冲压技术的发展概况

《冲压技术的发展概况》由会员分享，可在线阅读，更多相关《冲压技术的发展概况（8页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、1. 冲压技术的发展随着科学技术的不断进步，工业产品的生产日益复杂与多样化，产品性能和 质量也在不断提高，因而对冷冲压技术提出了更高要求。冲压技术自身也应不断 创新和发展。1.1 冲压成形工艺与理论研究 冲压成形工艺近年来有很多新的发展，在精密冲裁、精密成形、精密剪切、 复合材料成形、超塑性成形、软模成形以及电磁成形等方面取得很大进展。冲压 件的成形精度、生产率越来越高。精密冲压的范围越来越广，由平板零件精密冲 裁拓宽到精密弯曲、精密拉深及立体精密成形等。计算机辅助工程（CAE）在冲压领域得到了较好的发展和应用，可进行应力 应变的分析，排样、毛坯的优化设计及工艺过程的模拟与分析等，实现冲压过程

2、 的优化设计。此外，冲压成形性能和成形极限的研究，冲压件成形难度的判定以及成形预 报等技术的发展，均标志着冲压成形以从原来的经验、实验分析阶段走上由冲压 理论指导的科学阶段，使冲压成形走向计算机辅助工程化和智能化得发展道路。1.2 冲压技术的数字化与信息化 先进的冲压技术是指信息技术、新材料、新工艺与传统冲压技术的结合。当 前，冲压行业的技术水平和先进性，主要表现在CAD/CAE/CAPP/CAM技术为代表 的数字化与信息化程度，以及企业中信息集成和管理网络化程度。目前，国内汽 车覆盖件模具生产企业普遍采用了 CAD/CAM技术，CAPP和CAE也开始使用。随着计算机的深入应用，我国不少企业已

3、经在尝试或者开展计算机辅助冲压 工艺设计CAPP系统的应用。冲压CAPP系统已从工艺设计发展到工艺信息的管理, 设计方法也从派生式、创成式、混合式三种CAPP系统并举的局面向智能化得混 合CAPP系统方向发展。从冲压件成形对工艺设计的需求出发，将数值模拟技术、 优化方法、知识发现技术、 KBE 技术及信息管理技术综合应用到冲压件工艺设计 中，建立智能的优化CAPP系统，并实现与CAD/CAE/CAM及管理的集成化，将是 该领域未来的发展方向。以有限元模拟为主的冲压成形CAE技术，可以用于冲压成形过程的分析、优 化和模具设计，能显著减少模具设计和调试周期，降低生产成本，提高产品质量。 在国外已得

4、到广泛应用，在我国随着产品更新换代的频繁化，模具设计与制造量 急剧加大，对冲压成形的分析及模具CAD/CAE/CAM现代化设计手段的需求也急剧 增加，CAE技术正在得到普遍重视并将得到广泛应用。国内广泛应用的板材冲压 成形 CAE 软件主要有 LS-DYNA3D、DYNAFORMAE、PAM-SYAMP、OPTRIS、AUTOFORM 等。国内在板料成形数值模拟领域的基础研究和软件开发方面都得到一定的进展 已开发出具有独立知识产权，初步达到工业化应用水平的模拟软件。2. 汽车覆盖件的冲压成形及其发展汽车覆盖件是指覆盖发动机、底盘、构成驾驶室和车身的薄板异形体零件。 同一般的冲压件相比，它具有材

5、料薄、形状复杂、结构尺寸大和质量要求高等特 点。由于汽车覆盖件属于外观装饰性零件，它不仅要求满足结构上的功能要求， 更要求满足表面装饰的美观要求，因此对表面质量要求很高，表面必须光顺，不 允许有任何皱裂和拉痕等缺陷。这给覆盖件成形的关键工序例如拉延，提出了很 高的要求，而传统的手工设计制造方法难以保证拉延件的质量，这也是车身制造 技术的难点和关键。近年来，国内外各大汽车制造企业都将车身外形的设计和制 造能力作为衡量汽车，特别是轿车车型开发水平的重要标志，为此，世界各国均 投入了大量的人力和财力开展汽车覆盖件设计及其制造技术的研究与开发。合理 的成形工艺设计决定覆盖件能否顺利成形的关键，它将直接

