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1、河南理工大学本科毕业设计说明书（论文）- 1 -1 冲压成形的理论基础1.1 冲压的概念、基本工序、现状及发展方向1.1.1 冲压的概念、特点及应用冲压是利用安装在冲压设备(主要是压力机) 上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性交形，从而获得所需零件(俗称冲压件或冲件 )的一种压力加工方法。冲压通常是在常温下对材料进行冷变形加工，且主要采用板料来加工成所需零件，所以也叫冷冲压或板料冲压。冲压是材料压力加工或塑性加工的主要方法之一，隶属于材料成形工程技术。冲压所使用的模具称为冲压模具简称冲模。冲模是将材料(金属或非金属)批量加工成所需冲件的专用工具。冲模在冲压中至关重要，没有符合要求的冲模，
2、批量冲压生产就难以进行，没有先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。冲压工艺与模具、冲压设备和冲压材料构成冲压加工的三要素与机械加工及塑性加工的其他方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的优点。主要表现如下。 冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化。这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数为每分钟几十次，高速压力机每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。它们的关系如下图 0-1。 冲压时由模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一 般不破坏冲压材料的表面质量，而模具的寿命一般较长，所以冲压件的质量稳定，互换性好，
3、具有“一模一样”的特征。 冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒针，大到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压件的强度和刚度均较高。河南理工大学本科毕业设计说明书（论文）- 2 - 冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较少，且不需其他加热设备，因而是一种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。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。冲压在现代工业生产中，尤其是在大批量生产中应
4、用十分广泛。相当多的工业部门越来越多地采用冲压方法加工产品零部件，如汽车、农机、仪器、仪表、电子、航空、航天、家电及轻工等行业。在这些工业部门中，冲压件所占的比重都相当的大，少则 60以上，多则 90以上。不少过去用锻造、铸造和切削加工方法制造的零件，现在大多数也被质量轻、刚度好的冲压件所代替。因此可以说，如果生产中不广泛采用冲压工艺，许多工业部门要提高生产效率、提高产品质量、降低生产成本、进行产品更新换代等都是难以实现的。河南理工大学本科毕业设计说明书（论文）- 3 -1.1.2 冲压的基本工序及模具由于冲压加工的零件种类繁多，各类零件的形状、尺寸和精度要求又各不相同，因而产中采用的冲压工艺
5、方法也是多种多样的。概括起来，可分为分离工序和成形工序两大类：分离工序是指使坯料沿一定的轮廓线分离而获得一定形状、尺寸和断面质量的冲压件(俗称冲裁件 )的工序；成形工序是指坯料在不破裂的条件下，产生塑性变形而获得一定形状和尺寸的冲压件的工序。上述两类工序，按基本变形方式不同又可分为冲裁、弯曲、拉深和成形四种基本工序每种基本工序还包含有多种单一工序。在实际生产中，当冲压件的生产批量较大、尺寸较小而公差要求较小时，若用分散的单一工序来冲压是不经济甚至难于达到要求。这时在工艺上多采用工序集中的方案，即把两种或两种以上的单一工序集中在一副模具内完成，称为组合工序。根据工序组合的方法不同，又可将其分为复
