冲压工艺学

-1-第一章概述锻压工艺，塑性加工工艺，包括冲压工艺和锻造工艺两个主要方面。其中冲压工艺一般指室温下的板材、管材成形加工，因此，又称为冷冲压；而锻造工艺指的是块状毛坯的体积成形，一般需要加热（冷挤压工艺是例外）。目前，冲压加工领域出现了一些新方向，但仍以冲压工艺的基本原理和工艺分析为基础的。因此，本课将主要讲解基本的冲压变形基础、基本的冲压工艺：冲裁、弯曲、胀形、直壁零件拉深、复杂曲面形状零件拉深和翻边等。一、冲压的概念冷冲压：冷冲压是塑性加工的基本方法之一，它主要用于加工板料零件，也叫板料冲压。板料在装于设备上的模具的作用下完成的加工过程。二、应用它同切削、铸造、电加工等加工方法一样，广泛地用于工业生产中。由于冷冲压是一种生产效率很高、少无切削的加工方法，它在航空航天、汽车、拖拉机、电机电器、精密仪器仪表等工业占有十分重要的加工地位。据初步统计，汽车制造业差不多有60%～75%的零件；电机及仪器仪表生产中有60%～70%的零件；精密机械（如打字机）中有80%～85%的零件等；自行车、手表的80％的零件；电视机、收录机和摄像机的90％的零件，是采用冷冲压工艺来完成的。特别是近些年来，由于冷挤压、精密冲裁技术的研制和发展，更扩大了冷冲压工艺的使用范围。（在2010年，使我国的汽车特别是轿车工业具有车型及模具的自我设计和开发能力，真正建立起自主发展的中国汽车工业。到2010年汽车工业要形成500～600万辆的生产能力，其中轿车占70％。然而，目前我国的汽车工业水平还相对落后，尤其是车身设计和制造技术与世界先进水平相比还存在着相当大的差距。）其他举例：1.电位器（国内市场一年需几亿只）零件——采用冲压加工成形的电位器零件有：接触簧片、外壳、碳膜片、开关片、支架、垫圈等，平均占电位器零件总数的80%以上。2.彩色显像管制件——轮缘带、接线片、紧固带、框架、内屏蔽、电子屏蔽、G1膜片（电子枪的第一栅极，对三色电子束进行控制，是保证彩色显像管分辩率和图像质量的关键零件）等，冲压件也占全部零件的80%左右。3.印制板（覆铜箔酚醛纸质层压板）——其加工工艺过程为：基板下料→钻印刷定位孔→印刷、蚀刻→钻冲压定位孔→冲压加工→涂助焊剂→成品。4.其他——小到百分之几的手表秒针，大到汽车覆盖件（60Kg的载重汽车纵梁）、飞机蒙皮、锅炉封头等都是冲压产品。三、特点1、应用范围广可加工金属材料、非金属材料（复合材料、胶木、有机玻璃、纸板、皮革…）加工范围从仪表零件（百分之几克，目前的微成形技术仍采用冲压方法）——汽车覆盖件、飞机蒙皮、锅炉封头等2.生产率高一般可达几～几十件/分，高速冲床几百～几千件/分-2-3.产品质量稳定互换性好，一般不需进一步加工（靠模具保证精度，因此精度高）4.便于操作、易于实现机械化、自动化5.成本低、节省原材料一般不需加热；材料利用率可达70－85％以上。四、分类冷冲压工艺按照加工性质不同，基本上可以分为两大类型：分离工序和成形工序。分离工序—冲压件与板料沿一定轮廓线相互分离，同时冲压件分离断面也要满足一定要求。如落料、冲孔、裁剪、切边、剖切等。成形工序—冲压毛坯在不破坏的情况下发生塑性变形，并转化成所要求的成品形状。同时，应满足尺寸精度方面的要求，如弯曲、拉深、胀形、翻边、扩口、缩口、旋压。由上述定义可知：分离工序要使毛坯按一定要求破坏，而成形工序毛坯产生塑性变形，不破坏。具体示例件P1—P4的表1－1、1－2。以下是本节扩展介绍的内容：五、模具工业（简单介绍）1.模具工业的重要地位模具是实现冲压加工的装备（手段），因此从模具工业的重要地位就可看出冲压加工在国民经济中的地位。1）模具工业的产值：过去都把机床工业作为国家的支柱产业。随着工业的发展，发达国家都很重视模具工业的发展，模具工业的产值早已超过了机床工业。以1982年为例，美国的模具工业产值为57.7亿美元；机床工业的产值为55亿美元。日本的模具工业产值为8600亿日元，机床工业的产值为7842亿日元。2）模具工业在汽车工业中的作用：汽车工业很早就成为国家的支柱产业。汽车生产中工装夹具有7500套，模具占4000套，其中冲压模具又占很大比例。