特种冲压成形技术

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1、特种冲压成形技术现代汽车冲压件的技术要求朝着结构复杂、分块尺寸增大、相关边的零部件较多、承载能力变大和内应力限制严格等方向发展。这要求并促进特种冲压成形技术如液压成形、 精密成形、爆炸成形、旋压成形、无模成形、激光成形和电磁成形技术的发展。限于本 文篇幅，这里主要介绍内压成形和电磁成形两项技术。液压式或注入弹性体式的成形技术，其高压形成过程一般包括：1）有效介质如冰的膨胀或弹性体压入使内部压罚极慢增长的过程；2）流体静罚的骨高压形成过程；3）极端压力如爆炸的动态过程等。介质可以是无定形的固体、液体或气体，在系 统中介质可依据要加工的形状作任意变化，履行凸模功能，所以介质可等同于一个万能 模具。

2、图四是板材超朔成形的例子，从图中可见此时有效介质变成凸模。液压式内高压成形技术与其他冲压成形技术相比，有几项明显优点：1）在成形过程中可一次加工出如车桥、顶盖板、门框等大型复杂的三维几何形状 的工件；2）因为液体在成形过程中冷却作用，使工件被冷作强化，获得比一般冲压加工 更高的工件强度，这使得允许采用更薄的板材，使工件更轻量化；3）工件外表板面只与压力液体接触，加压过程较平缓，零部件成形变化均匀，可 获得匀称的压力分布，并能获得者好得多的平滑外表面；4）液压内盛开有的冲模和工具费用可下降 40%，特别降低了凸型零件加工的节拍时间较短，约为0.1-0.5MIN，这在特种成形工艺中是较短的，可实现

3、批量生产。利用通电线圈产生的电磁力的电磁成形工艺，是目前颇有前途的另一种新型加工手 段。该工艺源于六十年代核裂变研究的成果，但可惜一直没被人们注重。电磁成形工艺 原理图，当线圈通入交流电时。数微秒内建立起磁场，使金属工件尤其是导电率强的铜 铝材质感生出电流 ，感生出电流，感生电流又将受到磁场力作用，使工件产生张力与 凹模吻合而迅速成形。当线圈在工件内时，电磁力将使工件外张成形，属当前应用较广 泛的一种工艺；当线圈平面平行于板件放置时，电磁力将使工件拉伸成形。电磁成形技术系一种非接触成形工艺，其突出优点一是加工成形迅速工效高，二是 常用于金属与非金属的连接，可取代粘接或焊接；其三是不耗脯助材料如

4、润滑油脂等， 有利环境保护。金属塑性成形原理金属塑性成形方法多种多样，具有各自的特点，但它们在塑性变形的金属学和力学方面则有着共同的基础和规律。金属塑性成形原 理课程的目的就在于科学地、系统地阐明这些基础和规律，为学习后续地工艺课程作理论准备，也为合理制订塑性成形工艺奠定理 论基础，因此，本课程的任务是： 1阐明金属塑性变形的金属学基础，研究金属的塑性变形行为以及外部条件对塑性和流动应力的影响，以便获得最佳的塑性状态 最高的变形效率和优质的性能。2阐明应力、应变、应力应变关系和屈服准则等塑性理论基础知识，分析研究塑性成形力学问题的各种解法及其在具体工艺中的 应用，从而科学地确定变形体中的应力、

5、应变分布和所需的变形力和功，为选择锻压设备吨位和设计模具提供依据。 3阐述塑性成形时的金属流动规律和变形特点，以便确定适当的锻压工步和合理的坯料尺寸，使工件顺利成形。金属塑性成形理论的发展概述金属塑性成形理论是在塑性成形的物理、物理一化学和塑性力学的基础上发展起来的一门工艺理论。本世纪四十年代在，大学中设 立了这门课程，并出版了相应的教科书。金属塑性变形的物理和物理化学方面所研究的内容，属于金属学范畴。本世纪三十年代提出的位错理论从微观上对塑性变形的机理 作出了科学的解释。金属材料的永久变形能力塑性，也是变形物理方面的一个主要研究内容1912年卡尔曼(Von Karman)对大理石和红砂石的著

