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XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
文獻(xiàn)綜述
院(系)名稱(chēng)
工學(xué)院機(jī)械系
專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)
材料成型及控制工程
學(xué)生姓名
指導(dǎo)教師
20xx年 03 月 10 日
沖壓工藝與模具技術(shù)
摘要:通過(guò)翻閱相關(guān)的參考資料和文獻(xiàn),本文介紹了沖壓工藝、模具的發(fā)展和研究趨勢(shì);以及沖壓材料的性能及要求,這些對(duì)沖壓模具技術(shù)有一個(gè)大致的了解,為進(jìn)一步學(xué)習(xí)沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)提供了方向性的指導(dǎo)和準(zhǔn)備。
關(guān)鍵字:模具先進(jìn)制造技術(shù),沖壓模具,沖壓工藝
Abstract:Through reading relevant information and literature, this paper introduces the stamping process, mold the development and research trend; and stamping materials and the performance requirement of stamping die, these techniques have a general understanding, for further study of the stamping process and die design provides guidance and preparation
Key words: Advanced manufacturing technology of die, stamping die, stamping process
前言
改革開(kāi)放以來(lái),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,市場(chǎng)對(duì)模具的需求量不斷增長(zhǎng)。近年來(lái),模具工業(yè)一直以15%左右的增長(zhǎng)速度快速發(fā)展?!澳>呤枪I(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備”也已經(jīng)取得了共識(shí)。在電子、汽車(chē)、電機(jī)、電器、儀器、儀表、家電和通信等產(chǎn)品中,60%~80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生產(chǎn)制件所具備的高精度、高復(fù)雜程度、高一致性、高生產(chǎn)率和低消耗,是其他加工制造方法所不能比擬的。模具又是“效益放大器”,用模具生產(chǎn)的最終產(chǎn)品的價(jià)值,往往是模具自身價(jià)值的幾十倍、上百倍。目前全世界模具年產(chǎn)值約為600億美元,日、美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的模具工業(yè)產(chǎn)值已超過(guò)機(jī)床工業(yè),從1997年開(kāi)始,我國(guó)模具工業(yè)產(chǎn)值也超過(guò)了機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值。模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低,已成為衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志,因?yàn)槟>咴诤艽蟪潭壬蠜Q定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力。鑒于模具工業(yè)的重要性,在1989年3月國(guó)務(wù)院頒布的《關(guān)于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)政策要點(diǎn)的決定》中,把模具列為機(jī)械工業(yè)技術(shù)改造序列的第一位、生產(chǎn)和基本建設(shè)序列的第二位。1997年以來(lái),又相繼把模具及其加工技術(shù)和設(shè)備列入了《當(dāng)前國(guó)家重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和技術(shù)目錄》和《鼓勵(lì)外商投資產(chǎn)業(yè)目錄》。經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn),從1997年到2000年,對(duì)80多家國(guó)有專(zhuān)業(yè)模具廠(chǎng)實(shí)行增值稅返還70%的優(yōu)惠政策,以扶植模具工業(yè)的發(fā)展。所有這些,都充分體現(xiàn)了國(guó)務(wù)院和國(guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)發(fā)展模具工業(yè)的重視和支持。本文著重探討沖壓工藝與模具的發(fā)展。
