冲压件结构优化设计及成形技术(编辑修改稿)

冲压件结构优化设计及成形技术(编辑修改稿)内容摘要：

尺寸的限制，冲裁零件的尺寸较小，厚度一般为 [2]。 (1) 连续冲裁的工序顺序 ① 先冲孔 后落料或切断。 先冲孔的目的是为后续工序提供定位基准。 ② 先内轮廓后外轮廓，以减少变形。 ③ 采用侧刃定距时，侧刃切边工位在前，以便控制送料进距。 (2) 多工序冲裁时的工序顺序 ① 先落料后其他工序。 先落料是为了以外轮廓定位进行其他工序的冲裁，使基准统一，减少定位误差，避免过多地进行尺寸转换。 ② 先大孔后小孔，以减少孔的变形。 弯曲变形机理 利用压力使板料产生塑性流动、变形，从而形成具有一定曲率、一定角度的不封闭形状零件的冲压工艺过程称为弯曲。 弯曲依靠材料的塑性流动而成形，不允许工件出现任何破裂。 这是弯曲工艺与冲裁工艺 (材料分离机理成形 )在变形特性上的根本区别 [3]。 弯曲变形的过程 图 是 V形件的弯曲过程。 第 19 页 图 板材在 V形模内的校正弯曲过程 弯曲变形过程 是由弹性变形逐渐过渡到塑性变形，呈现出明显的阶段性。 1． 弹性变形阶段 在弯曲变形初期 (图 (a))外力矩 M 较小，在变形区 0l 内，其内、外层表面产生的切向应力的数值远远小于材料的屈服应力，沿板厚的全部材料层只产生弹性变形，弯曲处于弹性变形阶段。 这时，如果去掉外力矩，变形将 随之消失。 弹性变形阶段切向应力 0 沿板厚的分布如图 (a)所示 [3]。 2． 弹 — 塑性变形阶段 随着凸模继续下压，外弯曲力矩 M 继续增大，当 M 增大到某一数值时，内、外表层的切向应力  首先达到材料的屈服应力 s 而进入塑性状态。 继续增大外力矩 M，塑性变形便由内、外表层向板料中心逐渐扩展，变形区的变形由弹件弯曲过渡为弹 — 塑性弯曲，弯曲半径随之减小到 1r ，弯曲变形区缩小至 1l (图 (b))。 对于常见的金属材料，一般认为当相对弯曲半径 r/t＞ 200 时，变形区板料中心附近处于弹性变形状态的材料层厚度还处于相当大的比例，弯曲变形处于弹 — 塑性变形阶段。 如果把材料看成线性硬化的弹 — 塑性材料，其切向应力沿板厚的分布如图 (b)所示 [3]。 3． 全塑性弯曲阶段 凸模继续下压，毛坯的弯曲变形区和弯曲半径继续减小，当相对弯曲半径 r/t 200，弯曲变形区减至 2l 段 (图 (c))时，弹性变形层的厚度占板厚的比例已很小。 在实用计算时已忽略不计，视板料全断面都进入塑性状态，即进入全塑性弯曲阶段。 图 (c)，(d)， (e)分别表示视材料为线性硬化、无硬化、幂函数硬化时切向应力  沿板厚的分布情况。 最后达到板料与凸、凹模完全贴合后，若需校正，则需要比弯曲力大得多的校正力，变形区的应力、应变状态就更为复杂了 [4]。 第 20 页 (a)弹性弯； (b)弹 塑性弯曲； (c)纯线性硬化弯曲； (d)纯塑性弯曲； (e)幂函数硬化弯曲； (f)应变分布 图 弯曲切向应力的分布 最小弯曲半径 的选择 设计弯曲件时，不仅要满足使用上的要求，还必须考虑成形的可能性。 通过对弯曲变形的分析可知，随着相对弯曲半径减小，弯曲时毛料外层纤维的变形程度将逐渐增大。 当相对弯曲半径小到一定程度后，毛料外层纤维的切向应变将因超过材料的许可变形程度而断裂。 为了获得合格的零件，弯曲件的内圆角半径的数值要受到外层纤维的成形极限限制。 使弯曲件外层纤维不发生断裂的内圆角半径的极限值，称其为最小弯曲半径影响最小弯曲半径数值的主要因素有 材料塑性愈好，应变硬化指数 n愈大，愈不易出现局部的集中变形，因而有利于提高成形极限， 最小弯曲半径也愈小。 