6、名压缩试验，揭示了通常认为是脆性的石料在三向压应力下却能发生塑性变形大约=8%)的事实。1964年勃立奇曼(P. W. Bri dgman)在3万atm(3040MPa)下对中碳钢试棒进行拉伸试验，获得了99%的断面收缩率，由此建立了静水压力能提高材料塑性的概 念。合适的加工温度、速度条件也能创造良好的塑性状态例。如，近年来，一些难变形合金、耐热合金，通过利用先进的成形技术， 如等温锻造、超塑性成形等，均可以获得满意的结果。金属塑性成形原理的另一重要内容是塑性成形力学，它是在塑性理论发展和应用中逐渐形成的。塑性理论的发展历史可追溯1到864年，当时，法国工程师屈雷斯加H. Tresca)首先提

7、出了最大剪应力屈服准则，即屈雷斯加屈服准则。870年圣维南(B. Saint Venant)第一次利用屈雷斯加屈服准则求解了管子受弹塑性扭转和弯曲时的应力随后又研究了平面应变方程式。同年，列维(M. L evy)按圣维南的观点提出了三维问题的方程式和平面问题方程式的线性化方法。但后来一段时间塑性理论发展缓慢，直到本世纪 初才有所进展。德国学者在这方面有很大贡献O1913年密席斯(Von Mises)从纯数学角度提出了另一新的屈服准则密席斯屈服 准则。1923年汉基(H. Hencky)和普朗特(L. Prandtl)论述了平面塑性变形中滑移线的几何性质。1930 年,劳斯(A. Reuss)根

8、据普 朗特的观点提出了考虑弹性应变增量应力应变关系式。至此，塑性理论的基础已经奠定。到四十年代以后，由于工业生产的需要， 塑性理论在很多国家中相继发展，利用塑性理论求解塑性成形问题的各种方法陆续问世，塑性成形力学逐渐形成并不断得到充实。第一次将塑性理论用于金属塑性加工的学者可认为是德国的卡尔曼他。在1925年用初等方法分析了轧制时的应力分布，其后不久， 萨克斯(G.Sachs)和齐别尔(E.Siebel)在研究拉丝过程中提出了相似的求解方法切块法(lab met hod),即后来所称的主应力法。五十年代中，苏联学者翁克索夫yH K C O B)提出了一个实质上与主应力法相似的方法近似平衡方程和

9、近似塑性条 件的联解法，并对镦粗时接触表面上的摩擦力分布提出了新见解。近二十年来，应用滑移线理论求解金属塑性成形问题的工作和论文逐渐增多现。在，滑移线方法除应用于求解各向同性硬化材料的 平面变形问题外，人们还正在研究用它来求解平面应力问题、轴对称问题和各向异性材料方面的问题。五十年代，英国学者约翰逊W. Johoson)和日本学者工藤(H. Kudo)等人，根据极值原理提出了一个比滑移线法简单的求极限载荷 的上限法。利用该方法计算出的塑性成形载荷一般高于真实载荷，因此称之谓上限法其。后，对于复杂形状的工件，又发展出了所 谓单元上限法。在五十年代中，美国学者汤姆生E. G. Thomsen)等提

10、出了视塑性法(VisioPlasticity),这是一种由实验结果和理论计算相结合的 方法。利用该方法，可以根据实验求得的速度场计算出变形体内的应变场和应力场。 近年来已开始用有限元方法来研究金属塑性成形方面的问题。国内外一些学者对镦粗，挤压、摩擦等问题的有限元解发表过不少文 章。一般认为有限元法是预测变形体应力、应变、应变速度和温度分布的强有力的手段。塑性成形中求解应力、应变等是一项繁重的计算工作。近年来电子计算机技术的引入，对塑性成形问题的求解起了很大促进作用。 有限元方法过程复杂，计算工作繁重，必须借助电子计算机才能演算；而其他解法中的一些求解过程，如作滑移线场、求应力分布、 确定分流点

11、、标定摩擦系数等，都需经大量的计算工作，利用电子计算机，运用数值计算方法，可以快速地获得较精确的解答，或 可直接画出滑移线场和相应的曲线，极大地提高了解题的效率。可以相信在，金属塑性成形理论今后的发展中，计算技术会愈来愈 发挥它的作用，电子计算机的应用也必将日益广泛。摘要：论述了材料成形加工技术的作用及地位，介绍了快速产品与工艺开发系统新、一代制造工艺与装备、模拟与仿真3 项关键先 进制造技术，指出轻量化、精确化、高效化将是未来材料成形加工技术的重要发展方向。关键词：先进制造技术材料成形加工精确成形加工模拟仿真并行工程 绿色制造1 材料成形加工技术的作用及地位 中国已是制造大国，仅次于美、日、

