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铝合金冲压成形的变压边力技术研究分析.pdf59页
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铝合金冲压成形的变压边力技术研究
Research on VBHF Technology of Aluminium Alloy Stamping 作 者 姓 名 赵洪梅 学 位 类 型 学 历 硕 士 学 科、专 业 材料加工工程 研 究 方 向 塑性成型与模具 CAD 导 师 及 职 称 陈忠家 教授 2013
月 铝合金冲压成形的变压边力技术研究 摘 要 近年来，铝合金等轻量化材料在汽车工业中的应用越来越多，以
减轻汽车自重，降低燃油消耗和排放。但这些材料的成形性能相对于
传统汽车钢板较低，如何改善其成形质量已成为研究热点。变压边力
技术作为改善成形质量的一种简单、有效的控制手段，其研究日益受
到关注。半球形件是曲面形零件中的典型基础件，研究其拉深成形的
变形规律和特点，对改善成形质量，揭示曲面形状零件的拉深成形机
理，具有十分重要的意义。随时间改变的压边力可以提高其成形质量，
但不同时间的压边力取值与成形质量之间的影响关系仍不明了。人工
智能技术的发展进步，为获得优化的压边力曲线提供了一个可能的途
径。 本文利用数值模拟软件对 5083
铝合金半球件进行了随时间变化的
变压边力拉深研究。在此基础上运用智能优化方法研究了压边力取值
对成形质量的影响规律。主要研究内容如下： 建立了综合评价成形质量的评价标准，以对不同压边力曲线下的
成形效果进行定量评估。将该标准用于正交试验样本处理，利用极差
分析法得到不同时刻压边力取值对成形质量的影响，从大到小依次为：
F4 ＞F3 ＞F1 ＞F2 ＞F5（F1 -F5 分别为拉深行程中 5 个时刻 :0 、1/4T 、1/2T 、
对应的压边力，T
为拉深工作行程的时间）；以正交优化得到
的压边力进行 CAE
模拟分析，得到的综合指标为 0.0997 ，比
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优质精品供应商推荐：工艺简介/冲压工艺
冲压工艺冲压成形工艺在汽车车身制造工艺中占有重要的地位，特别是汽车车身的大型覆盖件，因大多形状复杂，结构尺寸大，有的还是空间曲面，并且表面质量要求高，所以用冲压加工方法来制作这些零件是用其它加工方法所不能比拟的。载重货车的驾驶室、车前钣金件、货厢板以及轿车的各种车身覆盖件和客车的各种骨架等，几乎全都是用冲压加工方法制作的。
历史沿革/冲压工艺
1.冲压技术发展的特征冲压车间冲压技术的真正发展，始于汽车的工业化生产。20世纪初，的工业化生产大大推动了冲术的研究和发展。研究工作基本上在板料成形技术和成形性两方面同时展开，关键问题是破裂、起皱与回弹，涉及可成形性预估、成形方法的创新，以及成形过程的分析与控制。但在20世纪的大部分时间里，对冲压技术的掌握基本上是经验型的。分析工具是经典的成形力学理论，能求解的问题十分有限。研究的重点是板材冲压性能及成形力学，远不能满足汽车工业的需求。60年代是冲压技术发展的重要时期，各种新的成形技术相继出现。尤其是成形极限图(fld)的提出，推动了板材性能、成形理论、成形工艺和质量控制的协调发展，成为冲压技术发展史上的一个里程碑。 由于80年代有限元方法及cad技术的先期发展，使90年代以数值模拟仿真为中心的和计算机应用技术在冲压领域得以迅速发展并走向实用化，成为材料变形行为研究和工艺过程设计的有力工具。汽车冲压技术真正进入了分析阶段，传统的板成形技术开始从经验走向科学化。纵观上世纪的发展历程可见：(1)冲压性能的研究和改进是与冲压技术的发展相辅相承的。(2)汽车、等工业的飞速发展，以及能源因素都是冲压技术发展的主要推动力。进入新世纪，环境因素及相关的法律约束日益突出，汽车轻量化设计和制造成为当前的重要课题。