在冲压生产中，当零件的结构需要弯曲成很小的圆角半径时，可能引起毛坯破坏，通常采用热处理方法以恢复冷变形 硬 化 材料的塑性或采用加热弯曲方法以提高低塑性材料 (如镁合金等 )的塑性变形能力 [27]。 供给生产用的板料，其机械性能在板面内的各方向并不相同，表现出各向异性。 生产中常用的材料，顺纤维方向的强度和塑性大多高于横纤维方向的。 因此，当弯曲件的弯曲线与板料的纤维方向垂直时 ，其最小弯曲半径要比弯曲线平行于纤维方向时小，见 第 21 页 图 [27]。 图 各向异性对弯曲线的影响 弯曲变形的特点 为了观察板料弯曲时的金属流动情 况，可在待弯曲板料的侧 面制成网格 (见图)，并用工具显微镜观察弯曲前后网格形状和尺寸的变化 [27]。 由图 可知： (1) 弯曲件的变形区主要在圆角部分，此处的 四 方形网格变成了扇形。 靠近圆角边有少量的变形，而其余的 直边 则没有变形 [27]。 (2) 在变形区内，外区的正方形网格面积增大，表示材料受切向拉伸作用 而伸长(b39。 b39。 bb)； 内区的正方形网格 面积减小，表示材料受切向压缩作用而缩短 (a39。 a39。 aa)。 变形区内外区的拉应变过渡 到内区的压应变，中间必有一层材料的长度保持不变．称为应变中性层，其曲率半径用  表示 [27]。 (3) 相 对弯曲半径 r/t 较小时，变形区在变形后产生变薄现象。 板料弯曲时， 外区的材料因为受拉而变薄，内区的材料因为受压而变厚，但由于此变中性层的内移，外区的减薄量大于内区的增厚量，故总体表现为变形区的厚度变薄。 变薄后的厚度 t39。 = t ， 1．其中  称为变薄系数，见表 ，它表示了材料在弯曲后的变形程度。 这种变形现象只有在相对弯曲半径较小时才比较明显 [27]。 第 22 页 图 弯曲前后坐标网格的变化 表 变薄系数 η 的值 r/t 1 2 5 10 η 1 (4) 板料相对宽度 (b 是板料的宽度 )对弯曲变形区的变形有很大的影响。 一般将相对弯曲宽度 b/t3 的板称为宽板，相对弯曲宽度 b/t3 的板称为窄板。 宽板弯曲时， 宽度方向的变形受到材料之间的相互约束，不能自由流动，因此横断向变化较小，仍接近于矩形． 仅朽 ：两端可能出现 翘曲 ，即端面宽度方向内凹。 它 可 用一个挠度指标 δ 来 表示．如图 (b)所示，翘曲的立体图如图 所示；窄板弯 曲时，由于宽度力向不受约束，矩形断向变成扇形。 见图 (a)。 实际弯曲件多为宽板弯曲 [27]。 (a) 窄板弯曲； (b) 宽板弯曲 图 弯曲的应力、应变分析及翘曲 (5) 弯曲后板料长度增加。 一般弯曲件 均属于宽板 弯曲，因此弯曲前后板料宽度方 第 23 页 向基本不变形。 对于 r/t 较小的弯曲件，由于板厚有明显的变薄现象，按照体积不变条件．必然造成板料长度的增加 [27]。 图 弯曲的翘曲 弯曲件的工序安排 弯曲件的工序 按 排是否合理，对于弯曲件的质量、生产效率与效益都有重要 意义，也对弯曲的难易程度有较大影响 [27]。 图 形状对称与不对称弯曲件 (1) 形 状简单的弯曲件，如 v 形、 u 形、 z 形 等，可以一次弯曲成形 (如图 )。 (2) 形状复杂的弯曲件一般需要两次或 多次弯 曲成形，并应正确选 择 弯曲顺序 (图 和图 )。 弯曲时，应先弯外角，后弯内角，前次弯曲必须考虑使后次弯曲有可靠的定位，后次弯曲 不能 影响前次成形的部分。 第 24 页 图 两次弯成的弯曲件 图 三次弯曲成的弯曲件 (3) 单面不对称几何形状的弯曲件，可 以采用成对弯曲成形， 弯 曲后再切开，如图 所示。 