6、关系到产品的质量、 成本、生产效益以及模具的使用寿命等方面。覆盖件工艺设计及其关键技术已成 为人们研究的热点。2.1 国内外研究现状 当今世界各国都将汽车工业作为国民经济的支柱产业之一，竞争日趋激烈。 衡量汽车工业特别是轿车工业发展水平的重要标志是车型的自主开发与设计能 力。克莱斯勒公司在 1987 年选择了法国 Dassault Sys2ftem 公司开发由 IBM 公 司销售的 CATia 软件，作为设计开发新车型的基本 CAD 工具，后来又购买了 Parameltc Technology 公司的 Pro/Engineer 系统作为补充，在工厂布置设计方 面，使用 AutoCAD 及 in

7、tegraph 的软件，在 CAM 方面，克莱斯勒使用 CATia 以及 Dassault开发的数字制造过程系统（DMAPS）程序美国通用公司的模具CAD/CAM 系统包括CSG系统，GMFORM系统，TRACS系统，PACS系统。此外，其它的汽车 公司也都开发应用了 CA也有所发展。如华中理工大学目前正致力于多工位精密 级进模CAD/CAM项目研D/CAM系统，如马自达公司，富士重工业公司、AUTODIE 公司和富士铁工所等都采用了模具CAD/CAM，以增加市场竞争力。国内的CAD/CAM 技术近几年究，中科院软件工程研制中心于93年开发出冲模CAD系统PICAD， 北航的PANDA系统，清

8、华的GEMS系统；浙大的MESSAGE系统。2.2 覆盖件成形工艺及其发展趋势覆盖件的成形一般由落料（或剪切）、拉深、修边、翻边、整形、冲孔、弯 曲、胀形、切口等基本工序按需要排列组合而成，典型结构的覆盖件一般需要 4-6 道工序。工艺设计中需要考虑的因素很多，主要有以下几个方面：（1）研究冲压成形性能及加工方法、加工性能。（2）设计工序最少且又能满足覆盖件性能要求的方案。大批量生产时，应尽 量把多工序合并成一道工序，小批量则用单工序模。（3）初步确定模具结构及影响强度、寿命的尺寸。（4）根据覆盖件的大小计算冲压力，决定各工序所使用的设备。（5）以冲压为主主重新讨论工艺设计，因为即使是最好的设

9、计师，也不可能 精通各部门的工作，通过讨论则可收集到大量的第一手资料，从而提高设计水平。 分析讨论时要邀请质量控制、模具制造、调试和使用等部门人员参加，并做好记 录。（6）经济分析，以降低成本、提高效率为目的。 伴随计算机技术、智能技术和电子信息技术的飞速发展，汽车覆盖件冲压 工艺设计技术的发展应与先进制造技术、智能技术、电子信息及计算机集成技术 等众多学科相互交叉、紧密结合，这代表着该领域21 世纪的科技发展方向，具 有经济性、前沿性和战略性。在可以预见的未来，汽车覆盖件冲压工艺设计将会 在以下方向上得到长足的发展：（1）多种方法的混合智能新技术：单一的智能化方法将无法完成汽车覆盖件 复杂的

