第四讲：板料成形技术

1、板料精密成形工艺及理论板料精密成形工艺及理论 魏青松魏青松 副教授副教授 博士生导师博士生导师联系电话：87558155Email:wqs_（）精冲工艺的类型及其发展（）精冲工艺的类型及其发展相对于普通冲裁而言，精密冲裁就是采用各种不同的冲相对于普通冲裁而言，精密冲裁就是采用各种不同的冲裁方法，直接用板料冲制出尺寸和形状精度高、冲切面平整、裁方法，直接用板料冲制出尺寸和形状精度高、冲切面平整、光洁的精密冲裁件。从最早的冲裁件修边（也称整修）到现光洁的精密冲裁件。从最早的冲裁件修边（也称整修）到现在推广用于生产的强力齿圈压板精冲以及在推广用于生产的强力齿圈压板精冲以及P117P117表表所列的各

2、种所列的各种精冲方法，其共同目的，都是要获取冲切面平整光洁、尺寸精冲方法，其共同目的，都是要获取冲切面平整光洁、尺寸与形状精度高的平板冲裁件。与形状精度高的平板冲裁件。已开发研试的各种精冲方法已开发研试的各种精冲方法已开发研试的各种精冲方法（续）已开发研试的各种精冲方法（续）精冲技术的发展历史精冲技术的发展历史nFritz Schiess Fritz Schiess 于于1919 1919 年开始研究，至年开始研究，至19231923年年3 3月月9 9日由德国专利局日由德国专利局批准了他申请的批准了他申请的金属零件的液压冲裁与冲压装置金属零件的液压冲裁与冲压装置技术专利。技术专利。n1924

3、 1924 年年 Fritz Schiess Fritz Schiess 在德国建立了精冲模制造车间并于在德国建立了精冲模制造车间并于19251925年生年生产出第一个精冲件。产出第一个精冲件。n此后到此后到 19501950年，该技术一直秘密地用于钟表制造业。年，该技术一直秘密地用于钟表制造业。19521952年瑞士年瑞士出现了第一个研究与开发精冲技术的专业公司，即出现了第一个研究与开发精冲技术的专业公司，即Heinrich Schmid Heinrich Schmid 公司，该公司首先设计并制造出轴杆传动机械式三动精冲压力机。公司，该公司首先设计并制造出轴杆传动机械式三动精冲压力机。n19

4、56 1956 年该公司制造了第一台全液压三动精冲压力机。年该公司制造了第一台全液压三动精冲压力机。n19571957年该项技术从秘密走向公开，瑞士又相继成立了几个精冲专业年该项技术从秘密走向公开，瑞士又相继成立了几个精冲专业公司，为强力齿圈压板精冲技术在公司，为强力齿圈压板精冲技术在 1958 1958 年以后的推广及发展注入了年以后的推广及发展注入了新活力，该技术很快推广到法国、意大利、英国与美国。新活力，该技术很快推广到法国、意大利、英国与美国。精冲技术的发展历史精冲技术的发展历史n19601960年后，开发生产出全液压三动专用精冲压力机并投年后，开发生产出全液压三动专用精冲压力机并投放

5、国际市场。放国际市场。n日本从日本从19601960年开始开发精冲技术，年开始开发精冲技术，19621962年在生产中得到年在生产中得到应用。应用。n19621962年第一次发表精冲理论，年第一次发表精冲理论，19631963年中国翻译在年中国翻译在机械机械译丛译丛杂志上发表。杂志上发表。n19651965年中国原机械科学研究院机电研究所、西安交通大年中国原机械科学研究院机电研究所、西安交通大学与西安仪表厂合作研制和开发精冲技术，同年投入生产。学与西安仪表厂合作研制和开发精冲技术，同年投入生产。精冲技术的发展历史精冲技术的发展历史n19651965年西安仪表厂从瑞士引进一台年西安仪表厂从瑞士引

