而且板材的各種性能和厚度精度等都相當穩(wěn)定，所以它是沖壓生產(chǎn)中應用廣泛的原材料。調整冷軋鋼板的化學成分、控制冶煉、熱軋、冷軋與退火過程，可以得到具有各種不同性能的冷軋鋼板。冷軋鋼板的主要特點是，利用軋制中的變形與退火中的再結晶處理方法，可獲得r值增大的織構組織，改善冷軋鋼板的拉深性能、曲面零件成形時的貼模性能等沖壓性能。表3.1是冷軋鋼板與熱軋鋼板在質量與性能方面的大致對比。由于冷軋鋼板有相當多具有特殊性能的鋼種與牌號