冲压件结构优化设计及成形技术.doc

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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(rail reinforcement)、轮毂(disk wheel)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。Mazda Motor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、变形区及临域的应力分析
(1)冲裁力造成的应力
如图2.3所示，冲裁变形时，位于凸模平面下方、凹模平面上方的材料，由于受到模具直接传递的高压作用，成为压应力区，同时，材料的塌角处，既要支撑变形区，又因摩擦力的作用而受到拉伸，成为拉应力区[9]。
(2)力偶引起的应力
讨论这种应力时，首先应分清冲裁时模具结构上加压料板和不加压料板的区别，如图2.4所示。图中左边是不加压料板冲裁时产生的应力(符号)，因此，冲裁过程中的裂缝一般无产生于凹模一侧的材料上。如果冲裁时加有压料板，如图2.5右边所示，这时，凸模外侧材料产生拉应力，故裂缝有可能也从凸模一侧刃口先开始产生[39]。

图2.3 冲裁力引起的应力 图2.4 力偶引起的应力
(3)冲裁时板料所受的外力
在无压料板的自由冲裁情况下，板料所受外力如图2.5所示。由于凸模与凹模间有一定的间隙，使得板料在受到凸模与凹模正压力作用的同时还受到弯矩的作用，板料的变形不可能是纯剪切，还要产生弯曲变形。因此冲裁时凸模和凹模实际接触板料的面积只限于刃口附近窄小的环形区域内，其宽度约为料后的1/5-2/5。故凸凹模刃口部位的单位压力分布曲线相当陡峭。正压力的合力分别以与表示，显然，两者大小相等、方向相反。由于与不在同一条直线上，便形成了弯矩。此弯矩使板料产生弯曲变形，造成凹模口外的板料上翘，凸模端面下的板料下凹。

图2.5 冲裁时板料所受应力
板料的弯曲变形对模具刃口的侧面产生挤压作用，反过来，凸模和凹模刃口的侧面对板料产生反挤作用，形成对剪切面的侧压力。侧压力的合力和也将形成一个力矩，其方向与相反，并在冲裁瞬时与之保持平衡，即＝，以阻止板料进一步弯曲变形。在冲裁过程中，Mp随正压力的增大而增大，使板料弯曲变形加大，这将使板料受到的侧压力随之增大，并与抗衡，阻止板料进一步弯曲。因此自由冲裁时工件的不平整程度是有限度的。
有正压力必有摩擦力，凸模和凹模刃口端面对板料的摩擦力分别为和，μ为料与模具材料之间的摩擦系数，其方向与板料相对凸模和凹模端面滑动的力向相反。凸模和凹模刃口侧面对板料剪切面施加的摩擦力分别为和，其方向与板料相对凸模相凹模的运动方向相反。垂直方向的摩擦力对板料断裂分离过程的影响要比水平方向的摩擦力大得多[39]。
(4)冲裁时变形区的应力状态
板料由于受到上述外力的作用，会产生剪切、弯曲等各种变形，因此其变形区及临域的应力状态是很复杂的，并且与变形过程有关。应力状态如图2.6所示，其中：
A点——三向应力状态。为凸模侧压及材料弯曲引起的压应力；为弯曲引起的压应力与侧压引起的拉应力的合成应力；为凸模下压引起的拉应力。
B点——由凸模下压和材料弯曲引起的三向压应力状态。
C点——沿材料纤维方向为拉应力，垂直于纤维方向为压应力。
D点——材料弯曲引起径向拉应力和切向拉应力，凹模上平面材料受到压挤产生轴向压应力。
E点——材料弯曲引起的拉应力和凹模侧压引起的压应力的合成应力和，应力符号一般为正；凸模下压引起轴向拉应力[39]。

图2.6 各点的应力状态
2.2 冲裁件的工艺性分析
冲裁件的工艺性分析包括技术和经济性两方面的内容。在技术方面，根据冲裁件产品图纸，主要分析该冲裁件的形状特点、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素，检查是否符合冲裁工艺的要求，在经济性方面，主要根据其产量和批量，分析产品成本，阐明采用冲裁工艺可取得的经济效益。因此，对冲裁件的工艺分析，主要讨论在不影响零件使用性能的前提下，结合具体的生产条件，能否以最简单、最经济的方法制造出来。若能做到、表示该冲裁件的工艺性好；反之则差[17]。
2.2.1 影响冲裁件工艺性的因素

