板料的沖壓成型特性研究

摘要:討論了板料的沖壓成型特性，介紹了4種不同的沖壓成型方式及沖壓成型原理，歸納了沖壓成型過程的4種研究方法，給出了研究沖壓成型過程的理論體系及發展前景。

關鍵詞:沖壓;板料;成型方法

1 引 言

沖壓是通過模具使板料產生塑性變形從而得到成品零件的一種塑性成型方法。沖壓通常在常溫狀態下進行，所以也稱作冷沖壓。熱沖壓只用于當板料厚度超過8～100mm的時候才使用。沖壓用的金屬材料通常為板料或帶料，因此也稱作板料成型。一些非金屬材料(如夾板，云母片，石棉，皮革)也可以采用沖壓成型。

沖壓廣泛的用于金屬制品業的各個領域，在汽車、儀表、軍工和家用電器等工業中占有極其重要的地位。

沖壓需要考慮工藝，設備和模具這三個基本問題。板料沖壓的特點如下:

(1)材料利用率高;

(2)可以加工復雜形狀的薄壁零件;

(3)沖壓件在形狀和尺寸精度上的互換性好;

(4)可以得到質量輕，強度高和剛性好的零件;

(5)生產率高，易操作并且容易實現機械化和自動化;

沖壓模具的成本高，因此只適合于大批量生產。對于小批量和多品種的制品生產，采用簡單沖壓模及新型設備如沖壓加工中心，來滿足市場的需求。

金屬板料沖壓的材料包括低碳鋼、銅、鋁、鎂合金和高塑性的合金鋼等。

沖壓成型設備包括有剪床和沖床。前者是將板料剪成具有一定寬度的條料，以便以后的沖壓。后者用來剪切和成形。

2 沖壓成型的特性

沖壓成型有多種方法，有不同的形式和名稱。但這些方法塑性變形的本質是相似的。沖壓成型有以下幾個非常突出的特點:

(1)垂直于板面單位面積上的力雖然不大但足以在板面方向上使材料產生塑性變形。這個垂直于板面單位面積上的力遠小于板面方向的內應力，所以大多數的沖壓變形都可以近似的當作平面應力狀態來處理，使其變形力學的分析和工藝參數的計算等都得到很大程度的簡化。

(2)基于板料毛坯的相對厚度小，在壓應力下的抗不穩定性比較弱，因而，在沒有抗不穩定性的裝置(如壓邊裝置)下，沖壓成型過程就很難進行下去，因此以拉應力為主的沖壓成型過程多于以壓應力為主的沖壓成型過程。

(3)在沖壓成型過程中，板料毛坯的內應力的值等于或小于材料的屈服應力。在這一點上，沖壓成型不同于體積成型。在沖壓成型過程中，在變形區壓應力狀態下的靜態壓力對成型極限與變形抗力的影響沒有在體積變形中那么重要。

(4)在沖壓成型中，模具對板料的抑制作用不像體積成型(如模鍛)中的那樣。在體積成型中，是依靠模具與制件完全相同的型腔強制成型的。然而在沖壓成型過程中，在大多數情況下，板料有一定的自由度，只有一個表面與模具有接觸。在有些特殊情況下，如球形或錐形零件成型時的懸空部分，以及罐裝零件端部的卷曲部分，板料兩側的表面部分都不與模具接觸，這些區域的變形是依靠模具對其相鄰部分施加的外力實現控制的。

基于沖壓成型的特點和以上提到的一些機械性能的特點，沖壓技術有不同于體積成型的一些特點:

(1)由于不需要在板料的表面施加很大的單位壓力就可以成型，所以在沖壓成型中關于模具強度與剛度的問題并不十分重要。

相反地，一些簡單的模具技術以及依靠氣體和液體的成型的技術卻得到了快速發展。

(2)與體積成型相比，基于平面壓力簡單的應變狀態，現在對沖壓成型中的變形、力學方面以及能量方面的參數研究已經較為成熟，沖壓成型可以利用更合理更科學的方法進行。基于對板料性能與沖壓變形參數在時間上的測量和分析，利用計算機和一些更為先進的技術手段，實現沖壓成型過程智能化控制和仿真就成為了可能。

(3)沖壓成型和原材料之間的關系十分密切，對于沖壓成型性能的研究，即成型性能及形狀穩定性的研究，已經成為了沖壓技術的要點內容。對于板料沖壓性能的研究不僅是沖壓技術發展的需要，而且也促進了鋼鐵工業制造技術的發展，為提高金屬板料的質量提供了一個可靠的基礎。

