板料成形技术
板料成形CAE技术
板料成形CAE 技术贵州风华机器厂童春桥一、前言计算机辅助设计技术以其强大的冲击力，影响和改变着工业的各个方面，甚至影响着社会的各个方面。
它使传统的产品技术、工程技术发生了深刻的变革，极大地提高了产品质量，缩短了从设计到生产的周期，实现了设计的自动化。
板料成形是利用模具对金属板料的冲压加工，获得质量轻、表面光滑、造型美观的冲压件，具有节省材料、效率高和低成本等优点，在汽车、航空、模具等行业中占据着重要地位。
由于板料成形是利用板材的变形得到所需的形状的，长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期，特别是对于复杂的板料成形零件无法准确预测成形的结果，难以预防缺陷的产生，只能通过经验或类似零件的现有工艺资料，通过不断的试模、修模，才能成功。
某些特殊复杂的板料成形零件甚至制约了整个产品的开发进度。
板料成形CAE 技术及分析软件，可以在产品原型设计阶段进行工件坯料形状预示、产品可成形性分析以及工艺方案优化，从而有效地缩短模具设计周期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高企业的市场竞争力。
板料成形CAE 技术对传统开发模式的改进作用可以通过图 1 和图 2 进行对比=> 试模催模模具方案僱图1传统板料成形模具开发模式■ - -JJ RBi^a-j ri-BHMnHI _ liHHd I图2 CAE技术模具开发方式通过比较，就可发现板料成形CAE技术的主要优点(1) 通过对工件的可成形工艺性分析，做岀工件是否可制造的早期判断；通过对模具方案和冲压方案的模拟分析，及时调整修改模具结构，减少实际试模次数，缩短开发周期。
(2) 通过缺陷预测来制定缺陷预防措施，改进产品设计和模具设计，增强模具结构设计以及冲压方案的可靠性，从而减少生产成本。
(3) 通过CAE分析可以择优选择材料，可制造复杂的零件，并对各种成形参数进行优化，提高产品质量。
(4) 通过CAE分析应用不仅可以弥补工艺人员在经验和应用工艺资料方面的不足，还可通过虚拟的冲压模拟，提高提高工艺人员的经验。
板料冲压成形工艺
板料冲压成形工艺板料冲压成形工艺是一种常见的金属加工方式，广泛应用于各个行业。
通过冲压工艺，可以将平板金属材料以定型的方式快速、高效地加工成各种形状的产品。
首先，板料冲压成形工艺需要选取适合的板料材料。
常见的板料有钢板、铝板、铜板等，选择不同的材料可以根据产品的需求来确定。
一般来说，冲压需要的板料应具有良好的可塑性、韧性和强度，以确保成形过程中不会出现断裂、崩裂等问题。
其次，冲压成形前需要进行设计和制作模具。
模具是冲压成形的重要工具，直接影响产品的质量和成形效果。
模具的设计应考虑到产品形状、尺寸和精度要求等因素，制作出合适的模具来保证冲压过程中产品的准确性和一致性。
接下来，进行板料的冲压加工。
冲压加工一般包括料加工、冲压和退料三个过程。
在料加工过程中，将原材料按照尺寸要求进行裁剪和整理。
在冲压过程中，将模具和板料放入冲床中，通过上下冲击力使板料在模具中形成所需的形状。
在退料过程中，将成形好的产品从模具中取出，并对模具和产品进行检查和修整。
最后，对成形后的产品进行表面处理。
根据产品的要求，可以选择进行喷涂、电镀、镀锌等表面处理，以提高产品的美观度和耐腐蚀性。
总之，板料冲压成形工艺是一种非常重要的金属加工方式。
通过选择适合的板料材料、设计和制作合适的模具，以及进行冲压和表面处理，可以实现高效、快速、精确地生产出各种形状的金属制品。
这种工艺不仅广泛应用于汽车、家电、电子、航空等行业，而且在工业制造中也发挥着重要的作用。
