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材料成形设计基础 第二章 第四节 板料冲压
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材料成形设计基础 第二章 第四节 板料冲压
官方公共微信文章编号：１６７２－－０１２１（２００９）０３－００１８－０５
板料成形回弹模拟及补偿技术研究现状
叶玉刚ｌ，薛勇２?３’段江年２
（１．中北大学机械工程及自动化学院。山西太原０３００５１；２．北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京１００１９１；３．中北大学材料科学与工程学院，山西太原０３００５１）
摘要：板料冲压成形过程中的回弹是卸载过程产生的反向弹性变形，是一种普遍存在的物理现象。目前，越来越多的商业化ＣＡＥ软件实现了金属薄板冲压成形过程中的回弹模拟，但是回弹模拟精度仍然是数值模拟的难点。本文详细分析了影响回弹模拟精度的主要因素，总结了回弹模拟及补偿技术国内外发展现状。这对制定合理的冲压工艺方案，并在模具设计过程中，考虑回弹的关键因素，以便修正模具尺寸，补偿回弹误差，具有重要的实际意义。
关键词：机械制造；回弹；补偿；板料冲压；数值模拟；综述中图分类号：ＴＧ３８６．４１
文献标识码：Ａ
板料回弹分析的解析法、简单数值法以及经验法只能分析简单的纯弯曲、无约束弯曲、Ｖ形弯曲、Ｕ形弯曲、拉弯成形及直翻边弯曲成形回弹问题。而对于大型复杂的覆盖件，由于其复杂的边界条件和几何形状，只能借助于数值模拟技术来分析它们的
回弹的存在造成冲压件的形状、尺寸与设计之
间的偏离，直接影响着冲压件的品质，包括表面品质和装配性能等。随着汽车工业和航空工业的发展，对薄板壳类零件成形精度的要求越来越高，特别是近年来由于高强度薄钢板和铝合金板材的大量使用，回弹问题更为突出，成为汽车和飞机等工业领域关注的热点问题１１１。
收藕日期：２００９－０２—１３
作者简介：叶玉刚（１９７７一），男，讲师，从事精密机械制造技术研究
成形回弹问题鲫。
每３年一度的ＮＵＭＩＳＨＥＥＴ会议。不仅每届都
有回弹方面的考题。而且考题数以及论文发表数量也逐年增加。ＮＵＭＩＳＨＥＥＴ’９９回弹考题为１个。回弹论文比例为１１％；ＮＵＭＩｓＨＥＥＴ’２００２回弹考题为２个，回弹论文比例为１６％；而ＮＵＭｌＳＨＥＥＴ’２００５
－＋——卜——卜－—卜?＿．—?■—?’—?■—?■—?＿．—?■叫＿＋啼—卜?—Ｐ?■—－一．—?１—?＿．叫－＋——卜?．．—－＋—■—?一．—Ｈ＋?■—?■—?一．—－●—?■—＿＋——．＿?＿．－?■—－■——＋—－卜＿—卜?一．－－■??＋?＋?■—?■，－＋呻
ＪｏｕｒｎａｌｄｔｈｅＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＩｎ砸ｔｕｔｅ
均匀化的热处理工艺方法研究阴．大型铸锻件．１９９８，８２（４）：
３４—３７．
ｄＪａｐａｎ，２００１，８７（８）．．５６４－
Ｔａｎａｋａ
Ｃ冽机械工程册编辑委员会．机械工程手册，机械制造工艺及设备【３０】
卷一Ｅ京：机械工业出版社，１９９６：３－６３—３．６４．
Ｋ丑ｄｏｙａ
Ｙ．ＡｒｏｍａＴ，ＭｉｋｉＩＬＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｆ
ｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅ
ｒｏｔｏｒ
ｆｏｒｇｉｎｇｆｏｒ
ｈｉ曲ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｐｍｃｅｅｄｉｎｓｓｄｔｈｅ４ｔｈＩｎ—
Ｙ，Ｍ％，ｏｅｈｉＲ。ＫａｗａｉＨ，ｅｔａ１．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＩＩｉｇｈ—ａｎｄ
ｒｏｔｏｒ
ｔｅｒｒｉｔｏｒｉａｌＣ叩ｆｅ唧脱ＯｌｌＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＭ砒ｅ血１１８Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒ
ＦｏＭｉｌ
ｌｏｗ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｌｊＩｇｉｎｐｆｏｒｈｉｇｌｌ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅ．Ｐｏｗｅｒ纠明ｂ．２∞５－ｊ２０．５３４．
万方数据　
回弹考题论文比例高达２０％。从ＮＵＭＩＳＰＩＥＥＴ’２００５年发表的文章来看，板料成形的成形缺陷预测，如起
皱、拉裂己比较成熟（≥９０％），但在回弹分析方面。
其预测精度仍很低（≤７５％），需取得进一步的发展。所有这一切表明，回弹问题已经成为板料冲压成形领域的难点及重点问题【２一。２影响回弹模拟精度的主要因素
回弹模拟计算准确程度既受成形过程模拟精度的制约，也与回弹的模拟方法有重要关系。准确性和收敛性一直是回弹数值模拟难以达到满意的主要问题。以下从成形过程模拟和回弹模拟两方面分析影响回弹模拟精度的主要因素，以便寻找减小误差的途径。
２．１来自成形过程模拟的主要影响因素
由于回弹是成形的最后一步．成形过程模拟中产生的任何误差都会积累到回弹计算阶段，因此，回弹模拟结果的准确性很大程度上取决于成形过程的模拟精度。尤其是流过模具圆角部位材料变形的模
拟，不仅接触摩擦最为严重，而且非线性问题最为突
出。单元的优劣及尺寸的影响、接触算法及摩擦模型的科学性、本构方程及硬化规律的合理性、有限元算
法的先进性等都将在这里受到严格的考验，一直是
板料成形数值模拟的重点和难点。因此，有必要对上述因素进行分析研究，寻求提高回弹模拟精度的方法。
（１）单元类型及积分方案的影响
