冲压件结构优化设计及成形技术.docx

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冲压件结构优化设计及成形技术

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

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指导教师签名：

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使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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日期：

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

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日期：

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

1绪论

1.1课题背景

在市场上，用板金冲压工艺制造的零件占全部金属制品的90%以上。

由此可见，其工艺在国民经济与军事诸方面所占的位置是极其重要的。

板金冲压具有劳动生产率和材料利用率高，重量轻等优点。

轻工十大产品中，金属件基本都是板金冲压产品。

军工产品中力求重量轻的航空航天产品自不待言，其他军用品，如需要量大的弹壳之类，也都是板金冲压产口。

近年来，随着飞机、汽车、电子、仪表、日用工业品等工业的发展，冲压加工技术得到了高速的发展。

目前，除一般的成型方法外，又出液压成形，强力旋压成形，超塑成形，爆炸成形，以及精密冲裁和高速冲压等加工技术。

冲压技术在现代工业生产中占有十分重要的地位，是国防工业及民用工业生产中必不可少的加工方法，在电子产品中，冲压件约占80%~85%；在汽车、农业机械产品中，冲压件约占75%~80%；在轻工业产品中，冲压件约占90%以上。

此外，在航空及航天工业中，冲压件也占有很大的比例。

冷冲压是塑性加工的基本方法之一，它是利用安装在压力机上的模具，在室温下对板料施加压力使其变形和分离，从而获得具有一定形状、尺寸的零件的压力加工方法。

因为它主要用于加工板料零件，所以也称板料冲压。

在冷冲压加工中，将材料（金属或非金属）加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，称为冷冲压模具（俗称冷冲模）。

冷冲模在实现冷冲压加工中是必不可少的工艺装备，没有先进的模具技术，先进的冲压工艺就无法实现。

冲压加工在汽车、拖拉机、电机、电器、仪表和日用品的生产中，已占据十分重要的地位[1]。

1.2国内外研究状况

随着计算机软硬件技术的发展，众多融合了计算机图形学、有限元技术和塑性成形理论的模拟软件开始出现，例如DYNAFORM,PAM-STAMP.LS-DYNA3D,AUTOFORM,OPTRIS,ABAQUS/EXPLICIT等，得到了许多工业部的重视和应用。

美国的GM,Ford,Chrysler,德国的大众、奔驰，日本的丰田、三菱、日产等大型汽车制造公司，己开始应用这类软件指导板料成形件的开发和生产，产生了良好的经济效益。

数值分析技术以其高效率、低成本的优势在薄板冲压成形领域中得到了广泛的应用。

美国、日本等世界一流的科学研究中心采用有限元数值模拟和网格技术对零件、模具、冲压工艺和材料性能之间的相互适应性进行了三维动态仿真分析，涉及领域之广泛、研究成果之显著，引人瞩目。

我国在板料成形数值模拟方面起步较晚，较发达国家（美、日等）晚了十几年。

经过多年的发展，我国在板料成形数值模拟方面已经取得了很大进展，但主要集中在部分高校里，华中理工大学针对不完全对称盒形件的成形特点，开发了有限变形弹塑性薄膜有限元程序对其进行分析研究。

吉林工业大学采用更新的Lagrange法以及有限元变形虚功率增量型原理的弹塑性大变形有限元法，研究了金属板料成形的塑性流动规律以及成形过程中发生的起皱、裂纹等现象，首次提出了多点成形时非连续接触边界约束的处理方法，建立了基于Mindlin壳理论三维金属板料成形过程分析的有限元模型，编制了用于板料多点成形分析的有限元专用软件，成功分析了多点成形时的金属流动规律。

哈尔滨工业大学采用刚粘塑性本构关系，开发了粘塑性板壳成形有限元分析程序，并对方盒件的成形过程进行了分析；:

对板料粘性介质胀形过程中的应变速率变化也进行了模拟研究。

北京航空航天大学对板料成形过程中的接触摩擦和悬空区起皱进行数值模拟。

上海铁道学院的李尧臣用有限元法模拟了金属板材的冲压成形过程，分析了金属板材在冲压过程中的屈曲现象，建立了增量形式的变分原理，跟踪了板料起皱的发展、折叠、衰减的全过程。

上海交通大学对板料成形的回弹进行了较为系统的研究，提出在板料回弹模拟中采用修正的拉格朗日法较为合适。

板料成形数值模拟技术的一个突出成就是实现了汽车覆盖件的成形模拟，通过对板料成形过程进行高精度数值模拟，可以观察冲压速度、模具间隙、摩擦因素等对成形性能的影响。

在汽车覆盖件模拟方面，Ford公司的S.C.Tang作了长期的卓有成效的研究，早在1980年就用小变形有限元程序分析了当汽车车身零件成形中采用曲面压料面时，压边圈夹紧阶段工件的变形。