(3)成形过程数字化仿真技术的发展，推动传统冲压技术走向科学化，进入先进制造技术行列。(4)冲压技术的发展涉及材料、能源、模具、设备等各方面。工艺方法的创新及其过程的科学分析与控制是技术发展的核心；模具技术是冲压技术发展的体现，是决定产品制造周期、成本、质量的重要因素。2、先进成形技术的发展冲压技术的发展与材料和结构密切相关。预计未来10-15年，环境要求和日益严格的环保法律，将促使汽车材料和结构发生很大变化。为了减少城市co2的排放量，汽车力求轻量化，其最突出的发展方向是提高所用材料的比强度和比刚度及发展高效的轻量化结构。现代车身结构中，高强度钢约占25%。目前在继续开发超高强度钢的同时，结合发展新的“高效结构”和制造技术，争取使车身重量减少20%以上。但更引人关注的努力方向是扩大铝、镁等低密度合金材料在汽车上的应用。正在研究开发未来型的铝车身家用小汽车，可使重量减轻40-50%，耗油仅为现行小汽车平均值的三分之一。目前的主要问题是开发低成本铝合金，发冲压模具展新结构和高效制造方法，以及改进回收技术。一旦成本问题解决了，铝合金可能成为汽车的主要结构材料。自1991年以来，镁的产量每5年增加1倍，是很有前途的未来材料，预计2003年后镁的应用将有明显上升，包括大的车身外部零件。复合板材料在汽车、飞机、医药、食品、化工、日用品等方面也均有广阔应用前景。此外烘烤硬化板、表面改性板等改性材料。80年代，欧美研究镀锌板的冲压技术；90年代，重点研究激光拼焊板的冲压及各种挤压管坯型材的精密成形技术。铝型材骨架件的用量也在不断增加。结构整体化是重要的发展趋势，不仅对于飞机，未来汽车也将扩大应用。随着新材料和新结构的扩大应用，迫切需要发展相应的低成本冲压成形技术。当前的研究重点：铝合金覆盖件等车身零件的冲压技术。国外已有实用的工艺及模具设计数据资料。(2)多种厚度激光拼焊板坯的冲压技术。(3)挤压管坯的内高压成形技术。(4)复合板的成形技术等。对于飞机工业来说，、铝锂合金复杂形状零件及铝合金特殊结构件的成形技术是当前的研究重点。以液体直接或间接作为半模或传感应介质的各种液压成形技术，属于半模成形或软模成形，有很多优点(已有近60年历史)，是飞机钣金零件的主要制造方法。近十多年来在高压源及高压密封问题解决后，得以迅速发展，在汽车工业中获得重要应用。液压成形包括液压橡皮囊成形、充液拉深成形和内高压胀管成形。液压橡皮成形已从航空工业的传统应用扩大到汽车的复杂内外板件的成形，在100-140mpa的压力下，成形质量很好，适用于试制和小批量生产。新兴的内高压成形技术已经实用化、工业化，生产发动机的支架、排气管、凸轮轴及框架件等，达到了很好的效率和效益预计液压成形、拼焊毛坯冲压成形及激光焊接装配将是未来汽车轻量化的三项关键技术。此外粘介质压力成形、磁脉冲成形，以及各种无模成形技术的研究也有很大进展，显现出越来越多的工艺柔性。3.数字化成形技术的发展先进成形技术是在传统成形技术的基础上，以计算机为支柱，综合利用信息、电子、材料、能源、环境工程等各项高新技术及现代管理技术，有利于最终实现产品全生命期综合优化的冲压成形技术，是能越大程度地达到“精、省、净”目标，获得高综合效益的成形技术。发展先进成形技术的关键在于：大力发展冲压成形过程的计算机分析仿真技术(cae)。数学模型条件下汽车覆盖件的制造工艺(2)并行工程(ce)、并行工作模式逐步取代传统的串行顺序式工作模式。计算机辅助过程分析仿真(cae)是20世纪后期对于金属成形最具重大意义的技术进步之一，其核心是有限元分析技术。以有限元法为基础的冲压成形过程中计算机仿真技术或数值模拟技术，以冲压模具设计、冲压过程设计与工艺参数优化提供了科学的新途径，将是解决复杂冲压过程设计和模具设计的最有效手段。国外大型企业的应用步伐非常迅速，而汽车工业走在前列，现已逐渐成熟，用于模具设计和试模的时间减少50%以上。美国gm居世界领先地位。
