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作者：孙满平

引言
冷冲压就是将各种不同规格的板料或坯料，利用模具和冲压设备（压力机，又名冲床）对其施加压力，使之产生变形或分离，获得一定形状、尺寸和性能的零件。一般生产都是采用立式冲床，因而决定了冲压过程的主运动是上下运动，另外，还有模具与板料和模具中各结构件之间的各种相互运动。
机械运动可分为滑动、转动和滚动等三种基本运动形式，在冲压过程中都存在，但是各种运动形式的特点不同，对冲压的影响也各不相同。
既然冲压过程存在如此多样的运动，在冲压模具设计中就应该对各种运动进行严格控制，以达到模具设计的要求；同时，在设计中还应当根据具体情况，灵活运用各种机械运动，以达到产品的要求。
冲压过程的主运动是上下运动，但是在模具中设计斜楔结构、转销结构、滚轴结构和旋切结构等，可以相应把主运动转化为水平运动、模具中的转动和模具中的滚动。在模具设计中这些特殊结构是比较复杂和困难，成本也较高，但是为了达到产品的形状、尺寸要求，却不失为一种有效的解决方法。
冲裁模具中机械运动的控制和运用
冲裁工艺的基本运动是卸料板先与板料接触并压牢，凸模下降至与板料接触并继续下降进入凹模，凸、凹模及板料产生相对运动导致板料分离，然后凸、凹模分开，卸料板把工件或废料从凸模上推落，完成冲裁运动。卸料板的运动是非常关键的，为了保证冲裁的质量，必须控制卸料板的运动，一定要让它先于凸模与板料接触，并且压料力要足够，否则冲裁件切断面质量差，尺寸精度低，平面度不良，甚至模具寿命减少。
按通常的方法设计落料冲孔模具，往往冲压后工件与废料边难以分开。在不影响工件质量的前提下，可以采用在凸凹模卸料板上增加一些凸出的限位块，以使落料冲孔运动完成后，凹模卸料板先把工件从凹模中推出，然后凸凹模卸料板再把废料也从凸凹模上推落，这样一来，工件与废料也就自然分开了。
对于一些有局部凸起的较大的冲压件，可以在落料冲孔模的凹模卸料板上增加压型凸模，同时施加足够的弹簧力，以保证卸料板上压型凸模与板料接触时先使材料变形达到压型目的，再继续落料冲孔运动，往往可以减少一个工步的模具，降低成本。
有些冲孔模具的冲孔数量很多，需要很大冲压力，对冲压生产不利，甚至无足够吨位的冲床，有一个简单的方法，是采用不同长度的2～4批冲头，在冲压时让冲孔运动分时进行，可以有效地减小冲裁力。
对那些在弯曲面上有位置精度要求高的孔（例如对侧弯曲上两孔的同心度等）的冲压件，如果先冲孔再弯曲是很难达到孔位要求的，必须设计斜楔结构，在弯曲后再冲孔，利用水平方向的冲孔运动可以达到目的。对那些翻边、拉深高度要求较严需要做修边工序的，也可以采用类似的结构设计。
弯曲模具中机械运动的控制和运用