板料冲压成形是一种基于金属板材的加工技术，广泛应用于汽车制造、家电制造、航空航天等众多行业。
它可以通过冲压机械设备将板材经过一系列的工艺步骤转化为所需的形状和尺寸。
在工业制造中，板料冲压成形是一种高效、成本低、质量可控的加工方式。
首先，板料冲压成形需要选取适合的板料材料。
不同材料具有不同的物理和化学特性，选择合适的板料可以达到产品的设计要求。
常用的板材材料有冷轧板、热轧板、镀锌板、铝板等。
板料冲压
板料的冲压成形
一、何谓冲压成形
板料冲压成形是利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法，板料冲压 的坯料厚度一般小于4mm，通常是在常温下进行的，所以又叫冷冲压。
二、工艺分类
分离工序: 落料、冲孔、切断 变形工序：拉深、弯曲
三、板料冲压的特点
1、操作简单，加工效率高； 2、一般不需再进行切削加工，因而节约材料，节约能源消耗； 3、加工质量高，基本不需要后序加工； 4、对工人技术要求低； 5、灵活性差。
YQ32系列四柱液压机
拉深加工产品示例
1）拉深变形过程
使坯料在凸模的作用下压入凹模， 获得空心体零件的冲压工序。
h d d
Dd h 2
拉深过程示意图
2）拉深废品 ① 拉裂（拉穿） ② 起皱
3）拉深模设计及工艺特点 ① 凸凹模的工作部分必须具有一定 的圆角； r凹=(5~10)t r凸=（0.7-1）t ② 凸凹模间隙要合理 Z =（1.1-1.2）t ③ 控制拉深系数（m）
形状零件的工序。
弯曲过程示意图
1）弯曲的变形特点 ① 变形区域主要在圆角部位； ② 外层金属受拉应力，内层金属受压应力。 2）弯曲缺陷 弯裂 回弹 a）设计补偿角 b）对工件进行退火 c）设计加强筋
3）弯曲工艺特点 ①弯曲半径 r≥rmin=（0.25-1）t ；
② 毛刺应位于内侧；
③ 弯曲线应尽量与坯料纤维方向垂直；
3）液态模锻
原理：将液态金属直接注入模膛，施以静压力，使熔融
或半熔融态金属在压力下结晶凝固，并产生少量塑性变形。
特点：
与铸造比：无须浇注系统，节约金属；组织比压铸件细密。 与锻造比：成形压力小及能耗少2/3~~3/4；组织比一般模锻件差。
第五章 板料局部成形工艺
§ 5.2 翻边工艺
一、圆孔翻边 1、圆孔翻边的变形机理与变形特点 圆孔翻边：在平板毛坯或空心半成品上将预先冲好的圆孔弯出直 边的圆筒形周边的翻边工序称为圆孔翻边。 如右图示，外径为D0，内孔直径为d0 的平板毛坯的翻边过程。 翻边时，变形区内材料厚度要变薄，在筒 形边缘部变薄最严重，因而也最容易产生 裂纹。 变形特点：变形区材料处于单向拉 深或双向受拉的应力状态，在切向方向 的伸长要大于径向方向的压缩变形，因 而材料厚度变薄，这种翻边属于伸长类 翻边。
主要有胀形、翻边、缩口、校平、整形、旋压等 胀形、翻边、 校平、 胀形 校平 整形、
§5.1 平板毛坯的局部胀形工艺
胀形：是利用模具强迫板料厚度减薄和表面积增大，以获得所需几 何形状的零件的冲压加工方法。 局部胀形可在平板毛坯上压出各种形状，如下图示，压加强筋、压 凹坑、压字、压花、压标记等。 实现方法：
复习题
1． 翻边有哪几种型式？其变形特点与弯曲有何不同？
Hale Waihona Puke 2． 翻孔时的变形区仅限于哪个部位？翻孔时最易出现 什么问题？如何防止？ 3． 平板毛坯的局部胀形是靠什么原理获得一定形状的？ 主要有哪些应用？
H<(2.5~3)t时，回弹严重，必须加热后再翻边或加大高度。
“分散法”
§5.3 校形和整形
