6. 金属板料成形

第八章金属板料成形基本概念板成形产品：金属桌椅、文件柜、汽车覆盖件、食品罐头……早期的板成形产品：金、银、铜，家用器皿、珠宝首饰……常用材料：低碳钢低成本、高强度、好的可成形性航空航天器用材料：铝合金、钛合金生活中实例3金属板料成形工艺分类金属板料成形工艺分类4分离工艺5成形工艺16成形工艺27冲裁成形冲裁工艺（冲孔和落料）冲裁成形过程8分离工序主要参数：冲头/模具间隙量重叠量冲头/模具的材料和形状落料速度润滑状态910间隙量c：影响冲裁边缘形状和质量的主要影响因素间隙量增加，冲裁边缘粗糙！！各个参数的影响1、间隙量增加，冲裁边缘粗糙。

2、金属板材塑性的增加，冲裁边缘光亮带和粗糙区域的比值增加，同时随着板材厚度和间隙量的增加而减少。

3、变形区的宽度依赖于凸模的速度。

随着速度的增加，由于塑性变形产生的热量被限制在越来越小的范围。

进而冲裁区变窄，表面变得更光滑，形成更少的毛刺。

11冲裁力计算冲裁力：F(冲裁力)=0.7×t(板厚)×l(周长)×σb (强度极限)50.7(0.0032)()(0.025)(1.410)0.17F M N π=⨯=例：估算室温下在厚度为3.2mm 的钛铝合金（Ti-6Al-4V ）板上冲裁一个直径25mm 的孔所需的冲裁力。

剪切操作图8-4 各种板金属剪切操作13精密冲裁(a)图5-5 普通冲裁与精密冲裁的效果对比15精冲模工作部分的组成（a ）带齿圈压板精冲（b ）（c ）普通冲裁 1-凸模2-齿圈压板3-板料4-凹模5-顶出器精密冲裁分条图8-6 圆盘剪纵切分条16其它冲裁工艺分段冲裁nibbling钢尺模切steel rules，适用于软金属、皮革、纸张、橡胶剪切余料scrap in shearing：高达30％，计算机排样冲裁间隙：小孔大间隙，大孔小间隙；c板厚的(1%～)2%～8%(～30%)；17冲裁模具间隙量材料类型、性能、厚度、坯料尺寸以及与初始板料边缘的距离等因素的函数图8.9 冲裁边缘进行修整的示意图冲裁边修整冲裁、修整组合工艺18冲裁模具图8.10 冲头和模具使用剪切角的实例19冲裁模具复合模(a)(b)图8.11 复合模工作示意图2021连续级进模图8-10 连续模工作示意图(c)板成形中金属的重要特征表 16.2特性 重要性延伸率 Determines the capability of the sheet metal to stretch without necking and failure; high strain-hardening exponent (n)and strain-rate sensitivity exponent (m)desirable.屈服点延伸 Observed with mild-steel sheets; also called Lueder’s bands and stretcher strains; causes flamelike depressions on the sheet surfaces; can be eliminated by temper rolling, but sheet must be formedwithin a certain time after rolling.各向异性(面内) Exhibits different behavior in different planar directions; present in cold-rolled sheets because of preferred orientation or mechanical fibering; causes earing in drawing; can be reduced or eliminatedby annealing but at lowered strength.各向异性(法向) Determines thinning behavior of sheet metals during stretching; important in deep-drawing operations.晶粒尺寸 Determines surface roughness on stretched sheet metal; the coarser the grain, the rougher the appearance (orange peel); also affects material strength.残余应力 Caused by nonuniform deformation during forming; causes part distortion when sectioned and can lead to stress-corrosion cracking; reduced or eliminated by stress relieving.回弹 Caused by elastic recovery of the plastically deformed sheet after unloading; causes distortion of part and loss of dimensional accuracy; can be controlled by techniques such as overbending andbottoming of the punch.起皱 Caused by compressive stresses in the plane of the sheet; can be objectionable or can be useful in imparting stiffness to parts; can be controlled by proper tool and die design.切边质量 Depends on process used; edges can be rough, not square, and contain cracks, residual stresses, and a work-hardened layer, which are all detrimental to the formability of the sheet; quality can beimproved by control of clearance, tool and die design, fine blanking, shaving, and lubrication.表面质量 Depends on rolling practice; important in sheet forming as it can cause tearing and poor surface quality; see also Section 13.3.2223屈服点延伸图8.12(a)板金属试样上的屈服点延伸；(b)低碳钢板表面的吕德斯带；(c)钢制封头表面的延伸带(a)(b)(c)Erichsen杯突试验(a)(b)a)Erichsen杯突试验原理b)杯突试验样品杯突试验，一种冲压工艺性能试验，用来衡量材料的深冲性能的试验方法。