单元类型是影响成形模拟精度的主要因素之一。Ｋ．Ｐ．Ｉｊ四等讨论了实体单元和壳体单元的选择，建议半径厚度比（尺＾）在５或６以上，选用壳单元；在５或６之下，选择实体单元。目前ＣＡＥ软件常用Ｍｉｎｄｌｉｎ板壳单元，如Ｂｅｌｙｔｓｃｈｋｏ—Ｔｓａｙ壳单元和Ｈｕｇｈｓ一“ｕ壳单元。
对于回弹模拟而言，成形过程中弯曲应力场的模拟至关重要。为了提高弯曲应力的模拟精度，一个有效的方法是适当地增加材料厚度方向的高斯积分点数。高斯积分点数越多，弯曲应力模拟得越精确。但Ｆ．Ｖａｌｅｎｔｅ和ＩｊＸ．Ｐ．指出．当高斯积分点数大于９以后，弯曲应力的模拟精度提高很小．相反会显著地增加ＣＰＵ计算时间。对于壳单元～般取７个高斯积分点为宜【４一。
（２）单元尺寸的影响
单元尺寸，尤其是处于模具圆角区域的板料单元尺寸对板料成形数值模拟精度有着直接的影响。
ｘ．Ｐ．［４１和Ｍａｔｔｉａｓｓｏ胛也发现，回弹计算值与单元尺
方数据蹴田
寸成反比关系，单元尺寸越小，计算的回弹量越大；反之，回弹量越小，甚至可能出现反向现象。当单元尺寸为模具圆角半径的１／２时，回弹结果与实验结果最为接近。Ｓ．ｗ．ｋｅ唧等认为圆角部分单元尺寸在
圆角半径的Ｏ．１５加．２倍比较合适，并指出，相对于接
触阻尼参数、罚参数或虚拟冲压速度等参数，单元尺寸对回弹的影响是最大的。
（３）本构方程的影响
板材成形过程中，当材料流过模具圆角时经历严重的弯曲和反弯曲变形，引起塑性加载和卸载现象。在这种情况下，反向加载软化的模拟精度就成为影响回弹模拟精度的主要因素之一。Ｍａｔｔｉａｓｓｏｎ等就等向强化和随动强化模型对回弹的影响进行了比较分析，结果表明，采用随动强化模型所获得的回弹结果更接近于实验值。ｘ．ｃ．“等（９１比较了采用双线性硬化模型和幂硬化模型时的回弹预测结果，结果表明幂硬化模型计算的回弹结果更准确一些。其次。如果仿真模型中出现反向加载情况时材料会出现包辛格
效应，需要采用混合硬化模型。Ｋ．Ｐ．Ｌｉ等嘴出，板料
出现反向加载情况，要采用考虑包辛格效应的模型，?如运动硬化模型、混合硬化模型等。Ｓ．Ｗ．【舶等嘲研究结果表明，采用运动硬化比各向同性硬化的回弹计算精度高。
（４）有限元算法的影响
目前模拟板料成形回弹的有限元算法有显式算法、隐式算法和显，隐式相结合的方法。Ｌｕｃ
Ｐａｐｅｒ－
ｌｅｕｘ［１啦用商业软件ＯＰｌＲＩＳ。采用显式算法比较了
三种不同材料（低碳钢、高强钢和铝合金）的回弹量，并对影响回弹量较大的三个因素（压边力、摩擦系数及时间积分算法）进行了分析。Ｃｈｕａｎｔａｏｗ锄ｇ【－－】在板料回弹预测、测量可靠性及补偿技术研究现状中指出，显／隐式相结合的方法是处理板料成形回弹问题的有效方法。
（５）屈服准则
１９４８年．ＨｉＵ仿照Ｍｉｓｅｓ屈服准则．提出了Ｈｉｌｌ’４８各向异性屈服准则。由于该屈服准则表达式简单，它的各向异性参数易于采用单向拉伸试验测
切分量，所以当主方向与各向异性主轴不重合时，不能表征一般的变形。１９８９年，Ｂａｒｌａｔ和Ｌｉａｎｏ?怩出了
能较好的描述板料面内各向异性的屈服准则。一般适用于平面应力状态。研究表明Ｂａｒｌａｔ’８９各向异性屈服准则能较为合理的描述各向异性较强板料的屈服行为。
此外，摩擦模型也对成形和回弹模拟精度有重要影响。目前，一般采用基于库仑摩擦模型计算摩擦力。为了计算的稳定性，将阶跃变化的摩擦力相对速度曲线修正为按一定规律连续变化的光顺曲线。关于摩擦力的模拟目前仍存在一定困难，进而限制了回弹模拟精度的提高。因此，有必要进行深入的理论和实验研究，寻求更为科学的描述方法。２．２来自回弹过程模拟的主要影响因素
（１）卸载路径对回弹模拟精度的影响
一般认为，在回弹模拟过程中，卸载路径的模拟
是关键。但Ａ．Ｐ．Ｋａｒａｆｉｌｌｉｓ和Ｍ．Ｃ．ＢｏｙｃｅＣ嘴出，对于
复杂零件的回弹，反向加载软化仅局限于非常狭窄的曲率半径很小的区域，如零件圆角处。因此，认为将回弹过程按弹性问题处理不会造成大的影响。许多研究结果表明【ｌ司，采用不同的变形路径分析回弹问题所得到的计算结果几乎完全一样。Ｍ．Ｊ．Ｆｉｎｎ等Ｍ以无模法为基础，忽略回弹的非线性，采用一步直接卸载法模拟了Ｕ型件、方形浅盒和汽车挡泥板的回弹，计算效率高，但该法仅适用于回弹量较小的情况。对于回弹量较大、非线性不可忽视的问题。还需采用迭代的方法进行模拟。
（２）刚度阵求解算法对回弹模拟精度的影响许多大的商用板料成形有限元模拟软件，如
ＰＡＭ一吼～ＭＰ等，在成形过程模拟阶段采用动态显
式有限元算法，而在回弹模拟阶段却采用静态隐式算法。采用静态隐式有限元方法模拟回弹，实质上是一种牺牲计算效率以保证计算精度的措施。为了提高回弹的计算效率，许多人致力于刚度阵求解的算法研究。ＰＣＧ算法【Ｉ习作为一种新的静态隐式有限元刚度阵的求解方法受到了有限元开发人员的欢迎。总之，目前较成功的回弹计算仍停留于较简单零件
方数据年代起，有限元分析方法开始应用于板料成形领域。２０世纪８０年代，回弹的有限元数值模拟研究大多集中在２Ｄ弯曲成形问题。进入２０世纪９０年代，随着３Ｄ成形数值模拟技术的不断完善，有学者开始对３Ｄ复杂成形件进行回弹数值模拟研究，如：为提高回弹计算的精度，需准确的描述板料的应力状态。对此Ｘｉａｔｌ９ｌ等采用混合实体，壳单元计算翻边过程的回弹，在翻边半径周围采用三维实体单元以改进应
力状态的计算精度。Ｓ０ｎｇ【卸噪用实体单元、壳单元及
无网格法计算直翻边过程的回弹量，结果表明实体单元和无网格方法的应力计算精度高于壳单元。近几年另一个研究重点是对影响回弹量主要因素的研
究及回弹控制研究。Ｍａ￡ｔｊ∞８彻ｆ２－盼析了不同的有限
元网格、不同的材料模型、动态效应等对Ｕ型件拉深回弹的影响，得到了一些对回弹量计算具有指导意义的结论。“ＧＹ阍将有限元分析和正交回归设计方法相结合，为回弹预测及控制提供了工程手段。Ｒｕｆｆｉｎｉ和Ｃ∞Ｉ韧将神经网络理论应用于槽型件的回
弹控制，将在线识别的冲头行程一冲压力曲线参数
作为人工神经网络的输入，以此来识别材料参数和工艺参数，输出控制压边力以减小回弹。ｗｕ和
量：啪ｆｉｌｌｉ妒．１等人研究了回弹量的模具补偿方法。其基
