冲压模具设计开题报告

冲压模具设计开题报告 This manuscript was revised on November 28, 2020

毕业设计开题报告

题目：冲压工艺分析与弯曲冲孔模具的设计

院系：三峡大学机械与材料学院

专业：机械设计制造及其自动化

学生：

学号：

指导老师：

三峡大学机械与材料学院

冲压工艺分析与弯曲冲孔模具的设计开题报告

一、课题的来源

课题来源于生产实际，探讨冲压加工中较常见零件的工艺方法和结构设计。课题涉及知识面较广，且设计要求较高，对学生的设计能力，特别是思考能力是一个很好的锻炼。课题研究内容包括机械工程学科的力学，材料学，机械原理，机械设计，公差与互换性，机械制造工艺等知识，特别锻炼学生规范性设计的能力。使学生能得到全面的锻炼。课题要求学生具备较强的机构设计能力和创新能力，对学生是一个挑战。课题为典型的机械设计类课题，涉及机械知识全面，与工程机械专业方向结合紧密。

二、选题的现实意义和理论意义

冲压加工是现代机械制造业中先进高效的加工方法之一。它是利用安装在压力机上的模具，在常温或加热的条件下对板材施加压力使其变形和分解，从而获得一定形状、尺寸的零件的加工方法。因为它主要用于加工板料零件，所以又称板料冲压。冲压加工的特点如下：

（1）. 借助压力机的压力，利用模具能获得壁薄、质量轻、刚性好、形状复杂的零件，这些零件用其他的方法难以加工甚至无法加工；

（2）. 冲压加工的零件精度高、尺寸稳定，具有良好的互换性；

（3）.冲压加工是少、无切削加工的一种，部分零件冲压直接成形，大部分无需任何再加工，材料利用率高，达85%以上；

（5.）操作简单，便于组织生产和管理。

冲压加工的缺点是模具制造的周期长，制造成本高，不适于单件小批量生产；其次，冲压加工多用机械压力机，由于滑块往复运动快，大量手工操作，劳动强度较大，易发生事故，安全生产与管理要求高，须采用必要的安全技术措施来保证。

冲压加工的应用十分广泛，不仅可以加工金属材料，而且可以加工非金属材料。在现代制造业，比如汽车、拖拉机、农业机械、电机、电器、仪表、化工容器、玩具以及日常生活用品的生产方面，都占有十分重要的地位。

冲压加工在国民经济各个领域应用范围相当广泛。例如，在宇航，航空，军工，机械，农机，电子，信息，铁道，邮电，交通，化工，医疗器具，日用电器及轻工等部门里都有冲压加工。不但整个产业界都用到它，而且每个人都直接与冲压产品发生联系。像飞机，火车，汽车，拖拉机上就有许多大，中，小型冲压件。小轿车的车身，车架及车圈等零部件都是冲压加工出来的。据有关调查统计，自行车，缝纫机，手表里有80%是冲压件；电视机，收录机，摄像机里有90%是冲压件；还有食品金属罐壳，钢精锅炉，搪瓷盆碗及不锈钢餐具，全都是使用模具的冲压加工产品；就连电脑的硬件中也缺少不了冲压件。

但是，冲压加工所使用的模具一般具有专用性，有时一个复杂零件需要数套模具才能加工成形，且模具制造的精度高，技术要求高，是技术密集形产品。所以，只有在冲压件生产批量较大的情况下，冲压加工的优点才能充分体现，从而获得较好的经济效益的。

当然，冲压加工也存在着一些问题和缺点。主要表现在冲压加工时产生的噪音和振动两种公害，而且操作者的安全事故时有发生。不过，这些问题并不完全是由于冲压加工工艺及模具本身带来的，而主要是由于传统的冲压设备及落后的手工操作造成的。随着科学技术的进步，特别是计算机技术的发展，随着机电一体化技术的进步，这些问题一定会尽快二完善的得到解决。