校形和整形：是指经过各种基本成形工序后的零件再产生不大的塑 性变形、以达到零件规定的形状和尺寸精度要求的冲压方法。 这种工序一般在冲裁、弯曲、拉深后进行，对于表面形状和尺寸精 度要求高的冲压件都要经过校平与整形。 一、校平 1、特点：校平是指把不平的制件在校平模内压平的校形工艺。主 要用于消除或减少冲裁件特别是自由漏料冲裁件平面的平直度误差 。 2、校平方法与校平模 校平方法 1）平面校形模：由上下两块平面模板组成。单位校形压力小，效 果差，实用于平直度要求不高的小型零件的校形。 2）齿形模：用于零件平直度要求较高的情况。齿形模有细齿和粗 齿两种，如下图示，对厚度较小的软金属零件只宜采用粗齿模校平 。
无模金属板料成形技术(单点渐进式成形)
中国首辆标准校车0001号 无锡市澳富特精密快速成形科技有限公司
轿车部件生产
无模金属板第料1成步形技: 术成(单形点渐进式成形)
第2步 : 切边, 割孔
无模成形
激光切边, 割孔
无模数控成形
激光切割完成
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引擎罩外壳
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单点渐进式成形的成形方法
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单点渐进式成形技术简介
无模无金模金属属板板料料成的形技成术形(单点技渐术进式是成国形)际上一种先进的柔性加工工艺。该工艺不需 要专用模具，具有生产周期短、成本低的优点。特别适合于小批量、多品种、 复杂金属板材零件的生产。
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单点渐进式成形的优势
无模金属板料成形技术(单点渐进式成形)
板料厚度：从0.1~4毫米 压头的运行速度：可达100米/分种 成形时间：取决于工件的尺寸和成形参数,通常数小时 材料的延伸率：可高达300%
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单点渐进式成形的应用领域
汽无车模制金属造板料业成：形技汽术(车单点样渐进车式覆成形盖) 件生产、限量版汽车生产、汽车覆盖件 的维修备件市场； 模具制造业：风电机舱罩,风电叶片,游艇外壳等玻璃钢产品的模具 制作;EPS、PU等发泡材料模具制作；滚塑成型产品模具制作； 机械制造业：机器设备上复杂造型、曲面的面板生产； 航空航天业：飞机内壳体、内饰件、雷达抛物天线、人造卫星外壳、 火箭导流罩的生产； 建筑业：城市雕塑,个性建筑装修外观； 船舶制造业：金属冲锋舟、摩托艇、救生艇的船身制作； 医学领域：颅骨修补及医用支架的制造；
板料成形回弹特征及其控制技术
18 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M
2008年第6期
如图10，对板料的弯曲部位进
图6 变整体拉延成形为先部分弯曲成形后部分拉延成形的回弹抑制算法
图4 内侧圆角半径R硬化方法
这种方法对于二维形状简单的 行局部的淬火和回火处理，降低屈
度又要具有弹性的成形件产品不适 产品有效，对于三维形状的复杂产 服点，进而达到消除回弹之目的。
用。
品有时会产生不合格的效果，要注 2.10 冻结形状技术
如图4，从弯曲部位的内侧进行 压缩，以消除回弹。在板材U形弯 曲时，由于有两侧对称弯曲，采用 这种方法效果比较好。L形弯曲时， 一般面部分的材料压料力变弱，有 时会产生尺寸变差。从形状判断， 弯曲部位压力弱。对于既要保证强