数值模拟技术的发展趋势可概括如下：进一步提高模拟计算的精度和速度。重点突破回弹精确预测；发展快速有限元模拟技术，实现“当天工程”、甚至“2小时工程”；同时加强基础研究，解决复杂变形路径等基础性问题。(2)降低软件对人员专业素质的要求。目前市场软件功能强大，主要面向分析师，买了先进软件系统，不一定能获得好的模拟结果。面向中小企业，推广更加困难。(3)降低软件对硬件平台的要求。目前，几乎著名的冲压模拟软件都已完成向微机版的转化。(4)加强初始化设计环节的研究。初始化设计环节(初始方案)，作为计算分析的起点和修改的基础，至今仍需要靠有经验的人员完成。迫切需要发展知识库工程(kbe)，将专家系统(es)、人工智能技术(ai)与有限元模拟软件相结合，实现智能化初始工作，减少对工艺专家的依赖。(5)加强基础试验。材料性能本构关系、摩擦状态、缺陷判据等数据来自试验，其真实性、准确性是限制模拟分析达到可靠精度的重要因素。(6)进一步向产品冲压制造系统扩展，实现制造全过程、全生命期的综合优化。目前，成形过程分析，仍重在解决成“形”问题。未来，将同时向改“性”发展，实现变形方式、成形过程及成形后性能的综合优化。(7)普及cae技术势在必行。cad技术经过5-10年的大力普及，基本解决了手工绘图问题。未来5-10年，cae技术的普及将势在必行。中小机械制造企业70多万家，冲压、模具企业为数甚大，以高新技术改造传统技术的任务十分艰巨，结合产业调整，统筹规划，需要提上日程。
应用广泛/冲压工艺
冲压件全的钢材中，有60～70%是板材，其中大部分是经过冲压制成成品。的车身、、油箱、散热器片，锅炉的汽包、容器的壳体、电机、电器的铁芯硅钢片等都是冲压加工的。仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械、生活器皿等产品中，也有大量冲压件。冲压件与铸件、锻件相比，具有薄、匀、轻、强的特点。冲压可制出其他方法难于制造的带有加强筋、肋、起伏或翻边的工件，以提高其刚性。由于采用精密模具，工件精度可达微米级，且重复高、规格一致，可以冲压出孔窝、凸台等。冷冲压件一般不再经切削加工，或仅需要少量的切削加工。热冲压件精度和表面状态低于冷冲压件，但仍优于铸件、锻件，切削加工量少。冲压是高效的生产方法，采用复合模，尤其是多工位级进模，可在一台压力机上完成多道冲压工序，实现由带料开卷、矫平、冲裁到成形、精整的全自动生产。生产高，劳动条件好，生产成本低，一般每分钟可生产数百件。
工艺种类/冲压工艺
冲压车间冲压主要是按工艺分类，可分为分离工序和成形工序两大类。工序也称冲裁，其目的是使冲压件沿一定轮廓线从板料上分离，同时保证分离断面的质量要求。成形工序的目的是使板料在不破坯的条件下发生塑性变形，制成所需形状和尺寸的工件。在实际生产中，常常是多种工序综合应用于一个工件。冲裁、弯曲、剪切、拉深、胀形、旋压、矫正是几种主要的冲压工艺。冲压用板料的表面和内在性能对冲压成品的质量影响很大，要求冲压材料精确、均匀；表面光洁，无斑、无疤、无擦伤、无表面等；屈服强度均匀，无明显方向性；均匀延伸率高；屈强比低；加工硬化性低。在实际生产中，常用与冲压过程近似的工艺性试验，如拉深性能试验、胀形性能试验等检验材料的冲压性能，以保证成品质量和高的合格率。 模具的精度和结构直接影响冲压件的成形和精度。模具制造成本和寿命则是影响冲压件成本和质量的重要因素。模具设计和制造需要较多的时间，这就延长了新冲压件的生产准备时间。模座、模架、导向件的标准化和发展简易模具(供小批量生产)、复合模、多工位级进模(供大量生产)，以及研制快速换模装置，可减少冲压生产准备工作量和缩短准备时间，能使适用于减少冲压生产准备工作量和缩短准备时间，能使适用于大批量生产的先进冲压技术合理地应用于小批量多品种生产。冲压设备除了厚板用水压机成形外，一般都采用机械压力机。以现代高速多工位机械压力机为中心，配置开卷、矫平、成品收集、输送等机械以及模具库和快速换模装置，并利用计算机程序控制，可组成高生产率的自动冲压生产线。 在每分钟生产数十、数百件冲压件的情况下，在短暂时间内完成送料、冲压、出件、排废料等工序，常常发生、和质量事故。因此，冲压中的安全生产是一个非常重要的问题。
特点/冲压工艺