三、国内外的研究现状及分析

据统计，2003年我国生产汽车冲压件约240万吨/8亿件，摩托车冲压件约28万吨/19亿件，拖拉机、农用车冲压件约96万吨/7.1亿件，家用空调和冰箱冲压件100万吨/12.8亿件。业内专家预计，随着冲压成形行业最大用户市场--汽车行业今后继续迅猛发展，中国冲压行业已迎来了一个快速发展机遇期，但能否抓住机遇获得新的更快的发展，前进的道路上尚有许多阻力和障碍需要克服与突破。

（1）机械化、自动化程度低

美国680条冲压线中有70%为多工位压力机，日本国内250条生产线有32%为多工位压力机，而这种代表当今国际水平的大型多工位压力机在我国的应用却为数不多；中小企业设备普遍较落后，耗能耗材高，环境污染严重；封头成形设备简陋，手工操作比重大；精冲机价格昂贵，是普通压力机的5~10倍，多数企业无力投资阻碍

了精冲技术在我国的推广应用；液压成形，尤其是内高压成形，设备投资大，国内难以起步。

（2）生产集中度低

许多汽车集团大而全，形成封闭内部配套，导致各企业的冲压件种类多，生产集中度低，规模小，易造成低水平的重复建设，难以满足专业化分工生产，市场竞争力弱；摩托车冲压行业面临激烈的市场竞争，处于“优而不胜，劣而不汰”的状态；封头制造企业小而散，集中度仅39.2%。

（3）冲压板材自给率不足，品种规格不配套

目前，我国汽车薄板只能满足60%左右，而高档轿车用钢板，如高强度板、合金化镀锌板、超宽板(1650mm以上)等都依赖进口。

（4）科技成果转化慢先进工艺推广慢

在我国，许多冲压新技术起步并不晚，有些还达到了国际先进水平，但常常很难形成生产力。先进冲压工艺应用不多，有的仅处于试用阶段，吸收、转化、推广速度慢。技术开发费用投入少，导致企业对先进技术的掌握应用慢，开发创新能力不足，中小企业在这方面的差距更甚。目前，国内企业大部分仍采用传统冲压技术，对下一代轻量化汽车结构和用材所需的成形技术缺少研究与技术储备。

（5）大、精模具依赖进口

当前，冲压模具的材料、设计、制作均满足不了国内汽车发展的需要，而且标准化程度尚低，大约为40%~45%，而国际上一般在70%左右。

（6）专业人才缺乏

业内掌握先进设计分析技术和数字化技术的高素质人才远远不能满足冲压行业飞速发展的需要，尤其是摩托车行业中具备冲压知识和技术和技能的专业人才更为缺乏且大量外流。另外，众多合资公司由外方进行工程设计，掌握设计权、投资权，我方冲压技术人员难以真正掌握冲压工艺的真谛。

冲压成形用户市场的迅猛发展为冲压行业带来了全新的发展机遇，虽然在冲压业发展的道路上还存在着各种各样的阻力与障碍，但我们始终相信，这些都阻挡不了冲压行业前进的步伐。

科学技术的迅猛发展, 尤其是在现有资源及环境不可过分乐观的形势下, 对加工乃至整个塑性加工业等都提出了严重的挑战。减轻重量, 节省材料, 降低能耗, 开拓创新已成为塑性加工业等面临的一个极其重要的课题。不可否认在金属加工中, 冲压是成形效率和材料利用率最高的加工方式之一, 其具有自己独特的优势与特点。面对严重挑战, 冲压加工正以新的姿态, 向铸造、锻压、焊接和机械加工等领域开拓, 已经并正在生产出许多具有时代特点的产品, 展现了冲压加工广阔的天地。例如冲压发动机壳体、冲压摇臂、冲压摇臂座、冲压排气管、冲压焊接成形的离心泵、冲压托架、冲压焊接成形的汽车后轿壳、冲压离合器壳体、冲压变速箱壳

体、冲压皮带轮等等, 所有这些不仅一改过去工件由铸造、焊接生产而呈现的粗笨

外表, 许多冲压件的精度也毫不逊色于机械加工的产品, 其结构合理性甚至要超过某

些机械加工产品, 尤其是其生产率又远非机械加工所能比拟。而复合冲压、微细冲压、智能化冲压、绿色冲压等高新技术又向我们展示了冲压加工极具魅力的新领域, 可以说冲压加工不论从深度, 还是从广度上都大有作为, 前景美好。