1 沖壓工藝的特點(diǎn)
沖壓即在室溫下,利用安裝在壓力機(jī)上的沖壓模具對(duì)材料施加壓力,使其產(chǎn)生分離或發(fā)生塑性變形,從而獲得所需形狀和尺寸,具有一定力學(xué)性能的零件的一種壓力加工方法[1]。
沖壓所使用的模具稱(chēng)為沖壓模具,簡(jiǎn)稱(chēng)沖模。沖模是將材料批量加工成所需沖件的專(zhuān)用工具。沖模在沖壓中至關(guān)重要,沒(méi)有符合要求的沖模,批量沖壓生產(chǎn)就難以進(jìn)行;沒(méi)有先進(jìn)的沖模,先進(jìn)的沖壓工藝就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。沖壓工藝與模具、沖壓設(shè)備和沖壓材料構(gòu)成沖壓加工的三要素[2]。
由于沖壓加工的沖壓件的形狀、尺寸和表面質(zhì)量是由模具保證的,所以在大量生產(chǎn)中可以獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量,可以滿(mǎn)足一般的裝配和使用要求。此外,沖壓加工具有很高的生產(chǎn)率。一般在一臺(tái)沖壓設(shè)備上每分可以生產(chǎn)中小尺寸工件幾件到幾十件,高速?zèng)_床可達(dá)幾百件,這是其他任何加工方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。沖壓加工所用坯料是板材或卷料,通常又是在常溫下加工,故易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化,可大幅度地提高生產(chǎn)率,這對(duì)于我國(guó)大力發(fā)展的航空業(yè)具有積極作用。
由于某些彎曲件形狀不規(guī)則,利用一般的沖壓技術(shù)成形困難,可以采用杠桿塊沖壓成形工藝。由于彎曲件形狀多樣,彎曲方向變換多端,當(dāng)彎曲方向與沖壓設(shè)備中滑塊的運(yùn)動(dòng)方向垂直或成一定角度時(shí),常采用一些機(jī)構(gòu)把滑塊的向下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰较虻倪\(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)工件的成形。常采用的機(jī)構(gòu)有:斜楔滑塊機(jī)構(gòu)、杠桿塊機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)等。通過(guò)這些機(jī)構(gòu)的巧妙動(dòng)作,可實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜彎曲件的成形[3]。
2 沖壓成形工藝發(fā)展歷史
沖壓技術(shù)的真正發(fā)展,始于汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)初,美國(guó)福特汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)大大推動(dòng)了沖術(shù)的研究和發(fā)展[5]。研究工作基本上在板料成形技術(shù)和成形性?xún)煞矫嫱瑫r(shí)展開(kāi),關(guān)鍵題目是破裂、起皺與回彈,涉及可成形性預(yù)估、成形方法的創(chuàng)新,以及成形過(guò)程的分析與控制[6]。但在20世紀(jì)的大部分時(shí)間里,對(duì)沖壓技術(shù)的把握基本上是經(jīng)驗(yàn)形的。分析工具是經(jīng)典的成形力學(xué)理論,能求解的題目十分有限。研究的重點(diǎn)是板材沖壓性能及成形力學(xué),遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的需求[7]。60年代是沖壓技術(shù)發(fā)展的重要時(shí)期,各種新的成形技術(shù)相繼出現(xiàn)。尤其是成形極限圖的提出,推動(dòng)了板材性能、成形理論、成形工藝和質(zhì)量控制的協(xié)調(diào)發(fā)展,成為沖壓技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑[8]。?
由于80年代有限元方法及CAD技術(shù)的先期發(fā)展,使90年代以數(shù)值模擬仿真為中心的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)在沖壓領(lǐng)域得以迅速發(fā)展并走向?qū)嵱没蔀椴牧献冃涡袨檠芯亢凸に囘^(guò)程設(shè)計(jì)的有力工具。沖壓技術(shù)真正進(jìn)入了分析階段,傳統(tǒng)的成形技術(shù)開(kāi)始從經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)化。
縱觀(guān)上世紀(jì)的發(fā)展歷程可見(jiàn):
(1)沖壓性能的研究和改進(jìn)是與沖壓技術(shù)的發(fā)展相輔相承的?!?
