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單位代碼 學 號 分 類 號 密 級 XX大學 畢業(yè)設計 文獻綜述 院（系）名稱 工學院機械系 專 業(yè) 名 稱 材料成型及控制工程 學 生 姓 名 指 導 教 師 20xx年03月10日 沖壓成形特點以及發(fā)展趨勢 摘 要 本文論述了冷沖壓件成形的相關理論、變形機理和工藝設計步驟及沖壓件結構設計與優(yōu)化的基本原則。介紹其成型原理、成形工藝及其結構設計、優(yōu)化過程和沖壓成型的特點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、應用和優(yōu)化。 關鍵詞：沖壓，成型，優(yōu)化。 0 前言 沖壓技術在現(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，容易實現(xiàn)機械化和自動化，在工農(nóng)業(yè)中應用十分廣泛。由于薄壁零件特別是復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] 設計開題前，在指導老師的解說下，我對沖壓件的成形方法及沖壓件的結構設計和優(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，在各種板材、帶材的成形加工中，具有明顯的綜合經(jīng)濟效益。 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有了初步了解。為此次畢業(yè)設計的開始作了充分的準備 1 沖壓成形的特點與基本規(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和所用設備與模具的特殊性，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與獨特的規(guī)律。[2] 1.1 沖壓成形的特點 在生產(chǎn)實踐中應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。[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)下順利地進行沖壓成形過程。 (3) 在沖壓成形時，板料毛坯里的內(nèi)應力數(shù)值接近或等于材料的屈服應力，有時甚至小于板料的屈服應力。 (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方面的特點，致使沖壓技術也形成了自己的一些與一般塑性加工不同的特點。 (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，所以在沖壓技術中關于模具強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。 (2) 因沖壓成形時的平面應力狀態(tài)或更為單純的應變狀態(tài)，當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，有條件運用合理的科學方法進行沖壓加工。 (3) 人們在對沖壓成形過程有了較為深入的了解后，已經(jīng)認識到?jīng)_壓成形與原材料有十分密切的關系。 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)的板料不斷地進行變形區(qū)，而變形區(qū)的金屬又可能不斷地進入已變形去并承擔起傳力的作用等。 對變形區(qū)與不變形區(qū)的判斷，當然可以直觀地根據(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，按不同的標準出現(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)生相應的塑性變形，所以變形區(qū)內(nèi)的應力狀態(tài)和變形性質(zhì)應該是決定成形性質(zhì)的基本因素。因此，根據(jù)變形區(qū)應力狀態(tài)和變相特點進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 (1) 材料利用率高。 (2) 可加工薄壁、形狀復雜的零件。 (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)量輕而強度高、剛性好的零件。 (5) 生產(chǎn)率高，操作簡單，容易實現(xiàn)機械化和自動化。 沖壓生產(chǎn)設備由剪床和沖床。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 (1) 材料利用率低。 (2) 不能加工形狀復雜的零件，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 沖壓技術的歷史與應用現(xiàn)狀 在20世紀50年代，沖壓技術還處于主要依靠從實踐中總結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。但是對所應用的沖壓成形方法的變形機理和沖壓成形的規(guī)律并不十分了解，缺少必要的理論基礎知識作為實際工作的指導。因此，當沖壓生產(chǎn)中遇到與變形機理有關較為復雜的問題時，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世紀末，沖壓技術有了很大的進步，人們已經(jīng)對常用的各種工藝方法的成形機理有了基本的了解，也總結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理深入了解的基礎上，開發(fā)更為先進的沖壓工藝方法和改進沖壓工藝過程。 隨著沖壓技術的發(fā)展，沖壓技術在現(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，特別是飛機的制造中，沖壓成形以成為必不可少的關鍵技術之一。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 隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展，眾多融合了計算機圖形學、有限元技術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，己開始應用這類軟件指導板料成形件的開發(fā)和生產(chǎn)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。數(shù)值分析技術以其高效率、低成本的優(yōu)勢在薄板沖壓成形領域中得到了廣泛的應用。美國、日本等世界一流的科學研究中心采用有限元數(shù)值模擬和網(wǎng)格技術對零件、模具、沖壓工藝和材料性能之間的相互適應性進行了三維動態(tài)仿真分析，涉及領域之廣泛、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)取得了很大進展，但主要集中在部分高校里，華中理工大學針對不完全對稱盒形件的成形特點，開發(fā)了有限變形彈塑性薄膜有限元程序?qū)ζ溥M行分析研究。吉林工業(yè)大學采用更新的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成形分析的有限元專用軟件，成功分析了多點成形時的金屬流動規(guī)律。[8]哈爾濱工業(yè)大學采用剛粘塑性本構關系，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行了分析；:對板料粘性介質(zhì)脹形過程中的應變速率變化也進行了模擬研究。北京航空航天大學對板料成形過程中的接觸摩擦和懸空區(qū)起皺進行數(shù)值模擬。上海鐵道學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。上海交通大學對板料成形的回彈進行了較為系統(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)值模擬技術的一個突出成就是實現(xiàn)了汽車覆蓋件的成形模擬，通過對板料成形過程進行高精度數(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)、后加強板(rail reinforcement)、輪轂(disk wheel)成形時的回彈題進行了模擬研究，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)連接后設計出來的覆蓋件模具，已初步在生產(chǎn)實際中得到驗證。Mazda Motor用PAM-STAMP分析了邊框外覆蓋件。我國對復雜汽車覆蓋件成形過程的數(shù)值模擬技術也進行了探索，林忠欽等運用有限元軟件AUTOFORM和LSDYNA3D對SANTANA2000的外側板的成形過程進行了模擬，包向軍等運用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，實現(xiàn)了汽車內(nèi)門板的優(yōu)化設計。[9] 3.3沖壓技術存在的問題 (1) 理論研究還不完善，尚需進一步加強理論工作； (2) 沖壓件的工藝制定之后，還需要進行試驗，并根據(jù)試驗的結果修正工藝規(guī)程，這一點在復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用率還有待提高。[10] 4 結束語 由于具有生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品重量輕，可沖壓出形狀復雜的零件等優(yōu)點，因此，在汽車、航空航天等領域應用越來越廣。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。 但同是我們也應看到，我國在沖壓領域與發(fā)達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這個領域。 參考文獻 [1] 李堯.金屬塑性成形原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004. 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