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單位代碼
學(xué) 號
分 類 號
密 級
XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計
文獻(xiàn)綜述
院（系）名稱 工學(xué)院機(jī)械系
專 業(yè) 名 稱 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
沖壓成形特點(diǎn)以及發(fā)展趨勢
摘 要
本文論述了冷沖壓件成形的相關(guān)理論、變形機(jī)理和工藝設(shè)計步驟及沖壓件結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化的基本原則。介紹其成型原理、成形工藝及其結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化過程和沖壓成型的特點(diǎn)以及沖壓成型所用材料，以及冷沖壓成形的現(xiàn)狀，以使沖壓成形工藝的加工方法得到推廣、應(yīng)用和優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：沖壓，成型，優(yōu)化。
0 前言
沖壓技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位，是國防工業(yè)及民用工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的加工方法，在電子產(chǎn)品中，沖壓件約占80%～85%；在汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品中，沖壓件約占75%～80%；在輕工業(yè)產(chǎn)品中，沖壓件約占90%以上。此外，在航空及航天工業(yè)中，沖壓件也占有很大的比例。其材料利用率高，可加工薄壁、形狀復(fù)雜的零件，形狀和尺寸精度方面的互換性好，生產(chǎn)率高，操作簡單，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化，在工農(nóng)業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。由于薄壁零件特別是復(fù)雜的薄壁零件不適于用傳統(tǒng)的成形加工方法，因此需要采用冷沖壓加工工藝。[1]
設(shè)計開題前，在指導(dǎo)老師的解說下，我對沖壓件的成形方法及沖壓件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化等有了初步的了解。沖壓成型加工具有生產(chǎn)率高、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在各種板材、帶材的成形加工中，具有明顯的綜合經(jīng)濟(jì)效益。
在此期間我也查了一些資料使我對滾壓成型的原理以及特點(diǎn)有了初步了解。為此次畢業(yè)設(shè)計的開始作了充分的準(zhǔn)備
1 沖壓成形的特點(diǎn)與基本規(guī)律
沖壓成形是塑性加工的一種方法。雖然它也是利用材料的塑性變形能力，改變其幾何形狀與尺寸，從而達(dá)到?jīng)_壓成形的目的，但是，由于沖壓成形所用板料毛坯的幾何特點(diǎn)和所用設(shè)備與模具的特殊性，使沖壓成形除具有塑性加工普遍存在的特點(diǎn)和遵循其一般的變形規(guī)律外，它還具有一些與一般的壓力加工不同的特點(diǎn)與獨(dú)特的規(guī)律。[2]
1.1 沖壓成形的特點(diǎn)
在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用的沖壓成形工藝方法很多，有多種形式和名稱，但它們在本質(zhì)上是相同的，都是使平面形狀的板料毛坯，在力的作用下，按既定的要求產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，從而完成一定形狀與精度零件的制造工藝。從利用原材料的塑性進(jìn)行加工這個原則看，它和其他所有的塑性加工方法是一樣的，但是，由于沖壓成形中的毛坯是厚度遠(yuǎn)小于板平面尺寸的板料以及由此決定的外力作用的方式與大小等原因，致使沖壓成形具有如下幾個非常突出的特點(diǎn)。[3]
(1) 數(shù)值不大的垂直與板面方向的單位壓力，即可引起在板面方向上數(shù)值足以使板材產(chǎn)生塑性變形的內(nèi)應(yīng)力。
(2) 在沒有抗失穩(wěn)裝置拘束作用的條件下，很難在自由狀態(tài)下順利地進(jìn)行沖壓成形過程。
(3) 在沖壓成形時，板料毛坯里的內(nèi)應(yīng)力數(shù)值接近或等于材料的屈服應(yīng)力，有時甚至小于板料的屈服應(yīng)力。
(4) 在沖壓成形時，模具對板料毛坯作用力所形成的拘束作用程度較輕。
由于沖壓成形具有上述一些在變形與力學(xué)方面的特點(diǎn)，致使沖壓技術(shù)也形成了自己的一些與一般塑性加工不同的特點(diǎn)。
(1) 由于不需要在板料毛坯的表面作用數(shù)值很大的單位壓力即可使其成形，所以在沖壓技術(shù)中關(guān)于模具強(qiáng)度與剛度的研究并不十分重要，相反的卻發(fā)展了許多簡易模具技術(shù)。
(2) 因沖壓成形時的平面應(yīng)力狀態(tài)或更為單純的應(yīng)變狀態(tài)，當(dāng)前對沖壓成形中毛坯的變形與力能參數(shù)方面的研究較為深入，有條件運(yùn)用合理的科學(xué)方法進(jìn)行沖壓加工。
(3) 人們在對沖壓成形過程有了較為深入的了解后，已經(jīng)認(rèn)識到?jīng)_壓成形與原材料有十分密切的關(guān)系。
