七年级下册数学期末试卷-7d737e563c1ec5da50e2707c

第 一 篇 锻锻压压基基础础知知识识 ! 第第第第第第第第第第第第一一一一一一一一一一一一章章章章章章章章章章章章 概概概 述述述 第一节 锻造的分类与发展趋势 一、锻造的分类 锻造按所用工具及模具安置情况不同分类见表 ! " ! " !。 表 ! " ! " ! 按工具及模具安置情况分类 名称 特点 自由锻 靠固定的平砧或型砧成形 胎模锻 锻模为可移动式 模锻 锻模为固定式 模锻按成形温度分类见表 ! " ! " #。 表 ! " ! " # 模锻按温度分类 名称 特点 热锻 终锻温度高于再结晶温度的锻造过程，工件温度高于模具温度 等温锻 模具带加热和保温装置 冷锻 指室温下进行的或低于工件再结晶温度的锻造 温锻 介于热锻及冷锻之间的加热锻造 模锻按工具及工件的相对运动方式分类见表 ! " ! " # 表 ! " ! " # 模锻按运动分类 名 称 特 点 普通模锻 模具相对于坯料作直线往复运动 辊锻 毛坯作直线运动，两辊锻模作旋转运动，转向 相反，其旋转轴线与毛坯运动方向垂直 横轧 轧辊轴线相互平行，旋转方向相同，轧件旋转 轴线与轧辊旋转轴线平行，但旋转方向相反 ·!· 第一篇 锻压基础知识 名 称 特 点 斜轧 轧辊轴线交叉成一个小角度，其旋转方向相同。 轧件在两辊交叉中心线上作与轧辊旋转方向相 反的运动 摆辗 转头除自转外还作公转，工件不转动，但有轴 向进给运动 径向锻造 坯料周围对称分布几个锤头，沿坯料径向进给， 高频率同步锻打，坯料通常边旋转边送进 ·!·第一章 概述 二、锻造的发展趋势 （一）发展省力成形工艺 锻造的优点是锻件内部微密组织比较均匀，性能高于铸件及焊接件，但 缺点是需要较大的变形力，多年来人们一直在探求省力的锻造工艺与省 力的工装。 从以下公式可以看出决定变形力 !的主要因素及省力途径： ! " #!$% 式中 #—应力状态系灵敏，又称拘束系数。对于异号应力状态，# & ’；对 于三向压应力状态，# ( ’，可能达到 # " )甚至更高； !$—流动应力，它表征材料在特定条件下抗塑性变形的能力，取决于 所变形材料的成分、组织、变形温度、变形程度、变形速率等； %—接触面积在主作用力方向上的投影。 由上述可以看出，省力的主要途径有三种： ’* 减少拘束系数 # 实际上在生产中常采用分流的办法减少变形力，例如齿轮精锻时常采用 环形毛坯锻造时金属向外充满齿形，由于一部分金属向内流动而使变形力降 低，如图 ’ + ’ + ’所示。 图 ’ + ’ + ’ 带分流面的锻造 ,）储料孔；-）储料杆 ’ +冲头；.—坯料；/—筒体 在反挤压筒形件时，在工件中部增设“储料杆”局部正挤出一个“储料 ·!· 第一篇 锻压基础知识 杆（图 ! " ! " #），然后再去除掉，这样，可使变形力大幅度下降，图 ! " ! " $表示设储料杆与否在压缩时的变形力分布对比情况。 图 ! " ! " # 设储料杆的杯形件反挤压 图 ! " ! " $ 带储料杆压缩与不带储料杆压缩时的压力分布对比曲线 #% 降低流动应力 属于这一类的成形方法有超塑成形及液态模锻（实即半固态成形或近熔 点成形），前者属于较低应变速率的成形，后者属于特高温度下的成形（见 第五篇）。 （二）发展精密成形工艺 近年来有一个名词叫净形锻造（&’( )*+,’ -./0120）是指锻件不再加工。 目前，已能够将精锻件的公差控制在 3%3! 4 3%3566以内，德国已将汽车传 动用的十字轴，内外螺旋齿轮实现净形锻造。 在有些情况下，完全实现达到净形有困难，同时则有相应的名词近净 形，于是有“近净形成形”，近净形锻造（&’+/ &’( )*+,’ -./0120）。 很显然实现精密成形在模具方面要有严格的要求，图 ! " ! " 7为螺旋齿 ·!·第一章 概述 轮挤压的模具装置及产品零件图。 图 ! " ! " # 螺旋齿轮挤压的模具装置及产品零件图 该装置的特点为： （!）凸模球面自位支撑，可以避免侧向力。 （$）下模有调节装置保证上下模同轴。 （%）下模有液压夹紧装置，保持对中夹持。 成形分为两个工步，即温态预成形挤压外齿的杯状坯，然后进行冷态精 整成形（图 ! " ! " &），有限元分析表明只有预制坯的齿形为梯形才是最合适 的，挤出的棒料齿形部分不加工仅切成一个个齿轮。 图 ! " ! " & 螺旋齿轮成形的两个工步 ·!· 第一篇 锻压基础知识 （三）采用复合工艺 锻造用的坯料可以是粉末烧结件，也可以用喷射成形制坯。图 ! " ! " # 为用喷射成形的坯再进行锻造。 图 ! " ! " # 用喷射成形的坯再进行锻造 近年来半固态成形将铸锻复合是一种既节能又可得到相对精密且性能好 的工件。另外，采用半固态成形又是一种低纤维复合材料与颗粒强化复合材 料成形的好方法。 （四）扩大锻造过程模拟的应用范围 由于软件的日趋成熟及计算机价格的不断下降，$%& ’ $%(已被越来越 广泛地得到应用。 值得强调的是锻造过程模拟已经能成功地优化模具结构设计、预报成形 过程中可能出现折叠及充不满等，优化成形参数，预报模具型腔中的应力分 布，避免局部开裂或过度磨损，数值模拟已经由一种学术研究走向实用。目 前，已能预报工件内的应力应变速率的分布，必要时可以预报变形后的组织 与性能。 作为一个实例，盆齿坯锻件原工艺是采用带飞边锻造，然后切除中心部 分的薄腹板，后来进行革新，采用分流原理在中心部分设锥形“泄流孔”以 减少变形力，并储存多余的料，从原则上看这是对的。 为了使模膛能充满又要保证坯料重量波动时有足够的储料能力，需要对 锥孔进行定量分析，)*)+,-./及 0*1.