板料成形CAE 技术贵州风华机器厂童春桥一、前言计算机辅助设计技术以其强大的冲击力，影响和改变着工业的各个方面，甚至影响着社会的各个方面。

它使传统的产品技术、工程技术发生了深刻的变革，极大地提高了产品质量，缩短了从设计到生产的周期，实现了设计的自动化。

板料成形是利用模具对金属板料的冲压加工，获得质量轻、表面光滑、造型美观的冲压件，具有节省材料、效率高和低成本等优点，在汽车、航空、模具等行业中占据着重要地位。

由于板料成形是利用板材的变形得到所需的形状的，长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期，特别是对于复杂的板料成形零件无法准确预测成形的结果，难以预防缺陷的产生，只能通过经验或类似零件的现有工艺资料，通过不断的试模、修模，才能成功。

某些特殊复杂的板料成形零件甚至制约了整个产品的开发进度。

板料成形CAE 技术及分析软件，可以在产品原型设计阶段进行工件坯料形状预示、产品可成形性分析以及工艺方案优化，从而有效地缩短模具设计周期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高企业的市场竞争力。

板料成形CAE 技术对传统开发模式的改进作用可以通过图 1 和图 2 进行对比=> 试模催模模具方案僱图1传统板料成形模具开发模式■ - -JJ RBi^a-j ri-BHMnHI _ liHHd I图2 CAE技术模具开发方式通过比较，就可发现板料成形CAE技术的主要优点(1) 通过对工件的可成形工艺性分析，做岀工件是否可制造的早期判断；通过对模具方案和冲压方案的模拟分析，及时调整修改模具结构，减少实际试模次数，缩短开发周期。