6、合、级进和复合级进三种组合方式。复合冲压在压力机的一次工作行程中，在模具的同一工位上同时完成两种或两种以上不同单一工序的一种组合方式。级进冲压在压力机的一次工作行程中，按照一定的顺序在同一模具的不同工位上完成两种或两种以上不同单一工序的一种组合方式。复合级进冲压在一副冲模上包含复合和级进两种方式的组合工序。冲模的结构类型也很多。通常按工序性质可分为冲裁模、弯曲模、拉深模和成形模等按工序的组合方式可分为单工序模、复合模和级进模等。但不论何种类型的冲模，都可看成是由上模和下模两部分组成，上模被紧固在压力机滑块上，可随滑块作上、下往复运动，是冲模的活动部分；下模被固定在压力机工作台或垫板上，是冲模的
7、固定部分。工作时，坯料在下模面上通过定位零件定位，压力机滑块带动上模下压，在模具工作零件(即凸模、凹模) 作用下坯料便产生分离或塑性变形，从而获得所需形状与尺寸的冲件。上模回升时模具的卸科与出件装河南理工大学本科毕业设计说明书（论文）- 4 -置将冲件或废料从凸、凹模上卸下或推、顶出来，以便进行下一次冲压的循环。1.1.3 冲压技术的现状及发展方向随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展，许多新技术、新工艺、新设备、新材料不断涌现，因而促进了冲压技术的不断革新和发展。其主要表现和发展方向如下。 冲压成形理论及冲压工艺方面冲压成形理论的研究是提高冲压技术的基础。目前，国内外对冲压成形理论的研究
8、非常重视，在材料冲压性能研究、冲压成形过程应力应变分析、板料变形规律研究及坯料与模具之间的相互作用研究等方面均取得了较大的进展。研究推广能提高劳动生产率及产品质量、降低成本和扩大冲压工艺应用范围的各种冲压新工艺，也是冲压技术的发展方向之。日前，国内外相继涌现出了精密冲压工艺、软模成形工艺、高能高速成形工艺、超塑性成形工艺及无模多点成形工艺等精密、高效、经济的冲压新工艺。 冲模设计与制造方面冲模是实现冲压生产的基本条件。在冲模的设计和制造上，目前正朝着以下两方面发展：一方面，为了适应高速、自动、精密、安全等大批量现代生产的需要冲模正向高效率、高精度、高寿命及多工位、多功能方向发展，与此相适应的新
9、型模具材料及其热表处理技术，各种高效、精密、数控、自动化的模具加工机床和检测设备以及模具 CAD/CAM 技术也正在迅速发展：另一方向，为了适应产品更新换代和试制或小批量生产的需要，锌基合金冲模、聚氨酯橡胶冲模、薄板冲模、钢带冲模、组合冲模等各种简易冲模及其制造技术也得到了迅速发展。 冲压设备和冲压生产自动化方面性能良好的冲压设备是提高冲压生产技术水平的基本条件，高精度、高寿命、高效率的冲模需要高精度、高自动化的冲压设备相匹配。为了满足大批量高速生产的需要，目前冲压设备也由单工位、单功能、低速压力机朝着多工位、多功能、河南理工大学本科毕业设计说明书（论文）- 5 -高速和数控方向发展，加之机械
10、手乃至机器人的大量使用，使冲压生产效率得到大幅度提高，各式各样的冲压自动线和高速自动压力机纷纷投入使用。 冲模标准化及专业化生产方面棋具的标准化及专业化生产，已得到模具行业的广泛重视。因为冲模属单件小批量生产，冲模零件既具有一定的复杂性和精密性，又具有一定的结构典型性。因此，只有实现了冲模的标准化，才能使冲模和冲模零件的生产实现专业化、商品化，从而降低模具成本，提高模具质量和缩短制造周期。 1.2 冲压成形的过程分析1.2.1 金属塑性变形的概述冲压成形是金属塑性成形加工中的一种，它主要是利用材料的塑性，在外力的作用下发生塑性变形而使材料成形的一种加工方法。因此，要掌握冲压成形的加工技术，就必
11、须对材料变形性质及规律有充分的认识。 塑性变形的物理概念在金屑物体中，原子之间作用着相当大的力，足以抵抗重力的作用，所以在没有其他外力作用的条件下，物体将保持自有的形状和尺寸。当物体受到外力作用之后，物体的形状和尺寸将发生变化这种现象称为变形。变形的实质就是物体内部原子间的距离产生变化。若作用于物体的外力去除以后，由外力引起的变形随之消失，物体能完全恢复自己的原有形状和尺寸，这样的变形称为弹性变形。若作用于物体的外力去除以后，物体并不能完全恢复自己的原有形状和尺寸，这样的变形称为塑性变形。塑性变形和弹性变形一样，它们都是在变形体不破坏肋条件下进行的，或在变形体局部区域不破坏的条件下进行的(即连