汽车冲压模具（1）冲压是一种高生产效率、低材料消耗的加工方法。冲压工艺适用于较大批量零件制品的生产，便于实现机械化与自动化，有较高的生产效率，同时，冲压生产不仅能努力做到少废料和无废料生产，而且即使在某些情况下有边角余料，也可以充分利用。
（2）操作工艺方便，不需要操作者有较高水平的技艺。
（3）冲压出的零件一般不需要再进行机械加工，具有较高的尺寸精度。
（4）冲压件有较好的互换性。冲压加工稳定性较好，同一批冲压件．可相互交换使用，不影响装配和产品性能。
（5）由于冲压件用板材作材料，它的表面质量较好，为后续表面处理工序(如电镀、喷漆)提供了方便条件。
（6）冲压加工能获得强度高、刚度大而重量轻的零件。
（7）用模具批量生产的冲压件成本低廉。
（8）冲压能制造出其它金属加工方法难加工出的形状复杂的零件。
冲压工序/冲压工艺
冲压工艺:塑造完美身板冲压工序可分为四个基本工序：
冲裁：使板料实现分离的冲压工序（包括冲孔、落料、修边、剖切等）。
弯曲：将板料沿弯曲线弯成一定的角度和形状的冲压工序。
拉深：将平面板料变成各种开口空心零件，或把空心件的形状、尺寸作进一步改变的冲压工序。
局部成形：用各种不同性质的局部变形来改变毛坯或冲压件形状的冲压工序（包括翻边、胀形、校平和整形工序等）。
寻求突破/冲压工艺
冲压据统计，2003年生产汽车冲压件约240万吨/8亿件，摩托车冲压件约28万吨/19亿件，拖拉机、农用车冲压件约96万吨/7.1亿件，家用空调和冰箱冲压件100万吨/12.8亿件。业内预计，随着冲压成形行业最大用户市场--汽车行业今后继续迅猛发展，中国冲压行业已迎来了一个快速发展机遇期，但能否抓住机遇获得新的更快的发展，专家指出，前进的道路上尚有许多阻力和障碍需要克服与突破。机械化、自动化程度低680条冲压线中有70%为多工位压力机，国内250条生产线有32%为多工位压力机，而这种代表当今国际水平的大型多工位压力机在我国的应用却为数不多；中小企业设备普遍较落后，耗能耗材高，环境污染严重；封头成形设备简陋，手工操作比重大；精冲机价格，是普通压力机的5~10倍，多数企业无力投资阻碍了精冲技术在中国的推广应用；液压成形，尤其是内高压成形，设备投资大，中国难以起步。加速技术改造要改变当前大部分还是上下料的落后局面，结合具体情况，采取新工艺，提高机械化、自动化程度。汽车车身覆盖件冲压应向单机连线自动化、机器人冲压生产线，特别是大型多工位压力机方向发展。争取加大投资力度，加速冲压生产线的技术改造，使尽早达到当今国际水平。而随着微电子技术和通讯技术的发展使板材成形装备自动化、柔性化有了技术基础。应加速发展数字化柔性成形技术、液压成形技术、高精度复合化成形技术以及适应新一代轻量化车身结构的型材弯曲成形技术及相关设备。同时改造旧设备，使其发挥新的生产能力。生产集中度低许多集团大而全，形成封闭内部配套，导致各企业的冲压件种类多，生产集中度低，规模小，易造成低水平的重复建设，难以满足专业化分工生产，市场竞争力弱；摩托车冲压行业面临激烈的市场竞争，处于“优而不胜，劣而不汰”的状态；封头制造企业小而散，集中度仅39.2%。走专业化道路迅速改变“大而全”、“散乱差”的格局，尽快从汽车中把冲压零部件分离出来，按冲压件的大、中、小分门别类，成立几个的冲压零部件制造供应中心及几十个小而专的零部件工厂。通过专业化道路，才能把冲压零部件做大做强，成为国际上有竞争实力的冲压零部件供应商。冲压板材自给率不足，品种规格不配套冲压机械手中国汽车薄板只能满足60%左右，而用钢板，如高强度板、合金化镀锌板、超宽板(1650mm以上)等都依赖进口。用材应与行业协调发展汽车用钢板的品种应更趋向合理，朝着高强、高耐蚀和各种规格的薄钢板方向发展，并改善冲压性能。铝、镁合金已成为汽车轻量化的，扩大应用已势在心行。科技成果转化慢先进工艺推广慢在，许多冲压新技术起步并不晚，有些还达到了国际先进水平，但常常很难形成生产力。先进冲压工艺应用不多，有的仅处于试用阶段，吸收、转化、推广速度慢。技术开发费用投入少，导致企业对先进技术的掌握应用慢，开发创新能力不足，中小企业在这方面的差距更甚。