(2) 通过缺陷预测来制定缺陷预防措施，改进产品设计和模具设计，增强模具结构设计以及冲压方案的可靠性，从而减少生产成本。

(3) 通过CAE分析可以择优选择材料，可制造复杂的零件，并对各种成形参数进行优化，提高产品质量。

(4) 通过CAE分析应用不仅可以弥补工艺人员在经验和应用工艺资料方面的不足，还可通过虚拟的冲压模拟，提高提高工艺人员的经验。

金属材料成形工艺及控制金属材料成形是指将金属原料通过一系列工艺操作，经过塑性变形、应变硬化和回复变形等过程，最终得到所需形状与性能的金属制品的工艺过程。

金属材料成形工艺有很多种，包括铸造、锻造、压力加工、挤压、拉伸、冲压、粉末冶金等。

每种成形工艺都具有其独特的特点和适用范围，需要根据材料性质和产品要求选择合适的成形工艺。

一、铸造是金属材料成形的基本方法之一，通过将金属熔化后注入模具中，经过凝固、冷却和后处理等过程得到所需产品。

铸造工艺分为砂型铸造、金属型铸造、石膏型铸造、压力铸造等多种类型，适用于生产各类形状的金属制品。

二、锻造是指将金属原料置于模具中，经过加热和高压的力量作用下，使金属材料发生塑性变形，最终得到所需形状的工艺方法。

锻造工艺分为自由锻造、模锻、冷锻等多种类型，适用于生产各类尺寸较大、形状复杂的零部件。

三、压力加工是指通过金属材料受到外力压缩、拉伸、弯曲等作用，使其发生塑性变形，并最终得到所需形状的金属成形方法。

压力加工包括挤压、拉伸、剪切、折弯等多种工艺，适用于生产各类薄板、管材、棒材等产品。

四、挤压是指将金属加热至熔点后，在压机的作用下通过模具挤出，得到所需形状的工艺方法。

挤压工艺适用于生产各类型材、异型材、电线电缆、铝箔等产品。

五、拉伸是指通过将金属材料置于拉伸机中，受到拉力的作用下，使其发生塑性变形，最终得到所需形状的金属成形方法。

拉伸工艺适用于生产各类细丝、线材、管子等产品。

六、冲压是指通过冲压机将金属板材置于模具中，经过冲击力的作用下，使其发生塑性变形，最终得到所需形状的金属成形方法。

冲压工艺适用于生产各类薄板金属产品，如汽车车身板、电器外壳等。

七、粉末冶金是指将金属粉末与非金属粉末按一定配比混合，压制成坯料后通过烧结等过程，最终得到具有一定形状和性能的金属制品的工艺方法。

粉末冶金工艺适用于生产各类复杂形状、高精度的金属制品。

以上是金属材料成形工艺的简要介绍，为了保证金属制品质量和实现成形工艺的控制，需要进行相应的工艺控制。

美国控制会议论文集圣迪格加利福尼亚六月1999金属板料成型过程控制器的设计Cheng-wei Hsu and A.Galip Ulsoy Mahmoud Y.Demeri密歇根大学机械工程与应用力学系福特汽车公司福特研究实验室安艾伯：密歇根 48109-2125，美国迪波恩密歇根 48121，美国摘要：在加工过程中通过调节压边力可以增加工件的成形性和精确度和更好的重复精度。