四、设计的目的、要求和规划

1、设计的目的

总结和巩固基础技术课程和专业课程中所获得的知识，综合应用这些知识，并将

理论知识用于解决生产实际问题；通过设计使学生获得课堂讲授不易掌握的冲模结构

知识；培养学生的设计、计算和绘图能力，培养学生独立解决冲压范围内工程问题的

能力。

2、设计的要求

1) 巩固和扩大本课程所学的理论知识。

2) 综合运用本课程和其它课程的知识，能够设计一般冲压零件的工艺过程和模具。

3) 进一步提高设计、计算和绘图能力，熟悉工程计算方法和技巧，正确绘制装

配图和零件工作图，要求做到

字体端正，图面整洁。通过编写计算说明书，提高总结技术问题与编写报告的能力。

4) 熟悉使用机械零件手册、冲压设计资料（如《模具设计与制造简明手册》、《冷冲压模具结构图册》）、技术规范、国家标准(如《冷冲模国家标准》)以及其它

技术资料。

5) 树立正确的设计思想，设计必须从实际出发，在设计中培养学生认真踏实的

工作态度和工作作风。

3、设计的工作规划

学生应充分研究设计任务书，了解产品用途，并进行冲压件的工艺性及尺寸公差

等级分析，对于一些冲压件结构不合理或工艺性不好的，必须征询指导教师的意见后

进行改进。在初步明确设计要求的基础上，可按以下步骤进行冲压总体方案的论证。

1) 酝酿冲压模具设计安排的初步方案，并画出各步的冲压工序草图；

2) 通过工序安排计算及《冲压模具结构图册》等技术资料，验证各步的冲压模

具设计方案是否可行，构画该道工序的模具结构草图。

3) 构画其它模具的结构草图，进一步推敲上述冲压工序安排方案是否合理可

行。

4) 冲压工序安排方案经指导教师过目后，即可正式绘制各步的冲压工序图，并着手按照“任务书”上的要求进行课程设计。

外文翻译

基于透明塑性模型的中小型板材冲压过程分析

摘要A 泰勒式结晶塑性模型应用于商业化的有限元分析软件，在现代的主体立方结构（BBC）不锈钢板加工过程中的反应的研究中，此模型被编码成子程序。成型过程中板材的厚度变化用微型凹槽成型程序来检测。板材不同厚度上晶体学取向关系的空间分布的效果也已经经过了论证。基于定向文理的板材研究的数据结果，也很好的与相关的学术测量实验结果保持了一致。

关键字：可塑性结晶；板材成形加工；有限元分析

1、简介

由于近年来微小型金属部件需求量的不断增长，中小型部件加工成型的发展引起了密切的关注。以前，基本尺寸仅仅被当做是结晶粒度和样品尺寸/特征尺寸，近年来，一种所谓的“尺寸效应”在金属响应方面扮演了十分重要的角色，在很多种荷载条件下发挥了非常重要的作用。

贝克尔采用了一种二维的有限元模型来检验金属材料在平面荷载压缩过程中的反应。水平荷载下质地的变化的报告不仅是基于相邻粒度的极向错误，还综合了有多个粒度间隔的晶粒的约束作用。卡里丁尼等人用一个全隐式时间积分图表论证了非常有预见性的一种泰勒结晶模型。基于模拟仿真的材料无氧高导电铜的应力应变性能和质地的变化都很好地与那些相应的锻造过程中测量到的纯剪力和平面应力数值保持了一致。哈伍德和麦克哈弗利用有限元分析监测嵌入的敏感结晶塑性制剂的效果得到准确的计算结果。他们预测：必须要有高的网丝密度，才能在加工成形的过程中得到率相关的特征。赵先生等人用三种不同的结晶塑性模型评估了面心立方晶体金属的质地纹理变化。他们提出以直接的数值模拟高网丝分辨率材料的方法被认为可行。这种方法可以给出更多关于晶粒变形和晶粒内部变化的精确的描述。