图 对称弯曲 (4) 对于批量大、尺寸较小的弯曲件，为了提高生产率，可以采用连续模弯曲工序设计，如图 所示。 第 25 页 图 连续模弯曲工序设计 弯曲件工艺性 分析 弯曲件的结构应具有良好的工艺性，这样可简化工艺过程，并可提高弯曲件的公差等级。 弯曲件的工艺性分析是根据弯曲过程的变形规律，并总结弯曲件实际生产经验而提出的。 上述最小弯曲半径和弯曲件回弹的论述是弯曲件工艺性分析的重要内容。 现对弯曲件工艺性要求分述如下 [27]。 其值不能小于 材 料的许可最小弯曲半径，否则会产生拉裂。 若工件要求的弯曲半径很小或清角 时，可分两次弯曲：第一次弯成较大的弯曲半径，然后退火；第二次再根据工件要求的弯曲半径进行弯曲。 此外，也可采用热弯或预先沿弯曲区内 侧 开出 槽口 (见图 )后再进行弯曲。 当弯曲较小的直壁高度时，采用此法较为适宜 [27]。 第 26 页 图 在弯曲区内侧开出槽口 弯曲件形状应对称，弯曲半径左 右应一致，以保证板料不会因摩擦阻力不均匀而产生滑动．造成工件偏移 ．如 图 所示。 若 工件不对称时 ，为了阻止板料偏移，在设计模具结构时应考虑增设压料板，或增加工艺定位孔。 有时为了使毛坯在弯曲模内定位准确，特别在对毛坯进行多道工序弯曲时．也需要在弯曲件上设计出工艺定位孔，见图[27]。 图 弯曲件形状对对弯曲过程影响 图 弯曲件上的工艺孔 弯曲件形状要力求简单，某些带缺口的弯曲件，如图 所示，缺口只能安排在弯曲成形之后切去。 首先将切口冲出 ，弯曲时切口处会发生叉口现象，严重时难以成形。 第 27 页 图 带缺口的弯曲件 对于带孔的 弯曲件，若先冲好孔再将毛坯弯曲，则孔的位置应处于弯曲变形区外 (见图 )，否则孔要发生变形。 孔边至弯曲半径 R 中心的距离 B 与材料厚度有关 ，通常为 当 t2mm时 ,B t； 当 t 2mm时 B 2t。 若不能满足上述规定，而且孔的公差等级要求较高时，须弯曲成形后再冲孔。 图 带孔的弯曲件 如果工件的结构允许，可以在工件弯曲变形区上预先冲出工艺孔或工艺 槽 ，以改变变形范围，即使工艺孔变形，可以保持所需的孔不产生变形。 图 (a)所示的是一般工艺孔，图 (b)为月牙形工艺孔 [27]。 第 28 页 图 在弯曲变形区上预冲工艺孔 在工件弯曲 90176。 时，为了保证弯曲件 直边平 直 ，其直边高度并不应小于 2t，最好大于 3t。 若 H＜ 2t，在弯曲成形过程中，不能产生足够 的弯矩。 对较厚的树料则需预先压槽再弯曲 (见图 )，此时最小弯曲半径可以减小，或增加弯边高度，弯曲后再切掉多余部分。 图 弯曲件直边高度过小时 图 预先冲出工艺槽或 需先压槽 工艺孔的弯曲件 槽 和工艺孔 图 (a)和 (c)所示的弯曲件在弯曲变 形时容易将材料撕裂。 为了防止这种情况发生，应在毛坯上先冲出工艺槽 或工艺孔，见 图 (b)和 (d) [27]。 拉深成形 拉深是指将平板毛坯或杯形毛坯在凸模作用下拉入凹模型腔形成开口空心零件的成 第 29 页 形 工 艺方法 （图 )。 拉深也称压延．是 钣金成形 的基础性工艺。 图 拉深 过程示意图 用拉深成形可以制成简形，阶梯形、锥形、半球形、盒形 和其它 不规则形状的立体空心零件。 拉深零件的尺寸范围很宽，直径小至 1mm，大至 23m．厚度。 拉深加工的对象广泛，材料品种繁多。 因此，在日用品、电器元件、机械零件、飞机结构件和汽车零件的成形中，有着广泛的应用。 图 是典型拉深件外形示意图。 图 典型拉深件外形示意图。