10、工艺设计，扬长避短的混合智能新技术将是解决该领域问题的一个发展途 径。如KBE技术、工艺决策推理机制、人工神经网络、遗传算法（GA）、Pe tri网 等智能化技术及并行工程、CIMS思想等的混合决策技术和多智能体技术的综合 智能体系。（2）工艺设计关键部分的各个突破和集成设计：拉延冲压方向、工艺补充面、 压料面、拉延筋的设计是覆盖件工艺设计的关键部分，因其复杂性，不少人员采 用各个击破的方式对其分别进行了具体研究，实现一定程度的交互或优化设计， 目前这些部分的研究仍有待继续深入进行。同时覆盖件工艺设计是一个整体性、 系统性的研究目标，应加强它们之间及其他部分的关联和集成，提高工艺设计的 整体水

11、平。（3）数值模拟技术的成形模拟应用：目前，数值模拟技术已广泛应用于覆盖 件成形性检验、工序件设计结果检验中，CAE已成为覆盖件工艺设计的检验工具 盒工程人员修改工艺设计的有力依据，在某些部分还成为优化设计的依据和基础 图一为传统的汽车覆盖件的开发和使用计算机模拟的开发过程对比，从图中左右 对比可以看出，传统的汽车覆盖件的开发过程不但开发周期长，而且费用高，采 用了计算机模拟的开发过程之后，则大大降低了成本，缩短了开发时间，提高了 产品质量，增强了产品的竞争力。3. 覆盖件成形过程中的常见质量问题及解决办法汽车覆盖件和一般冲压件相比具有材料薄、形状复杂且多为空间曲面，结构 尺寸和表面质量要求高

12、等特点。覆盖件在冲压工艺的确定，模具的设计与制造上 均有较大难度，其成形涉及到大量的几何非线性。材料非线性和边界条件非线性 等问题覆盖件的质量常常因模具结构、冲压方向、毛坯形状以及压边力、拉延筋、 凹凸模间隙、冲压速度等确定或设计不当而受到影响。其中起皱、拉裂、回弹是 覆盖件成形过程中最为常见的三种质量问题。3.1 起皱失稳起皱是板料冲压成形过程中决定成形极限最主要的缺陷之一，板材在轧 制中出现的波浪、旋压和拉深的皱折等都属于起皱，不但严重影响成形件的成形 质量、精度和模具的寿命，而且有时直接导致后续成形过程无法进行。因此，有 效预测和控制起皱现象的产生在板料冲压加工中就显得极为重要。从力学分

13、析角 度看，起皱是板坯或壳体在某种局部压应力作用下产生屈曲并出现后屈曲大变形 的外部宏观表现。近一个世纪以来，人们从屈曲起皱产生的原因、预报及屈曲后 的性质等各个方面对屈曲进行了深入的研究。这些研究涵盖了从实验研究、理论 分析到数值模拟，从薄板拉深成形、液压成形到弯管成形，从起皱、后起皱预测 到失稳控制等诸多方面。起皱的产生和发展受到应力状态、材料的力学性能、工 件的几何形状以及接触情况等因素的影响。由于影响因素众多，同时考虑这些因 素对起皱的产生和发展的影响是非常困难的。因此，对起皱问题的研究一般都是 针对具体的生产过程。到目前为止，对起皱现象还缺乏本质和规律性的认识。影响毛坯起皱的主要因素

14、：(1) 毛坯的相对厚度。板料毛坯的相对厚度 t/Do 越小，拉深变形区抗失稳的 能力越差，也越容易起皱。(2) 材料的力学性能。材料的弹性模数E、应变强化模数D越大，抵抗失稳 的能力也越大，越不容易起皱。(3) 拉深系数。拉深系数m=d/D。越小，拉深变形程度越大，拉深变形区内 金属的硬化程度也越高，所以切向压应力的数值也相应地增大。另一方面，拉深 系数越小，拉深变形区的宽度越大，所以其抗失稳的能力变小。上述两个因素综 合作用的结果，都使拉深系数较小时毛坯的起皱趋向加大。反之，则不易起皱。 有时虽然毛坯的相对厚度较小，但是由于拉深系数较大，拉深时毛坯也不会起皱， 可以不用压边圈，高度很小的浅