图2.7 冲裁件窄槽尺寸
1、形状和尺寸
不同形状和尺寸的冲裁件有不同的工艺要求。如要求外形简单、对称，最好是由圆弧和直线组成，避免冲裁件上有过长的悬臂和窄槽，其宽度应大于料厚t的两倍，即图2.7中的b应大于2t。一般情况下，要求冲裁件的外形不能有尖角，特别是小于90度的尖角，应采用，r>0.5t的圆角过渡，以便提高模具寿命方便于制造。
冲裁时，为了防止凸模折断或弯曲，冲孔尺寸不能太小[10]。
2、生产批量
冲裁模的制造费用较高，故产量小时采用其它加工方法可能较冲裁更为经济。只有在大批量生产时，冲裁加工才能取得明显的经济效益。一般来说，产量很大时可选用连续模和高效冲压设备，以提高生产率、降低成本；中、小批量生产时，常采用简单模或复合模，以降低模具成本[10]。
3、其它
对冲裁件进行工艺分析时，除了考虑上述的形状、尺寸、精度、尺寸标注和生产批量等主要因素外．还应考虑冲裁件的厚度、板料性能、以及冲裁工序和其它工序(如弯曲、拉深等)之间的关系和相互影响。通过分析若发现制件工艺性不好时，可会同产品设计人员对冲裁件的形状、尺寸、精度和原材料选用等方面进行必要的但改，以改善工艺性和提高经济效益。例如图2.8(a)所示零件，在不影响使用条件下，只需对形状稍加改进，就可进行无废料冲裁，材料利用率可提高40％，生产率可提高一倍[5]。
冲裁件一般比较简单，主要是根据零件图纸、产量和工艺条件(模具设计、制造能力，冲压设备条件等)进行分析并确定最佳工艺方案。例如图2.9(a)所示的航空用电缆搭接片，除了从排样分析材料利用率外，在工艺方案上还可有两种选择。图2.9(b)为冲孔后落料：图2.9(c)为冲孔，冲两端头，分离。选择哪种方案较好所依据的原则就是：在保证产品精度和产量要求前提下、以最好的经济效益来确定所采用的工艺方案[6]。

图2.8 冲裁件的形状改进

图2.9 工艺方案比较
4、排样方法及材料的经济利用
在冲压零件的总成本中，材料费约占60％-80％；因此，材料的经济利用是冲裁工艺中要考虑的一个重要问题。
(1)材料的经济利用
冲裁件在条料或板料上的布置方法叫排样。排样是否合理直接影响材料的经济利用。衡量排样经济性的标准是材料利用率，即冲裁件的实际有效面积与冲裁此工件所用板料面积A之比值[3]
(2.1)
式中；——工件有效面积(mm)；
A ——冲裁此工件所用的板料面积(mm)。
从图2.10可知；若能减少废料面积，材料利用率则可提高。废料可分为两部分，即工艺废料和设计废料(或称结构废料)。前者与排样形式有关，后者则是由零件结构形状决定的无法改变。进行合理排样的目的就是减少工艺废料。

1-零件的有效面；2-设计废料面积；3-工艺废料面积；a-条料的侧搭边；-冲裁件之间的搭边；B-条料宽度；L-进距
图2.10 冲裁件的废料和搭边
(2)排样方法
排样的目的是减少废料，提高材料利用率。但在选择排样方法时．除了材料利用率之外，还应考虑到模具制造和使用是否方便、板料的纤维方向是否满足后续工序要求等因素。
根据材料的利用情况，排样方法可分为三种[4]：
1)有废料排样
沿工件的全部外形冲裁。工件与工件之间、工件与条料侧边之间都存在有搭边废料，如图2.11所示．因为有搭边，这种排样能保证冲裁质量，模具寿命也长，但材料利用率低。

图2.11 有废料排样 图2.12 少废料排样
2)少废料排样
沿工件部分外形切断或冲裁，废料只有冲裁刃口之间的搭边，如图2.12所示．材料利用率高。
3)无废料排样
工件与工件之间，以及工件与侧边之间均无搭边废料，如图2.13所示。是否能做到无废料冲裁，与工件的几何形状有很大关系。
采用少、无废料排样除节约原材料外，还可简化模具结构、降低冲裁力，但也存在着一些缺点，即工件质量和精度较差，模具寿命较低。其原因是由于条料本身公差及冲裁时条料的导向与定位公差大所致。此外，在少、无废料排样中，一般采用单边冲裁，也影响工件断面质量和模具寿命。

