薄壁冲压

薄壁金属成型研究与机构优化设计

机制081 郎海涛108011017

摘要：冲压拉深工艺是现代机械加工较普遍的方法，随着科学技术的不断提高，对冲压拉深产品质量的要求越来越高，冲压拉深工艺也随着科技进步不断地发展．特别是冲压拉深产品作为一种产品外观装饰的时候，冲压拉深模具的结构、生产工艺、劳动强度和生产成本等都标志其制造水平．

一、薄壁金属的冲压产品

薄壁金属冲压产品可分为三大类：第一类属平面成型，成型难度较小，模具制造工艺简单，如汽车的车身、防尘盖等覆盖件；第二类属容器成型，需对薄壁金属进行冷冲压拉深，并要保证容器密闭性好、无泄漏、安全可靠、便于加注介质和排放介质、易于与机体联接等，如汽车发动机油底壳和油箱；第三类既是容器，还必须是整体造型美观的装饰件，具有装饰和美化产品的功能，如摩托车油箱，家用燃油发电机燃油箱等．

由于第三类产品兼顾前两类的功能，新颖美观的外观造型成为设计的主导思想，给制造提出了更高的要求Ⅲ．这类既是容器又是装饰覆盖件的金属薄壁制品，外观设计时美观大方的曲线、曲面运用较多，过度变化较大，几何形状复杂，表面质量要求高．如果采用一次成型工艺，冲压拉深过程中容易出现薄壁金属冷冲压拉深中常见的拉薄、拉裂和压缩褶皱等’缺陷，增大了冲压拉深的难度．如果采用多次成型技术，虽然能保证产品的质量，但不符合提高效率，降低成本的原则．

二、冲压材料

冲压材料需在市场购买薄板钢材，虽然挑选余地不大，但市场薄板质量价格差异很大，要根据产品选择性价比合适的板材．

2.1 冲压件材料的选择

冲压材料选择合理与否，直接影响冲压产品的性能、质量和制造成本，并且还决定冲压工艺过程的复杂程度。

2.2 冲压材料应具备的基本条件

１）冲压材料必须便于冷冲压加工，便于获得高质量和高精度的冲压件．

２）冲压材料承受一次冲压工序的极限变形程度要足够大．

３）冲压材料对模具磨损要小．

2.3 冲压材料应满足冲压工艺要求

１）塑性良好，伸长率和断面收缩率高，屈服点低和抗拉强度高的材料有利于冲压工艺稳定和变形均匀，对提高成品尺寸精度和模具使用寿命，降低成本是重要的．２）材料应具有光洁平整无缺陷损伤的表面状态，在冲压加工时不易破裂，保证模具不被擦伤，容易获得表面状态好的冲压件．

３）材料厚度的公差应符合国家规定的标准．因为一定的模具间隙，适应于一定厚度的材料，材料的厚度公差太大，会改变冲压变形力的合理分布，影响制品的表面质量和模

具寿命，同时还影响材料成形及生产稳定性，甚至损坏模具和设备．

４）材料应对机械接合以及继续加工（如焊接、电镀、抛光等工序）具有良好的适应性能．

故在购进材料时，应通过多次对比，再选用对本产品综合性能可兼顾的材料作为冲压件材料，这是获得优良产品的必要条件．

三、冲压模具的材料

有７０％的模具失效是由材料缺陷和热处理不当引发的，二者是影响模具寿命的主要因素．因此，在模具的整个设计制造过程中，模具材料的选用和热处理工艺是十分重要的．冲压模具工作条件复杂，要承受冲击、振动、摩擦、高压、拉深和弯扭等负荷．因挤压也会造成较高的工作温度，使模具易发生磨损、疲劳、断裂和变形，因此模具材料应比普通零件材料好．

生产油箱的模具由拉深模、冷挤压模和切断模组成．拉深模具材料具有良好的抗粘附性（抗咬合性），高的耐磨性和硬度，一定的强韧性以及较好的切削加工性能，热处理变形小，尺寸稳定性好；冷挤压模要求高的强度和硬度，高耐磨性，为避免冲击折断，还要求有一定的韧性，由于挤压时会产生较大的升温，所以还应具有一定的耐热疲劳性和热硬性；切断模的硬度要求高，刃口寿命是决定整个模具寿命的关键，故热处理要求严格．经过多次实验，最后确定该油箱复合拉深模具选用Ｃｒｌ２ＭｏＶ材料，经过特定热处理工艺的处理，这种模具呈现了良好的综合性能，满足了生产的需要．

四、改善冲压工艺，提高产品质量

4.1 拉深加工与润滑的关系

润滑对拉深加工有重要影响，润滑油选择不当，也会引起局部破裂与褶皱．特别是有减薄趋势的拉深加工，必须通过润滑来加快冲压材料与模具之间的滑动，减少金属流动，以抑制减薄的速度，防止温度升高．在试制过程中选用了很多润滑油和冲压拉深油，都出现不同程度拉薄、拉裂和褶皱现象，最终改用一种自己配制的混合油进行润滑，提高了润滑油的渗透性，保证了冲压件表面质量．合适的润滑油在保证产品质量方面起到了至关重要的作用．

4.2 控制毛坯尺寸是保证拉深质量的重要手段．

在试拉深阶段，决定毛坯形状、尺寸是重要的工作之一，必须将材料毛坯中对产品有影响的赘部坚决清除，让形状最有利于变速，并限制在最小尺寸，这样才能尽可能地减小干扰，同时也节约原材料．当用方形毛坯进行圆筒拉深时，极限拉深率为０．５８左右．如果拉深率过于严苛，产生破裂的可能性会增加．毛坯越大，成型条件就会变坏．因此，为保证质量，将毛坯减小到最小限度是必要的，这样也许会增加下料时的困难，但必须做好这个基础工作．

4.3 合理使用薄膜

为提高产品表面质量，防止在大幅度拉深过程中工件被拉伤，采用了０．０３～Ｏ。０５ｍｍ聚乙烯薄膜或聚氯乙烯薄膜作为胎膜的新工艺，避免工件表面被拉伤、划伤和褶皱，同时还改善了脱模性能．

五、冲压机构优化设计

冲制薄壁零件时,要求执行构件先以比较低的速度接近坯料，然后以等速运动拉延成,最后快速返回，并具有急回特性，同时希望工作过程中压力角尽量小，以保证机构具有良好的动力特性。

以摆动导杆机构串联一个摇杆滑块机构为例，如图1所示薄壁零件冲压机构。摆动导杆机构本身具有急回特性。当主动曲柄AB 匀速运动时，滑块E在垂直AC的导路上往复移动，具有较大的急回特性；改变DE连杆的长度，滑块5可获不同运动规律。

图1为用矢量表示的冲压机构简图，其中AB为曲柄，长度L1，CD为导杆，长度L3，CB长度为S3，DE为连杆，长度L4，H为机架高度，S为滑块E的行程，w1为曲柄的角速度，机架AC，长度L6。

5.1 优化方法

该冲压机构设计为多变量、非线性目标函数、多个约束下的约束优化问题。

优化过程为给定一组变量初值L1 、L4，首先视L1、L4为常量，计算滑块在工作行程内速度函数的极值速度函数的积分平均值，确定目标函数与约束函数值，然后根据所采用的优化算法，调整优化变量L1、L4，重复以上步骤，直至满足优化精度要求。