本思想是基于有限元仿真，通过迭代算法对模具形状进行不断修正，使得最后成形的零件在回弹后恰好满足设计形状要求。如果冲压成形和回弹模拟精度能够得到保证。这些回弹控制方法都能取得较满意的结果。
国内外学者在数值模拟技术的材料模型、求解算法、求解过程、单元技术等方面进行了大量的研究，也取得了一定的进展叫．。．１１．１２一。３．１材料模型方面的研究。
目前的板料冲压成形数值模拟软件（ＤＹ—
ＮＡＦＯＲＭ，ＬＳＤＹＮＡ，ＰＡＭＳＴＡＭＰ，ＡＵＴＯＦＯＲＭ等）一般采用弹塑性材料模型，它包括屈服准则的选取、塑性硬化规则的确定。
近年来，Ｂａｒｌａｔ等人提出了一系列更准确的反映板料面内各向异性的新屈服准则，如Ｂａｒｌａｔ’９１、Ｂａｒｌａｔ’９７和Ｂａｒｌａｔ’２００３，但由于这些屈服准则不仅表达式复杂，还需更多参数以及更多的试验来确定这些参数，因而没有得到广泛应用。目前，有限元软件中较为广泛应用的还是Ｈｉｌｌ’４８和Ｂ耳ｒｌａｔ’８９各向异性屈服准则。
Ｐｒａｇｅｒ’８线性随动强化理论无法描述平面应力
状态后继屈服面的移动。ｚｅｉＯｅｒ改进了Ｐｌ嘲ｅｒ’８线
性随动强化模型，该模型虽能描述任何应力状态，但
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毕业设计论文外文资料翻译系部专业姓名学号外文出处ThePofessionalEnglishofDesignManufactureforDiesMoulds附件1.外文资料翻译译文2.外文原文。指导教师评语签名年月日附件1外文资料翻译译文冲压模具设计对于汽车行业与电子行业，各种各样的板料零件都是有各种不同的成型工艺所生产出来的，这些均可以列入一般种类板料成形的范畴。板料成形（也称为冲压或压力成形）经常在厂区面积非常大的公司中进行。如果自己没有去这些大公司访问，没有站在巨大的机器旁，没有感受到地面的震颤，没有看巨大型的机器人的手臂吧零件从一个机器移动到另一个机器，那么厂区的范围与价值真是难以想象的。当然，一盘录像带或一部电视专题片不能反映出汽车冲压流水线的宏大规模。站在这样的流水线旁观看的另一个因素是观看大量的汽车板类零件被进行不同类型的板料成形加工。落料是简单的剪切完成的，然后进行不同类型的加工，诸如弯曲、拉深、拉延、切断、剪切等，每一种情况均要求特殊的、专门的模具。而且还有大量后续的加工工艺，在每一种情况下，均可以通过诸如拉深、拉延与弯曲等工艺不同的成形方法得到所希望的得到的形状。根据板料平面的各种各样的受应力状态的小板单元体所可以考虑到的变形情形描述三种成形，原理图1描述的是一个简单的从圆坯料拉深成一个圆柱水杯的成形过程。图1板料成形一个简单的水杯拉深是从凸缘型坯料考虑的，即通过模具上冲头的向下作用使材料被水平拉深。一个凸缘板料上的单元体在半径方向上被限定，而板厚保持几乎不变。板料成形的原理如图2所示。拉延通常是用来描述在板料平面上的两个互相垂直的方向被拉长的板料的单元体的变形原理的术语。拉延的一种特殊形式，可以在大多数成形加工中遇到，即平面张力拉延。在这种情况下，一个板料的单元体仅在一个方向上进行拉延，在拉长的方向上宽度没有发生变化，但是在厚度上有明确的变化，即变薄。图2板料成形原理弯曲时当板料经过冲模，即冲头半径加工成形时所观察到的变形原理，因此在定向的方向上受到改变，这种变形式一个平面张力拉长与收缩的典型实例。在一个压力机冲程中用于在一块板料上冲出一个或多个孔的一个完整的冲压模具可以归类即制造商标准化为一个单工序冲孔模具，如图3所示。图3典型的单工序冲孔模具1下模座2、5导套3凹模4导杆6弹压卸料板7凸模8托板9凸模护套10扇形块11固定板12凸模固定板13垫块15阶梯螺钉16上模座17模柄任何一个完整的冲压模具都是有一副（或多副的组合）用于冲制工作的（冲压）零件组成，包括所有的支撑件部分与模具的工作部分零件，即构成一副冲模。冲压（术语）通常将完整压制工具的凹模（母模）部分定义为模具。导杆，或导柱，是安装在下模座上的。上模座则安装有用于导杆滑动的导套，分别装有导套与导杆的上模座与下模座组合成为木架。模架有许多规格与结构设计用于商业销售。安装在上模座上的凸模固定装置固定两个凸模（模具中的突出部分），这两个圆形凸模则通过插入在卸料板上的导套进行导向。套筒，或凸模护套，是用来保护冲头，以免在冲压过程中被卡住。在冲穿工件材料后，两个冲头便进入到凹模一定距离。凹模（母模）部分，即凹模，通常是由插入模具体内的两个模具导套组成的。因为冲头的直径是被冲孔的直径所要求的，所以有一定间隙的凹模直径是大于冲头直径的。由于工件材料坯料或工件在冲制回程时与冲头附连在一起，所以把材料从冲头上剥离是必需的。弹压卸料板则保持冲头在冲制工件回程时缩回，使工件与工件剥离。一个冲制的工件通常是留在漏料槽内的，漏料槽是由包含整个零件外轮廓的平板组成。模座是由销钉支撑板以及其他的滑块下行程时定位的挡料块等定位的。弯曲时一种最常见的成形工序。当我们仅将目光移至汽车或电器上的部件，或一个剪纸机或档案柜上时，就会发现许多零件都是由弯曲成形的。弯曲不仅可以用来成形法兰、接头、波纹，也可以提高零件的强度（通过增加零件的惯性矩）。图4弯曲术语弯曲中所用的术语，如图4所示，应该注意的是，在弯曲中材料的外纤维是处于拉应力状态，而材料的内纤维则处于压应力状态。由于泊松比原因，在外部区域的零件（弯曲长度L）是小于原始宽度，处于内部区域的则比原始宽度大。这种现象可在弯曲一个矩形的橡胶板擦时容易观察到的。最小弯曲半径对于不同的金属是变化的。一般而言，各种退火的金属板在没有断裂或变弱的前提下，可以弯曲成一个等同金属板厚的半径。随着R/T比值的减少（弯曲半径对厚度的比值变小），外纤维的拉应力增加，材料最终断裂（参见图5）。图5泊松效应不同材料的最小弯曲半径参考表1，他通常是按照不同板厚来表示的，诸如2T，3T，4T等。表1在室温状态下各种材料的最小弯曲半径材料状态软硬铝合金06T钕青铜合金，钕合金04T黄铜，低铅02T镁5T13T钢奥氏体不锈钢0.5T6T低碳钢，低合金钢，高强度铅合金0.5T4T钛0.7T3T钛合金2.6T4T注T材料厚度。