弯曲工艺的基本运动是卸料板先与板料接触并压死，凸模下降至与板料接触，并继续下降进入凹模，凸、凹模及板料产生相对运动，导致板料变形折弯，然后凸、凹模分开，弯曲凹模上的顶杆（或滑块）把弯曲边推出，完成弯曲运动。卸料板及顶杆的运动是非常关键的，为了保证弯曲的质量或生产效率，必须首先控制卸料板的运动，让它先于凸模与板料接触，并且压料力一定要足够，否则弯曲件尺寸精度差，平面度不良；其次，应确保顶杆力足够，以使它顺利地把弯曲件推出，否则弯曲件变形，生产效率低。对于精度要求较高的弯曲件，应特别注意一点，最好在弯曲运动中，要有一个运动死点，即所有相关结构件能够碰死。
有些工件弯曲形状较奇特，或弯曲后不能按正常方式从凹模上脱落，这时，往往需要用到斜楔结构或转销结构，例如，采用斜楔结构，可以完成小于90度或回钩式弯曲，采用转销结构可以实现圆筒件一次成型。
值得一提的是，对于有些外壳件，如电脑软驱外壳，因其弯曲边较长，弯头与板料间的滑动，在弯曲时，很容易擦出毛屑，材料镀锌层脱落，频繁抛光弯曲冲头效果也不理想。通常的做法是把弯曲冲头镀钛，提高其光洁度和耐磨性；或者在弯曲冲头R角处嵌入滚轴，把弯头与板料的弯曲滑动转化为滚动，由于滚动比滑动的摩擦力小得多，所以不容易擦伤工件。
拉深模具中机械运动的控制和运用
拉深工艺的基本运动是，卸料板先与板料接触并压牢，凸模下降至与板料接触，并继续下降，进入凹模，凸、凹模及板料产生相对运动，导致板料体积成形，然后凸、凹模分开，凹模滑块把工件推出，完成拉深运动。
卸料板和滑块的运动非常关键，为了保证拉深件的质量，必须控制卸料板的运动，让它先于凸模与板料接触，并且压料力要足够，否则拉深件容易起皱，甚至裂开；其次应确保凹模滑块压力足够，以保证拉深件底面的平面度。
拉深复合模设计合理，可以很好地控制结构件的运动过程，达到多工序组合的目的。例如典型的落料拉深切边冲孔复合模具的设计。
另外，有些装饰品和日用品的拉深件需要有卷边（或滚边）工序，模具设计中也用到了滚轴结构，所以在卷边过程中滚动的摩擦力非常小，不容易擦伤工件表面。
对那些需要在马达中旋转的拉深结构件,切边的高度、跳动度等要求相当高，需要在模具中设计特别的旋切结构，利用旋转（切）运动修边，不仅能保证切边的尺寸精度高，甚至切边的毛刺及冲切纹路亦相当美观。值得一提的是，此旋切结构在实际设计改良后，已经非常易于模具加工制作，并且已运用于连续拉深模具当中。
连续模具中机械运动的控制和运用
连续模具中常常同时包括了冲裁、弯曲和拉深等冲压工艺，因而其冲压过程中的机械运动也包括了这三种工艺的基本运动模式，对连续模具中运动的控制，应分成各基本工艺分别进行控制。
通常连续模具要求不断加快冲压速度，提高生产效率，有些形状较复杂、较特别的冲压件，其冲压运动较费时，在连续模具设计中可以分解成效率较高的冲压运动。例如，工程膨胀螺钉圆筒件在连续模具设计中即可将其圆筒成型运动分解为两侧90度圆弧弯曲～中间60度圆弧弯曲～整体抱圆～圆度校正四个工序，不仅提高效率，亦能保证冲压件圆度。
需要特别指出的是，连续模具因为在实际生产中还牵涉到送料机、吹风装置等，在设计中应充分考虑到这些因素，让冲床、模具、送料机和吹风装置的运动在时间上配合好，连续模具才能真正顺利生产。 (end)