-2345+6利用 789(:&进行数值模拟，其 比较结果如图 ! " ! " ;所示，图中 -是原始数据，5是实际应用的结构。 ·!·第一章 概述 图 ! " ! " # 在不同形状型腔中锻造盆齿坯的数值模拟 第二节 精密锻造的现状和发展 我国加工行业将正挤、反挤加工称作冷挤压，将镦粗加工称作冷墩。国 际上将冷挤压、冷镦统称冷锻，将钢材在室温以上到 $%%&的温镦和温挤压 加工称作温锻。由于冷锻和温锻的变形机理完全相同，只是加工温度不同， 所以这几年又把冷锻和温锻统称为精密锻造。 精密锻造和锻造的最大差别在于精密锻造件没有飞边，而锻造件有飞 边。精密锻造工艺的材料利用率高，尺寸精度高，所以这几年发展很快。日 本丰田汽车厂在 !’’(年中日第五届精锻学术交流会上发表资料表明，该厂在 !’$#年，精锻件重量占全部锻件质量的 !!)(*，到 !’’!年发展到 !’)+*。这 里不包括螺母、螺钉件。他们已投产精锻十字头轴、花键轴、圆柱齿轮、伞 齿轮、等速传动轴、内花键齿套等汽车零件。见图 ! " ! " $。特别是这几年 ·!"· 第一篇 锻压基础知识 发展温锻技术后，一些变形程度大的复杂件和变形抗力大的合金材料的汽车 零件的精锻也成为可能。由于精锻技术的发展，日本有关论文表明，近几年 日本锻件成本下降了 !"# $ %"#。 精密锻造技术是值得我们汽车行业重视的一门发展中技术，它无论是在 质量和经济上都有很多的优点。 图 & ’ & ’ ( 日本已用于生产的部分精锻件 ·!!·第一章 概述 图 ! " ! " # 日本已用于生产的部分精锻件（续） ·!"· 第一篇 锻压基础知识 图 ! " ! " # 日本已用于生产的部分精锻件（续） ·!"·第一章 概述 一、材料利用率高 精密锻造件没有飞边，材料按照设定的工艺，从毛坯塑性变形成所需产 品形状。有些件精锻后只需少量加工，有些件不用加工可直接投入使用。 二、提高劳动生产率 切削加工受机床、工具和切削用量的制约，生产效率不可能很高。图 ! " ! " #是五吨卡车的后刹车凸轮轴的花键，切削加工花键部分每件 $分钟， 挤压花键每件只需 %&’分钟，提高劳动生产率六倍以上。 图 ! " ! " # 正挤加工的 ()!%#*刹车凸轮轴花键 三、可加工形状复杂的零件 图 ! " ! " !%是 )+,-轿车座椅上一个叫做螺纹座的零件，本体横截面为 桃子形，端面上有四个凸焊点，用切削工艺根本无法加工。用精锻工艺成功 地加工出了此件。 图 ! " ! " !% 冷挤工的 )+,-轿车上的复杂件 ·!"· 第一篇 锻压基础知识 四、产品的尺寸一致性好，精度高 冷锻的凹模和冲头一般用高速钢制造，正常情况下加工 !"""件直径方向 只磨损 "#"$%%左右。如果使用硬质合金凹模，正常寿命可达 $""万件以上， 加工 $"多万件才磨损 "#"$%%左右，所以产品的尺寸一致性十分理想。产品 的尺寸精度基本上由模具决定，不象切削加工，精度受刀具、机床传动精度 诸多因素的影响，所以精密锻造件的尺寸精度高。图 $ & $ & $$是图 $ & $ & ’ 中刹车凸轮轴花键部分花键齿厚的尺寸精度情况，挤压件的尺寸精度要比切 削件高得多。 图 $ & $ & $$ 挤压和切削工艺方花键齿厚比较 图 $ & $ & $!是日本工藤英明教授于 $’’(年 (月在中国第一汽车集团公 司精锻技术交流会上发表的资料，他系统地归纳总结了日本轿车采用精锻件 的发展过程。表的横轴是年份，上方的曲线表示每车采用精锻件的质量，实 线是精锻件的每车质量，虚线是将精锻件加工成成品后每车质量。下图是每 隔五年新投产的精密锻造汽车零件。$’)*年时每车精锻件的质量只有 )+,左 右，到 $’’*年已增加到 -*+,左右。 在我国，大部分汽车厂还处在日本 $’)*年以前精锻件的水平，只能精锻 球头销、活塞销、弹簧座等零件，只有个别精锻厂能生产前驱动轿车中的等 速连接轴滑套和钟形壳等精锻件。图中 $’’"年至 $’’*年期间所示变速箱中 台阶同步器钢齿轮、薄壁内齿套等零件，我国还未开始做试验。由于齿轮机 械加工设备的进步，外齿轮加工的效率已比较高，但内齿轮的切削加工效率 至今还不高，所以我们应该在内齿轮的冷挤压工艺上多投入些力量，使之实 现精密锻造生产。 图 $ & $ & $!中日本已投产的这些精密锻造轿车零件都应该作为我国汽车 厂的奋斗目标，使之从切削加工逐步转化为精密锻造加工。我们应该先实现 ·!"·第一章 概述 图 ! " ! " !# 日本轿车精密锻造零件每车用量和投产年份 成形难度小、产品精度要求较低的行星齿轮、十字轴、轻卡半轴这类零件的 精密锻造，应该推广在油压机上，用凹模冷挤花键技术，它比搓花键、冷轧 花键的设备投资少。 我们要注意国外正在大力发展用多工位冷挤压机生产变速箱中台阶轴的 这一技术动向，图 ! " ! " !$是日本阪村机械制作所在多工位冷挤压机生产的 一根轴。这根轴重 %&’，每分钟生产 ()件，是用!()重 $*的大盘料，经过校 直、切断、缩细、镦粗、精整等工序加工成的。 图 ! " ! " !$ 用多工位冷挤压机生产的台阶花键轴 ·!"· 第一篇 锻压基础知识 这根轴最大直径!!"##，最小直径!$!##，长 %&"##，还有花键，要求 径向跳动小于 "’"&##，所以有相当大的技术难度。他们能用如此高的效率大 批量生产，说明他们整体精密锻造技术已发展到了相当高的水平。 用冷挤压工艺生产变速箱中的轴还有另一个优点，那就是冷挤压毛坯轴 比热锻轴的切削性能好。一汽大众传动器中的轴毛坯，开始没用冷挤压准备 毛坯，而用热锻后粗车来达到冷精锻毛坯的尺寸，但是因为切削性能不好， 在引进的生产流水线上通不过，后又改为冷挤压生产毛坯轴。 我国的轿车工业刚刚起步，目前各汽车厂正忙于引进产品。