3 沖壓成型的研究方法

通過研究沖壓成型的過程，研究沖壓成型的目標是認識并提供解決各種工程問題的原則。目前沖壓成型的研究領域已十分廣泛，采用的方法也是多種多樣的。這些研究可以概括為以下幾種類型。

圖1中雙線箭頭所示是正統理論研究的過程。在這種研究工作中，把設備與模具的作用分解成力的微觀成分，并且作用在金屬的微觀結構上來研究金屬微觀結構的變形，再將這些微觀變形結果總結成為板料的宏觀變形。這種研究方法是科學的，但是現在的金屬學與力學的發展不能滿足這樣的需要。因此這種正統的理論性研究還處于萌芽狀態，在實踐中是不存在的。

因為正統的理論性研究方法遇到了不可克服的困難，一種簡單的理論研究方法出現在沖壓成型領域中。這種研究方法的特點在圖1中用實線線箭頭表示，它是當前研究領域中的主要趨勢。這種研究方法將金屬假定為理想的均勻固體，進一步簡化金屬材料的性能參數，在邊界條件和板料毛坯幾何參數的條件下，采用數學分析的方法來分析和描述沖壓成型過程和成型原理。自然地，經過前面所述的簡化式運算和分析就會背離于真實的沖壓成型過程及其仿真過程，結果當然只能是近似的而不能完全真實反映沖壓變形過程。特別是在分析復雜的變形過程時，這種理論方法就顯得有其局限性了。近些年來，基于有限元方法和計算機技術的發展，這種理論研究的方法有了很大的進展，即使在成型復雜形狀沖壓件中也顯示出了良好的可利用前景。這種理論研究方法的可行性主要集中于一些特殊沖壓變形的研究，并且期望這種方法在沖壓成型基本規律的研究方面獲得更大的成就。

第三種沖壓成型研究方法在圖1中用點劃線箭頭所示。這種方法的特點是忽略板料在沖壓成型加載作用下的變形過程，試著將最初的成型條件(包括模具的結構，模具工作部分的幾何參數和沖壓設備的作用特點等)和最后沖壓成型的最終結果建立起直接的聯系和準則。這是一種常規的經驗方法，并且近些年來廣泛的應用于沖壓技術領域中。雖然這種方法直觀，簡單并且容易被工程師接受，但是它不能被用來展示真正的沖壓變形過程，所以它并不是更深入的進行沖壓成型研究的根本方法，并且它也具有很強的局限性。

第四種沖壓成型研究方法在圖1中用虛線箭頭所示。基于力學與金屬學的基礎知識，研究沖壓成型的基本特點和原則，用來解決沖壓過程中的實際問題。比較其它的塑性成型過程，沖壓成型的特點是金屬板料有獨特的變形原則。所以這種方法有明確的目的并且分析結果可以被直接應用來解決沖壓成型過程中的不同問題。這種研究方法的特點和效果可以用以下的例子來說明。

(1)沖壓成型過程的順序可以由沖壓變形的趨向性原則來決定。

(2)根據對盒形件多次拉深過程中變形區的外部邊緣速度均衡分布的原則，在成型過程中可以計算出毛坯的形狀和尺寸。因此對深的盒形件進行多次拉深的技術是基于成型基本原理，進而用此提高沖壓成型的技術水平。

(3)根據對金屬板料成型由不均衡的拉力與剪力作用下起皺現象的研究，在傳統的壓縮失穩理論以外發展了一種新的研究領域，其獲得的成果為直接處理沖壓成型中的起皺現象提供了有效的保障。

(4)沖壓成型分類的理論是基于沖壓變形的特點，這是一條通向沖壓成型體系化研究的捷徑，并且可以被用來深入研究沖壓成型的極限，為提高沖壓成型極限指出了清晰和明確的方向。

以上例子表明，這些方法與實際沖壓成型過程密切相關，它們可以被用來有效地分析和解決沖壓成型的問題。雖然這些方法的應用還處在初級階段，目前主要集中于對沖壓成型的定性分析，但隨著這些研究方法的不斷完善與進步，以及其與現代力學技術的完美結合，相信這些研究方法一定會極大地促進沖壓成型技術的飛速發展。

參考文獻

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