冲压件结构优化设计及成形技术
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3）其它
1绪论
1.1 课题背景
在市场上，用板金冲压工艺制造的零件占全部金属制品的90%以上。由此可见，其工艺在国民经济与军事诸方面所占的位置是极其重要的。板金冲压具有劳动生产率和材料利用率高，重量轻等优点。轻工十大产品中，金属件基本都是板金冲压产品。军工产品中力求重量轻的航空航天产品自不待言，其他军用品，如需要量大的弹壳之类，也都是板金冲压产口。
近年来，随着飞机、汽车、电子、仪表、日用工业品等工业的发展，冲压加工技术得到了高速的发展。目前，除一般的成型方法外，又出液压成形，强力旋压成形，超塑成形，爆炸成形，以及精密冲裁和高速冲压等加工技术。
冲压技术在现代工业生产中占有十分重要的地位，是国防工业及民用工业生产中必不可少的加工方法，在电子产品中，冲压件约占80%~85%；在汽车、农业机械产品中，冲压件约占75%~80%；在轻工业产品中，冲压件约占90%以上。此外，在航空及航天工业中，冲压件也占有很大的比例。
冷冲压是塑性加工的基本方法之一，它是利用安装在压力机上的模具，在室温下对板料施加压力使其变形和分离，从而获得具有一定形状、尺寸的零件的压力加工方法。因为它主要用于加工板料零件，所以也称板料冲压。在冷冲压加工中，将材料（金属或非金属）加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，称为冷冲压模具（俗称冷冲模）。冷冲模在实现冷冲压加工中是必不可少的工艺装备，没有先进的模具技术，先进的冲压工艺就无法实现。冲压加工在汽车、拖拉机、电机、电器、仪表和日用品的生产中，已占据十分重要的地位[1]。
1.2 国内外研究状况
随着计算机软硬件技术的发展，众多融合了计算机图形学、有限元技术和塑性成形理论的模拟软件开始出现，例如DYNAFORM, PAM-STAMP. LS-DYNA3D, AUTOFORM,OPTRIS, ABAQUS/EXPLICIT等，得到了许多工业部的重视和应用。美国的GM,Ford, Chrysler,德国的大众、奔驰，日本的丰田、三菱、日产等大型汽车制造公司，己开始应用这类软件指导板料成形件的开发和生产，产生了良好的经济效益。数值分析技术以其高效率、低成本的优势在薄板冲压成形领域中得到了广泛的应用。美国、
日本等世界一流的科学研究中心采用有限元数值模拟和网格技术对零件、模具、冲压工艺和材料性能之间的相互适应性进行了三维动态仿真分析，涉及领域之广泛、研究成果之显著，引人瞩目。我国在板料成形数值模拟方面起步较晚，较发达国家(美、日等)晚了十几年。经过多年的发展，我国在板料成形数值模拟方面已经取得了很大进展，但主要集中在部分高校里，华中理工大学针对不完全对称盒形件的成形特点，开发了有限变形弹塑性薄膜有限元程序对其进行分析研究。吉林工业大学采用更新的Lagrange法以及有限元变形虚功率增量型原理的弹塑性大变形有限元法，研究了金属板料成形的塑性流动规律以及成形过程中发生的起皱、裂纹等现象，首次提出了多点成形时非连续接触边界约束的处理方法，建立了基于Mindlin壳理论三维金属板料成形过程分析的有限元模型，编制了用于板料多点成形分析的有限元专用软件，成功分析了多点成形时的金属流动规律。哈尔滨工业大学采用刚粘塑性本构关系，开发了粘塑性板壳成形有限元分析程序，并对方盒件的成形过程进行了分析；:对板料粘性介质胀形过程中的应变速率变化也进行了模拟研究。北京航空航天大学对板料成形过程中的接触摩擦和悬空区起皱进行数值模拟。上海铁道学院的李尧臣用有限元法模拟了金属板材的冲压成形过程，分析了金属板材在冲压过程中的屈曲现象，建立了增量形式的变分原理，跟踪了板料起皱的发展、折叠、衰减的全过程。上海交通大学对板料成形的回弹进行了较为系统的研究，提出在板料回弹模拟中采用修正的拉格朗日法较为合适。