图2.13 无废料排样
此外，按工件形状及排样方式，又可分成直排、斜排、对排、多排、混合排及冲裁搭边等见表2.1。
表2.1 排样类型
序号
排样类型
排样简图
应用情况
有废料
无废料或少废料
1
直排

比较简单的方形、矩形
2
斜排

椭圆形，十字、T字、
г字、和角尺形件
3
对排

梯形、三角形、半圆形、
山字、п字形件
4
多排

大批量生产中尺寸不太大
的圆形，六角形
5
混合排

材料计厚度均相同的两种
或两种以上的工件
6
冲裁搭边

细而长的工件或将宽度
均匀的板料只在工件的
长度方向冲定形状
5、搭边值的确定
排样时，工件之间以及工件与条料侧边之间留下的余料称为搭边。搭边的作用是补偿条料送进时进距与边距的偏差，并将其在模具上定位，以保证冲裁件轮廓的完整。
搭边值要合理确定。搭边值过大，树料利用率低。搭边值过小，在冲裁过程中会被拉断，妨碍顺利送料，零件会产生毛刺，有时会拉入凸、凹模间隙中，损坏模具刃口，降低模具寿命。搭边值大小与下列因素有关[4]：
(1) 材料机械性能：硬度高、强度大的材料搭边值取小一些，软材料或脆材料搭边值取大一些。
(2) 工件的尺寸与形状：工件尺寸大、外形复杂、圆角半径小时搭边值取大
(3) 材料厚度：厚料搭边值取大一些。
(4) 送料和挡料方式，手工送料、有侧压板导向时，搭边值可取小些。
2.2.2 制定工艺方案的原则
制定冲裁工艺的主要工作是确定工序的顺序和工序组合、工序性质与数目等。
工序的性质应根据工件的结构形状，按冲裁件的变形情况，结合具体生产条件予以确定。
工序数目主要取决于零件材料的性质、几何形状的复杂程度和尺寸精度。总的原则是在保证零件质量的前提下使工序数目最少，减少模具数量，降低成本。
工序组合可提高生产率，成本降低。工序组合的方式主要有复合冲裁与连续冲裁两种形式。究竟采用哪一种方式应根据生产率、零件的尺寸精度、尺寸大小、形状复杂程度及模具制造条件等具体情况来考虑。
连续冲裁最适于高速冲裁和大批量生产，生产效率高。复合冲裁因零件被顶到模具工作面上，需用手或机械把它取走，生产率低于连续冲裁，操作不安全。
从冲裁的精度看，复合冲裁高于连续冲裁。连续冲裁时存在送料和定位误差，当有导正销时，其精度略高，可达IT10—IT12级。复合冲裁是在冲模的同一位置一次冲出，不存在定位误差，故冲裁精度较高，可达IT8—IT9级。因此精度要求高的零件应采用复合模进行冲裁。
复合模冲裁时，因有压料装置，零件不翘曲，断面质量好，而连续冲裁的零件不平，有拱弯或扭曲 故对平面度要求高的零件，采用复合模冲裁较为合适。
复合模可以冲裁尺寸较大的零件，厚度一般在0.05-3mm；连续冲裁受压力机台面尺寸的限制，冲裁零件的尺寸较小，厚度一般为0.2-6mm[2]。
(1) 连续冲裁的工序顺序
① 先冲孔后落料或切断。先冲孔的目的是为后续工序提供定位基准。
② 先内轮廓后外轮廓，以减少变形。
③ 采用侧刃定距时，侧刃切边工位在前，以便控制送料进距。
(2) 多工序冲裁时的工序顺序
① 先落料后其他工序。先落料是为了以外轮廓定位进行其他工序的冲裁，使基准统一，减少定位误差，避免过多地进行尺寸转换。
② 先大孔后小孔，以减少孔的变形。
2.3 弯曲变形机理
利用压力使板料产生塑性流动、变形，从而形成具有一定曲率、一定角度的不封闭形状零件的冲压工艺过程称为弯曲。弯曲依靠材料的塑性流动而成形，不允许工件出现任何破裂。这是弯曲工艺与冲裁工艺(材料分离机理成形)在变形特性上的根本区别[3]。
2.3.1 弯曲变形的过程
图2.14是V形件的弯曲过程。