由于资金的 限制，对先进工艺的引进放在后面，这对大批量生产的轿车工业来说会造成 成本高、产品质量不稳定的局面。国内对先进工艺的开发经费投入也不足， 这对发展我国的精密锻造技术是十分不利的。开展精密锻造研究资金投入 大，它需要大吨位高精度的压床，需要价格昂贵的模具，需要反复多次的试 验，批量中试后才能投入大生产。投产前的组织工作也很复杂，涉及毛坯下 料、退火、润滑等工序，温锻还要有中频加热设备。如果没有工厂的足够重 视，精密锻造工艺很难在汽车厂中发展起来。所以工厂对精密锻造技术的重 视程度是发展汽车零件精密锻造技术的先决条件。 我国与发达国家在汽车零件精密锻造技术领域里的差距是相当大的。汽 车上的很多零件应该用精密锻造工艺生产，而我们还在切削加工。有志于精 密锻造专业的技术人员、工人技师都应该掌握精密锻造的基本技能，努 力把我国的精密锻造工艺搞上去，让我国的汽车成本降下来，使我国的汽车 在世界上有一定的竞争力。 第三节 冲压生产技术特点 冲压加工是金属塑性加工的基本方法之一，它主要用于加工板料零件， 所以也时常称为板料冲压。由于这种方法多在常温下进行，所以也叫做冷冲 压。虽然上述两种叫法都不能十分确切地把冲压加工的内容充分地表达清 楚，但在机械工程领域里已经得到广泛的应用。 冲压加工时，冲压设备给出的力（总体力）作用在模具上，继而通过模 具的作用，把这个总体力按一定的顺序，根据冲压成形的要求分散地作用在 板料毛坯的不同部位，使其产生必要的应力状态和相应的塑性变形。实际 上，不但利用模具的工作部分对板料毛坯的作用使其产生塑性变形，而且也 是利用模具工作部分对毛坯的作用，实现对其产生的塑性变形进行控制，达 到冲压成形的目的。因此，可以认为冲压设备、模具和板料毛坯是构成冲压 加工的三个基本要素（图 ( ) ( ) (%）。对这三个基本要素的研究，也就是冲 ·!"·第一章 概述 压技术的主要内容。 图 ! " ! " !# 冲压加工示意图 与其他塑性加工方法相比，冲压加工具有许多十分明显的特点。 冲压加工是靠冲压设备和模具实现对板料毛坯的塑性加工过程。它利用 冲压设备与冲模的简单的运动完成相当复杂形状零件的制造过程，而且并不 需要操作工人的过多参与，所以冲压加工的生产效率很高，产品质量稳定， 一般情况下，冲压加工的生产效率为每分钟数十件，。又由于冲压加工中的 操作十分简单，为操作过程的机械化与自动化提供了十分有利的条件。因 此，对某些工艺技术成熟的冲压件，生产效率可达每分钟数百件，甚至超过 一千件以上（如需要量很大的一些标准件、易拉罐等）。 冲压加工用的原材料多为冷轧板料和冷轧带材。原材料的良好表面质量 是用大量生产方式、高效而廉价的方法获得的。在冲压加工中这些良好的表 面质量又不致遭到破坏，所以冲压件的表面质量好，而成本都很低廉。这个 特点，在汽车覆盖件的生产上表现的十分明显。 利用冲压加工方法，可以制造形状十分复杂的零件，能够把强度好、刚 度大、重量轻等相互矛盾的特点融为一体，形成十分合理的结构形式。 冲压加工时，一般不需要对毛坯加热，而且也不像切削加工那样把一部 分金属切成切屑，造成原材料的损耗，所以它是一种节约能源和资源的具有 环保意义的加工方法。 冲压产品的质量与尺寸精度，都是由冲模保证的，基本上不受操作人员 ·!"· 第一篇 锻压基础知识 的素质与其他偶然性因素的影响，所以冲压产品的质量稳定，产品的质量管 理工作简单，也容易实现自动化与智能化生产。 冲压件的尺寸精度与表面质量好，通常都不需要后续的加工而直接用于 装配或作为成品零件供直接使用。 由于冲压加工方法具有前述的许多优点，现在它已经成为金属制品加工 中的一种非常重要的制造方法。 第四节 冲压生产概况 在生产中，冲压加工的制品，在原材料种类、板材的厚度、零件的形状 与尺寸大小、精度要求、批量大小等方面，在非常大的范围内变化，所以冲 压加工方法、所用冲压设备与模具的种类繁多，而且各有特点。例如在航 空、航天工业、在汽车制造业、电造业、电器与仪表制造业、化工与容 器制造业等领域中的冲压加工都各具特点，所用的冲压设备、模具也不相 同。但是，概括所有的冲压加工方法，从工艺本质角度出发，仍然可以归纳 为两大类：分离工序与成形工序。 分离工序是使冲压件与板料，或者使冲压件与半成品的某个部分，沿一 定的轮廓曲线实现相互分离的冲压加工方法。成形工序是使平板毛坯或冲压 半成品的某个部分或整体改变形状的冲压加工方法。分离工序与成形工序的 概况与特点，分别列于表 ! " ! " #、表 ! " ! " $及表 ! " ! " %中。分离工序 有：剪切、落料、冲孔、修边、剖切、精密冲裁等。成形工序有：弯曲（压 弯、滚弯、卷弯、拉弯等）、拉深、胀形、翻边、扩口、缩口、卷边、校平 等等。 表 ! " ! " # 分离工序 工序名称 简图 特点及应用范围 剪切（切断） 沿不封闭的直线分离，应用于冲 压毛坯的下料、板料剪切成条料 或形状简单零件的加工 冲裁（落料） 沿封闭的轮廓曲线实现分离，用 以加工各种形状的平板形冲压件 ·!"·第一章 概述 ????? www.bzfxw.com ???? 工序名称 简图 特点及应用范围 冲孔 在零件上加工各种形状的孔 修边 在冲压半成品的平面或曲面上沿 一定的轮廓曲线修切边缘 剖切 把经过整体成形获得的半成品， 沿一定的轮廓剖切成两个或更多 个冲压件 冲孔 !压弯 沿不封闭的轮廓曲线冲孔，同时 也完成压弯的复合加工方法 表 " ! " ! # 弯曲工序 工序名称 简图 特点及应用范围 弯曲（压弯） 用冲模将板料毛坯沿直线压弯成 各种形状，可以制造形状很复杂 的零件 滚弯 沿直线用辊子（$ % & 个）实现板 料的逐步弯曲加工，常用于各种 容器直筒部分的成形 ·!"