6、进一台800kN800kN轴杆式三动精轴杆式三动精冲机，生产仪表零件。冲机，生产仪表零件。n日本于日本于19641964年引进瑞士的技术专利制造精冲机，年引进瑞士的技术专利制造精冲机，19661966年年制出制出500kN500kN卧式精冲机，卧式精冲机，19671967年又制出年又制出4000kN4000kN、8000kN8000kN全液压精冲机。全液压精冲机。n中国于中国于19661966年后停滞了年后停滞了1010年。年。n1960-19701960-1970年，精冲件生产已扩展到办公机械、照相机、年，精冲件生产已扩展到办公机械、照相机、缝纫机、计算机、通讯仪器、电气开关、收音机等；同时

7、，缝纫机、计算机、通讯仪器、电气开关、收音机等；同时，进入汽车、摩托车、拖拉机、起重运输机械、纺织机械和进入汽车、摩托车、拖拉机、起重运输机械、纺织机械和自行车等零件的制造行业。自行车等零件的制造行业。精冲技术的发展历史精冲技术的发展历史n19711971年后，瑞士精冲公司发展迅猛。年后，瑞士精冲公司发展迅猛。n19681968年，日本发明了对向凹模精冲技术，并于年，日本发明了对向凹模精冲技术，并于19731973年开年开始在生产中应用。始在生产中应用。n19761976年，中国于瑞士开始技术交流，翻译年，中国于瑞士开始技术交流，翻译使用精冲手使用精冲手册册。n19761976年后，武汉年后，

8、武汉733733厂在开式双柱固定台压力机上安装厂在开式双柱固定台压力机上安装液压装置，精冲电传打字机零件成功。液压装置，精冲电传打字机零件成功。n19771977年，原一机部北京机电所设计的精冲液压模架在天年，原一机部北京机电所设计的精冲液压模架在天津第三开关厂投入使用。津第三开关厂投入使用。n19781978年，哈尔滨锻压机床厂研制出年，哈尔滨锻压机床厂研制出250kN250kN，内江锻压机，内江锻压机床厂研制出床厂研制出1000kN1000kN全液压三动精冲压力机。全液压三动精冲压力机。精冲技术的发展历史精冲技术的发展历史n19811981年中国研制出年中国研制出6300kN6300kN精

9、冲压力机，国际最先进达精冲压力机，国际最先进达到到25000kN25000kN。n19851985年后，强力齿圈压板精冲技术更加完善，工艺技术年后，强力齿圈压板精冲技术更加完善，工艺技术上升到一个新的高度。上升到一个新的高度。 精冲件最大外廓尺寸：精冲件最大外廓尺寸：800mm800mm 精冲件最大料厚精冲件最大料厚t tmaxmax：铝板铝板t tmaxmax =25mm =25mm 钢板钢板t tmaxmax =16mm( =16mm(b b500MPa)500MPa) t tmaxmax =20mm( =20mm(b b420MPa)420MPa)精冲技术的发展前景精冲技术的发展前景p精

10、冲材料方面的发展精冲材料方面的发展p钢板精冲取决于其机械性能、化学成分、金相组织及外观质量。钢板精冲取决于其机械性能、化学成分、金相组织及外观质量。对钢而言，屈强比对钢而言，屈强比 s s/b b60%60%，延伸率尽可能高，球化退化后，延伸率尽可能高，球化退化后 b b500MPa500MPa是其可否精冲的基本条件。为了突破上述极限，精是其可否精冲的基本条件。为了突破上述极限，精冲高强度厚钢板，开发精冲性能好的高强度微量合金细晶粒钢获冲高强度厚钢板，开发精冲性能好的高强度微量合金细晶粒钢获得突破。得突破。p由于高强度微量合金细晶粒钢良好的使用性能，愈来愈多地用于由于高强度微量合金细晶粒钢良好