弯曲容许范围，是指弯曲中的中性线（层）的长度，用来确定弯曲零件的坯料长度。然而，中性线（层）的位置是哟弯曲角度（正如在材料力学课本中所描述）来决定的。弯曲容许范围（Lb）的近似的公式为LbαRkT式中Lb弯曲容许范围，毫米α弯曲角度（弧度），度T金属板厚，毫米R弯曲内层半径，毫米k当半径R＜2T时为0.33，当半径R＞2T时为0.50。弯曲方式通常用于冲压模具。金属钢板或带料，由V形支撑，参见图6（a）在楔形冲头的冲压力作用下进入V形模具内弹簧加载压花销和零件之间的摩擦将会防止或减少零件在弯曲期间的边缘滑移。棱边弯曲，参见图6（b）是悬臂横梁式加载方式，弯曲冲头对相对支撑的凹模上的金属施加弯曲力。弯曲轴线是与弯曲模具的棱边相平行的。在冲头接触工件之前，为了防止冲头向下行程的位移，工件则被一个弹性加载垫片加紧模具体上。图6弯曲方式弯曲力的大小是可以通过对一根矩形横梁的简单弯曲的工艺过程的确定来估算。在此情况下的弯曲力是材料强度的函数，此弯曲力的计算式为PKLST2/W式中P弯曲力，吨（对于米制使用单位，吨乘以8.896数值以得到千牛顿单位）K模具开启系数16倍材料厚度（16T）时的开启系数为1.20，8倍材料厚度（8T）时的开启系数为1.33L零件长度，英寸S极限张力强度，吨/平方英寸WV或U形模具的宽度，英寸T材料厚度，英寸。对于U形弯曲（槽形弯曲），弯曲力大约是V形弯曲所需要的弯曲压力的两倍，棱边弯曲则大约是V形弯曲所需要的弯曲压力的1/2。回弹。所有金属材料均有一个固定的弹性模量，随之而来的是塑性变形，当施加在材料上的弯曲力消除时就会有一些弹性恢复（见图7）。在弯曲过程中这种恢复称为回弹。一般而言，这样的回弹在0.5°～5°之间变化，取决于固定的弹性模量、弯曲方式、模具间隙等。磷青铜的回弹则在10°～15°之间。图7弯曲中的回弹减少或消除在弯曲工序中回弹方法可以根据下列工艺方法进行，如图8所示，在弯曲模具中产生的零件也可以通过等同回弹角度弯曲模上挖凹模或弹性缓冲式弯曲模而被过度弯曲来减少或消除回弹。图8减少或消除回弹的方法从应用角度来说，有许多类型的压力机，诸如闭式双点偏心轴单动机械压力机，冲压成形机，液压成形压力机，液压机，弯板机，三动式压力机，冲模回转压力机，双点压力机，双边齿轮驱动压力机，双点单动压力机，台式压力机，切边压力机，闭式单动（曲柄）压力机，肘杆式压力机，单点单动压力机，开式双柱可倾压力机，开式压力机，四点式压力机，四曲柄压力机，飞轮式螺旋压力机，摩擦传动螺旋压力机，闭式双点单动双曲柄压力机，摇臂式压力机螺旋式压力机和上传动板料冲压自动压力机等。双动式压力机是用于钣金零件的拉深加工。此种类型的压力机有一个外滑块（压边圈），并且有一个切断的内滑块（冲头夹紧器）。在加工工作循环期间，压边圈首先与零件接触，然后施加压力使冲头夹紧器进行适当零件拉深（见图9）。图9典型通用压力机三动式压力机具有和双动式压力机相同的内、外滑块。另外，三动式压力机床身还有另一个滑块，它可向上运动，从而在一个冲压循环中实现反向拉伸。三动式压力机应用不是很广泛。肘杆式压力机是用于压印加工。这装置的设计是在冲压行程的末端以很高压力。此种压力机利用一个曲柄（曲柄带动违节运动，连节是由两个在上死点到下死点之间进行摆动的连杆组成，连杆摆动时间很短）．在临近冲程底部时慢速移动的滑块具有功率很大的短距离位移。液压机主要是用于成形加工工序中，相比大多散机械式压力机，它有一个比较长的工作周期。液压机的优点足工作压力、冲程和滑块的速度均是可调的（见图10）。图10典型液压机液压机属于压力限定型的成形机械，液压机的主要用途体现在沿滑块路径外力是必须保持恒定或处于精确摊制锋成形技术领域中。活塞与液压缸的驱动机构是用线性方式实现的，并且直接．连接到滑块。液压机框架结构的形式是非常类似于机械式力机。液压驱动装置易于安装在机械框架结构中。因此几种液压机驱动很容易就被制成复杂成形与切断加工（拉深、挤压、切断、模锻等）的单一机械，并且所要求的运动可以容易地定位，弯扳机除了它的长床身之外基本是与开式压力机棚同的，床身长度可为6～20英尺1.8～6米或更长，它基本上是用在尺寸大的钣金零件上的各种类型的弯曲加工成形，它也可以使用不同整套的刀具分别进行浅冲孔、切口与成形（见图11）。这就可以使零件仅通过把复杂的零件分成几个简单的加工工序实现由复杂设计到精确制造的过程，且没有使用昂贵的冲制刀具。此种类型加工工序用于小批量生产或试样零件。图11典型弯板机使用带有简单央具的弯扳机可以容易地对钣金进行弯曲。弯板机使用一个用在机械或液压饥上的长模具，适用于小批量生产。模具简单，适于各种类型的成形加工，而且，加工工序很容易实现自动化。弯板机的模具材料可以是硬木（用于低强度材料与小批量生产），也可以是硬质合金材料。大多数应用中，一般是使用碳钢或灰铸铁材料模具。附件2外文原文StampingDieDesignThewidevarietyofsheetmetalpartsforboththeautomobileandelectronicindustriesisproducedbynumerousformingprocessesthatfallintothegenericcategoryofsheetmetalforming.Sheetmetalformingalsocalledstampingorpressingisoftencarriedoutinlargefacilitieshundredsofyardslong.Itishardtoimaginethescopeandcostofthesefacilitieswithoutvisitinganautomobilefactory,standingnexttothegiganticmachines,feelingthefloorvibrate,andwatchingheavydutyroboticmanipulatorsmovethepartsfromonemachinetoanother.Certainly,avideotapeortelevisionspecialcannotconveythescaleoftodaysautomobilestampinglines.Anotherfactorthatoneseesstandingnexttosuchlinesisthenumberofdifferentsheetformingoperationsthatautomobilepanelsgothrough.Blanksarecreatedbysimpleshearing,butfromthenonawidevarietyofbending,drawing,stretching,cropping,andtrimmingtakesplace,eachrequiringaspecial,custommadedie.Despitethiswidevarietyofsubprocesses,ineachcasethedesiredshapesareachievedbythemodesofdeformationknownasdrawing,stretching,andbending.Thethreemodescanbeillustratedbyconsideringthedeformationofsmallsheetelementssubjectedtovariousstatesofstressintheplaneofthesheet.Figure1considersasimpleformingprocessinwhichacylindricalcupisproducedfromacircularblank.Figure1SheetformingasimplecupDrawingisobservedintheblankflangeasitisbeingdrawnhorizontallythroughthediebythedownwardactionofthepunch.Asheetelementintheflangeismadetoelongateintheradialdirectionandcontractinthecircumferentialdirection,thesheetthicknessremainingapproximatelyconstantModesofsheetformingareshowninFigure2.Figure2ModesofsheetformingStretchingisthetermusuallyusedtodescribethedeformationinwhichanelementofsheetmaterialismadetoelongateintwoperpendiculardirectionsinthesheetplane.Aspecialformofstretching,whichisencounteredinmostformingoperations,isplanestrainstretching.Inthiscase,asheetelementismadetostretchinonedirectiononly,withnochangeindimensioninthedirectionnormaltothedirectionofelongationbutadefinitechangeinthickness,thatis,thinning.Bendingisthemodeofdeformationobservedwhenthesheetmaterialismadetogooveradieorpunchradius,thussufferingachangeinorientation.ThedeformationisanexampleofplanestrainelongationandcontractionAcompletepresstoolforcuttingaholeormultiholesinsheetmaterialatonestrokeofthepressasclassifiedandstandardizedbyalargemanufacturerasasinglestationpiercingdieisshowninFigure3.Anycompletepresstool,consistingofapairoracombinationofparsofmatingmemberforproducingpressworkedstmped）parts,includingallsupportingandactuatingelementsofthetool,isadie.Pressworkingterminologycommonlydefinesthefemalepartofanycompletepresstoolasadie.Theguidepins,orposts,aremountedinthelowershoe.Theuppershoecontainsbushingswhichslideontheguidepins.Theassemblyoftheloweranduppershoeswithguidepinsandbushingsisadieset.Diesetsinmanysizesanddesignsarecommerciallyavailable.TheguidepinsareshowninFigure3.Figure3Typicalsinglestationdieforpiercinghole1Lowershoe2,5Guidebushings3Cavityplate4Guidpin6Springloadedstripper7Punch8Supportplate9Punchbushing10Fanshapedblock11Fixedplate12Punchholderplate13Backingplate14Spring15Steppingbolts16Uppershoe17ShankApunchholdermountedtotheuppershoeholdstworoundpunchesmalemembersofthediewhichareguidedbybushingsinsertedinthestripper.Asleeve,orquill,enclosesonepunchtopreventitsbucklingunderpressurefromtheramofthepress.Afterpenetrationoftheworkmaterial,thetwopunchesenterthediebushingsforaslightdistance.Thefemalemember,ordie,consistsoftwodiebushingsinsertedinthedieblock.Sincethispresstoolpunchesholestothediametersrequired,thediametersofthediebushingsarelargerthanthoseofthepunchesbytheamountofclearance.Sincetheworkmaterialstockorworkpiececanclingtoapunchontheupstroke,itmaybenecessarytostripthematerialfromthepunch.Springloadedstrippersholdtheworkmaterialagainstthedieblockuntilthepunchesarewithdrawnfromthepunchedholes.AworkpiecetobepiercediscommonlyheldandlocatedinanestFigure23composedofflatplatesshapedtoencircletheoutsidepartcontours.Stockispositionedindiesbypins,blocks,orothertypesofstopsforlocatingbeforethedownstrokeoftheram.Bendingisoneofthemostcommonformingoperations.Wemerelyhavetolookatthecomponentsinanautomobileoranapplianceoratapapercliporafilecabinettoappreciatehowmanypartsareshapedbybending.Bendingisusednotonlytoformflanges,seams,andcorrugationsbutalsotoimpartstiffnesstothepartbyincreasingitsmomentofinertia.TheterminologyusedinbendingisshowninFigure4.Notethat,inbending,theouterfibersofthematerialareintension,whiletheinnerfibersareincompression.BecauseofthePoissonsratio,thewidthofthepartbendlength,Lintheouterregionissmaller,andintheinnerregionislargerthantheoriginalwidth.Thisphenomenonmayeasilybeobservedbybendingarectangularrubbereraser.Minimumbendradiivaryfordifferentmetals,generally,differentannealedmetalscanbebenttoaradiusequaltothethicknessofthemetalwithoutcrackingorweakening.AsR/Tdecreasestheratioofthebendradiustothethicknessbecomessmaller,thetensilestrainattheouterfiberincreases,andthematerialeventuallycracksFigure5.Figure4BendingterminologyFigure5PoissoneffectTheminimumbendradiusforvariousmaterialsisgiveninTable1anditisusuallyexpressedintermsofthethickness.suchas2T,3T,4T.Table1MinimumbendradiusforvariousmaterialsatroomtemperatureMaterialConditionSoftHardAluminumalloys06TBerylliumcopper04TBrass,lowleaded02TMagnesium5T13TSteelsAusteniticstanless0.5T6TLowcarbon,lowalloy,HSLA0.5T4TTitanium0.7T3TTitaniumalloys2.6T4TNoteTthicknessofmaterialBendallowanceasshowninFigure4isthelengthoftheneutralaxisinthebendandisusedtodeterminetheblanklengthforabentpart.However,thepositionoftheneutralaxisdependsontheradiusandangleofbendasdescribedintextsonmechanicsofmaterials.Anapproximateformulaforthebendallowance,LbisgivenbyLbαR十kTWhereLbbendallowance,inmm.