关于金属板料成形过程控制的应用已有很多的研究。

但是，过程控制器的设计还没有彻底解决，因此本文对此进行研究。

在无论模型是否确定和鲁棒情况下，采用具有近似反馈动力学的常数比例积分（PI）控制器可获得小的跟踪误差。

1概述由于具有高速度和低批量生产成本，金属板料冲压是一种重要制造过程。

图1为简单的冲压过程示意图。

图1 冲压过程示意图基本的组成部分是一个冲头和一套包含拉深边缘的压边圈。

冲头拉深板料成型，同时压边圈夹持板料控制流向凹模的金属。

一些过程变量如图显示：Fp是冲压力，Fb 是压边力，Fr是坯料约束力。

冲压零件良好的质量（如无撕裂，无起皱和高的尺寸精度）对于避免装配和最终产品性能出现问题很重要。

冲压过程的重复精度（如零件间的尺寸变化）也会影响到后续的批量装配生产。

新材料的使用也带来了新的挑战。

例如，轻质材料（如铝）的使用可根本减轻汽车的重量从而更好的节省油耗。

但是，铝材降低了成型性并生产更大的回弹。

对于流入凹模处材料的控制是保证零件的高质量和重复精度的关键。

以往研究表明在拉深过程中采用变压边力对于改进成形性，减少回弹和得到好的工件重复精度。

一种变压边力应用的策略（如过程控制）如图2所示。

图2 是金属板材成型中的过程控制在该策略中，通过控制压边力按照事先设定好的轨迹（如冲头的力-位移曲线）控制一个可测的过程变量（如冲力）。

相似的方法在文献【5，6，7】中有所报道。

最近对于金属板成型的研究又得出以下结论：1.零件质量的一致性可以通过反馈跟踪特性来提高。

金属板料成形数值模拟的研究现状一、引言金属板料成形数值模拟是现代制造业中不可或缺的一环。

通过数值模拟可以预测金属板料在成形过程中的变形、应力分布等物理量，从而优化工艺参数，提高成形质量和效率。

本文将介绍金属板料成形数值模拟的研究现状。

二、数值模拟方法1. 有限元法有限元法是目前最为常用的数值模拟方法之一。

它将连续体划分为多个小单元，在每个小单元内近似求解其物理量，最后通过组合得到整体的物理量分布。

有限元法可以考虑材料非线性、边界条件复杂等因素，适用范围广泛。

2. 边界元法边界元法是另一种常用的数值模拟方法。

它将问题转化为求解边界上的物理量分布，避免了对整个区域进行离散化计算。

边界元法适用于具有对称性或者具有复杂几何形状的问题。

3. 网格无关法网格无关法是相对于传统有限元法而言的新兴方法。

它不需要事先确定网格大小和结构，可以自动适应物理量分布的变化。

网格无关法适用于具有较大变形或者复杂几何形状的问题。

三、数值模拟在金属板料成形中的应用1. 成形过程分析数值模拟可以对金属板料成形过程进行分析，预测变形、应力分布等物理量。

通过优化工艺参数，可以避免一些不必要的缺陷和失效。

2. 模具设计数值模拟可以为模具设计提供依据。

通过对成形过程中应力和变形的预测，可以确定合适的模具结构和尺寸，从而达到更好的成形效果。

3. 材料选择数值模拟还可以为材料选择提供参考。

通过预测不同材料在成形过程中的性能表现，可以选择最为适合的材料，提高生产效率和质量。

四、数值模拟存在的问题及发展趋势1. 计算精度问题目前数值模拟存在计算精度不高、计算时间长等问题。

需要进一步发展更加高效精确的数值模拟方法。

2. 跨尺度建模问题金属板料成形涉及到多个尺度，如宏观尺度、晶体尺度等。

如何将不同尺度的模型相结合，进行跨尺度建模是一个重要的研究方向。

3. 多物理场耦合问题金属板料成形涉及到多种物理场，如力学、热学、电磁学等。

如何将这些物理场相互耦合起来进行计算，是数值模拟发展的重要方向之一。

形和制造的一系列技术和工艺。

这涵盖了从原材料到最终成品的整个生产链，包括金属的选材、切割、成形、焊接、表面处理等方面。

下面将详细介绍金属工艺及材料成形技术的各个方面。

1. 金属工艺概述金属工艺是指对金属材料进行各种物理和化学处理，使其达到预定形状、尺寸、性能和表面状态的技术。

金属工艺的主要步骤包括原材料准备、熔炼、成型、加工、焊接、表面处理等。

在整个金属工艺过程中，材料的性能、工艺的精密性和效率都是关键因素。

2. 金属材料成形技术a. 锻造（Forging）锻造是一种通过对金属施加压力，使其发生塑性变形，从而改变其形状的成形工艺。

这可以通过冷锻和热锻两种方式进行。

锻造可用于制造各种零部件，如飞机零件、汽车零件和工业设备。

b. 拉伸成形（Stretch Forming）拉伸成形是一种通过对金属板材施加拉力，使其在一定的模具上拉伸成所需形状的成形工艺。

这在航空航天领域中广泛应用，制造复杂曲面的零部件。

c. 冲压成形（Stamping）冲压成形是将金属板或带料通过冲裁模、弯曲模、拉伸模等多个工序，使其发生塑性变形，形成零部件的工艺。

这是大规模生产金属零部件的一种有效方式。

d. 旋转成形（Spinning）旋转成形是通过将金属板材固定在旋转工具上，通过压力使其沿轴线旋转，从而形成圆筒状或锥形状的零部件的工艺。

常见的应用包括制造锅、盘子等器皿。

e. 挤压（Extrusion）挤压是将金属通过模具压出所需形状的工艺。

这广泛应用于制造铝型材、管道等。

通过挤压，可以生产复杂截面的产品。

f. 注塑成形（Injection Molding）虽然常用于塑料，但注塑成形也可用于金属粉末，通过在高温高压下使金属粉末熔化，并注射到模具中成形。

这是制造小型零部件的一种方法。

3. 金属加工技术a. 数控加工（CNC Machining）加工具有高精度、高效率和灵活性的优势，广泛应用于定制零部件制造。

b. 电火花加工（EDM）电火花加工是通过电脉冲放电的方式在金属工件上形成微小的放电坑，从而实现零部件的精密加工。

板料成形技术的原理板料成形技术是一种将金属或非金属板料通过应用力、热量或化学反应等方式，使其发生形状改变的加工方法。

它是金属成型技术的重要分支之一，广泛应用于汽车、航空航天、电子通信、建筑等领域。

板料成形技术的原理可以归纳为以下几个方面：1. 弹性变形原理弹性变形原理是指在加载作用下，板料发生弹性变形而不会发生永久性变形或断裂。

在板料成形过程中，利用材料自身的弹性回复性能，通过施加外力使其发生形状改变。

这种原理适用于一些薄板的成形，如冲压、弯曲等工艺。

2. 塑性变形原理塑性变形原理是指在加载作用下，板料发生永久性变形而不恢复到原来的形状。

在板料成形过程中，通过施加足够大的应力使板料发生塑性变形，以获得所需的形状。

这种原理适用于深冲、拉伸、压缩等工艺。

塑性变形原理的关键在于控制加载过程中的应力和变形，以避免板料过度塑性变形而引起断裂。

3. 热变形原理热变形原理是指通过加热板料使其塑性增加，然后再施加力量使其发生塑性变形。

板料的塑性与温度密切相关，一般情况下，热变形温度要低于材料的熔点，以避免熔化。

热变形可以改变材料的结构和性能，扩大塑性变形范围，提高板料的成形性能。

热变形原理适用于复杂形状的成形，如热深拉、热冲压等工艺。

4. 化学反应原理化学反应原理是指通过在板料表面产生化学反应，改变板料的表面性质从而达到成形的目的。

常用的化学反应方法有电镀、化学腐蚀等。

通过这些方法，可以在板料表面形成一层新的物质，改变其摩擦、润滑、耐蚀性等性能，以便进行成形。

总之，板料成形技术的原理主要包括弹性变形、塑性变形、热变形和化学反应。

不同的板料成形工艺根据材料的特性和形状要求，选择适合的原理和方法进行成形。

通过合理控制成形参数和工艺流程，可以实现对板料的精确成形，满足不同工业领域对于各种复杂形状的需求。

第1章冲压工艺基础知识一、填空题1.冲压加工是利用安装在压力机上的模具对材料施加外力，使其产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸工件的一种压力加工方法。