11、的使用性能，愈来愈多地用于精冲件生产。原材料的初始强度及其在精冲过程中的冷作硬化可精冲件生产。原材料的初始强度及其在精冲过程中的冷作硬化可获得冲切面硬度很高的精冲件，而且冲切面无裂纹与其它缺陷。获得冲切面硬度很高的精冲件，而且冲切面无裂纹与其它缺陷。p精冲零件结构工艺性及其扩展精冲零件结构工艺性及其扩展p精冲早已不限于平板零件的冲裁，已向各种立体成形零件延伸。精冲早已不限于平板零件的冲裁，已向各种立体成形零件延伸。包括：弯曲、拉伸、翻边、压形、冷挤、沉孔等精冲工艺。精冲包括：弯曲、拉伸、翻边、压形、冷挤、沉孔等精冲工艺。精冲已从纯冲裁进入板料冲压的所有工艺作业。因此，称为精密冲压已从纯冲裁进入

12、板料冲压的所有工艺作业。因此，称为精密冲压更确切。更确切。p精冲料厚的范围已达到精冲料厚的范围已达到0.5-25mm0.5-25mm，精冲材料强度，精冲材料强度 b b已突破已突破 600MPa600MPa而达到而达到900MPa 900MPa ；p精冲件结构尺寸的限制也随模具的高强度、高韧性、高耐磨材料精冲件结构尺寸的限制也随模具的高强度、高韧性、高耐磨材料的应用不断突破。的应用不断突破。精冲技术的发展前景精冲技术的发展前景p精冲模具的发展精冲模具的发展p精冲模向精冲模向“高精度、高效率、高寿命高精度、高效率、高寿命” ” 及大型化方向发展，促及大型化方向发展，促进了精冲工艺应用的普及和扩展

13、。进了精冲工艺应用的普及和扩展。精冲技术的发展前景精冲技术的发展前景p精冲设备及其自动化精冲设备及其自动化p精冲设备是指一个完整的精冲设备是指一个完整的精冲机组精冲机组，包括：开卷机、校平机（或，包括：开卷机、校平机（或随机校平装置）、送料装置、自动润滑系统、主机、自动检测系随机校平装置）、送料装置、自动润滑系统、主机、自动检测系统、主机与模具保险系统、出件装置、废料切断及卸料系统、成统、主机与模具保险系统、出件装置、废料切断及卸料系统、成品冲件分选及输送系统、自动去毛刺装置以及故障与事故报警系品冲件分选及输送系统、自动去毛刺装置以及故障与事故报警系统、噪声防护装置、人身安全保护系统等等。统、

14、噪声防护装置、人身安全保护系统等等。1.1.用计算机辅助精冲机组以用计算机辅助精冲机组以自动控制精冲过程自动控制精冲过程，实现全部工艺过程，实现全部工艺过程由计算机控制，实现全自动化生产。上述全过程通过摄录像并在由计算机控制，实现全自动化生产。上述全过程通过摄录像并在操作间或调度指挥室计算机荧屏上显示出来。无论哪个环节违规操作间或调度指挥室计算机荧屏上显示出来。无论哪个环节违规动作，计算机都会捕追到第一手信息传送给指挥机以便及时纠正。动作，计算机都会捕追到第一手信息传送给指挥机以便及时纠正。精冲技术的发展前景精冲技术的发展前景（2）液压成形技术）液压成形技术（）管材液压成形（）管材液压成形（）

15、液压胀球（）液压胀球（）板材液压成形（）板材液压成形管材液压成形管材液压成形p管材液压成形起源于管材液压成形起源于1919世纪末，当时主要用于管件的弯世纪末，当时主要用于管件的弯曲。曲。p由于相关技术的限制，在以后相当长一段时间内，管材液由于相关技术的限制，在以后相当长一段时间内，管材液压成形只局限于实验室研究阶段，在工业上并未得到广泛压成形只局限于实验室研究阶段，在工业上并未得到广泛应用。应用。p但随着计算机控制技术的发展和高液压技术的出现，管材但随着计算机控制技术的发展和高液压技术的出现，管材液压成形开始得到大力发展。上世纪液压成形开始得到大力发展。上世纪9090年代年代, ,伴随着汽车伴