· 第一篇 锻压基础知识 工序名称 简图 特点及应用范围 卷弯 用模具对毛坯的一端施加压力使 之弯曲的加工方法，常用于铰链 的制造等 纵向辊弯成形 用多对成形辊，沿纵向使带料逐 渐弯曲的方法，用于型材、管材 和各种异形管的加工 拉弯 在施加拉力的条件下实现弯曲加 工，多用于大曲率半径和精度要 求高的零件的成形 扭曲 使毛坯的局部变形且扭转成一定 的角度，其变形性质不同于一般 弯曲 表 ! " ! " # 成形工序 工序名称 简图 特点及应用范围 拉深 各种形状的直壁空心零件的冲压 成形，可以采用多次拉深工序制 造高度很大的空心零件 ·!"·第一章 概述 ????? www.bzfxw.com ???? 工序名称 简图 特点及应用范围 胀形 使平板毛坯或空心毛坯的局部变 形并使板材厚度变薄的成形方法 平面翻边 沿封闭或不封闭的轮廓曲线在毛 坯或半成品的平面部分翻成竖直 边缘的成形方法 曲面翻边 在毛坯或半成品的曲面部分翻成 与曲面垂直（法向）的竖直边缘 的成形方法 缩口 在空心毛坯的一端缩小口部直径 的成形方法 ·!!· 第一篇 锻压基础知识 工序名称 简图 特点及应用范围 扩口 在空心毛坯的一端使口部尺寸扩 大的成形方法 卷边 在空心毛坯的开口端部或管材的 一端把端头卷弯成小曲率的曲面 形状，达到增大零件刚度和不使 开口处板边缘外露的目的 校形（整形） 用模具表面对毛坯的局部或整体 施加法向接触压力的方法达到提 高零件尺寸精度或获得细微而明 显（如小圆角半径等）的过渡形 状的目的 旋压 在毛坯旋转的同时，用一定形状 的辊轮施加压力使毛坯的局部变 形逐步地扩展到整体，达到使毛 坯全部成形的目的。多用于回转 体零件（轴对称）的成形 由于冲压加工具有前述的许多突出的特点和在技术与经济方面明显的优 越性，现在它在汽车与拖拉机工业、电机电器与仪表工业、航空与航天工 业、国防工业、轻工业、家用电器制造业等部门占据十分重要的地位。据冲 压工业界的统计，现代汽车工业中，冲压件的生产总值，约占 !"#左右。图 $ % $ % $!中可见的汽车外表面零件，几乎全部都是由冲压件所构成。从图 $ ·!"·第一章 概述 ????? www.bzfxw.com ???? ! " ! "#也可明显地说明冲压件在日常家庭生活用具方面所处的地位。 图 " ! " ! "$ 轿车中的冲压件 "—发动机罩前支撑板；%—水箱固定框架；&—前裙板；’—前框架；$—前翼子板；#—地板总成 ( !门槛；)—前门；*—后门；"+—车轮挡泥板；""—后翼子板；"%—后围板；"&—行李舱盖 "’ !后立柱（“,”柱）；"$—后围上盖板；"#—后窗台板；"(—上边梁；")—顶盖 "* !中立柱（“-”柱）；%+—前立柱（“.”柱）；%"—前围侧板；%%—前围板 %& !前围上盖板；%’—前挡泥板；%$—发动机罩；%#—门窗框 图 " ! " ! "# 冲压加工的家庭用品［"］ " !立本声音响装置；%—电视机；&—电冰箱；’—电子灶；$—热水器 # !洗涮台；(—荧光灯；)—电饭锅；*—换气扇；"+—煤气灶；""—电烤箱；"%—洗衣机 ·!"· 第一篇 锻压基础知识 第五节 冲压技术的发展 近数十年来，冲压生产技术取得了十分迅猛的发展。尤其是材料科学、 计算机科学和现代力学的成果融入冲压技术之后，它们对冲压技术发展的促 进作用十分强劲，以致于近期出现了许多崭新的技术成果。 由于社会的发展与进步，在近期可望冲压技术在以下几个方面得到发 展。 一、冲压工艺理论工作的进展方面 应用传统的塑性力学方法，对冲压加工中的各种成形工艺问，在进行 适当简化了的应力与应变分析的基础上，可以概略地完成为冲压工艺设计所 必需的工艺参数（如力能参数 成形极限、最佳成形条件等）的确定工作。 这样的理论工作，虽然还不够准确，也不完美，但是，在深入地认识冲压成 形过程中毛坯的塑性变形的性质与特点、明确某些成形中的规律、确定成形 极限与成形力等重要工艺参数和解决冲压生产中出现的实际问题等方面，起 到了相当大的作用。但是，由于传统的塑性力学在理论上的严密性和实际冲 压加工中毛坯的受力与变形的复杂性之间，存在着很难克服的不相适应的问 题，致使这种理论方法不能确切地描述冲压变形过程，当然也不能精确地对 变形参数与重要的工艺参数做出理论计算的结果。另一方面，这种理论工作 的不足，也阻碍了人们对冲压变形的本质与成形规律的深入认识。 近期迅速发展的各种塑性变形有限元理论与计算方法，为冲压成形技术 的发展起了很大的推动作用。利用有限元方法，不但可以对某个具体的冲压 成形过程中毛坯的应力与应变进行分析与计算，得到相应的力学与变形有关 的工艺参数，而且也可以通过系统的分析与计算和科学的概括与整理，总结 出具有普遍意义的冲压成形规律。另外，通过有限元计算，还可以使某些冲 压变形问题的认识得到深化，使过去理论研究工作方法很难了解的问题，得 到全新的认识。图 ! " ! " !#就是用有限元方法对冲裁过程进行研究并得到许 多新的认识的实例。通过有限元计算不仅确切地了解到在非常窄小变形区内 垂直应力!$与水平应力!% 的分布，而且利用平均应力!& 的分布规律明确了 分离与毛刺的形成机理，成功地进行了毛刺高度的预测等。这种研究方法， 可能为冲压技术的理论研究工作开辟一个崭新的方向。 另一种理论工作的内容，是根据冲压加工中毛坯变形的实际情况与特 点，经过深入而切合实际的探索与科学的概括与归纳工作，明确冲压加工中 ·!"·第一章 概述 ????? www.bzfxw.com ???? 图 ! " ! " !# 利用有限元方法研究冲裁过程的结果 具有普遍意义的共性规律和某种冲压变形所具有的个性与规律，并在此基础 上进一步寻求处理生产实际问题的方法和解决实际问题的措施。