12、续性不破坏)。金属材料在外力作用下，即能产生弹性变形，又能从弹性变形发展到塑性变形，是一种具有弹塑性的工程材料。金属塑性变形过程非常复杂，但基本方式主要有滑移、孪动和晶间变河南理工大学本科毕业设计说明书（论文）- 6 -形三种。 塑件与变形抗力所谓塑性，是指物体在外力的作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。塑性不仅与物体材料的种类有关，还与变形方式和变形条件有关。所谓变形抗力，是指在一定的变形条件(加载状况、变形温度及速度) 下，引起物体塑性变形的单位变形力。变形抗力反映了物体在外力作用下抵抗塑性变形的能力。塑性和变形抗力是两个不同的概念。通常说某种材料的塑性好坏是指受力后临近破坏时的变形
13、程度的大小，而变形抗力是从力的角度反映塑性变形的难易程度。如奥氏体不锈钢允许的塑性变形程度大，说明它的塑性好，但其变形抗力也大，说明它需要较大的外力才能产生塑性变形。 塑性变形对金属组织和性能的影响金属受外力作用产生塑性变形后，不仅形状和尺寸发生变化，而且其内部组织和性能也将发生变化，这些变化可以归纳为以下四个方面：(1)形成了纤维组织；(2)形成了亚组织； (3)产生了内应力；(4) 产生了加工硬化。1.2.2 塑性变形时的应力与应变在冲压过程中，材料的塑性变形都是模具对材料施加的外力所引起的内力或内力直接作用的结果。一定的力的作用方式和大小都对应着一定的变形，所以为了研究和分析金属材料的变
14、形性质和变形规律，控制变形的发展，就必须了解材料内各点的应力与应变状态。1. 点的应力状态在外力的作用下材料内各质点间就会产生相互作用的力，称为内力。单位面积上内力的大小称为应力。 在一般情况下，变形毛坯内各质点的变形和受力状态是不相同的。通常将质点的受力状态称为点的应力状态。一点的应力状态可用个平行六面体(单元体)来表示，见图 1-2，将各应力分量均表示在前 3 个可视面(即河南理工大学本科毕业设计说明书（论文）- 7 -面、y 面、面)上，而后 3 个不可视面( 即-面、- 面、- 面)上的应力分量应与前 3 个面上对应的应力分量大小相等、方向相反，一般不予表示。每个面上有一个正应力、两个
15、剪应力，共 9 个应力分量，再考虑剪应力的互等性，则仅有6 个独立的应力分量；正应力分量方向的含义是，箭头指向平行六面体之外，符号为正，为拉应力；反之，符号为负，为压应力。对同一点应力状态，6 个应力分量的大小与所选坐标有关，不同坐标系所表现的 6 个应力分量的数值是不同的。存在这样一个(仅有一个)坐标系，按该坐标系做平行六面体则应力分量只有 3个正应力分量，面无剪应力分量，那么称这 3 个正应力为主应力，称该坐标系为主坐标系，3 个坐标轴为主应力袖，见图 1-2(b)。如果用主坐标系表示质点的应力状态，即单元体上仅有正应力，而无剪应力；换言之，仅承受拉应力或压应力，则可将主应力状态分为如图
16、1-3 所示的 9 种类型。图中，第一行为单向应力状态：单向拉和单向压；第二行为两向应力状态，或称作平面应力状态：两向拉、两向压或一拉一压；第三行为三向应力状态，或称作复杂应力状态：三向拉、三向压、一压两拉或一拉两压。对于板料冲压工艺，第二行应力状态居多。图 1-2 质点的应力状态河南理工大学本科毕业设计说明书（论文）- 8 -（a）任意坐标系 （b）主坐标系图 1-3 主应力状态图2. 应变状态在一般情况下，变形毛坯内各质点的变形状态是不相同的。通常将质点的变形状态称为点的应变状态。一点的应变状态可用一个平行六面体来表示，每个面上有一个正应变、两个剪应变，共 9 个应变分量，经迭加刚性转动可使剪应交互等，则仅有 6 个独立的应变分量。正应变分量方向的含义是，箭头指向平行六面体之外，符号为正，则表示伸长，反之，符号为负，则为压缩(收缩) ；而剪应变分量的作用是使平行六面体产生角变形。对同一点的应变状态，6 个应变分量的大小与所选坐标有关，