图2.14 板材在V形模内的校正弯曲过程
弯曲变形过程是由弹性变形逐渐过渡到塑性变形，呈现出明显的阶段性。
1． 弹性变形阶段
在弯曲变形初期(图2.14(a))外力矩M较小，在变形区内，其内、外层表面产生的切向应力的数值远远小于材料的屈服应力，沿板厚的全部材料层只产生弹性变形，弯曲处于弹性变形阶段。这时，如果去掉外力矩，变形将随之消失。弹性变形阶段切向应力沿板厚的分布如图2.15(a)所示[3]。
2． 弹—塑性变形阶段
随着凸模继续下压，外弯曲力矩M继续增大，当M增大到某一数值时，内、外表层的切向应力首先达到材料的屈服应力而进入塑性状态。继续增大外力矩M，塑性变形便由内、外表层向板料中心逐渐扩展，变形区的变形由弹件弯曲过渡为弹—塑性弯曲，弯曲半径随之减小到，弯曲变形区缩小至(图2.14(b))。对于常见的金属材料，一般认为当相对弯曲半径r/t＞200时，变形区板料中心附近处于弹性变形状态的材料层厚度还处于相当大的比例，弯曲变形处于弹—塑性变形阶段。如果把材料看成线性硬化的弹—塑性材料，其切向应力沿板厚的分布如图2.15(b)所示[3]。
3． 全塑性弯曲阶段
凸模继续下压，毛坯的弯曲变形区和弯曲半径继续减小，当相对弯曲半径r/t< 200，弯曲变形区减至段(图2.14(c))时，弹性变形层的厚度占板厚的比例已很小。在实用计算时已忽略不计，视板料全断面都进入塑性状态，即进入全塑性弯曲阶段。图2.15(c)，(d)，(e)分别表示视材料为线性硬化、无硬化、幂函数硬化时切向应力沿板厚的分布情况。最后达到板料与凸、凹模完全贴合后，若需校正，则需要比弯曲力大得多的校正力，变形区的应力、应变状态就更为复杂了[4]。

(a)弹性弯；(b)弹-塑性弯曲；(c)纯线性硬化弯曲；
(d)纯塑性弯曲；(e)幂函数硬化弯曲；(f)应变分布
图2.15 弯曲切向应力的分布
2.3.2 最小弯曲半径的选择
设计弯曲件时，不仅要满足使用上的要求，还必须考虑成形的可能性。
通过对弯曲变形的分析可知，随着相对弯曲半径减小，弯曲时毛料外层纤维的变形程度将逐渐增大。当相对弯曲半径小到一定程度后，毛料外层纤维的切向应变将因超过材料的许可变形程度而断裂。为了获得合格的零件，弯曲件的内圆角半径的数值要受到外层纤维的成形极限限制。使弯曲件外层纤维不发生断裂的内圆角半径的极限值，称其为最小弯曲半径影响最小弯曲半径数值的主要因素有
1.材料的机械性能
材料塑性愈好，应变硬化指数n愈大，愈不易出现局部的集中变形，因而有利于提高成形极限，最小弯曲半径也愈小。在冲压生产中，当零件的结构需要弯曲成很小的圆角半径时，可能引起毛坯破坏，通常采用热处理方法以恢复冷变形硬化材料的塑性或采用加热弯曲方法以提高低塑性材料(如镁合金等)的塑性变形能力[27]。
2.板料的纤维方向
供给生产用的板料，其机械性能在板面内的各方向并不相同，表现出各向异性。生产中常用的材料，顺纤维方向的强度和塑性大多高于横纤维方向的。因此，当弯曲件的弯曲线与板料的纤维方向垂直时，其最小弯曲半径要比弯曲线平行于纤维方向时小，见图2.16[27]。

图2.16 各向异性对弯曲线的影响
2.3.3 弯曲变形的特点
为了观察板料弯曲时的金属流动情况，可在待弯曲板料的侧面制成网格(见图2.17)，并用工具显微镜观察弯曲前后网格形状和尺寸的变化[27]。由图2.17可知：
(1) 弯曲件的变形区主要在圆角部分，此处的四方形网格变成了扇形。靠近圆角边有少量的变形，而其余的直边则没有变形[27]。
(2) 在变形区内，外区的正方形网格面积增大，表示材料受切向拉伸作用而伸长(bb>bb)；内区的正方形网格面积减小，表示材料受切向压缩作用而缩短(aa<aa)。变形区内外区的拉应变过渡到内区的压应变，中间必有一层材料的长度保持不变．称为应变中性层，其曲率半径用表示[27]。
(3) 相对弯曲半径r/t较小时，变形区在变形后产生变薄现象。板料弯曲时，外区的材料因为受拉而变薄，内区的材料因为受压而变厚，但由于此变中性层的内移，外区的减薄量大于内区的增厚量，故总体表现为变形区的厚度变薄。变薄后的厚度t=，1．其中称为变薄系数，见表2.2，它表示了材料在弯曲后的变形程度。这种变形现象只有在相对弯曲半径较小时才比较明显[27]。