虽然这种理 论工作还不够成熟，也还没有引起普遍的重视，但是，由于它在解决有关冲 压技术的实际问题方面具有十分明确的针对性，使得它在实用上收效较大。 可以肯定地说，这是一种值得重视并致力发展的理论研究工作。可供说明这 种研究工作实用意义的实例很多，例如按照变形性质与绝对值最大应力的性 质（拉应力或压应力）进行的冲压成形的分类理论，不但可使对冲压成形的 本质、不同冲压成形工艺中成形极限的含义与特点等，得以更加方便、更加 深入与清晰地认识，而且也为进行冲压成形的体系化的研究方法提供了一个 理论基础；变形趋向性规律的理论，不但可以作为一个基本的准则应用于冲 压工艺过程设计中，解决变形工序顺序的安排问题，改变了过去从事这项工 作中的混淆不清的局面，而且也为分析冲压生产中出现的某些质量问题产生 的原因和寻求解决方法，提供一个有效的理论武器；在高盒形件的多次拉深 时，变形区外边缘位移速度相等的准则的理论研究成果，已经成为高盒形件 ·!"· 第一篇 锻压基础知识 多次拉深工序设计与半成品形状与尺寸确定的基础，改变了过去工艺设计工 作中无所遵循的局面等等，都足以说明这种理论研究工作的意义。 二、冲压生产过程自动化方面 冲压自动化不仅可以大幅度地提高劳动生产率，改善劳动条件，降低成 本，而且能够有效地保证冲压生产中的人身安全，从根本上改变冲压生产面 貌。因此，多年来，冲压生产自动化一直被认为是冲压技术发展的重要方 向。早期的冲压生产自动化，主要是在一台冲压设备上，实现带料或条料自 动送料、自动出件和整理、废料的自动处理等。显然，这样的自动化，也都 是在大批量生产条件下实现的。由于冲压设备是非常简单的直线往复运动， 冲压件的复杂形状是靠模具实现的，所以为实现冲压生产过程自动化，提供 了一个十分有利的条件。这些因素促使冲压生产自动化技术，在近期内取得 了迅猛的进展，其结果已经使冲压生产过程自动化技术，在各种不同的生产 条件下，都形成了较为成熟的固定形式。 在小型零件的大量生产条件下，主要采用专用压力机或专用的多工位自 动化冲模。当压力机装备有自动送料装置，可以实现冲压生产过程的全面自 动化。在生产批量不大时，为了减少更换模具、原材料等操作时间的消耗， 多采用由电子计算机控制的冲压中心。冲压中心的主体是装备有快换模装置 （!"#）的压力机。压力机、模具库、材料库、电子计算机和传送装置等构成 一个完整的系统。这个系统由电子计算机集中控制。由电子计算机接受和储 存有关冲压过程的全部指令，包括有：模具与原材料代码、冲压设备的调节 参数、送料装置的工作状态与参数（送料距、导向宽度等）、冲压件数目等 等。电子计算机按上述的各项指令，发出信号，逐步地完成模具的选取、运 送、安装与调整压力机等项操作，做好冲压前的全部准备。另一方面，进行 原材料的选取与运送后，进行送料装置的调整。在这些准备工作全部完成之 后，电子计算机发出指令，开动压力机，进行冲压加工。当冲压件数目达到 预定数值时，压力机自动停车并开始下一个冲压件加工前的准备与调整等工 作。 在大量生产中，中型冲压件的冲压加工的合理方式，是应用可以自动送 料和自动地完成工序间传送冲压半成品的多工位压力机。由于这种冲压方式 的自动化程度高，生产成本低，近来已逐步地向较大尺寸零件的冲压加工发 展。 在大型零件（如汽车覆盖件）的大量生产当中，经济而高效率的形式是 由 $ % &台压力机组成的自动冲压生产线。在自动冲压生产线上，冲压成形半 成品，利用机械手由压力机取出后，经传送带等装置实现工序间，即压力机 ·!"·第一章 概述 ????? www.bzfxw.com ???? 之间的运送。组成冲压生产线的压力机，都装有活动工作台和快换模装置 （!"#）。这样做，可以在冲压设备工作时间内，进行冲模的更换，使为了更 换冲压件而必须完成的换模与调整的时间消耗大幅度地减少。采用自动冲压 生产线，可以实现大型薄板零件冲压加工的全面自动化。因此，它的生产率 是很高的。虽然，在自动线上更换模具，还要求人工操作，但是，由于采用 活动工作台与快换模技术，使全部生产线的换模与调整时间，缩短到 $ % &’()以下。在冲压自动线上应用机器人代替机械手与传送带等完成工序间的 送料、由模具取出半成品并送入下一道工序的冲模上，是近年来出现并迅速 发展的新技术。机器人的应用，不但可以使调整工作得以简化，提高半成品 传送工作的精度与可靠性，而且也可使压力机之间的工作环境得到改善，改 变由于传送带装置占用过大的空间而影响工人进行调整、安装等工作的局 面。 应用计算机技术实现的冲压过程智能化控制是近期出现、正开始步入实 用阶段的冲压自动化新技术。在冲压过程智能化控制时，把在线适时测试的 各种力、变形与毛坯形状等参数输入到计算机，经计算机的计算与处理得到 板材性能参数和表示毛坯状态的参数。然后由冲压工艺知识库给出最佳冲压 工艺参数的指令，由计算机控制执行机构按最佳工艺参数完成冲压过程。这 种技术已开始在弯曲、拉深中得到初步的应用。 三、冲压设备方面 冲压设备是保证实现先进冲压技术的基本条件。大量应用于冲压生产的 通用压力机，除在提高速度、精度和安全性方面有许多技术上的进步之外， 在很多提高压力机使用性方面也有改进，如为保证冲模与压力机安全而设的 滑块力给定装置、提高气垫功能的压力与行程调整装置、快换模装置等。另 外，由于工业发展的需要，也涌现出各种用途的专用压力机、适用各种生产 部门特殊需要的多工位（专用的）压力机、带活动工作台与快换模装置的压 力机、带有专用或通用自动送料（带料与条料）装置的压力机和适合于多品 种小批量生产条件的回转头压力机等等。 四、模具技术方面 冲压加工是由模具完成的，所以模具技术直接影响冲压技术水平。模具 技术包括模具设计、模具制造和模具材料与热处理三个方面。