15、拉深件即属于这种情况。准确判断坯料拉深时是否起皱是一个相当复杂的问题。在生产实际中可由下 式概略估算拉深件是否会起皱用普通平端凹模拉深时 毛坯首次拉深不起皱的条 件是t/DN(0.090.17)(l-d/D)用锥形凹模首次拉深时材料不起皱的条件是t/D0.03(1-d/D)式中t为板料厚度d为工件直径D为毛坯直径若不能满足上述式子的要求，就要发生起皱。在实际生产中，最常用的方法 是采用压边圈来防皱。加压边圈后，材料被迫在压边圈和凹模平面间的间隙中流 动，稳定性得到增加，起皱也就不容易发生。3.2 破裂汽车覆盖件冲压时，变形区内的应力应变分布、各部位的变形状态及其变形 路径都随成形过程而不断改变

16、，变形区内的板料常因局部变形过大或变形不均而 产生表面微裂纹直至破裂。破裂是板料在冲压成形过程中受拉失稳的一个主要表现形式。当板料变形超 出其材质的成形极限时，就会出现颈缩失稳进而发生破裂。板料在拉力作用下产 生塑性变形时，一方面其承载面积在减小，另一方面其应变强化效应在增加。当 板料硬化的应力增量足以补偿因承载面积减小而保持继续变形所需应力的增加 值时，其变形可以稳定地进行下去。当二者相等时，拉深变形处于临界状态即失 稳点。当板料硬化的应力增量小于承载面积减小所需的应力增加值时板料失稳直 至破裂。破裂机理主要包括以下三个方面：(1)材料所受最大剪切应力达到了晶体滑 移的极限剪应力，(2)最大

17、拉应力达到了材料的极限拉应力，(3)拉深失稳导致 破裂。成形极限图法是有限元数值模拟中常采用的预测破裂的方法。通过软件分析 材料的应变，将其放在FLD中考察。若有点落在断裂区域，则产生断裂。反之则 未产生断裂。计算元素积分点上的最大应变和最小应变，当主应变平面上的点超 过变形界限时，认为断裂产生反之则未产生断裂。目前大多数商用有限元软件均 将成形极限图作为数值模拟拉裂判断的主要依据。对于拉伸破裂，要设法减少初始破裂处最大主应变方向的进料阻力，可以通 过调整凸、凹模圆角半径，压料面不设增阻部分，适当增大模具间隙等方法来改 善。3.3 回弹板料拉深弯曲变形过程中，材料发生塑性变形的同时一定伴随有弹

18、性变形。 当成形负荷卸载后，弹性变形开始释放，零件便会发生回弹。回弹将会影响零件 的最终形状，回弹量的大小将直接影响零件的几何精度，也是实际工艺中很难有 效克服的成形缺陷。近年来由于高强度薄钢板和铝合金板材在汽车薄壳类零件中 的大量使，冲压件成形回弹问题越发成为冲压成形领域关注的热点问题。对于覆盖件来讲 造成成形后的零件不贴模而发生回弹的主要原因有以下两 个方面 任何塑性变形都伴随有弹性变形 由于在板料内外表层纤维进入变形状 态时而板料中心仍处在弹性状态当卸载后板料产生回弹覆盖件在拉延过程中，沿厚度截面同时受到膜向拉力和弯矩的共同作用。板 料外表面最先进入塑性，外表面和贴模的内表面之间依次由塑

19、性区过渡到弹性区 成形结束卸载之前，板厚截面的膜向拉力和弯矩与外部载荷平衡卸载以后，平衡 遭到破坏。零件内部处于不稳定状态。为了重新建立稳定的平衡，内部膜向力和 弯矩以大小与之相等，方向与之相反的弹性膜向力和弹性弯矩发生弹性恢复。卸 载的弹性恢复是一个寻求内部应力自相平衡的过程。产生的弹性恢复应变引起零 件几何形状发生改变，。当零件达到内部应力自相平衡时，弹性恢复过程结束。对于回弹，可以通过改进工艺方法和模具结构，来改善板材在成形过程中的 应力状态，减少板材的切向压应力，增大径向拉应力，使变形区的材料应力状态 满足塑性条件。影响汽车覆盖件成形质量主要因素有压边力、冲压速度、凸凹模间隙及拉延 筋