图2.17 弯曲前后坐标网格的变化
表2.2 变薄系数η的值
r/t
0.1
0.5
1
2
5
>10
η
0.8
0.93
0.97
0.99
0.998
1
(4) 板料相对宽度(b是板料的宽度)对弯曲变形区的变形有很大的影响。一般将相对弯曲宽度b/t>3的板称为宽板，相对弯曲宽度b/t<3的板称为窄板。宽板弯曲时，宽度方向的变形受到材料之间的相互约束，不能自由流动，因此横断向变化较小，仍接近于矩形．仅朽：两端可能出现翘曲，即端面宽度方向内凹。它可用一个挠度指标δ来表示．如图2.18(b)所示，翘曲的立体图如图2.19所示；窄板弯曲时，由于宽度力向不受约束，矩形断向变成扇形。见图2.18(a)。实际弯曲件多为宽板弯曲[27]。

(a) 窄板弯曲；(b) 宽板弯曲
图2.18 弯曲的应力、应变分析及翘曲
(5) 弯曲后板料长度增加。一般弯曲件均属于宽板弯曲，因此弯曲前后板料宽度方
向基本不变形。对于r/t较小的弯曲件，由于板厚有明显的变薄现象，按照体积不变条件．必然造成板料长度的增加[27]。

图2.19 弯曲的翘曲
2.3.4 弯曲件的工序安排
弯曲件的工序按排是否合理，对于弯曲件的质量、生产效率与效益都有重要意义，也对弯曲的难易程度有较大影响[27]。

图2.20 形状对称与不对称弯曲件
(1) 形状简单的弯曲件，如v形、u形、z形等，可以一次弯曲成形(如图2.20)。
(2) 形状复杂的弯曲件一般需要两次或多次弯曲成形，并应正确选择弯曲顺序(图2.21和图2.22)。弯曲时，应先弯外角，后弯内角，前次弯曲必须考虑使后次弯曲有可靠的定位，后次弯曲不能影响前次成形的部分。

图2.21 两次弯成的弯曲件

图2.22 三次弯曲成的弯曲件
(3) 单面不对称几何形状的弯曲件，可以采用成对弯曲成形，弯曲后再切开，如图2.23所示。

图2.23 对称弯曲
(4) 对于批量大、尺寸较小的弯曲件，为了提高生产率，可以采用连续模弯曲工序设计，如图2.24所示。

图2.24 连续模弯曲工序设计
2.4 弯曲件工艺性分析
弯曲件的结构应具有良好的工艺性，这样可简化工艺过程，并可提高弯曲件的公差等级。弯曲件的工艺性分析是根据弯曲过程的变形规律，并总结弯曲件实际生产经验而提出的。上述最小弯曲半径和弯曲件回弹的论述是弯曲件工艺性分析的重要内容。现对弯曲件工艺性要求分述如下[27]。
1.弯曲件的弯曲半径
其值不能小于材料的许可最小弯曲半径，否则会产生拉裂。若工件要求的弯曲半径很小或清角时，可分两次弯曲：第一次弯成较大的弯曲半径，然后退火；第二次再根据工件要求的弯曲半径进行弯曲。此外，也可采用热弯或预先沿弯曲区内侧开出槽口(见图2.25)后再进行弯曲。当弯曲较小的直壁高度时，采用此法较为适宜[27]。

图2.25 在弯曲区内侧开出槽口
2.弯曲件的形状
弯曲件形状应对称，弯曲半径左右应一致，以保证板料不会因摩擦阻力不均匀而产生滑动．造成工件偏移．如图2.26所示。若工件不对称时，为了阻止板料偏移，在设计模具结构时应考虑增设压料板，或增加工艺定位孔。有时为了使毛坯在弯曲模内定位准确，特别在对毛坯进行多道工序弯曲时．也需要在弯曲件上设计出工艺定位孔，见图2.27[27]。