在模具设计与 制造方面，已成功地应用电子计算机技术、进行设计与制造工作的 #*" + #*, 方法，取得了显著的经济效果。在模具材料方面，除了已经相当成熟地应用 ·!"· 第一篇 锻压基础知识 优质冲模合金钢和硬质合金外，近期已有成功地应用陶瓷冲模进行硬质薄合 金板材的冲裁研究成果的报导。 电子计算机技术已经相当深入地渗透在冲压生产技术进步之中，除了上 述的 !"# $ !"%、&%’和冲压中心等的应用之外，近期也在冲压变形过程分析 方面应用电子计算机技术进行数值模拟，用以判断复杂形状冲压件的形状与 冲模设计（冲压方向、压料面形状、毛坯形状、拉深筋、凹模圆角半径等） 的合理性。利用数值模拟方法也可以实现冲压件成形缺陷的预测，避免成形 中产生的破坏、起皱和回弹引起的尺寸精度等问题。在汽车覆盖件的冲压生 产中应用数值模拟法，不仅可以减少试模实验过程中的人力与物力的消耗， 获得很大的经济效益，而且可以大幅度地缩短生产准备周期，使产品改型工 作的速度加快、有利于市场竞争。图 ( ) ( ) (*是有限元数值模拟方法计算汽 车后车门冲压过程中某一个局部横断面形状曲线变化与伸长应变分布的结 果。计算结果与实测值相当接近，可以用来进行局部破坏的预测，并且可以 根据数值模拟结果，必要时也可在计算机上修改模具，提高模具设计的可靠 性。 图 ( ) ( ) (* 有限元数值模拟计算结果 ·!"·第一章 概述 ????? www.bzfxw.com ???? ! 第第第第第第第第第第第第二二二二二二二二二二二二章章章章章章章章章章章章 冲冲冲压压压成成成形形形的的的特特特点点点与与与 基基基本本本规规规律律律 冲压成形是塑性加工的一种方法。虽然它也是利用材料的塑性变形能 力，改变其几何形状与尺寸，从而达到冲压成形的目的，但是，由于冲压成 形所用板料毛坯的几何形状特点和所用设备与模具的特殊性，使冲压成形除 具有塑性加工普遍存在的特点和遵循其一般的变形规律外，它还具有一些与 一般的压力加工不同的特点与独特的规律。对这些特点与规律的研究，不仅 有助于深入而清晰地认识冲压成形过程的本质和各种现象产生的机理，掌握 变形规律，科学而合理地制定冲压工艺过程，确定合理的工艺参数与模具参 数，而且还可以准确而迅速地分析冲压成形过程中产生的缺陷与不良现象发 生的原因。另外，对这些问题的研究，还能够推动冲压技术与理论工作的进 步。 第一节 冲压成形的特点 在生产实践中应用的冲压成形工艺方法很多，有多种形式和名称，但它 们在本质上是相同的，都是使平面形状的板料毛坯，在力的作用下，按既定 的要求产生不可恢复的塑性变形，从而完成一定形状与精度零件的制造工 艺。从利用原材料的塑性进行加工这个基本原则看，它和其他所有的塑性加 工方法是一样的，但是，由于冲压成形中的毛坯是厚度远小于板平面尺寸的 板料以及由此决定的外力作用方式与大小等原因，致使冲压成形具有如下几 个非常突出的特点。 （!）由于冲压成形中的板料毛坯的厚度远小于它的板面尺寸，工具对毛 坯的作用力只能方便地作用于板料的表面，而且数值不大的垂直于板面方向 的单位压力，即可引起在板面方向上数值足以使板材产生塑性变形的内应 力。由于垂直于板面方向上的单位压力的数值远小于板面方向上的内应力， 所以大多数的冲压变形都可以近似地当作平面应力状态来处理，使变形力学 的分析和工艺参数的计算等工作，都得到很大的简化。 （!）由于冲压成形用的板料毛坯的相对厚度（与板面尺寸相比）很小， 在压应力作用下的抗失稳能力也很差，所以在没有抗失稳装置（如压力圈 等）拘束作用的条件下，很难在自由状态下顺利地进行冲压成形过程。因 此，在各种冲压成形方法中，以拉应力作用为主的伸长类冲压成形过程多于 以压应力为主的压缩类成形过程。 （"）在冲压成形时，板料毛坯里的内应力数值接近或等于材料的屈服应 力，有时甚至小于板料的屈服应力。而在模锻和挤压时，有时毛坯的内应力 可能超过其屈服应力许多倍。在这一点上，两者的差别是很大的。因此，在 冲压成形时，变形区应力状态中的静水压力成分对成形极限与变形抗力的影 响及其影响规律，已失去其在体积成形时的重要程度，有些情况下，甚至可 以完全不予考虑，即使有必要考虑时，其出发点与处理方法也不相同。 （#）在冲压成形时，模具对板料毛坯作用力所形成的拘束作用程度较轻， 并不像体积成形（如模锻等）靠与制件形状完全相同的模腔对毛坯的全面接 触而实现的强制成形。在冲压成形中，大多数情况下，板料毛坯都有某种程 度的自由度，常常是只有一个表面与模具接触，而另侧表面是非接触的自由 表面，甚至有时存在板料两侧表面都不与模具接触的变形部分。在这种情况 下，这部分毛坯的变形是靠模具对其相邻部分施加的外力实现其控制作用 的。例如球面与锥面零件成形时的悬空部分和管坯端部的扌卷边成形等都是这 种情况。 由于冲压成形具有上述一些在变形与力学方面的特点，致使冲压技术也 形成了自己的一些与一般塑性加工不同的特点。 （$）由于不需要在板料毛坯的表面作用数值很大的单位压力即可使其成 形，所以在冲压技术中关于模具强度与刚度的研究并不十分重要，相反地却 发展了许多简易模具技术。由于相同的原因，也促使靠气体或液体压力成形 的工艺方法得以发展。 （!）因冲压成形时的平面应力状态或更为单纯的应变状态（与体积成形 相比），当前对冲压成形中毛坯的变形与力能参数方面的研究较为深入，有 条件运用合理的科学方法进行冲压加工。现在不仅采用合理设计的冲模工作 部分几何形状与尺寸以控制冲压变形过程，以获得高质量冲压件的传统技术 方法，而且运用压边力与变压边力对冲压变形的控制技术，甚至借助于电子 计算机与当代的测试手段，在对板材性能与冲压变形参数进行适时测量与分 析的基础上，实现冲压过程智能化控制的研究工作也在开展。 （"）人们在对冲压成形过程有了较为深入的了解后，已经认识到冲压成 ·!"·第二章 冲压成形的特点与基本规律 ????? www.bzfxw.com ???? 形与原材料有十分密切的关系。所以对板材冲压性能即成形性与形状冻结性 的研究，目前已成为冲压技术的一个重要内容。对板材冲压性能的研究工作 不仅是冲压技术发展的需要，而且也促进了钢铁工业制造技术的发展，为其 提高板材的质量提供了一个基础与依据。 第二节 冲压成形中毛坯的分析 在冲压形成过程中，为使板料毛坯改变其原始形状成为零件，必须在毛 坯各部分之间形成一定的受力与变形关系。每一种冲压成形方法都要求毛坯 各部分之间存在一定的力与变形的关系。这是能够顺利地完成冲压成形的基 本保证，所以对冲压毛坯进行受力与变形方面的分析是十分必要的。 图 ! " # " ! 冲压毛坯的分析 $）拉深；%）再次拉深；&）球面零件成形；’）翻边 图 ! " # " !是几种典型冲压成形中毛坯的分析。在这四种成形工序中 ( 是变形区，它是在冲压成形中产生塑性变形的部分；)是传力区，它的作用 是把冲模的作用力传递给变形区。图 ! " # " !%中的 *是暂不变形的待变形 区。虽然在图示的状态下它不参与变形，但随冲压成形过程的进行，它将不 ·!"· 第一篇 锻压基础知识 断地进入变形区参与变形。图中的 !是自始至终都不参与变形的不变形区。 有时也会出现传力区本身也是产生塑性变形的变形区，它在本身变形的同 时，把模具的作用力传给另一个变形区。图 " # $ # "%所示的球面零件成形中 的 &就是这种情况。 不变形区可能是传力区，也可能是不传力的已变形区或待变形区。但 是，有时不变形区也可能是在全部过程中自始至终都不传力也不产生塑性变 形对冲压成形不起任何作用的无功能不变形区（图 " # $ # "%）。 在冲压成形过程中各个区（部分）之间是在相互转化而不断变化的，例 如待变形区内的板料不断地进入变形区，而变形区的金属又可能不断地进入 已变形区并承担起传力的作用等。 对变形区与不变形区的判断，当然可以直观地根据该部分毛坯是否在改 变其形状来决定。不过，有时候变形区的形状与尺寸并不发生变化（如再次 拉深时的变形区），所以最根本的判断方法是：如果毛坯内某个部分内任意 两点的距离不产生变化，也就是它们之间不产生相对的位移，即使该部分产 生总体的位移，或做等角速度的转动，这部分也一定不是变形区，而是非变 形区。 第三节 冲压变形的分类 在冲压加工的技术工作与生产管理工作中，根据各自不同的需要与目 的，按不同的标准出现了许多分类方法，如按书籍编写工作的需要出现的分 类方法等。吉田清太则根据成形毛坯与冲压件的几何尺寸参数把冲压成形分 成为胀形、拉深、翻边与弯曲等四类。 从本质上看，冲压成形就是冲压毛坯的变形区，在力的作用下产生相应 的塑性变形，所以变形区内的应力状态和变形性质应该是决定冲压成形性质 的基本因素。因此，根据变形区应力状态和变形特点进行的冲压成形分类方 法，可以把成形性质相同的成形方法概括成同一个类型并进行体系化的研 究。 绝大多数冲压成形时毛坯变形区均处于平面应力状态。通常在板料表面 上不受外力的作用，即使有力作用，其数值也是较小的，所以可以认为垂直 于板面方向上的应力为零。使板料毛坯产生塑性变形的是作用于板面方向上 相互垂直的两个主应力。由于板厚较小，通常都近似地认为这两个主应力在 厚度方向上是均匀分布的。基于这样的分析，可以把所有各种形式的冲压成 形中的毛坯变形区的受力状态与变形特点，在平面应力的应力坐标系中（冲 压应力图）与相应的两向应变坐标系中（冲压变形图）以应力与应变坐标决 ·!!·第二章 冲压成形的特点与基本规律 ????? www.bzfxw.com ???? 定的位置来表示。反过来讲，在冲压应力图与冲压变形图中的不同位置都代 表着不同的受力情况与变形特点。为了说明这一点，做以下的分析。 （!）冲压毛坯变形区受两向拉应力作用时，可以分为两种情况，即!" # !"# $且!% & $和!"#!" # $且 &!% & $。在这两种情况下，绝对值最大的应力都 是拉应力。以下对这两种情况分别进行分析。 #当!" #!"# $，且!% & $时，按全量理论可以写出如下应力与应变的关 系式 $" !" ’!( & $" !"’!( & $% !% ’!( & ) （! ’ * ’ !） 式中 $"、$"现$%———分别是轴对称冲压成形时的经向主应变、纬向主应变和 厚度方向上的主应变； !"、!"与!%———分别是轴对称冲压成形时的经向主应力、纬向主应力与 厚度方向上的主应力； !(———平均应力，其值为!( & !" +!"+!% , ； )———常数。 在平面应力时，式 ! ’ * ’ !具有如下形式 ,$" *!" ’!" & ,$" *!"’!" & ,$% ’（!" +!" & ) （! ’ * ’ *） 因为!" #!"# $，所以必定有 *!" ’!"# $与$" # $。这个结果表明：在两向 拉应力的平面应力状态时，如果绝对值最大的拉应力是!"，则在这个方向上 的主应变一定是正应变，即是伸长变形。 又因为!" #!"# $时，所以必定有 ’（!" +!"） - $与$% - $，即在板料厚 度方向上的应变是负的，即为压缩变形，厚度变薄。 在!"方向上的变形决定于!" 与!"的数值：当!" & *!"时，$"& $；当!" # *!"时，$"- $；当!" # *!"时，$"# $。 !"的变化范围是!"!!"!$。在双向等拉应力状态时，!" &!"，由式 ! ’ * ’ *得$" &$"# $及$% - $；在受单向拉应力状态作用时!"& $，由式 ! ’ * ’ *可得 $"& ’ $" *。 