20、布局等。要获得合格的覆盖件，应综合考虑压边力、冲压速度、凸凹模间隙、 拉延筋深度及布局等因素对成形质量的影响。可采用有限元模拟软件 Dynaform 进行数值模拟，并利用正交实验法确定因素、水平及考察指标。通过对一系列的 实验结果进行分析确定出一组合适的工艺参数，进而达到预测和消除覆盖件成形 过程中的潜在缺陷的目的。这样也大大减少了试修模次数，降低生产周期从而为企业赢得更大的利益。4.成形工艺参数通常成形工艺参数指在成形过程中才出现并起作用的过程参数，包括压边力、 压边摩擦力、拉延筋成形阻力、凸模与凹模成形力、成形速度、润滑条件以及变 形路径等。在这其中压边摩擦力、凸模与凹模成形力与模具的型面

21、参数、压边力 及润滑条件有关，所以不单独考虑。4.1 压边力在成形过程中，一般认为除成形装备的性能参数可以调节之外，如冲制力、 冲压速度、压边力等，其余的均认为是定常的。因此，对板料在成形过程中的控 制，只有通过控制一些可变参数（即控制成形装备的性能参数）来保证或提高零件 的质量，而这些可变参数中最活跃的因素之一就是压边力的控制。因此压边力是 拉深成形的重要工艺参数，即使是带有拉延筋或拉延埂的汽车覆盖件等复杂零件 的成形，压边力的控制也是零件成形质量的重要保证，故压边力的控制技术至今 仍是人们的研究热点之一。目前，国内外的研究机构及高校均对它作了很多的研 究，取得很大的进展。4.2 拉延筋成形

22、阻力与压边力在成形过程中调整作用相比，拉延筋成形阻力有时在成形过程中显 得非常重要，仅靠压边力的调整还不能获得满意的冲压件质量。因为冲压件的形 状有时很复杂，在不同成形区域，成形的深度不一致，导致材料的流入量不一致， 布置适当的拉延筋，可以在更大范围内控制变形区毛坯的变形大小和变形分布， 减少破裂、起皱、面畸变和回弹等多种质量问题的产生。4.3 凸模或凹模成形力及成形速度根据Muschenbom等的研究结论，成形速度与成形极限曲线（FLC）无关，但能 改变冲压件的应变分布。当成形速度增加时，毛坯材料应变常常向背离成形极限 曲线方向变化，所以一般在考虑成形速度时，根据经验或资料选定一个最高成形

23、速度。拉延成形速度同时也与冲压设备相关，传统设备的可调整余地不是很大， 因此在优化设计研究中不占主导地位。4.4 润滑条件在冲压件的冲压成形过程中，坯料与模具之间必然存在相对运动，也必然伴 随有摩擦。事实上，摩擦力是板料冲压成形中的重要外力之一，它不仅影响成形 力的大小和能量消耗，还直接影响坯料的成形性能、回弹量和零件的表面质量。 合适的润滑，不仅可以减少摩擦力、避免零件刮伤和延长模具寿命，而且还可以 利用摩擦控制材料流动。大量的实践表明，合适的摩擦状况可以在一定的程度上 弥补材料本身成形性的不足和补偿模具设计制造中的欠缺。对复杂冲压件，接触 界上的摩擦状况往往对冲压过程的成败具有决定性的作用。由于冲压过程中的摩 擦问题很复杂，人们对板料成形过程中的摩擦原理还不是很清楚，所以一直是学 者的研究热点之一。