板料成形数值模拟技术的一个突出成就是实现了汽车覆盖件的成形模拟，通过对板料成形过程进行高精度数值模拟，可以观察冲压速度、模具间隙、摩擦因素等对成形性能的影响。在汽车覆盖件模拟方面，Ford公司的S.C.Tang作了长期的卓有成效的研究，早在1980年就用小变形有限元程序分析了当汽车车身零件成形中采用曲面压料面时，压边圈夹紧阶段工件的变形。C.Q.Du等还对轿车顶弧(roofbow)、后加强板(rail reinforcement)、轮毂(disk wheel)成形时的回弹题进行了模拟研究，日本的板料成形研究协会更是开发了模拟软件ROBST，该软件与MitsubishiCAD/CAM系统连接后设计出来的覆盖件模具，已初步在生产实际中得到验证。Mazda Motor用PAM-STAMP分析了边框外覆盖件。我国对复杂汽车覆盖件成形过程的数值模拟技术也进行了探索，林忠钦等运用有限元软件AUTOFORM和LSDYNA3D对SANTANA2000的外侧板的成形过程进行了模拟，包向军等运用LS-DYNA3D，在综合考虑了毛坯尺寸、压边力、拉延筋的布置等因素的情况下，实现了汽车内门板的优化设计。
国内学者和技术人员在运用有限元数值模拟方法来解决生产实际问题方面，虽然有了很大的进步，但与国外不论在规模上，还是问题复杂程度方面都有相当的差距，要缩短这一差距，甚至超越发达国家，还有很长的一段路要走[16]。
1.3 课题研究方法
本课题在分析冲裁、弯曲、拉深等基本冲压成型方法的机理和特点的基础上，结合冲压件的制造工艺性，论述了冲压件的结构工艺性。
1.4 论文构成及研究内容
本论文主要包括冲压件常用成型方法及技术特点、冲压常用原材料、常见冲压件结构优化设计方案及应用实例和照相机前盖板工艺方案优化及模具设计五部分构成。
本文主要研究了冲裁、弯曲、拉深成形机理、特点、规律，在此基础上又研究了其工艺性；对几个典型的冲压件进行了结构工艺优化；系统的对照相机成形工艺进行了设计及其模具设计。
2冲压件常用成形方法及技术特点
冲压件成形方法有许多种，在本文中着重介绍最基本的冲压成形方法：冲裁、弯曲
和拉深。
2.1冲裁变形机理
2.1.1冲裁变形过程
冲裁时板料的变形具有明显的阶段性，像单向拉伸那样，由弹性变形过渡到塑性变形，最后产生断裂分离。
1.弹性变形阶段
如图2.2(a)所示，当凸模下压接触板料时，材料特产生短暂的、轻微的弹性变形。此时如果提升凸模，变形将完全消失。塑性变形阶段如图2.2(b)所示，凸模继续下压，板料变形区的应力将继续增大。当应力状态满足屈服准则时，材料便进入塑性变形阶段。这一阶段突出的特点是材料只发生塑性流动，而不产生任何裂纹，凸模继续切入板料，同时将凹模下面的材料挤入孔内。
2.断裂分离阶段
图2.1(c)，(d)，(e)表示了断裂分离的全过程，其中图(c)表示当凸模切入板料达到一定深度时，在凹模侧壁靠近刃口处的材料首先出现裂纹。这表明塑性剪切变形的终止和断裂分离的开始。图(d)表示裂纹发展与贯通的情形。在一般情况下，在凹模附近产生的裂纹向凸模刃口方向发展的过程中，处在凸模侧面靠近刃口附近的材料也将产生裂纹，并且上下裂纹将贯通。图(e)表示冲裁结束时板料被完全分裂分离的情形。被冲入孔的—块料在落料时为工件，冲孔时为废料。留在凹模面上的材料在冲孔时为工件，落料时为废料。普通冲裁件的剪切断面状况如图2.1(f)所示，其精度一般在ITl0级以下，表面粗糙度R a在3.2μm-50μm[11]。
如图2.1(f)所示，断面明显分为四个区域：a为圆角区，即塌角；b为光亮带，表面光滑，表面质量最好；c为剪裂带，表面粗糙并略带斜度，不与板面垂直；d为毛刺。
(a) 弹性变形；(b) 塑性变形；(c) 出现裂纹；(d) 裂纹贯通；(e) 板料完全断裂分离；(f) 剪切断面
1—凸模；2—板料；3—凹模；4—冲孔为工件，落料为废料；5—落料为工件，冲孔为废料
图2.1冲裁变形过程及冲裁件剪切断面
2.1.2 冲裁变形区及受力
1、冲裁变形区