1.2沖壓成形中毛坯的分析
在沖壓成形過程中，為使板料毛坯改變起原始形狀成為零件，必須在毛坯各部分之間形成一定的受力與變形關(guān)系。每一種沖壓成形方法都要求毛坯各部分之間存在一定的力與變形的關(guān)系。這是能夠順利地完成沖壓成形的基本保證，所以對毛坯進(jìn)行受力與變形方面的分析是十分必要的。[4][12][13]
在沖壓成形過程中各個區(qū)（部分）之間是在相互轉(zhuǎn)化而不斷變化的，例如待變形區(qū)內(nèi)的板料不斷地進(jìn)行變形區(qū)，而變形區(qū)的金屬又可能不斷地進(jìn)入已變形去并承擔(dān)起傳力的作用等。
對變形區(qū)與不變形區(qū)的判斷，當(dāng)然可以直觀地根據(jù)該部分毛坯是否在改變起形狀來決定。不過，有時候變形區(qū)的形狀與尺寸并不發(fā)生變化（如再次拉深時的變形區(qū)），所以最根本的判斷方法是：如果毛坯內(nèi)某個部分內(nèi)任意兩點(diǎn)的距離不產(chǎn)生變化，也就是它們之間不產(chǎn)生相對的位移，即使該部分產(chǎn)生總體的位移，或做等角速度的轉(zhuǎn)動，這部分也不一定不是變形區(qū)，而是非變形區(qū)。[5]
1.3??沖壓變形的分類
在沖壓加工的技術(shù)工作與生產(chǎn)管理工作中，根據(jù)各自不同的需要與目的，按不同的標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)了許多分類方法。
從本質(zhì)上看，沖壓成形就是沖壓毛坯的變形區(qū)，在力的作用下產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形，所以變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)和變形性質(zhì)應(yīng)該是決定成形性質(zhì)的基本因素。因此，根據(jù)變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)和變相特點(diǎn)進(jìn)行的沖壓成形分類方法，可以把成形性質(zhì)相同的成形方法概括成同一個類型并進(jìn)行體系化的研究。
2 沖壓加工與傳統(tǒng)加工方法的比較
2.1板料沖壓加工的優(yōu)點(diǎn)
(1) 材料利用率高。
(2) 可加工薄壁、形狀復(fù)雜的零件。
(3) 沖壓件在形狀和尺寸精度方面的互換性好。
(4) 能獲得質(zhì)量輕而強(qiáng)度高、剛性好的零件。
(5) 生產(chǎn)率高，操作簡單，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化。
沖壓生產(chǎn)設(shè)備由剪床和沖床。剪床是用來將板料剪切成具有一定寬度的條料，以供后續(xù)沖壓工序使用，沖床可用于剪切及成形。[6][14]
2.2傳統(tǒng)板料加工的缺點(diǎn)
(1) 材料利用率低。
(2) 不能加工形狀復(fù)雜的零件，成形的零件質(zhì)量差。
(3) 生產(chǎn)效率低，全部是人工操作。
3 冷沖壓加工的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
3.1 沖壓技術(shù)的歷史與應(yīng)用現(xiàn)狀
在20世紀(jì)50年代，沖壓技術(shù)還處于主要依靠從實(shí)踐中總結(jié)出來的沖壓工藝方法和工藝參數(shù)，能夠制造出具有典型特征與規(guī)則形狀的沖壓件。但是對所應(yīng)用的沖壓成形方法的變形機(jī)理和沖壓成形的規(guī)律并不十分了解，缺少必要的理論基礎(chǔ)知識作為實(shí)際工作的指導(dǎo)。因此，當(dāng)沖壓生產(chǎn)中遇到與變形機(jī)理有關(guān)較為復(fù)雜的問題時，就會感到束手無策，無從著手，致使問題長時間得不到解決。到20世紀(jì)末，沖壓技術(shù)有了很大的進(jìn)步，人們已經(jīng)對常用的各種工藝方法的成形機(jī)理有了基本的了解，也總結(jié)出一些可以作為沖壓成形理論內(nèi)容的沖壓變形規(guī)律，可以在對沖壓成形機(jī)理深入了解的基礎(chǔ)上，開發(fā)更為先進(jìn)的沖壓工藝方法和改進(jìn)沖壓工藝過程。
隨著沖壓技術(shù)的發(fā)展，沖壓技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中占有十分重要的地位，是國防工業(yè)和民用工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的加工方法。在國防工業(yè)中，特別是飛機(jī)的制造中，沖壓成形以成為必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。在民用工業(yè)中，在電子產(chǎn)品中沖壓件約占80%~85%；在汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品中沖壓件約占75%~80%；在輕工業(yè)產(chǎn)品中，沖壓件約占90%以上。[7][15]
3.2沖壓工藝的研究
隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，眾多融合了計算機(jī)圖形學(xué)、有限元技術(shù)和塑性成形理論的模擬軟件開始出現(xiàn)，例如DYNAFORM, PAM-STAMP. LS-DYNA3D, AUTOFORM,OPTRIS, ABAQUS/EXPLICIT等，得到了許多工業(yè)部的重視和應(yīng)用。美國的GM,Ford, Chrysler,德國的大眾、奔馳，日本的豐田、三菱、日產(chǎn)等大型汽車制造公司，己開始應(yīng)用這類軟件指導(dǎo)板料成形件的開發(fā)和生產(chǎn)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)值分析技術(shù)以其高效率、低成本的優(yōu)勢在薄板沖壓成形領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。美國、日本等世界一流的科學(xué)研究中心采用有限元數(shù)值模擬和網(wǎng)格技術(shù)對零件、模具、沖壓工藝和材料性能之間的相互適應(yīng)性進(jìn)行了三維動態(tài)仿真分析，涉及領(lǐng)域之廣泛、研究成果之顯著，引人矚目。我國在板料成形數(shù)值模擬方面起步較晚，較發(fā)達(dá)國家(美、日等)晚了十幾年。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在板料成形數(shù)值模擬方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但主要集中在部分高校里，華中理工大學(xué)針對不完全對稱盒形件的成形特點(diǎn)，開發(fā)了有限變形彈塑性薄膜有限元程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析研究。吉林工業(yè)大學(xué)采用更新的Lagrange法以及有限元變形虛功率增量型原理的彈塑性大變形有限元法，研究了金屬板料成形的塑性流動規(guī)律以及成形過程中發(fā)生的起皺、裂紋等現(xiàn)象，首次提出了多點(diǎn)成形時非連續(xù)接觸邊界約束的處理方法，建立了基于Mindlin殼理論三維金屬板料成形過程分析的有限元模型，編制了用于板料多點(diǎn)成形分析的有限元專用軟件，成功分析了多點(diǎn)成形時的金屬流動規(guī)律。[8]哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用剛粘塑性本構(gòu)關(guān)系，開發(fā)了粘塑性板殼成形有限元分析程序，并對方盒件的成形過程進(jìn)行了分析；:對板料粘性介質(zhì)脹形過程中的應(yīng)變速率變化也進(jìn)行了模擬研究。北京航空航天大學(xué)對板料成形過程中的接觸摩擦和懸空區(qū)起皺進(jìn)行數(shù)值模擬。上海鐵道學(xué)院的李堯臣用有限元法模擬了金屬板材的沖壓成形過程，分析了金屬板材在沖壓過程中的屈曲現(xiàn)象，建立了增量形式的變分原理，跟蹤了板料起皺的發(fā)展、折疊、衰減的全過程。上海交通大學(xué)對板料成形的回彈進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，提出在板料回彈模擬中采用修正的拉格朗日法較為合適。[11]
板料成形數(shù)值模擬技術(shù)的一個突出成就是實(shí)現(xiàn)了汽車覆蓋件的成形模擬，通過對板料成形過程進(jìn)行高精度數(shù)值模擬，可以觀察沖壓速度、模具間隙、摩擦因素等對成形性能的影響。在汽車覆蓋件模擬方面，F(xiàn)ord公司的S.C.Tang作了長期的卓有成效的研究，早在1980年就用小變形有限元程序分析了當(dāng)汽車車身零件成形中采用曲面壓料面時，壓邊圈夾緊階段工件的變形。C.Q.Du等還對轎車頂弧(roofbow)、后加強(qiáng)板(rail reinforcement)、輪轂(disk wheel)成形時的回彈題進(jìn)行了模擬研究，日本的板料成形研究協(xié)會更是開發(fā)了模擬軟件ROBST，該軟件與MitsubishiCAD/CAM系統(tǒng)連接后設(shè)計出來的覆蓋件模具，已初步在生產(chǎn)實(shí)際中得到驗證。Mazda Motor用PAM-STAMP分析了邊框外覆蓋件。我國對復(fù)雜汽車覆蓋件成形過程的數(shù)值模擬技術(shù)也進(jìn)行了探索，林忠欽等運(yùn)用有限元軟件AUTOFORM和LSDYNA3D對SANTANA2000的外側(cè)板的成形過程進(jìn)行了模擬，包向軍等運(yùn)用LS-DYNA3D，在綜合考慮了毛坯尺寸、壓邊力、拉延筋的布置等因素的情況下，實(shí)現(xiàn)了汽車內(nèi)門板的優(yōu)化設(shè)計。[9]
3.3沖壓技術(shù)存在的問題
(1) 理論研究還不完善，尚需進(jìn)一步加強(qiáng)理論工作；
(2) 沖壓件的工藝制定之后，還需要進(jìn)行試驗，并根據(jù)試驗的結(jié)果修正工藝規(guī)程，這一點(diǎn)在復(fù)雜沖壓件成形過程中尤為突出，占用了生產(chǎn)時間的很大一部分；
(3) 沖壓模擬仿真在我國的應(yīng)用率還有待提高。[10]
4 結(jié)束語
由于具有生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品重量輕，可沖壓出形狀復(fù)雜的零件等優(yōu)點(diǎn)，因此，在汽車、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。同時在輕工業(yè)，軍工等行業(yè)所占的比例也有增長的趨勢。
但同是我們也應(yīng)看到，我國在沖壓領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國家還有很大的距離，我們必須以更大的步伐更快的速度占領(lǐng)這個領(lǐng)域。
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