国内企业大部分仍采用传统冲压技术，对下一代轻量化汽车结构和用材所需的成形技术缺少研究与技术储备。走产、学、研联合之路中国与欧、美、日等相比，存在的最大的差距就是还没有一个产、学研联合体，科研难以做大，成果不能尽快转化为生产力。所以应围绕大型开发和产业化项目，以高校和科研单位为技术支持，企业为应用基地，形成产品、设备、材料、技术的企业联合实体，形成既能开发创新，又能迅速产业化的良性循环。大、精模具依赖进口当前，冲压模具的材料、设计、制作均满足不了国内汽车发展的需要，而且标准化程度尚低，大约为40%~45%，而国际上一般在70%左右。提升信息化、标准化水平必须用信息化技术改造模具企业，发展重点在于大力推广CAD/CAM/CAE一体化技术，特别是成形过程的计算机模拟分析和优化技术(CAE)。加速中国模具标准化进程，提高精度和互换率。力争2005年模具标准件使用覆盖率达到60%，2010年达到70%以上基本满足市场需求。专业人才缺乏五金冲压片业内先进设计分析技术和数字化技术的高素质人才远远不能满足冲压行业飞速发展的需要，尤其是摩托车行业中具备冲压知识和技术和技能的专业人才更为缺乏且大量外流。另外，众多合资公司由外方进行工程设计，掌握设计权、投资权，我方冲压技术人员难以真正掌握冲压工艺的真谛。提高行业人员素质这是一项迫在眉睫的任务，又是一项长期而系统的任务。振兴中国冲压行业需要大批高水平的科技人才，大批熟悉国外市场、具有现代管理知识和能力的企业家，大批掌握先进技术、工艺的高级技能人才。要舍得花大力气，有计划、分层次地培养。冲压加工也存在着一些问题和缺点。主要表现在冲压加工时产生的噪音和振动两种公害，而且操作者的安全事故时有发生。不过，这些问题并不完全是由于冲压加工工艺及模具本身带来的，而主要是由于传统的冲压设备及落后的手工操作造成的。随着科学技术的进步，特别是计算机技术的发展，随着机电一体化技术的进步，这些问题一定会尽快二完善的得到解决。冲压成形用户市场的迅猛发展为冲压行业带来了全新的机遇，虽然在冲压业发展的道路上还存在着各种各样的阻力与障碍，但始终相信，这些都阻挡不了冲压行业前进的步伐。
发展趋势/冲压工艺
冲压成形技术在航空发动机中的应用进入90年代以来，高新技术全面促进了传统成形技术的改造及先进成形技术的形成和发展。的冲压技术将以更快的速度持续发展，发展的方向将更加突出“精、省、净”的需求。(2)冲压成形技术将更加科学化、、可控化。科学化主要体现在对成形过程、产品质量、成本、效益的预测和可控程度。成形过程的数值模拟技术将在实用化方面取得很大发展，并与数字化制造系统很好地集成。人工智能技术、智能化控制将从简单形状零件成形发展到覆盖件等复杂形状零件成形，从而真正进入实用阶段。(3)注重产品制造全过程，最大程度地实现多目标全局综合优化。优化将从传统的单一成形环节向产品制造全过程及全生命期的系统整体发展。(4)对产品可制造性和成形工艺的快速分析与评估能力将有大的发展。以便从产品初步设计甚至构思时起，就能针对零件的可成形性及所需性能的保证度，作出快速分析评估。(5)冲压技术将具有更大的灵活性或柔性，以适应未来小指量多品种混流生产模式及市场多样化、个性化需求的发展趋势，加强企业对市场变化的快速响应能力。(6)重视复合化成形技术的发展。以复合工艺为基础的先进成形技术不仅正在从制造毛坯向直接制造零件方向发展，也正在从制造单个零件向直接制造结构整体的方向发展。加入以后，中国的汽车工业、航空航天工业等支柱产业必将有大的发展。我国的冲压行业既充满发展的机遇，又面临进一步以高新技术改造传统技术的严峻挑战。国民经济和国防建设事业将向冲压成形技术的发展提出更多更新更高的要求。我国的板料加工领域必须加强力量的联合，加强技术的综合与集成，加快传统技术从经验向科学化转化的进程。加速人才培养，提升技术创新能力，提高冲压技术队伍的整体素质和生产企业的竞争力。
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