冲裁变形区是指材料被分离断开的那一部分区域，但具体的模型尚未有统一的认识。冲裁时板料的变形区不是简单的剪切面，因为冲裁时板料不仅产生剪切变形，而且还有弯曲变形。有实验研究提出，冲裁过程中材料的最大塑性变形集中在以凸模与凹模之上、下刃口尖端连线为中心的区域，为一个纺锤形范围，如图2.2(a)所示，即从刃口尖端起向中间逐渐增宽的形状范围。这一范围随材料的伸长率和加了硬化指数的增大而增大。当凸模进入到材料内部某一深度时，变形区还是从刃口开始的纺锤形范围，初始纺锤形中的一部分成为了已变形区，如图2.2(b)2区所示。
(a) 初始冲裁；(b) 切入板料
图2.2冲裁板料的变形区
在纺锤形范围内，虽然材料已接近或正在进行剪切变形.但其中各点处的应力状态仍然是不相同的。
2、变形区及临域的应力分析
(1)冲裁力造成的应力
如图2.3所示，冲裁变形时，位于凸模平面下方、凹模平面上方的材料，由于受到模具直接传递的高压作用，成为压应力区，同时，材料的塌角处，既要支撑变形区，又因摩擦力的作用而受到拉伸，成为拉应力区[9]。
(2)力偶引起的应力
讨论这种应力时，首先应分清冲裁时模具结构上加压料板和不加压料板的区别，如图2.4所示。图中左边是不加压料板冲裁时产生的应力(符号)，因此，冲裁过程中的裂缝一般无产生于凹模一侧的材料上。如果冲裁时加有压料板，如图2.5右边所示，这时，凸模外侧材料产生拉应力，故裂缝有可能也从凸模一侧刃口先开始产生[39]。
图2.3 冲裁力引起的应力 图2.4 力偶引起的应力
(3)冲裁时板料所受的外力
在无压料板的自由冲裁情况下，板料所受外力如图2.5所示。由于凸模与凹模间有一定的间隙，使得板料在受到凸模与凹模正压力作用的同时还受到弯矩的作用，板料的变形不可能是纯剪切，还要产生弯曲变形。因此冲裁时凸模和凹模实际接触板料的面积只限于刃口附近窄小的环形区域内，其宽度约为料后的1/5-2/5。故凸凹模刃口部位的单位压力分布曲线相当陡峭。正压力的合力分别以p F 与d F 表示，显然，两者大小相等、方向相反。由于p F 与d F 不在同一条直线上，便形成了弯矩p M 。此弯矩使板料产生弯曲变形，造成凹模口外的板料上翘，凸模端面下的板料下凹。
图2.5 冲裁时板料所受应力
板料的弯曲变形对模具刃口的侧面产生挤压作用，反过来，凸模和凹模刃口的侧面对板料产生反挤作用，形成对剪切面的侧压力。侧压力的合力1P F 和1d F 也将形成一个力矩F M ，其方向与P M 相反，并在冲裁瞬时与之保持平衡，即F M ＝P M ，以阻止板料进一步弯曲变形。在冲裁过程中，Mp 随正压力的增大而增大，使板料弯曲变形加大，这将使板料受到的侧压力随之增大，并与P M 抗衡，阻止板料进一步弯曲。因此自由冲裁时工件的不平整程度是有限度的。
有正压力必有摩擦力，凸模和凹模刃口端面对板料的摩擦力分别为P F μ和d F μ，μ为料与模具材料之间的摩擦系数，其方向与板料相对凸模和凹模端面滑动的力向相反。凸模和凹模刃口侧面对板料剪切面施加的摩擦力分别为1p F μ和1d F μ，其方向与板料相对凸模相凹模的运动方向相反。垂直方向的摩擦力对板料断裂分离过程的影响要比水平方向的摩擦力大得多[39]。
(4)冲裁时变形区的应力状态
板料由于受到上述外力的作用，会产生剪切、弯曲等各种变形，因此其变形区及临域的应力状态是很复杂的，并且与变形过程有关。应力状态如图2.6所示，其中：
A 点——三向应力状态。1σ为凸模侧压及材料弯曲引起的压应力；2σ为弯曲引起的压应力与侧压引起的拉应力的合成应力；3σ为凸模下压引起的拉应力。
B 点——由凸模下压和材料弯曲引起的三向压应力状态。
C 点——沿材料纤维方向为拉应力1σ，垂直于纤维方向为压应力3σ。
D 点——材料弯曲引起径向拉应力1σ和2σ切向拉应力，凹模上平面材料受到压挤产生轴向压应力3σ。
E 点——材料弯曲引起的拉应力和凹模侧压引起的压应力的合成应力1σ和2σ，应力符号一般为正；凸模下压引起轴向拉应力3σ[39]。
图2.6各点的应力状态
2.2冲裁件的工艺性分析