汽车用板材占所有钢材的50%—70%（卡车为50%，轿车为70%）。同时，从模具工业的产值、所用模具和板材的数量可看出冲压加工的重要作用。2.模具工业的发展概况1）随着科学技术的进步和工业生产的迅速发展，冲压技术也得到了迅速的发展，表现在以下几个方面：①工艺分析与计算方法的现代化：由经验、类比（设计→试制→修改→批生产）—→应用FEM分析、预测②模具设计、制造技术的现代化：小型精密模具：单独设计、加工—→CAD/CAM一体化（提高效率2-3倍）；大型模具：经验类比设计、试制—→CAD/CAE（计算机辅助工程，这里可认为是模拟）/CAM（缩短生产周期1/2—1/3）③冲压生产的机械化、自动化、智能化：低速单工位压力机—→多工位高速自动压力机（几件/分～几千件/分）；国外已实现V型弯曲、拉深的智能化，我国刚刚起步。④为满足更新换代和多品种、小批量生产发展的趋势出现了冲压柔性加工系统（FMS）、数控冲床、加工中心、简易模具等-3-⑤板材冲压性能的改进、新材料的应用：高强钢、含磷钢、镀锌板、三明治钢板、超高强钢板、拼焊板等。2）我国模具工业与国外的对比①精密冲模：精密冲模常以连续模（级进模）为代表，国外模具寿命达2亿次以上，国内的寿命为1亿次，价格为进口模具的1/2～1/3。②汽车覆盖件模具：大型模具常以汽车覆盖件模具为代表，我国已能生产成套轿车覆盖件模具。在制造方法、手段方面基本上达到国际水平；模具的结构和功能方面接近国际水平；制造重量、精度、制造周期、生产成本方面存在一定的差距。模具制造精度比较国外国内1.塑料模型腔精度0.005-0.01mm；Ra0.10～0.05μm0.02-0.05mm；Ra0.20μm2.冷冲模尺寸精度0.003-0.005mm；Ra0.20μm以下0.01-0.02mm；Ra1.60～0.80μm3.锻模0.01-0.03mm；Ra0.40μm以下0.05-0.10mm；Ra1.60μm4.级进模步距精度0.0021-0.0053mm0.003-0.01mm模具生产周期比较国外国内1.中型压铸模1～2个月3～6个月2.中型塑料模1个月2～4个月3.高精度级进模（较复杂）3～4个月4～5个月4.汽车覆盖件模具6～7个月1年左右六、冷冲压生产今后的发展方向（简单介绍）1、努力提高冲压产品的质量和精度，冲压件的精度一般受冲模及压力机精度的影响很大。要想提高冲压产品的质量及精度，除尽快提高普通冲模的精度和提高压力机精度外，还应尽快发展精密冲裁技术。精密冲裁可以提高工件的表面及断面质量精度，可以大大降低工件的生产成本。2、大力发展先进冲压工艺，扩大冷冲压应用范围，以更多的取代其他工艺方法，提高劳动生产率。扩大冷冲压应用范围，有限要发展高效率、大吨位压力机，以加大冲压件的冲压面积和厚度。此外，要努力研制和发展冷挤压工艺及冷挤压设备，以替代一般筒形件的车削加工达到节约材料、降低成本的目的。同时，要努力发展与研制冲压与冲焊综合工艺，以替代铆接、铆焊等工艺，提高生产率。并且，还要发展新的冷冲压工艺及尽量采用新的冲压方法。如精密冲压、液压成形、超塑冲压等。3、大力推广冷冲压生产机械化与自动化，提高生产率和保证操作安全。4、努力提高冲模生产制造技术，力求降低冲压件成本。5、编制和研究新的先进冷冲压工艺规程，提高冷冲压零件设计的工艺性。尽可能发展无废料及少废料冲裁，合理利用余料、废料，降低材料的消耗。-4-6、进一步改善及加强冷冲压生产的科学管理及组织工作，适应冷冲压生产迅速发展的需要。-1-第二章冲压变形基础§2-1冲压变形中的应力与应变特点在各种冲压过程中板料毛坯的塑性变形，都是模具对毛坯施加的外力所引起的内力或由内力直接作用的结果。一定的作用方式和力的大小都对应着一定的变形。因此，为了研究和分析金属的塑性变形过程，首先必须了解毛坯内的作用力与塑性变形之间的关系。一、应力物体所承受的外力可以分成两类，一类是作用在物体表面上的力，叫做面力或接触力，它可以是集中力，但更一般的是分布力；第二类是作用在物体每个质点上的力，例如重力、磁力以及惯性力等等，叫做体力。