C.Q.Du等还对轿车顶弧（roofbow）、后加强板（railreinforcement）、轮毂（diskwheel）成形时的回弹题进行了模拟研究，日本的板料成形研究协会更是开发了模拟软件ROBST，该软件与MitsubishiCAD/CAM系统连接后设计出来的覆盖件模具，已初步在生产实际中得到验证。

MazdaMotor用PAM-STAMP分析了边框外覆盖件。

我国对复杂汽车覆盖件成形过程的数值模拟技术也进行了探索，林忠钦等运用有限元软件AUTOFORM和LSDYNA3D对SANTANA2000的外侧板的成形过程进行了模拟，包向军等运用LS-DYNA3D，在综合考虑了毛坯尺寸、压边力、拉延筋的布置等因素的情况下，实现了汽车内门板的优化设计。

国内学者和技术人员在运用有限元数值模拟方法来解决生产实际问题方面，虽然有了很大的进步，但与国外不论在规模上，还是问题复杂程度方面都有相当的差距，要缩短这一差距，甚至超越发达国家，还有很长的一段路要走[16]。

1.3课题研究方法

本课题在分析冲裁、弯曲、拉深等基本冲压成型方法的机理和特点的基础上，结合冲压件的制造工艺性，论述了冲压件的结构工艺性。

1.4论文构成及研究内容

本论文主要包括冲压件常用成型方法及技术特点、冲压常用原材料、常见冲压件结构优化设计方案及应用实例和照相机前盖板工艺方案优化及模具设计五部分构成。

本文主要研究了冲裁、弯曲、拉深成形机理、特点、规律，在此基础上又研究了其工艺性；对几个典型的冲压件进行了结构工艺优化；系统的对照相机成形工艺进行了设计及其模具设计。

2冲压件常用成形方法及技术特点

冲压件成形方法有许多种，在本文中着重介绍最基本的冲压成形方法：

冲裁、弯曲和拉深。

2.1冲裁变形机理

2.1.1冲裁变形过程

冲裁时板料的变形具有明显的阶段性，像单向拉伸那样，由弹性变形过渡到塑性变形，最后产生断裂分离。

1.弹性变形阶段

如图2.2（a）所示，当凸模下压接触板料时，材料特产生短暂的、轻微的弹性变形。

此时如果提升凸模，变形将完全消失。

塑性变形阶段如图2.2（b）所示，凸模继续下压，板料变形区的应力将继续增大。

当应力状态满足屈服准则时，材料便进入塑性变形阶段。

这一阶段突出的特点是材料只发生塑性流动，而不产生任何裂纹，凸模继续切入板料，同时将凹模下面的材料挤入孔内。

2.断裂分离阶段

图2.1（c），（d），（e）表示了断裂分离的全过程，其中图（c）表示当凸模切入板料达到一定深度时，在凹模侧壁靠近刃口处的材料首先出现裂纹。

这表明塑性剪切变形的终止和断裂分离的开始。

图（d）表示裂纹发展与贯通的情形。

在一般情况下，在凹模附近产生的裂纹向凸模刃口方向发展的过程中，处在凸模侧面靠近刃口附近的材料也将产生裂纹，并且上下裂纹将贯通。

图（e）表示冲裁结束时板料被完全分裂分离的情形。

被冲入孔的—块料在落料时为工件，冲孔时为废料。

留在凹模面上的材料在冲孔时为工件，落料时为废料。

普通冲裁件的剪切断面状况如图2.1（f）所示，其精度一般在ITl0级以下，表面粗糙度Ra在3.2μm-50μm[11]。

如图2.1（f）所示，断面明显分为四个区域：

a为圆角区，即塌角；b为光亮带，表面光滑，表面质量最好；c为剪裂带，表面粗糙并略带斜度，不与板面垂直；d为毛刺。

（a）弹性变形；（b）塑性变形；（c）出现裂纹；（d）裂纹贯通；（e）板料完全断裂分离；（f）剪切断面

1—凸模；2—板料；3—凹模；4—冲孔为工件，落料为废料；5—落料为工件，冲孔为废料

图2.1冲裁变形过程及冲裁件剪切断面

2.1.2冲裁变形区及受力

1、冲裁变形区

冲裁变形区是指材料被分离断开的那一部分区域，但具体的模型尚未有统一的认识。

冲裁时板料的变形区不是简单的剪切面，因为冲裁时板料不仅产生剪切变形，而且还有弯曲变形。

有实验研究提出，冲裁过程中材料的最大塑性变形集中在以凸模与凹模之上、下刃口尖端连线为中心的区域，为一个纺锤形范围，如图2.2（a）所示，即从刃口尖端起向中间逐渐增宽的形状范围。

这一范围随材料的伸长率和加了硬化指数的增大而增大。

当凸模进入到材料内部某一深度时，变形区还是从刃口开始的纺锤形范围，初始纺锤形中的一部分成为了已变形区，如图2.2（b）2区所示。

（a）初始冲裁；（b）切入板料

图2.2冲裁板料的变形区

在纺锤形范围内，虽然材料已接近或正在进行剪切变形.但其中各点处的应力状态仍然是不相同的。

2、变形区及临域的应