弹抑制方法对于越厚的板材效果越 好。 2.5 变整体拉延成形为部分弯曲成 形的回弹控制方法
如图6，把整体拉延成形（设整 体拉延深度为90 mm）的Ａ部（设为 60 mm）采用弯曲成形，消除板外侧 和内侧的应力差，剩余30 mm凹模的 B部，再通过拉延成形以减少回弹。
前提下，改变产品形状，增加加强 筋，可以控制和改善回弹。 2.8 负回弹方法
如图9，在加工工具表面时，设 法使板料产生负向回弹。上模返回 后，制件回弹，通过负回弹和回弹 而达到要求的产品形状。 2.9 淬火、回火抑制回弹方法
Crutonite合金
伊顿公司与一家特种金属材料研究公司共同开发的Crutonite气门材料具有全新的特性。其具有出色的耐高温、耐磨和高强 度的特性，特别适用于高性能柴油发动机和未来乘用车发动机更为复杂的燃烧环境。虽然这种新合金的性能表现和宇航超级耐 热合金相当，但镍类的特种金属使用量很少。
PACE：汽车供应商杰出贡献奖，由美国汽车工程师协会和美国汽车新闻共同评选。
板料冲压成形性能及冲压材料
板料冲压成形性能及冲压材料板料的冲压成形性能板料对各种冲压成形加工的适应能力称为板料的冲压成形性能。
具体地说，就是指能否用简便地工艺方法，高效率地用坯料生产出优质冲压件。
冲压成形性能是个综合性的概念，它涉及到的因素很多，其中有两个主要方面：一方面是成形极限，希望尽可能减少成形工序；另一方面是要保证冲压件质量符合设计要求。
下面分别讨论。
(一)成形极限在冲压成形中，材料的最大变形极限称为成形极限。
对不同的成形工序，成形极限应采用不同的极限变形系数来表示。
例如弯曲工序的最小相对弯曲半径、拉深工序的极限拉深系数等等。
这些极限变形系数可以在各种冲压手册中查到，也可通过实验求得。
依据什么来确定极限变形系数呢？这要看影响成形过程正常进行的因素是哪些。
冲压成形时外力可以直接作用在毛坯的变形区（例如胀形），也可以通过非变形区，包括已变形区（例如拉深）和待变形区（例如缩口、扩口等），将变形力传给变形区。
因此，影响成形过程正常进行的因素，可能发生在变形区，也可能发生在非变形区。
归纳起来，大致有下述几种情况：1.属于变形区的问题伸长类变形一般是因为拉应力过大，材料过度变薄，局部失稳而产生断裂，如胀形、翻孔、扩口和弯曲外区等的拉裂。
压缩类变形一般是因为压应力过大，超过了板材的临界应力，使板材丧失稳定性而产生起皱，如缩口、无压边圈拉深等的起皱。
2.属于非变形区的问题传力区承载能力不够：非变形区作为传力区时，往往由于变形力超过了该传力区的承载能力而使变形过程无法继续进行。
也分为两种情况：1)拉裂或过度变薄；例如拉深是利用已变形区作为拉力的传力区，若变形力超过已变形区的抗拉能力，就会在该区内发生拉裂或局部严重变薄而使工件报废。
2)失稳或塑性镦粗：例如扩口和缩口工序是利用待变形区作为压力的传力区，若变形力超过了管坯的承载能力，待变形区就会因失稳而压屈，或者发生塑性镦粗变形。
非传力区在内应力作用下破坏：非变形区不是传力区时，由于变形过程中金属流动的不均匀性，也可能产生过大的内应力而使之破坏。
板料成形工艺及模具
载荷值。
图6-15
拉深变形规律
2)主要工艺参数 拉深系数m＝d/D或它的倒数拉深比R＝ D/d反映了拉深变形程度。当m≤mmin或 R≥Rmax时，制件会开裂。在生产中，m或R是 进行工艺计算和模具设计最主要工艺参数。 mmin或Rmax表示拉深的加工极限。一般而言， 圆筒形件的首次极限拉深系数mmin为0.5左右。
来决定。
图6-17 胀形变形规律
如图6-18所示，当相对法兰直径比df/d≥2.5 时，法兰处进行拉深变形的阻力大于底部胀 形变形所需的力，工序性质属于胀形。与拉 深加工相同，除了毛坯几何尺寸外，压边力 大小、润滑和摩擦条件、模具的形状与几何 尺寸等因素也会在不同程度上影响到工序的 变形性质。