近期，李和Zabaras将非频率依赖型固有关系应用于有限元模型来演示金属中晶粒的单轴向力引起的应力应变。较小的晶粒大小产生相对较小的应力应变反应，这一结果与以往的实验观察的结果很好的保持了一致。

在过去，试验中采用结晶基础模型来研究很多的成型过程中金属微观结构和机械性能的变化。然而在近期，Beaudoin等人采用了结晶塑性模型来研究铝制板材的液压成型过程，而且阐明，他们预测的耳部位置和高度也和相关的实验结果保持了高度一致。Nakamachi 和Dong提出了一个全面硬化的结晶模型，并用一个数值动态变化的图表来演示应力变形集中区域的惯性效应。Nakamachi等人得出如下结论：金属的质地和纹理影响深度冲压操作过程中拉应力的集中和耳子的形成。通过对结晶塑性模型的各向异性和成型性能进行有限元分析Chen等人也提出，金属板材最初的质地和纹理对这些性能也有影响。

彭等人检查了不同晶粒粒度的薄板材微小凹槽的加工过程，他们使用现象学的产量批判分析。他们发现，晶粒的粒度越小，板材可以获得更好的成型性能。彭等人进一步建立了一个均匀的晶粒粒度分布的从属组织模型，用以对金属的表现作出解释。在此过程中，他们在晶粒大小、板材厚度、板材宽度方面使用了相当大范围的尺寸比例因子。但是，在此分析过程中，彭等人没有引进严格的各向异性，这种各向异性在金属板材的观察研究中使用是非常普遍的。

在此，他们采用了泰勒式的结晶塑性模型，用于调查研究体心立方结构不锈钢板材在冲压成型过程中的反应。此过程中板材厚度的变化被用来与先关实验中探测和测量得到的结果相比较。

2、本构关系

从微观的观点来看，在一个特定的平面上沿着特定方向的滑移是相应较低温度下塑性变形的主要机制。使用结晶体的方法，最主要的优点在于：结晶体固有的表现可以在任意的加载途径下被模仿，只要我们知道金属滑移的过程和晶粒取向构成的参数。

钢制金属材料的各向同性弹性的线性方程假定如下，而且四向张量的弹性模量C 可以用如下表（1）所示的形式表达。

C11 C12 C12 0 0 0

C12 C11 C12 0 0 0

C= C12 C12 C11 0 0 0

0 0 0 C44 0 0

0 0 0 0 C44 0

0 0 0 0 0 C44

在这里，弹性模量C11、C12和C44的值分别选择为265.2GPa，113.6GPa和

151GPa。

为体立方晶体假定的{110}和{111}滑移体系中，每个平面上都有六个不同的滑移平面，每个滑移平面上都有两个不同的滑移方向。金属中晶体的滑移造成的塑性变形，有着非常敏感的固有应变速率。对于那些比率敏感的金属，当相应的滑移平面上分解切应力不同时为零时，所有的滑移系统都被认为是有活性的。因此，缺少独特性，因为有效的滑移系统的测定是与外加的强制变形相关的。对于比率敏感的金属，考虑到应变速率的敏感性，它的敏感度将会相应的降低。在此，我们使用一个幂函数

关系式来叙述分解切应力τ (α)和剪切应变速率γ(α)，其中α th (α = 1,

12 )，滑移系统表示为：

在这里γ(α)表示α th滑移系统中的参考应变速率，m表示结晶体滑移系统中应变速率的敏感度。滑移系统的硬度，g(α )表示所有的滑移系统中剪切应变的总合的一个函数。为了方便起见，γ(α)的数量级被假定为和所有的滑移系统中一样。滑移系统中硬度的演变通过以下的公式给出：

在这里，hαβ，硬化部件的矩阵，给出了a th滑移系统和b th滑移系统硬化比率之间的关系。这里采用的一个简单的硬化矩阵可以表达为：

这里，qαβ，组件的硬化矩阵Q，是与在最初的滑移系统的基础上自身的硬化比率，以及次要的结晶体滑移系统中潜在的硬化比率相关的。而且，h(β )是一个关于g (β )的方程，表示如下：