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Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

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作者：谢晖

在汽车和模具工业中，CAE技术已被广泛应用，为提高汽车和模具的设计水平，缩短新产品的开发周期发挥着越来越重要的作用。在模具及冲压领域，板料冲压成形CAE技术的应用可以大大提高模具精度，缩短模具新产品的开发周期，有效提高冲压件质量，在模具和汽车新产品开发中应用越来越多，应用水平也不断提高。
有限元无法克服的矛盾
目前国内、外的有限元仿真软件都是基于弹塑性有限变形理论开发的，按算法的不同可分为隐式和显式两大类，这两类软件各有特点。隐式算法要求解联立方程组，常常会遇到难以收敛的难题，但由于接触力的计算采用了拉格朗日乘子法，可以精确满足边界条件，因此计算结果的应力场比较精确，对于回弹的计算比较有利；显式算法无须求解联立方程组，因此无条件收敛，但受稳定性限制，有最小时间步长的要求，计算中常常要花费较多时间，为了减少计算时间，一般采取加大冲压速度和板料质量密度的方法。尽管显式软件有一些先天性缺陷，但是由于它没有收敛性问题，在工程中应用越来越广泛。
使用有限元仿真软件模拟实际冲压成形过程，要想得到满意的结果，必须处理好计算精度和速度这一对矛盾，而这恰恰是仿真软件所无法克服的，其原因是：
（1）通常板料划分的网格越密，有限元仿真计算的精度就越高，但是花费的计算时间就越长，特别是对于像整体侧围这样的大型汽车覆盖件，为了使计算时间不至于太长，必须控制单元总数，导致对冲压件形状拟合的精度降低；
（2）为了减少计算时间，人为地加大冲压速度，由此也带来了不真实的惯性效应，降低了计算结果的可靠性；
（3）拉延筋是冲压模具上非常重要的工艺结构，它的尺寸较小、曲率较大，要想精确地描述它，就需要很密的网格单元，因此有限元仿真软件大都采用等效拉延筋模型，但这种模型忽略了沿拉延筋方向材料间的不均匀挤压作用，另外对于压边圈闭合时不能模拟出拉延筋的成型效果，在压料面形状起伏较大时失真较大，因而不能非常正确地反映实际情况。
针对以上不足，各冲压成形CAE软件公司纷纷开发并行计算系统，如LS-DYNA、PAM-STAMP等，这些并行计算系统的开发大大提高了软件的工程适用性，有效解决了工程分析中的矛盾。
动态显式并行计算系统的关键技术
这里重点介绍冲压成形仿真分析中常用的动态显式并行计算系统的关键技术。
1.单元格式
采用4节点壳单元，在每个单元的中面定义随动坐标系。该坐标系与单元一起运动，所有物理量在随动坐标系中定义。经等参插值，可以求得得单元中的速度为：V = NT Vi，其中Vi为节点速度矢量，N为插值函数。
2.控制方程
板料成型系统必须满足Hu-Washizu变分原理，系统的控制方程为：Mü = F ext + F c - F int，其中M为质量矩阵，ü为节点加速度矢量，F ext表示节点所受外力矢量，F c表示节点接触力矢量，F int表示节点内力矢量。在显式算法中，由中心差分法可代入得到位移矢量U的方程式。
3.本构方程
材料的塑性变形采用Hill的各向异性弹塑性准则。
4.接触摩擦力的计算
接触力和摩擦力的计算精度直接影响到板料变形的计算精度。接触力的计算有两种基本方法：罚函数法、拉格朗日乘子法。罚函数法是一种近似方法，它允许相互接触的边界产生穿透，并通过罚因子将接触力大小与边界穿透量大小联系起来。这种方法比较简单，适合于显式算法，罚因子的选取会影响计算结果的可靠性。拉格朗日乘子法不允许接触边界的相互穿透，是一种精确的接触力算法，但它与显式算法不相容，要求特殊的数值处理。
接触搜寻采用级域法，它针对多物体接触体系提出，避免了主从面法处理多物体接触的不便，并提高了接触搜寻效率。
板料与模具间的摩擦力采用非经典的非线性摩擦定律计算，弥补了库仑摩擦定律没有考虑摩擦力与相对滑移量之间关系的不足。
5.有限元并行化方法
通常动态显式有限元并行仿真系统是基于消息传递和区域分解算法开发的，将板料根据计算中要用的PE数分区，每个PE处理一个分区的单元计算，由于每个分区板料的相邻边界上是有作用力关系的，因此相邻分区对应的PE间在每一计算步都要进行数据通信。
（1）板料初始化分区。 并行计算执行时间Tp 的计算公式为 Tp = rsTs + Tpe + Tc，式中Ts为在一个PE上的执行时间，rs为用一个PE执行时不可并行化部分所耗时间占Ts的百分比， Tpe为并行部分的执行时间，Tc为通信所消耗的时间。通常Tpe要取各PE中最长的一个。
由上式可知，要想降低并行计算时间Tp，初始化分区必须考虑两个方面：各PE的计算任务尽可能均衡；各PE间的通信量尽可能少。
（2）需要并行协调处理的参数。
①时间步长的协调。因为每一计算步都有CPU间的数据传递，所以要采用相同的时间步长。每个PE分别计算自己分区的最小时间步长，计算公式为 ，Ls是单元的特征长度，ρ是材料密度。为保持各分区计算同步，实际计算的时间步长要取所有分区最小时间步长的最小值。
②接触搜寻的并行化。接触力只产生在模具和板料间，通常模具是作刚体处理，在本系统中也划分成有限单元。由于冲压成型过程中，板料与模具的单元没有严格的对应关系，且作为刚体的模具单元间是没有作用力的，因此不必对模具进行分区。在搜寻接触对时仍可采用级域法。
③节点内力的通信。每个分区内部的各节点内力在本PE内就可计算得到，分区边界上的节点内力则需要共有该节点的PE计算的应力分量的合成，因此，在边界上需要进行应力数据的交换。
计算算例
在某汽车整体侧围冲压成形仿真分析的过程中，采用8个CPU，利用LS-DYNA并行计算求解器计算。这是汽车车身中最为复杂的零件之一，工艺难度和计算工作量都很大，采用以往的方法，工作站计算一次通常耗时20h左右。现在，我们采用并行计算初始划分板料单元尺寸12mm，计算过程中采用自适应网格划分，网格重划不超过3次，最终单元尺寸不小于2mm，计算结果如图1所示。