16、随着汽车工业的发展以及对汽车轻量化、高质量和环保的要求，管工业的发展以及对汽车轻量化、高质量和环保的要求，管材液压成形受到人们重视，并得到广泛应用。材液压成形受到人们重视，并得到广泛应用。 管材液压成形的原理管材液压成形的原理p首先，将原料首先，将原料( (直管或预先弯曲钢管直管或预先弯曲钢管) )放入底模，然后管件两端的冲头放入底模，然后管件两端的冲头在液压缸的作用下压入，将管件内部密闭，冲头内有液体通道，液体在液压缸的作用下压入，将管件内部密闭，冲头内有液体通道，液体不断流入管件；此时，上模向下移动与下模共同形成封闭的模腔；最不断流入管件；此时，上模向下移动与下模共同形成封闭的模腔；最后，

17、高压泵与阀门控制液体压力不断增大，冲头向内推动管件后，高压泵与阀门控制液体压力不断增大，冲头向内推动管件, ,管壁管壁逐渐贴近模具变形逐渐贴近模具变形, ,最终得到所需形状的产品。最终得到所需形状的产品。p如果零件较为复杂，还需在成形前进行预成形如果零件较为复杂，还需在成形前进行预成形将管坯弯曲或冲压将管坯弯曲或冲压成与最终零件较为近似的形状，接下来退火以消除预成形所带来的残成与最终零件较为近似的形状，接下来退火以消除预成形所带来的残余应力；在管坯最终成形后，还需要进行一些后处理，如切除废料或余应力；在管坯最终成形后，还需要进行一些后处理，如切除废料或表面处理等。表面处理等。 管材液压成形的关

18、键问题管材液压成形的关键问题p管材液压成形的关键问题是怎样控制材料的流动，以保证管材液压成形的关键问题是怎样控制材料的流动，以保证得到合格的零件，这主要取决于液体压力的控制。得到合格的零件，这主要取决于液体压力的控制。p如果有轴向加载，还同轴向加载大小以及两者之间的匹配如果有轴向加载，还同轴向加载大小以及两者之间的匹配关系有关。关系有关。p成形中常见的缺陷主要是折曲起皱和破裂，需优化加载策成形中常见的缺陷主要是折曲起皱和破裂，需优化加载策略，计算机对液体压力和轴向推力进行精确控制，从而加略，计算机对液体压力和轴向推力进行精确控制，从而加工出合格的零件。工出合格的零件。p除此之外，影响成形还有润

19、滑条件、工件和模具材料性能除此之外，影响成形还有润滑条件、工件和模具材料性能以及表面质量等。提高工件和模具的表面质量，加上良好以及表面质量等。提高工件和模具的表面质量，加上良好的润滑条件可以减小材料流动的摩擦力，有助于成形。的润滑条件可以减小材料流动的摩擦力，有助于成形。 管材液压成形的应用管材液压成形的应用 宝马汽车后桥宝马汽车后桥 管材液压成形的应用管材液压成形的应用 宝马汽车的排气系统零件液压胀球液压胀球p液压胀球技术为哈尔滨工业大学王仲仁教授首创，此技术液压胀球技术为哈尔滨工业大学王仲仁教授首创，此技术产生于上世纪产生于上世纪8080年代，曾先后获得省科技进步一等奖及年代，曾先后获得省

20、科技进步一等奖及国家发明奖。同时，在第国家发明奖。同时，在第1818届北美加工研究会上，液压届北美加工研究会上，液压胀球被列为五项新成果之首。胀球被列为五项新成果之首。p相对于传统的球形容器加工工艺，此技术具有缩短生产周相对于传统的球形容器加工工艺，此技术具有缩短生产周期，降低生产成本，提高成形质量等优点。且利用此技术期，降低生产成本，提高成形质量等优点。且利用此技术不要大型压力机和模具。不要大型压力机和模具。 因此，此技术已逐渐成为制造球形容器的主流技术。因此，此技术已逐渐成为制造球形容器的主流技术。 液压胀球的基本原理液压胀球的基本原理p其基本原理是用单曲率壳体或板料，经过焊接后组装成一其