2)主要工艺参数 胀形工序种类繁多，表示胀形变形程度的 参数也不相同。 在生产中，常用 工程应变:ε=（l-l0）/l0×100% (压筋：l0—原始长度，l—变形后弧长)； 胀形深度:h(压凸包)
（4）拉深力－行程曲线 由图6-14可见，变 形初到中期，硬化使拉深力增大的速度超过法 兰面积减小使拉深力降低的速度，拉深力增加。 此后，面积减小使拉深力降低的速度超过加工 硬化使拉深力增大的速度，拉深力下降。拉深 力先增后降。
图6-14
拉深力-行程曲线
（5）拉深变形规律 图6-15显示了毛坯几何尺 寸和板料成形工序类型的关系。由图可见， 若毛坯底部带有底孔时，坯料在外力作用下 可能产生拉深、胀形和内孔翻边三种形式的 变形。坯料进行哪种形式的变形由金属的变 形规律所决定，即金属的变形对应于最低的
图6-20 翻边变形过程与变形区应力、应变状态
（2）主要变形区 如图6-20a所示，内孔翻 边时，主要变形区被限制在凹模圆角以内的 (d—d0)环形区域内。与拉深成形相同，在内 孔翻边过程中，变形区在不断缩小。
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（１）精冲工艺的类型及其发展
相对于普通冲裁而言，精密冲裁就是采用各种不同的冲裁方法， 直接用板料冲制出尺寸和形位精度高冲切面平整、光洁的精密冲裁 件。从最早的冲裁件修边（也称整修）到现在推广用于生产的强力 齿圈压板精冲以及表 ( 所列的各种精冲方法，其共同目的，都是要获 取冲切面平整光洁、尺寸与形位精度高的平板冲裁件。
3.4 板料精密成形工艺及理论
3.4.1精冲技术的发展与应用 3.4.2液压成形技术 3.4.3金属板料数字化成形技术
3.4.1精冲技术的发展与应用
（１）精冲工艺的类型及其发展 （２）精冲技术的发展历史 （３）精冲技术的发展前景
a)精冲材料方面的发展 b)精冲零件结构工艺性及其扩展 c)精冲模具的发展 d)精冲设备及其自动化
精冲料厚的范围已达到t>0.5~25mm，精冲材料强度σb已突 破 600MPa而达到900MPa ；
精冲件结构尺寸的限制数据也随模具的高强度、高韧性、 高耐磨材料的应用而有所突破。
（３）精冲技术的发展前景 c)精冲模具的发展
精冲模向“高精度、高效率、高 寿命”即所谓“三高”及大型化方向 发展，促进了精冲工艺应用的普及和 扩展。
（３）精冲技术的发展前景 d)精冲设备及其自动化
精冲设备是指一个完整的精冲机组，通常包括：开 卷机、校平机（或随机校平装置）、送料装置、自动润 滑系统、主机、自动检测系统、主机与模具保险系统、 出件装置、废料切断及卸料系统、成品冲件分选及输送 系统、自动去毛刺装置以及故障与事故报警系统、噪声 防护装置、人身安全保护系统等等。
（2）推广应用精冲工艺的最终目的是要获取更高 的效益、更高的产品质量。由于精冲的设备、模具等都比普通冲 裁贵的多，只有达到足够大的生产批量才能靠比切削加工工（台） 时少而节约的费用给予弥补后，余额越多效益也越好。故根据零 件复杂程度和产量，用多个工艺方案对比后，选定精冲工艺才比 较稳妥。
（3）广泛开展大协作，实行精冲件生产专业化。 有些企业暂时需要精冲的零件品种少、产量不大，可委托行业或 地区的专业精冲加工中心精冲，也可以获取节能降耗的效果。目 前汽车与汽车零部件行业已有自己的精冲加工中心，规模尚小， 还处在发展中。现在面临的问题是突破行业界限、克服地区壁垒、 无条件开展大协作。