图2.26 弯曲件形状对对弯曲过程影响 图2.27 弯曲件上的工艺孔
弯曲件形状要力求简单，某些带缺口的弯曲件，如图2.28所示，缺口只能安排在弯曲成形之后切去。首先将切口冲出，弯曲时切口处会发生叉口现象，严重时难以成形。

图2.28 带缺口的弯曲件
3.弯曲件孔的位置
对于带孔的弯曲件，若先冲好孔再将毛坯弯曲，则孔的位置应处于弯曲变形区外(见图2.29)，否则孔要发生变形。孔边至弯曲半径R中心的距离B与材料厚度有关，通常为
当t<2mm时,Bt；
当t2mm时B2t。
若不能满足上述规定，而且孔的公差等级要求较高时，须弯曲成形后再冲孔。

图2.29 带孔的弯曲件
如果工件的结构允许，可以在工件弯曲变形区上预先冲出工艺孔或工艺槽，以改变变形范围，即使工艺孔变形，可以保持所需的孔不产生变形。图2.30(a)所示的是一般工艺孔，图2.30(b)为月牙形工艺孔[27]。

图2.30 在弯曲变形区上预冲工艺孔
4.弯曲件直边高度
在工件弯曲90°时，为了保证弯曲件直边平直，其直边高度并不应小于2t，最好大于3t。若H＜2t，在弯曲成形过程中，不能产生足够的弯矩。对较厚的树料则需预先压槽再弯曲(见图2.31)，此时最小弯曲半径可以减小，或增加弯边高度，弯曲后再切掉多余部分。

图2.31 弯曲件直边高度过小时 图2.32 预先冲出工艺槽或
需先压槽 工艺孔的弯曲件
5.弯曲件上工艺槽和工艺孔
图2.32 (a)和(c)所示的弯曲件在弯曲变形时容易将材料撕裂。为了防止这种情况发生，应在毛坯上先冲出工艺槽或工艺孔，见图2.32(b)和(d) [27]。
2.5 拉深成形
拉深是指将平板毛坯或杯形毛坯在凸模作用下拉入凹模型腔形成开口空心零件的成形工艺方法（图2.33)。拉深也称压延．是钣金成形的基础性工艺。

图2.33 拉深过程示意图
用拉深成形可以制成简形，阶梯形、锥形、半球形、盒形和其它不规则形状的立体空心零件。拉深零件的尺寸范围很宽，直径小至1mm，大至2-3m．厚度0.2-30mm。拉深加工的对象广泛，材料品种繁多。因此，在日用品、电器元件、机械零件、飞机结构件和汽车零件的成形中，有着广泛的应用。图2.34是典型拉深件外形示意图。

图2.34 典型拉深件外形示意图
拉深有多种形式。按照零件的外形，拉深可划分为筒形件、锥形件、半球形件、阶梯形件、盒形件和复杂形状零件拉深。按照工序数，拉深可划分为单次和多次拉深。按照材料变形情况，拉深可划分为正拉深、反拉深、变薄拉深和特种拉深等。在各种拉深成形工艺中，筒形件拉深是最基本的拉深方法[28]。
2.5.1 圆筒形件拉深时材料的变形分析
圆筒形件拉深过程如图2.33所示。凸、凹模工作部分带圆角，凸模和凹模之间的单侧间隙稍大于板料厚度。直径D的平板毛坯在凸模的作用下，逐渐地被拉入凹模形成圆筒，图2.35为平板毛坯逐步成形为圆筒形的过程示意图。

图2.35 圆筒形件拉深 图2.36 圆筒形件拉深时材料
过程示意图 的分区及应力应变状态
按照材料的变形和受力情况，拉深过程中的任一时刻，工件材料可以划分为五个区，即凸缘区I、简壁区Ⅲ、筒底区Ⅴ、凹模圆角Ⅱ和凸模圆角区Ⅳ(图2.36)。各区材料的变形和受力状态不同，分析于下。
1.凸缘材料的变形
拉深过程中，凸缘区材料不断拉入凹模型腔形成筒壁。随着凸缘区的不断减小，筒壁高度逐渐增大。凸缘区是拉深材料的主要变形区，而压缩变形是该区材料的主要变形特征。拉深过程任一瞬间(见图2.37)，凸缘上任一点处的周向工程应变为
(2.2