21、基本原理是用单曲率壳体或板料，经过焊接后组装成一个封闭的多面壳体或单曲率壳体；在壳体中充入传压介质，个封闭的多面壳体或单曲率壳体；在壳体中充入传压介质，使之发生塑性变形并逐步胀形成为球形容器。使之发生塑性变形并逐步胀形成为球形容器。p理论依据：（理论依据：（1 1）力学上的趋球原理，即曲率半径不同的）力学上的趋球原理，即曲率半径不同的壳体在趋球弯矩的作用下将逐渐趋于一致；（壳体在趋球弯矩的作用下将逐渐趋于一致；（2 2）金属材）金属材料存在塑性变形的自动调节能力，当某一区域的变形过为料存在塑性变形的自动调节能力，当某一区域的变形过为集中，则该区域将发生变形强化，塑性变形转移至它处。集中，则该区

22、域将发生变形强化，塑性变形转移至它处。液压胀球的主要工序液压胀球的主要工序a.下料下料b.弯曲弯曲c.组装焊接组装焊接d.液压胀形液压胀形液压胀球成形两个关键点液压胀球成形两个关键点p传压介质的加载：包括液压泵的流量、加载速度以及保压传压介质的加载：包括液压泵的流量、加载速度以及保压时间。一般来说，在成形初期可使用大流量和大的加载速时间。一般来说，在成形初期可使用大流量和大的加载速度；但在成形末期，必须降低流量和加载速度。在成形过度；但在成形末期，必须降低流量和加载速度。在成形过程中，当压力达到适当的值时，还须保持一段时间，利于程中，当压力达到适当的值时，还须保持一段时间，利于球壳成形。球壳成

23、形。p焊接质量：决定着成形的成功与否。焊接质量不好会造成焊接质量：决定着成形的成功与否。焊接质量不好会造成成形过程中焊接处开裂。因此在成形前需对焊接处进行表成形过程中焊接处开裂。因此在成形前需对焊接处进行表面探伤，一旦发现焊接处有裂纹，需及时修补。面探伤，一旦发现焊接处有裂纹，需及时修补。液压胀球技术的优点液压胀球技术的优点液压胀球的应用液压胀球的应用建筑液压胀球的应用液压胀球的应用液压胀球的应用液压胀球的应用液压胀球的应用液压胀球的应用液压胀球的应用液压胀球的应用液压胀球的应用液压胀球的应用液压胀球的应用液压胀球的应用容器液压胀球的应用液压胀球的应用板材液压成形板材液压成形p板材液压成形则是

24、从管件液压成形推广而来。板材液压成形则是从管件液压成形推广而来。p美国、德国和日本相继于上世纪五、六十年代开发出了橡美国、德国和日本相继于上世纪五、六十年代开发出了橡皮囊液压成形技术。但由于橡皮囊易损坏需经常更换，皮囊液压成形技术。但由于橡皮囊易损坏需经常更换， 并且成形时需很高压力以消除法兰部位的起皱，在实际生并且成形时需很高压力以消除法兰部位的起皱，在实际生产中并没有得到广泛应用。产中并没有得到广泛应用。p后来日本学者对此进行了改进，去除了橡皮囊，开发出对后来日本学者对此进行了改进，去除了橡皮囊，开发出对向液压拉深技术。向液压拉深技术。板材液压成形的原理板材液压成形的原理 在板材液压成形中

25、，应用最为广在板材液压成形中，应用最为广泛、也最为成熟的是对向液压拉泛、也最为成熟的是对向液压拉深技术。将板料放置于凹模上，深技术。将板料放置于凹模上，压边圈压紧板料压边圈压紧板料, ,使凹模型腔形成使凹模型腔形成密封状态。当凸模下行进入型腔密封状态。当凸模下行进入型腔时，型腔内的液体由于受到压缩时，型腔内的液体由于受到压缩而产生高压，最终使毛坯紧紧贴而产生高压，最终使毛坯紧紧贴向凸模而成形。向凸模而成形。板材液压成形的原理板材液压成形的原理板材液压成形的原理板材液压成形的原理板材液压成形的现场板材液压成形的现场板材液压成形的现场板材液压成形的现场板料液压成形的应用板料液压成形的应用板料液压成