?。?)汽車(chē)、飛機(jī)等產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,以及能源因素都是沖壓技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力。進(jìn)入新世紀(jì),環(huán)境因素及相關(guān)的法律約束日益突出,輕量化設(shè)計(jì)和制造成為當(dāng)前的重要課題[9]。
?。?)成形過(guò)程數(shù)字化仿真技術(shù)的發(fā)展,推動(dòng)傳統(tǒng)沖壓技術(shù)走向科學(xué)化,進(jìn)入先進(jìn)制造技術(shù)行列。
?。?)沖壓技術(shù)的發(fā)展涉及材料、能源、模具、設(shè)備等各方面。工藝方法的創(chuàng)新及其過(guò)程的科學(xué)分析與控制是技術(shù)發(fā)展的核心;模具技術(shù)是沖壓技術(shù)發(fā)展的體現(xiàn),是決定產(chǎn)品制造周期、本錢(qián)、質(zhì)量的重要因素[10]。
3 沖壓成形工藝現(xiàn)狀
3.1 先進(jìn)沖壓成形技術(shù)
先進(jìn)成形技術(shù)是在傳統(tǒng)成形技術(shù)的基礎(chǔ)上,以計(jì)算機(jī)為支柱,綜合利用信息、電子、材料、能源、環(huán)境工程等各項(xiàng)高新技術(shù)及現(xiàn)代治理技術(shù),有利于終極實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命期綜合優(yōu)化的沖壓成形技術(shù),是能越大程度地達(dá)到“精、省、凈”目標(biāo),獲得高綜合效益的成形技術(shù)。
發(fā)展先進(jìn)成形技術(shù)的關(guān)鍵在于:
(1)大力發(fā)展沖壓成形過(guò)程的計(jì)算機(jī)分析仿真技術(shù)(CAE)。
(2)并行工程(CE)、并行工作模式逐步取代傳統(tǒng)的串行順序式工作模式。
計(jì)算機(jī)輔助過(guò)程分析仿真(CAE)是20世紀(jì)后期對(duì)于金屬成形最具重大意義的技術(shù)進(jìn)步之一,其核心是有限元分析技術(shù)。
以有限元法為基礎(chǔ)的沖壓成形過(guò)程中計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)或數(shù)值模擬技術(shù),為沖壓模具設(shè)計(jì)、沖壓過(guò)程設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)優(yōu)化提供了科學(xué)的新途徑,是解決復(fù)雜沖壓過(guò)程設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)的最有效手段。應(yīng)用此種技術(shù)模具設(shè)計(jì)和試模的時(shí)間減少50%以上。
目前,板料沖壓成形過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真已經(jīng)走出理論研究及軟件開(kāi)發(fā)階段,正進(jìn)入實(shí)用化階段。在世界范圍內(nèi),美、法、德順序處于該技術(shù)的領(lǐng)先地位,已經(jīng)推出了商品軟件。這些軟件都采用彈塑性有限元方法,在大型計(jì)算機(jī)或工作站上運(yùn)行。在美國(guó),三大汽車(chē)公司都已采用了沖壓成形過(guò)程仿真技術(shù)。德國(guó)巴伐里亞汽車(chē)廠(chǎng)1993年引入該項(xiàng)技術(shù),在兩年多時(shí)間內(nèi)每項(xiàng)工作的平均時(shí)間從四周左右縮短到少于兩周[11]。
1991年末日本鈑金成形工業(yè)面臨需求短缺。日本模具工業(yè)很發(fā)達(dá),但迄今很少有通用目的程序被開(kāi)發(fā)出來(lái),正在使用的都是引進(jìn)軟件。周邊國(guó)家韓國(guó)、新加坡等也在越來(lái)越多地采用板料沖壓成形仿真技術(shù)。
該技術(shù)在我國(guó)仍屬起步階段,研究工作主要在少數(shù)重點(diǎn)大學(xué)如北京航空航天大學(xué)、吉林大學(xué)、華中理工大學(xué)、湖南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校進(jìn)行。少數(shù)企業(yè)如一汽、上汽、嘉陵及研究所等開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外軟件。由于缺乏售后服務(wù)支持,更多地靠自己在實(shí)踐中探索試用。
3.2 沖壓模具的發(fā)展
沖壓模具是沖壓生產(chǎn)必不可少的工藝裝備,是技術(shù)密集型產(chǎn)品。沖壓件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)成本等,與模具設(shè)計(jì)和制造有直接關(guān)系。模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)水平的高低,是衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志之一,在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力。提高沖壓模具制造效率,提高模具表面質(zhì)量,延長(zhǎng)模具使用壽命是模具制造領(lǐng)域的主要課題。為此,對(duì)模具加工裝備、模具制造技術(shù)的革新是模具制造業(yè)發(fā)展的兩大方向。