塑性成形时，除了高速锻造、爆炸成形、磁力成形等少数情况外，体力相对而言是很小的，可以忽略不计。因此，一般都假定面力是静力平衡力系。在任一成形工序中，为了使毛坯获得所需的变形，必须通过模具或其他方式，对材料施以外力。在外力作用下，物体内各质点之间产生相互作用的力，叫做内力，单位面积上内力的大小称为应力。若pΔ是表示作用在物体某一微元面积FΔ上的内力的合力，则全应力S是内力pΔ与面积FΔ，当FΔ趋于零时比值的极限。dFdpFpSF=ΔΔ=→Δ0lim。全应力S可以分解为三个应力分量：一个正应力（与平面垂直）；两个剪应力（与平面相切）。体素的应力状态毛坯中一点的应力状态要由9个应力分量确定，⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧zzyzxyzyyxxzxyxστττστττσ根据剪应力互等定理，yxxyττ=，其他类似，所以一点的应力状态只需六个应力分量就可以确定了。上图中，坐标系xyz的方向是任意的，若坐标系选取方向不同，则虽然该点应力状态没有改变，但用来表示该点应力状态的9个应力分量会与原来的数值不同，不过这些属于不同坐标系应力分量之间具有同一线性关系，可以互换，这种关系在数学上符合张量特性，所以应力也是张量，叫做应力张量（由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量组成的集合，叫作张量。描述张量分量的个数可用阶表示，它是张量下标的个数，在三维空间中，其张量分量的个数呈3n增加，n为下标个数。n=2，即为二阶张量）。这样，我们总可以找到三个相互垂直的平面，只有正应力而无剪应力，这三个应力叫做主应力，它的方向叫主应力方向，所作用的面叫zxyσzσyσxτzyτzxτxyτxzτyzτyx-2-主平面。因此，一点的应力状态可由三个主应力321,,σσσ表示。一般取变形坯料的经向（径向）、板厚方向及纬向（切向或者周向）做主轴方向，常用θσσσ,,tr表示立体应力状态。因而，只要三个主应力是已知的，则可计算任意平面作用力的正应力及剪应力，即该点的应力状态是已知的。⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧321000000σσσ因为板料变形时，厚度方向应力与其它两个方向应力相比很小或为零，即0=tσ，故通常按平面应力状态（两向应力状态）处理，平面应力状态的分析比三向应力问题要简单一些。二、应变冲压变形中，毛坯的形状和尺寸都要发生变化，变化的大小用应变表示。长度的改变称线应变，角度的改变称切应变（角应变）。1.相对应变：变形长度与原始长度之比%100%100000×=×−=lllllΔδ0l——变形前的长度；l——变形后的长度这种变形表示方法没有考虑材料的变形是一个逐渐积累的过程，因此其计算结果与实际情况比较是有误差的，而变形量越大，误差也越大，因此只能在小变形（﹤10％）中应用。2.真实应变（对数应变）：变形后长度与变形前长度之比取对数在tΔ时间内，物体上某个线段l增长了dl，其应变也会有个增量εd,而且ldld=ε。应变增量εd也是一个张量，其主轴与应力主轴总是重合的。若加载方式是简单加载（即在加载过程中所有应力分量均按同一比例增加，应力方向保持不变），则应力和应变增量的主轴方向在变形过程中不会发生改变，而且与全量应变主轴的方向重合，在这种条件下就可以对应变增量εd进行积分，以求得线段由0l变为l的整个变形过程的应变值。∫⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛==llllldl00lnε3.相对应变与真实应变的关系()δε+=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=1ln1lnlnln0000lllllllnΔΔ真实应变能反应变形的连续过程，而相对应变只与变形的始末尺寸有关，不反应变形的连续过程。σ1σ2σ3-3-例题：分别用相对应变和对数应变计算一个试件①从0l＝50直接拉伸到l＝90和②先从0l＝50拉伸到l＝