在这里硬度系数h0，a，以及滑移硬度系数gs在所有的滑移系统中都被假定成一个恒定的值。滑移硬度g0的初始值应该在公式中加以估计得到。对于体心立方晶格金属材料，矩阵Q可以详细写成：

此处qc和qn在整个变形过程中也都假定为一个恒定值。它们代表了共面的或不共面的滑移系统中潜在硬化比率的概率值。上面的所有滑移系统的硬化参数都可以用单轴拉力实验中得到的应力应变曲线来评估。

有限元分析的方法在这里继续使用，并在有限元分析软件ABAQUS中附带使用用户自定义的子程序UMAT ,以此来说明不锈钢板材的变形过程。滑移系统硬度参量的选择被包含在表格1所示的模拟中。薄型板材在平面变形压应力的作用下的预加工处理，其纹理变化可以通过数值分析的方法得到。{110}中模拟的板材的极向图，其作用条件是厚度方向的压应力系数为0.85，如图表1所示。这个极向图表明（110）平面在一个偏角上变得协调一致，此角与平面上大多数由曲面法线和横向规定相比，存在一个偏值。

单轴向应力应变在轧制方向的关联是来自于结晶塑性模型的有限元分析。分析得到的纹理结晶方向的结果与SUS304板材的实验测量结果保持了高度一致，特别是在张力相对较大区域的附近，如图表2所示。

表1 滑移系硬化参量值

表1 {110}模拟极向图

硬度系数选择的合理性因此得到了验证。

3、数值结果

由于结晶塑性模型通常需要密集的计算资源，这里使用并行计算格式。彭等人绘制了一张带有详细尺寸标注的示意图来说明微型凹槽加工，如图3所示。图中也展示了有限元分析的单元特征。由于凹槽的跨度与工件的宽度相比小了很多倍，因此平面应力的变形可以得到合理的假定。带有两个参量的Mooney-Rivlin模型用来描述超弹性的橡胶金属的变形，两台冲压机和钢模在这里都被认为是刚体。沿着凹槽的跨度和

薄板厚度方向，分别用厚度在0.1mm的工件的80和5两个二阶平面形变四边形元。轧制工件的每个部分最初的晶体学取向关系是从相同的网状模型从提取的，这些模型处于平面压缩张力的工况下，压缩厚度张力为0.85.工件和柔性橡胶的接口处，哥伦布摩擦系数取值0.2，工件和刚性冲压模具之间取值也相同。然后使用恒定的冲压力将工件压缩进入柔性橡胶。图4演示了工件各种变形阶段凹槽跨度上冯-米赛斯等效应力分布。在与冲模的圆角相接处的位置周围，不均匀的应力分布可以很明显的观察到。当冲压力达到规定值时，建立在模拟和实验测量基础上的板材厚度变化在图5中得到论证。数值结果，首先带着随机分布的晶体学取向关系表现出板材的各向同性，这些结论也都被包含在图中用于比较。从横坐标上原始的指定点到凹槽中心线的距离为1.3mm。所有的模拟和测量值都显示，板材最薄的位置大致出现在图4所示的等效应力最高的区域。对最小厚度的评估使用的模型纹理方向和测量结果保持了高度一致，这个结果可以从图5中得到。与此同时，使用的纹理方向随机分布的模型，戏剧性的低估了这些区域的厚度。不过凹槽边缘的厚度，模拟得到的厚度要比实验得到的厚度薄。

图2 基于表面织纹晶向有限元分析和SUS304板材实验测量的单轴向应力关系

图3.微型凹槽冲压示意图

图4.在（a）25% （b）50% （c）75% （d）100%变形量时工件上凡米赛斯等效应力分布图

图5. 基于模拟和实验测量的板材最终厚度分布

4、总结

有限元分析中应用的结晶塑性模型，可以理性的评估不锈钢板材在微型凹槽加工操作中厚度的分布。表面织纹的晶向定位分析模型给出了相对公正的板材厚度公差的评估，并与相应的实验测量数据做出了对比。板材初始晶向定位空间分布可以强烈的影响板材厚度的分布。模拟材料晶粒尺寸的大小和方向的分布，研究材料的反应，这一方法在将来的研究中可能得到广泛的应用。