由于高强度微量合金细晶粒钢良好的使用性能，愈 来愈多地用于精冲件生产。原材料的初始强度及其在精 冲过程中的冷作硬化可获得冲切面硬度很高的精冲件， 而且冲切面上还无裂纹与其它缺陷。
精冲新钢种
（３）精冲技术的发展前景
b)精冲零件结构工艺性及其扩展
精冲早已不限于平板零件的冲裁而从平面零件向各种立体 成形零件延伸，包括：弯曲、拉伸、翻边、压形、冷挤、沉孔等 精冲工艺作业。精冲已从纯冲裁进入板料冲压的所有工艺作业。 因此，称为精密冲压更确切。
已开发研试的各种精冲方法
已开发研试的各种精冲方法（续）
（２）精冲技术的发展历史
Fritz Schiess 于1919 年开始研究至1923年3月9日由 德国专利局批准了他申请的《金属零件的液压冲裁与冲 压装置》技术专利。1924 年 Fritz Schiess 在德国建立了 精冲模制造车间并于1925年生产出第一个精冲件。此后 到 1950年，该技术一直秘密地用于钟表制造业。1952பைடு நூலகம் 瑞士出现了第一个研究与开发精冲技术的专业公司，即 Heinrich Schmid 公司，该公司首先设计并制造出肘杆传 动机械式三动精冲压力机。1956 年该公司还制造了第一 台全液压三动精冲压力机。1957年该项技术从秘密走向 公开，瑞士又相继成立了几个精冲专业公司，为强力齿 圈压板精冲技术在 1958 年以后的推广及发展注入了新活 力，该技术很快推广到法国、意大利、英国与美国。
精冲零件的加工水平
精冲件最大外廓尺寸：800mm 精冲件最大料厚tmax：
铝板tmax =25mm 钢板tmax =16mm(σb≤500MPa)
tmax =20mm(σb≤420MPa)
（３）精冲技术的发展前景 a)精冲材料方面的发展
钢板精冲取决于其机械性能、化学成分、金相组织 及外观质量。对钢而言，屈强比σs/σb≈60%，延伸率尽可 能高，球化退化后σb≤500MPa是其可否精冲的基本条件。 为了突破上述极限，精冲高强度厚钢板，开发精冲性能 好的高强度微量合金细晶粒钢获得突破，见表。
用计算机辅助精冲机组以自动控制精冲过程，实现 全部工艺过程由计算机控制，实现全自动化生产。上述 全过程通过摄录像并在操作间或调度指挥室计算机荧屏 上显示出来。无论哪个环节违规动作，计算机都会捕追 到第一手信息传送给指挥机以便及时纠正。
（４）推广应用精冲技术面临的问题
（1）板状零件，特别是中厚板、厚板零件改用精冲生产 要承担多次试验甚至多次失败的风险。有些零件还要修改结构尺 寸及技术要求甚至改材料牌号才能实施精冲。面对欲精冲零件要 仔细进行工艺分析与可行性研究后提出实施方案。
（４）推广应用精冲技术面临的问题
（4）精冲模的设计与制造要走专业化生产的路子。精冲模制造 不仅需要多种高、精、尖制模专用设备，制模工艺及技术都要求 很高，除专业模具厂外，精冲加工中心应具有较强的精冲模设计、 制造与修理能力，其它多数企业不应添置精冲模制造设备扩大其 制造能力，应以外协为主。 （5）薄料 t<3mm、小尺寸L<150mm 精冲件，当其品种多而批量 不大时，可以用国产普通冲床或液压机，配通用液压装置或液压 模架进行精冲。也可用碟簧、螺簧或聚氨酯橡胶作为弹性元件驱 动齿圈压边与反顶，在普通冲床上用这种简易三动精冲模实施精 冲。如面临上述简易精冲、外协精冲以及配置精冲成套设备推广 精冲技术 3 种方案时，应考虑企业长远规划，进行成本核算与比 较后确定。 （6）推广精冲工艺要求完善的配套工艺技术，主要是精冲材料前 处理，包括：钢的球化处理、铝及铜合金的软化处理，涉及到热 处理工艺。精冲中润滑要求很高，必须采用精冲专用高效润滑剂 进行专门、定时润滑。这些配套技术若跟不上也难以成功实施精 冲作业。