26、形的应用板料液压成形的应用板料液压成形的应用板料液压成形的应用板料液压成形的应用板料液压成形的应用板材液压成形的新进展板材液压成形的新进展p对现有工艺的引申和扩展。例如周向液压拉深技术以及板对现有工艺的引申和扩展。例如周向液压拉深技术以及板材成对液压成形技术等。周向液压拉深技术是在对向拉深材成对液压成形技术等。周向液压拉深技术是在对向拉深的基础上将液体介质引导至板材外周边，对板材产生径向的基础上将液体介质引导至板材外周边，对板材产生径向推力，使板材更易向凹模内流动；实现双面润滑，减小了推力，使板材更易向凹模内流动；实现双面润滑，减小了板材流动阻力，进一步提高成形极限。周向液压拉深的拉板材流动阻

27、力，进一步提高成形极限。周向液压拉深的拉深比可达到深比可达到3.33.3，高于一般的液压拉深所能达到的拉深比。，高于一般的液压拉深所能达到的拉深比。p另一方面则是技术的改进。由于压边力在成形中起着重要另一方面则是技术的改进。由于压边力在成形中起着重要的作用，对于不规则零件，在成形时法兰处材料的流动情的作用，对于不规则零件，在成形时法兰处材料的流动情况是不一样的。为了控制法兰不同区域材料的流动，研制况是不一样的。为了控制法兰不同区域材料的流动，研制出了多点压边系统。此系统具有多个液压缸出了多点压边系统。此系统具有多个液压缸, ,每个液压缸每个液压缸独立控制一个区域的压边力，达到不同区域所需压边力

28、不独立控制一个区域的压边力，达到不同区域所需压边力不同的目的。同的目的。（3）金属板料数字化成形）金属板料数字化成形p市场的竞争要求企业不仅能快速响应市场的变化，而且能市场的竞争要求企业不仅能快速响应市场的变化，而且能不断地通过技术创新，推出新产品引导市场；不断地通过技术创新，推出新产品引导市场；p传统成形工艺模具的设计和制造过程周期长、费用高；传统成形工艺模具的设计和制造过程周期长、费用高；p金属板料的数字化成形，为新车型的开发提供了一种先进金属板料的数字化成形，为新车型的开发提供了一种先进手段。手段。国内外概况国内外概况1 1 旋压成形是最常用的板料无模成形技术之一旋压成形是最常用的板料无

29、模成形技术之一2 2 CNC CNC成形锤渐进成形法成形锤渐进成形法3 多点成形法多点成形法4 金属板料数控渐进成形金属板料数控渐进成形冲头工件弹性下模一种基于计算机技术、数控技术和塑性成形技术基础之上的先一种基于计算机技术、数控技术和塑性成形技术基础之上的先进制造技术，其特点是采用进制造技术，其特点是采用快速原型制造快速原型制造 技术（技术（Rapid Rapid PrototypingPrototyping简称简称RPRP）分层制造分层制造（Layered ManufacturingLayered Manufacturing）的思想，将复杂的三维形状沿的思想，将复杂的三维形状沿Z Z轴方向

30、切片（离散化），即分轴方向切片（离散化），即分解成一系列二维断面层，并根据这些断面轮廓数据，用计算机解成一系列二维断面层，并根据这些断面轮廓数据，用计算机控制一台三轴联动成形机，驱动一个工具头，以走等高线的方控制一台三轴联动成形机，驱动一个工具头，以走等高线的方式，对金属板料进行局部地塑性加工。即，无须制造模具，用式，对金属板料进行局部地塑性加工。即，无须制造模具，用渐进成形的方式，将金属板料加工成所需要的形状。渐进成形的方式，将金属板料加工成所需要的形状。金属板料的数字化成形金属板料的数字化成形基本原理一基本原理一 被加工板材 成形工具导柱夹板支架托板底座将板料放置于托板将板料放置于托板上，