過(guò)去的中國(guó)沖壓模具行業(yè),車(chē)、刨、銑、鉆、磨等傳統(tǒng)普通機(jī)床和電火花線(xiàn)切割機(jī)床,曾經(jīng)在絕大多數(shù)沖壓模具企業(yè)使用,進(jìn)口的數(shù)控龍門(mén)仿形銑床由于沒(méi)有采用CAD/CAM技術(shù),也只能當(dāng)作靠模仿形銑床使用,采用這些裝備加工沖壓模具時(shí),通常需要對(duì)模具零件反復(fù)裝夾和定位,因而加工生產(chǎn)效率低、模具產(chǎn)品質(zhì)量差[12]。
在2002年12月德國(guó)法蘭克福舉辦的EuroMold展會(huì)上的1493個(gè)參展廠(chǎng)商中,約有30%是機(jī)床和刀具廠(chǎng)商,展出高速加工機(jī)床的最高轉(zhuǎn)速在25000~30000r/min之間,這是對(duì)傳統(tǒng)切削加工的非常顯著的變革,體現(xiàn)了模具加工技術(shù)裝備高速化、集成化趨勢(shì)[13]。
國(guó)外的模具制造企業(yè),廣泛使用先進(jìn)的高精度、高速度、專(zhuān)業(yè)化加工裝備,如日本豐田汽車(chē)模具公司[14]擁有構(gòu)造面加工數(shù)控銑床39臺(tái)套、型面加工高速五軸五面銑床1 5臺(tái)套、其它新型一體化專(zhuān)門(mén)加工設(shè)備6臺(tái)套。加工工藝方法包括等高線(xiàn)加工、最大長(zhǎng)度順向走刀加工等,精加工走刀移行密度僅有0.3mm。同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)凹圓角清根、外凸圓角加工到位等,因而可以控制模具配合的不等距間隙、最大可能的縮小型面誤差,實(shí)現(xiàn)模面的精細(xì)加工。
為提高模具制造效率可采用快速成型技術(shù)??焖俪尚?Rapid Prototyping,簡(jiǎn)稱(chēng)RP)技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)控制與管理下,由零件實(shí)物或模型直接驅(qū)動(dòng),采用材料精確堆積成復(fù)雜三維實(shí)體的原型或零件制造技術(shù),是一種集計(jì)算機(jī)(包括CAD/CAM/CAE等)、光學(xué)掃描、新型材料、數(shù)控、激光等技術(shù)于一體的新型高新制造技術(shù)。主要用于零件設(shè)計(jì)的快速檢驗(yàn)以及各種模具模型的快速制造。
快速模具(Rapid tooling,筒稱(chēng)RT)技術(shù)是利用RP技術(shù)成型功能零件尤其是金屬模具或零件的一種方法??梢钥朔鹘y(tǒng)模具制作過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高等缺點(diǎn),應(yīng)用RP技術(shù)制造快速、經(jīng)濟(jì)模具成為RP技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力之一。
RP和RT技術(shù)集成的快速制造精密模具的方法,被稱(chēng)為先進(jìn)的“柔性工具”方法,適應(yīng)了現(xiàn)代工業(yè)向著多品種、變批量發(fā)展的趨勢(shì),為沖壓模具的多品種、小批量、快速生產(chǎn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
模具表面的質(zhì)量對(duì)模具使用壽命、制件外觀(guān)質(zhì)量等方面均有較大的影響,研究自動(dòng)化、智能化的研磨與拋光方法替代現(xiàn)有手工操作,以提高模具表面質(zhì)量,同樣也是重要的發(fā)展趨勢(shì)。這方面的研究工作十分活躍,張學(xué)良[15]在數(shù)控銑床上研究了利用直流電進(jìn)行磁性?huà)伖獾那闆r,精銑加工后表面粗糙度1.0微米的試樣只需研拋3.2min,可獲得表面粗糙度為0.1微米的高質(zhì)量表面,顯示了高精度、高效率和高可靠性。日本岡山大學(xué)的宇野羲幸[16]等人,采用直徑達(dá)60 rm的大面積脈沖電子束,研究了能量密度、照射次數(shù)、粗加工質(zhì)量等因素對(duì)模具精整加工質(zhì)量的影響,得出“大面積脈沖電子束照射有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)精整拋光”的可喜結(jié)論。
3.3 先進(jìn)沖壓材料