12、德，居世界第4 位。中国虽是制造大国，但与工业发达国家相比，仍有很大差距表，现在：（1） 制造业的劳动生产率低，不到美国的5%； （2）技术含量低，以CAD为例，仍停留在绘图功能上；（3）重要关键产品基本上没有 自主创新开发能力。材料成形加工行业是制造业的重要组成部分，材料成形加工技术是汽车、电力、石化、造船及机械等支柱产业的基础制造技术，新 一代材料加工技术也是先进制造技术的重要内容。铸造、锻造及焊接等材料加工技术是国民经济可持续发展的主体技术。据统计， 全世界75%的钢材经塑性加工成形,45%的金属结构用焊接得以成形。又如我国铸件年产量已超过400万t，是世界铸件生产第一 大国。汽车结构中

13、65%以上仍由钢材、铝合金、铸铁等材料通过铸造、锻压、焊接等加工方法成形。但是，我国的材料成形加工技术与工业发达国家相比仍有很大差距。举例说, 重大工程的关键铸锻件如长江三峡水轮机的第一个叶 轮仍从国外进口；航空工业发动机及其他重要的动力机械的核心成形制造技术尚有待突破。因此，在振兴我国制造业的同时要，加 强和重视材料成形加工制造技术的发展。高速发展的工业技术要求加工制造的产品精密化、轻量化、集成化；国际竞争更加激烈的市场要求产品性能高、成本低、周期短； 日益恶化的环境要求材料加工原料与能源消耗低、污染少。为了生产高精度、高质量、高效率的产品，材料正由单一的传统型向复 合型、多功能型发展；材料

14、成形加工制造技术逐渐综合化、多样化、柔性化、多学科化。因,此面对市场经济、参与全球竞争，必 须十分重视先进制造技术及成形加工技术的技术进步。2 材料成形加工技术的发展趋势美国在新一代制造计划（Next Generation Manufacturing） ”中指出未来的制造模式将是：批量小、质量高、成本低、交货期短、 生产柔性、环境友好。未来的制造企业将是：以人、技术和经营三要素组成，而以人为本。未来的制造企业要掌握十大关键技术， 其中包括快速产品与工艺开发系统、新一代制造工艺及装备、模拟与仿真3项关键技术。其中下一代制造工艺包括精确成形加工制 造或称净成形加工工艺（Net Shape Proc

15、ess）。净成形加工工艺要求材料成形加工制造向更轻、更薄、更精、更强、更韧、成本低、 周期短、质量高的方向发展。轻量化、精确化、高效化将是未来材料成形加工技术的重要发展方向。以汽车制造为例，美国新一代 汽车研究计划（Partnership of Next Generation Vhicle）的目标是在2003年汽车重量减轻10%，汽车每100km油耗要减少到3L，并 减少10%的污染。为了达到这一目标，要求整车重量减轻40%50%,其中车体和车架的重量要求减轻50%，动力及传动系统 减轻 10%。例如，美国福特汽车公司新车型中使用的状况就反映了这种变化。新一代汽车中黑色金属用量将大幅度减少，而

16、铝及 镁合金用量将显著增加，铝合金将从129kg增加到333kg，镁合金将从5kg增加到39kg。近年来，随着汽车工业和电子工业的迅速发展，对通过降低产品的自重以降低能源消耗和减少污染（包括汽车尾气和废旧塑料）提 出了更迫切的要求，而轻量化的绿色环保材料将作为人们的首选。镁合金就是被世界各国材料界看好的最具有开发和发展前途的金 属材料。镁合金产品具有以下优势（1）轻量化，密度p1.8g/cm 3,是钢铁的1/4,铝的2/3，与塑料相近。（2）比强度高，刚性 好，优于钢和铝。 3）具有极佳的防震性，耐冲击，耐磨性良好。 4）具有优良的热传导性，可改善电子产品散热性能。 5）是非 磁性金属，抗电磁波干扰能力强，电磁屏蔽性好（。 6）加工成形性能好，成品外观美丽，质感佳，无可燃性（相对于塑料。） 7） 材料回收率高，符合环保法。 8）尺寸稳定，收缩率小，不易因环境温度变化而改变（相对于塑料。）镁合金压