根据上边的分析可知，这种变形情况处于冲压变形图中的 ./0范围（图 ! ’ * ’ *）；而在冲压应力图中则处于 1/2范围（图 ! ’ * ’ ,）。 %当!"#!" # $，且!% & $时，由式 ! ’ * ’ *可知，因为!"#!" # $，所以一 定有 *!"#!" # $与$"# $。这个结果表明：对于两向拉应力的平面应力状态， 当!"的绝对值最大时，则在这个方向上的应变一定是正的，即一定是伸长变 形。 ·!"· 第一篇 锻压基础知识 图 ! " # " # 冲压变形图 图 ! " # " $ 冲压应力图 又因为!"%!& % ’，所以一定有 "（!& (!"） ) ’与#& ) ’，即在板厚方向上 的应变是负值，是压缩变形，板厚变薄。 在!&方向上的变形决定于!&与!"的数值，当!"* #!&时#& * ’；当!"% #!& 时，#& ) ’；当!") #!&时，#& % ’。 这时!&的变化范围是!"!!&!’；当!& *!"时，#& *#"% ’，也就是在双向 等拉的应力状态下，在两个拉应力方向上产生数值相同的伸长变形；当!& * ’ 时，#& * " #" # ) ’，也就是说在单向应力状态下，其变形性质与一般的简单拉 伸是完全一样的。 这种变形与受力情况，处于冲压变形图中的 +,-范围（图 ! " # " #），处 于冲压应力图中的 +,.范围（图 ! " # " $）。 上述两种冲压变形情况，仅在最大应力的方向上不同，而两个应力的性 质与比值范围以及它们引起的变形都是一样的。因此，对于各向同性的均质 材料，这两种变形是完全相同的。 ·!"·第二章 冲压成形的特点与基本规律 ????? www.bzfxw.com ???? （!）冲压毛坯变形区受两向压应力的作用，这种变形也分两种情况分析， 即!" #!"# $，且!% & $和!"#!" # $，且!% & $。 #当!" #!"# $，且!% & $时，由式 ’ ( ! ( !的分析可知：因为!" #!"# $， 所以一定有 !!" (!"# $与$" # $，这个结果表明，在两向压应力作用的平面应 力状态时，如果绝对值最大的应力是!" # $，则在这个方向上的应变一定是负 的，即压缩变形。 又因为!" #!"# $，所以必定有 (（!" )!"） * $，即在板厚方向上的应变 是正的，板料增厚。 在!"方向上的变形决定于!"与!" 的数值：当!" & !!"时，$" & $；当!" * !!"时，$"# $；当!" # !!"时，$"* $。 这时!"的变化范围是!"与 $之间。当!"&!"时，是双向等压的平面应力 状态，故有$"&$" # $；当!"& $时，是单向受压的应力状态，所以$"& ( $" !。 这种变形情况处于冲压变形图的 +,-范围内（图 ’ ( ! ( !），而在冲压应力图 中则处于 .,/范围。 %当!"#!" # $，且!" & $时，由式 ’ ( ! ( !的分析可知：因为!"#!" # $， 所以一定有 !!"(!" # $及$"# $，这个结果表明：对于两向压应力作用的平面 应力状态，如果绝对值最大的应力是!"，则在这个方向上的应变一定是负的， 一定是压缩变形。 又因为!"#!" # $，必定有 (（!")!"） * $和$% * $，即在板厚方向上的应 变是正的，板厚增大。 !"方向上的变形决定于应力!"与!"的数值：当!"& !!"时，$" & $；当!"* !!"时，$% # $；当!"# !!"时，$% * $。 这时，!"的数值只能在!"!!"!$之间变化。当!"&!"时是双向等压的应 力状态，所以$"&$" # $；当!" & $时，是单向受压的应力状态，所以有$% & ( $" ! * $。这种变形情况，在冲压变形图中处于 +,0范围（图 ’ ( ! ( !），而在 冲压应力图中处于 /,-范围内（图 ’ ( ! ( 1）。 （1）冲压毛坯变形区受两个方向上异号应力的作用，而且拉应力的绝对 值大于压应力的绝对值。 这种变形共有两种情况，分别做如下的分析。 #当!" * $，!"# $及 2!" 2 * 2!"2时，由式 ’ ( ! ( !可知：因为!" * $，!"# $ 及 2!" 2 * 2!"2，所以一定有 !!" (!"* $及$" * $，这个结果表明，在异号的平面 应力状态时，如果绝对值最大的应力是拉应力，则在这个绝对值最大的拉应 力方向上的应变是正的，即为伸长变形。 又因为!" * $与!"# $；所以必定有$"# $，即在压应力的方向上的应变是 ·!"· 第一篇 锻压基础知识 负的，是压缩变形。 这时，!"的数值只能在!"! "!#与!"! $的范围内。当!"! "!# 时，## % $，#"& $，而且 ’## ’ ! ’#"’；当!"! $时，## % $，#"& $，而且#"! " ## (，这是单 向受拉的应力状态。这种变形状态处于冲压变形图中的 )*+范围（图 , " ( " (），而在冲压应力图中处于 -*.范围内（图 , " ( " /）。 $当!"% $，!# & $，!0 ! $及 ’!"’ % ’!# ’时，利用式 , " ( " (，用与前项相 同的方法分析可得#"% $，即在异号应力作用的平面应力状态下，如果绝对值 最大的应力是拉应力!"则在这个方向上的应变是正的，是伸长变形。而在压 应力!#方向上的应变是负的（## & $），是压缩变形。 这时!#的数值只能介于!# ! "!"与!# ! $之间。当!# ! "!"时，#"% $，## & $，而且有 ’## ’ ! ’#"’；当!# ! $时，#"% $，## & $，而且## ! " #" (。这种变形 处于冲压变形图中的 1*2