沖壓技術(shù)的發(fā)展與材料和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。預(yù)計(jì)未來(lái)10-15年,環(huán)境要求和日益嚴(yán)格的環(huán)保法律,將促使汽車(chē)材料和結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化。為了減少城市CO2的排放量,汽車(chē)力求輕量化,其最突出的發(fā)展方向是提高所用材料的比強(qiáng)度和比剛度及發(fā)展高效的輕量化結(jié)構(gòu)?,F(xiàn)代車(chē)身結(jié)構(gòu)中,高強(qiáng)度鋼約占25%。目前在繼續(xù)開(kāi)發(fā)超高強(qiáng)度鋼的同時(shí),結(jié)合發(fā)展新的“高效結(jié)構(gòu)”和制造技術(shù),爭(zhēng)取使車(chē)身重量減少20%以上。但更引人關(guān)注的努力方向是擴(kuò)大鋁、鎂等低密度合金材料在汽車(chē)上的應(yīng)用。
歐美正在研究開(kāi)發(fā)未來(lái)的鋁車(chē)身家用小汽車(chē),可使重量減輕40-50%,耗油僅為現(xiàn)行小汽車(chē)均勻值的三分之一。目前的主要題目是開(kāi)發(fā)低本錢(qián)鋁合金,發(fā)展新結(jié)構(gòu)和高效制造方法,以及改進(jìn)回收技術(shù)。一旦本錢(qián)題目解決了,鋁合金可能成為汽車(chē)的主要結(jié)構(gòu)材料。
80年代,歐美研究鍍鋅板的沖壓技術(shù);90年代,重點(diǎn)研究激光拼焊板的沖壓及各種擠壓管坯形材的精密成形技術(shù)。鋁形材骨架件的用量也在不斷增加。
結(jié)構(gòu)整體化是重要的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)于飛機(jī)將擴(kuò)大應(yīng)用。
隨著新材料和新結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大應(yīng)用,迫切需要發(fā)展相應(yīng)的低本錢(qián)沖壓成形技術(shù)。當(dāng)前的研究重點(diǎn):
?。?)鋁合金覆蓋件等機(jī)身零件的沖壓技術(shù)。
(2)多種厚度激光拼焊板坯的沖壓技術(shù)。?
?。?)擠壓管坯的內(nèi)高壓成形技術(shù)。
?。?)復(fù)合板的成形技術(shù)等。
對(duì)于飛機(jī)產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō),鈦合金、鋁鋰合金復(fù)雜外形零件及鋁合金特殊結(jié)構(gòu)件的成形技術(shù)是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。
4 沖壓成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
進(jìn)入90年代以來(lái),高新技術(shù)全面促進(jìn)了傳統(tǒng)成形技術(shù)的改造及先進(jìn)成形技術(shù)的形成和發(fā)展。以后沖壓技術(shù)將以更快的速度持續(xù)發(fā)展,發(fā)展的方向?qū)⒏油怀觥熬⑹?、凈”的需求。達(dá)到這些要求急需發(fā)展如下幾項(xiàng):
(1)沖壓成形技術(shù)將更加科學(xué)化、數(shù)字化、可控化。科學(xué)化主要體現(xiàn)在對(duì)成形過(guò)程、產(chǎn)品質(zhì)量、成本、效益的預(yù)測(cè)和可控程度。成形過(guò)程的數(shù)值模擬技術(shù)將在實(shí)用化方面取得很大發(fā)展,并與數(shù)字化制造系統(tǒng)很好地集成。人工智能技術(shù)、智能化控制將從簡(jiǎn)單形狀零件成形發(fā)展到覆蓋件等復(fù)雜形狀零件成形,從而真正進(jìn)入實(shí)用階段[17]。
(2)注重產(chǎn)品制造全過(guò)程,最大程度地實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)全局綜合優(yōu)化。優(yōu)化將從傳統(tǒng)的單一成形環(huán)節(jié)向產(chǎn)品制造全過(guò)程及全生命期的系統(tǒng)整體發(fā)展。
(3)對(duì)產(chǎn)品可制造性和成形工藝的快速分析與評(píng)估能力將有大的發(fā)展。以便從產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)甚至構(gòu)思時(shí)起,就能針對(duì)零件的可成形性及所需性能的保證度,作出快速分析評(píng)估。
(4)沖壓技術(shù)將具有更大的靈活性或柔性,以適應(yīng)未來(lái)小指量多品種混流生產(chǎn)模式及市場(chǎng)多樣化、個(gè)性化需求的發(fā)展趨勢(shì),加強(qiáng)企業(yè)對(duì)市場(chǎng)變化的快速響應(yīng)能力。
(5)重視復(fù)合化成形技術(shù)的發(fā)展。以復(fù)合工藝為基礎(chǔ)的先進(jìn)成形技術(shù)不僅正在從制造毛坯向直接制造零件方向發(fā)展,也正在從制造單個(gè)零件向直接制造結(jié)構(gòu)整體的方向發(fā)展[18]。
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