αbendangle,radiansdeg.Tsheetthickness,inmm.Rinsideradiusofbend,inmm.k0.33whenRislessthan2Tand0.50whenJRismorethan2T.Bendmethodsarccommonlyusedinpresstool.Metalsheetorstrip,supportedbyVbockFigure6a,isforcedbyawedgeshapedpunchintotheblock.Thismethod,termedVbending,producesabendhavinganincludedanglewhichmaybeacute,obtuse,or90°.Frictionbetweenaspringloadedknurledpinintheveedieandthepartwillpreventorreducesidecreepofthepartduringitsbending.EdgebendingFigure6biscantileverloadingofabeam.Thebendingpunchforcesthemetalagainstthesupportingdie.Thebendaxisisparalleltotheedgeofthedie.Theworkpieceisclampedtothedieblockbyaspringloadedpadbeforethepunchcontactstheworkpiecetopreventitsmovementduringdownwardtravelofthepunch.Figure6BendingmethodsBendingForcecanbeestimatedbyassumingtheprocessofsimplebendingofarectangularbeam.Thebendingforceinthatcaseisafunctionofthestrengthofthematerial.ThecalculationofbendingforceisasfollowsPKLST2/WWherePbendingforce,tonsformetricusage,multiplynumberoftonsby8.896toobtainkilonewtons.Kdieopeningfactor1.20foradieopeningof16timesmetalthickness,1.33foranopeningof8timesmetalthickness.Llengthofpart,in.Sultimatetensilestrength,tonspersquarein.WwidthofVorUdie,in.Tmetalthickness,in.ForUbendingchannelbendingpressureswillbeapproximatelytwicethoserequiredforVbending,edgebendingrequiresaboutonehalfthoseneededforVbending.Springbackinthatallmaterialshaveafinitemodulusofelasticity,plasticdeformationisfollowed,whenbendingpressureonmetalisremoved,bysomeelasticrecoveryseeFigure7.Inbending,thisrecoveryiscalledspringback.Generallyspeaking,suchaspringbackvariesinsheetfrom0.5°to5°,dependinguponfinitemodulusofelasticity,modesofbending,clearanceofdieandsoon,butphosphorbronzemayspringbackfrom10°to15°.Figure7SpringbackduringbendingMethodsofreducingoreliminatingspringbackinbendingoperationscanbemadeaccordingtothefollowingoperations,showninFigure8,andpartsproducedinbendingdiearealsooverbentthroughanangleequaltothespringbackanglewithanundercutorrelievedpunch.Figure8MethodsofreducingoreliminatingspringbackFortheapplications,therearemanytypesofthepresses,suchasthesingleactionstraightslideeccentricmechanicalpress,punchpress,hydroformerpress,hydraulicpress,pressbrake,tripleactionpress,turretpress,twopointpress,twindrivepress,twopointsingleactionpress,watchpress,trimmingpress,closedtypesingleactioncrankpress,knuckleleverpress,onepointsingleactionpress,openbackinclinablepress,opensidepress,fourpointpress,fourcrankpress,flywheeltypescrewpress,frictionscrewpress,straightsidesingleactiondoublecrankpress,rockerarmpress,screwpressandtopdrivesheetmetalstampingautomaticpressandsoon.Adoubleactionpressisusedforlarge,ordeepdrawingoperationsonsheetmetalparts.Thistypeofpresshasanouterramblankholderandasectioninnerrampunchholder.Duringtheoperatingcycle,theblankholdercontactsthematerialfirstandappliespressuretoallowthepunchholdertoproperlydrawthepartFigure9.Figure9TypicalversatilepressAtripleactionpresshasthesameinnerandouterramasthedoubleactionpress,butathirdraminthepressbedmovesupallowingareversedrawtobemadeinonepresscycle.Thetripleactionpressisnotwidelyused.Aknucklepressisusedforcoiningoperation.Thedesignofthedriveallowsforveryhighpressuresatthebottomoftheramstroke.Thistypeusesacrank,whichmovesajointconsistingoftwoleversthatoscillatetoandfromdeadcenterandresultsinashort,powerfulmovementoftheslidewithslowtravelnearthebottomofthestroke.Ahydraulicpressisusedbasicallyforformingoperationsandhasasloweroperatingcycletimethanmostmechanicalpresses.Theadvantagesofhydraulicpressesarethattheworkingpressurestroke,andspeedoftheramareadjustableFigure10.Hydraulicpressesbelongtotheforceconstrainedtypeofformingmachines.Theirmainuseisfoundinthoseareasofformingtechnologywheretheforcealongthepathoftherammustremainconstantorunderaccuratecontrol.Thedrivemechanismofpistonandcylinderactsinalinearmannerandisdirectlyconnectedtotheram.Theformofframeconstructionofhydraulicpressesislargelysimilartothatofmechanicalpresses.Thehydraulicdriveunitsareeasilyaccommodatedinthemachineframe.Consequently,severalhydraulicdrivescanreadilybebuiltintoasinglemachineforcomplicatedformingandcuttingoperationsdrawing,extruding,cutting,swaging,etc.,andtherequiredmotionsmaybeeasilycoordinated.Apressbrakeisessentiallysameasagapframepressexceptforitslongbedfrom6to20feet1.8～6mormore.Itisusedbasicallyforvariousbendingoperationsonlargesheetmetalparts.Itcanalsobeusedwithaseriesofseparatesetsofpresstoolstodolightpiercing,notching,andformingFigure11.Thisallowspartsofacomplexdesigntobeaccuratelymadewithoutahighcostpresstoolbysimplybreakingthecomplexpartdownintoseveralsimpleoperations.Thistypeofoperationisusedonlowrunorprototypeparts.Figure10typicalhydraulicpressFigure11TypicalpressbrakeSheetmetalcanbebenteasilywithsimplefixturesusingapressbrake.Thispressbrakeutilizeslongdiesinamechanicalorhydraulicpressandissuitableforsmallproductionruns.Thetoolingissimple,anditisadaptabletoawidevarietyofshapes,furthermore,theprocesscanbeeasilyautomated.Diematerialsforpressbrakesmayrangefromhardwoodforlowstrengthmaterialsandsmallproductionrunstocarbides.Formostapplications,carbonsteelorgrayirondiesaregenerallyused.
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