2.冲压一般在常温下进行，故又称冷冲压。

因为冲压主要是用板料加工成零件，所以又叫板料冲压。

3.冲压的三要素是指设备（压力机）、模具、原材料。

4.冲压和锻造合称为压力加工，简称锻压。

5.同一副模具生产出来的同一批产品尺寸一致性高，具有很好的互换性。

6.冲压件的尺寸稳定，互换性好，是因为其尺寸公差由冲压模来保证。

7.分离工序是使板料的一部分与另一部分沿一定的轮廓线发生断裂而分离。

8.伸长类变形时，变形区最大主应力为拉应力，其破坏形式为拉裂，变形区材料厚度减薄。

9.压缩类变形时，变形区最大主应力为压应力，其破坏形式为起皱，变形区材料厚度增厚。

10.冲压按工序的组合形式可分为单工序冲压、复合冲压和级进冲压。

11.冲压材料的成形性能主要体现为抗破裂性、贴模性和定形性三个方面。

12.贴模性是指金属板料在成形过程中获得模具形状和尺寸且不产生皱纹等板面几何缺陷的能力。

13.定形性是指冲压制件脱模后抵抗回弹，保持其在模内既得形状和尺寸的能力。

14.材料屈服极限与强度极限的比值称为屈强比，其值越大，说明塑性变形区间范围越大。

15.常用冲压材料有金属材料和非金属材料。

16.JB23-63型号的压力机的公称压力为630KN 。

17.中小型冲压模是将模柄安装在压力机的滑块模柄孔中。

18.压力机滑块从上死点到下死点所经过的距离称为滑块行程。

二、判断题（正确的打√，错误的打×）1.冲模的制造一般是单件小批量生产，因此冲压件也是单件小批量生产。

（×）2.落料和弯曲都属于分离工序，而拉深、翻边则属于变形工序。

（×）3.分离工序是指对工件的剪裁和冲裁工序。

（√）4.所有的冲裁工序都属于分离工序。

（√）5.成形工序是指对工件弯曲、拉深、成形等工序。

（√）6.成形工序是指坯料在超过弹性极限条件下而获得一定形状。

第一章1.什么是金属的塑性？什么是塑性成形？塑性成形有何特点？塑性----在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力；塑性变形----当作用在物体上的外力取消后，物体的变形不能完全恢复而产生的残余变形；塑性成形----金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成型并获得一定力学性能的加工方法，也称塑性加工或压力加工；塑性成形的特点：①组织、性能好②材料利用率高③尺寸精度高④生产效率高2.试述塑性成形的一般分类。

Ⅰ.按成型特点可分为块料成形(也称体积成形)和板料成型两大类1）块料成型是在塑性成形过程中靠体积转移和分配来实现的。

可分为一次成型和二次加工。

一次加工：①轧制----是将金属坯料通过两个旋转轧辊间的特定空间使其产生塑性变形，以获得一定截面形状材料的塑性成形方法。

分纵轧、横轧、斜轧；用于生产型材、板材和管材。

②挤压----是在大截面坯料的后端施加一定的压力，将金属坯料通过一定形状和尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得符合模孔截面形状的小截面坯料或零件的塑性成形方法。

分正挤压、反挤压和复合挤压；适于(低塑性的)型材、管材和零件。

③拉拔----是在金属坯料的前端施加一定的拉力，将金属坯料通过一定形状、尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的小截面坯料的塑性成形方法。

生产棒材、管材和线材。

二次加工：①自由锻----是在锻锤或水压机上，利用简单的工具将金属锭料或坯料锻成所需的形状和尺寸的加工方法。

精度低，生产率不高，用于单件小批量或大锻件。

②模锻----是将金属坯料放在与成平形状、尺寸相同的模腔中使其产生塑性变形，从而获得与模腔形状、尺寸相同的坯料或零件的加工方法。

分开式模锻和闭式模锻。

2）板料成型一般称为冲压。

分为分离工序和成形工序。

分离工序：用于使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离，如冲裁、剪切等工序；成型工序：用来使坯料在不破坏的条件下发生塑性变形，成为具有要求形状和尺寸的零件，如弯曲、拉深等工序。