冲裁件的工艺性分析包括技术和经济性两方面的内容。在技术方面，根据冲裁件产品图纸，主要分析该冲裁件的形状特点、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素，检查是否符合冲裁工艺的要求，在经济性方面，主要根据其产量和批量，分析产品成本，阐明采用冲裁工艺可取得的经济效益。因此，对冲裁件的工艺分析，主要讨论在不影响零件使用性能的前提下，结合具体的生产条件，能否以最简单、最经济的方法制造出来。若能做到、表示该冲裁件的工艺性好；反之则差[17]。
2.2.1影响冲裁件工艺性的因素
图2.7冲裁件窄槽尺寸
1、形状和尺寸
不同形状和尺寸的冲裁件有不同的工艺要求。如要求外形简单、对称，最好是由圆
弧和直线组成，避免冲裁件上有过长的悬臂和窄槽，其宽度应大于料厚t的两倍，即图2.7中的b应大于2t。一般情况下，要求冲裁件的外形不能有尖角，特别是小于90度的尖角，应采用，r>0.5t的圆角过渡，以便提高模具寿命方便于制造。
冲裁时，为了防止凸模折断或弯曲，冲孔尺寸不能太小[10]。
2、生产批量
冲裁模的制造费用较高，故产量小时采用其它加工方法可能较冲裁更为经济。只有在大批量生产时，冲裁加工才能取得明显的经济效益。一般来说，产量很大时可选用连续模和高效冲压设备，以提高生产率、降低成本；中、小批量生产时，常采用简单模或复合模，以降低模具成本[10]。
3、其它
对冲裁件进行工艺分析时，除了考虑上述的形状、尺寸、精度、尺寸标注和生产批量等主要因素外．还应考虑冲裁件的厚度、板料性能、以及冲裁工序和其它工序(如弯曲、拉深等)之间的关系和相互影响。通过分析若发现制件工艺性不好时，可会同产品设计人员对冲裁件的形状、尺寸、精度和原材料选用等方面进行必要的但改，以改善工艺性和提高经济效益。例如图2.8(a)所示零件，在不影响使用条件下，只需对形状稍加改进，就可进行无废料冲裁，材料利用率可提高40％，生产率可提高一倍[5]。
冲裁件一般比较简单，主要是根据零件图纸、产量和工艺条件(模具设计、制造能力，冲压设备条件等)进行分析并确定最佳工艺方案。例如图 2.9(a)所示的航空用电缆搭接片，除了从排样分析材料利用率外，在工艺方案上还可有两种选择。图2.9(b)为冲孔后落料：图2.9(c)为冲孔，冲两端头，分离。选择哪种方案较好所依据的原则就是：在保证产品精度和产量要求前提下、以最好的经济效益来确定所采用的工艺方案[6]。
图2.8 冲裁件的形状改进
图2.9 工艺方案比较
4、排样方法及材料的经济利用
在冲压零件的总成本中，材料费约占60％-80％；因此，材料的经济利用是冲裁工艺中要考虑的一个重要问题。
(1)材料的经济利用
冲裁件在条料或板料上的布置方法叫排样。排样是否合理直接影响材料的经济利用。衡量排样经济性的标准是材料利用率，即冲裁件的实际有效面积0A 与冲裁此工件所用板料面积A 之比值[3]
%100A
A 0?=η (2.1) 式中；0A ——工件有效面积(mm 2)；
A ——冲裁此工件所用的板料面积(mm 2)。
从图2.10可知；若能减少废料面积，材料利用率则可提高。废料可分为两部分，即工艺废料和设计废料(或称结构废料)。前者与排样形式有关，后者则是由零件结构形
状决定的无法改变。进行合理排样的目的就是减少工艺废料。
1-零件的有效面；2-设计废料面积；3-工艺废料面积；a-条料的侧搭边；1a-冲裁件之间的搭边；B-条料宽度；L-
进距
图2.10冲裁件的废料和搭边
(2)排样方法
排样的目的是减少废料，提高材料利用率。但在选择排样方法时．除了材料利用率之外，还应考虑到模具制造和使用是否方便、板料的纤维方向是否满足后续工序要求等因素。
根据材料的利用情况，排样方法可分为三种[4]：
1)有废料排样
沿工件的全部外形冲裁。工件与工件之间、工件与条料侧边之间都存在有搭边废料，如图2.11所示．因为有搭边，这种排样能保证冲裁质量，模具寿命也长，但材料利用率低。
图2.11有废料排样图2.12少废料排样
2)少废料排样
沿工件部分外形切断或冲裁，废料只有冲裁刃口之间的搭边，如图2.12所示．材料利用率高。
3)无废料排样
工件与工件之间，以及工件与侧边之间均无搭边废料，如图2.13所示。是否能做