图1 采用并行计算的冲压成形分析结果

计算结束后，板料单元数达到70多万个，共耗时6h——分析精度大大提高，时间却比以往缩短一半！
图2为冲压件的实际结果，精度完全满足要求。

图2 冲压件的实际结果

结论
现代化的CAE技术是冲压工艺分析的重要辅助工具，能否发挥实际效果，除了CAE软件本身的精度之外，还要看是否能借助这个辅助的工具得到一个优化的工艺方案，能够快速调试出合格的冲压件，因此，在实际应用中，需要进行大量的修改工艺——计算的反复过程，对于一个难度较大的成形件来说，CAE计算的工作量也是相当大的，而仿真并行计算系统的应用很好地解决了冲压成形仿真系统在应用中最大的矛盾——计算精度和计算效率的矛盾，使得冲压成形CAE技术能够完全在冲压模具企业推广应用，对于发挥CAE技术的实际应用价值、促进冲压模具的技术进步都有着非常重要的意义。 (end)

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newmaker

1 失效形式
铝挤压模的失效形式，生产中会因模具的冲击破裂、塑性变形、粘附及过早的磨损和热裂、细颈或拉断、压弯等现象出现早期失效，也会由于技术问题、氮化问题等造成模具损坏，同时还会因模具问题而造成压堵、间隙、扩、并口等故障，但挤压模的失效主要表现为磨损、开裂、变形三种正常失效方式。
（１）磨损失效，铝型材在挤压过程中是通过没有润滑加工的高温高压下的挤压材料碰上模具型腔的开口部分，一面与定径带平面直接接触，一面滑动，从而产生很大的摩擦力，使型腔表面和定径带表面受到磨损而失效。同时模具在摩擦过程中，模具工作表面上粘附了一些坯料金属使得模具的几何形状发生变化而不能使用，也视为磨损失效，其表现形式为刃口钝化、棱角变圆、平面下陷、表面沟痕、剥落、粘模等。
磨损失效的根本原因是摩擦。模具磨损的具体形式与摩擦过程的速度等诸多因素有关，如模具材料和被加工坯料的化学成分及机械性能、模具和坯料的表面粗糙度等以及挤压过程中的压力、温度、速度等有关系。铝挤压模具的磨损主要是热磨损，热磨损是摩擦时，金属表面因温度升高而软化和模具型腔表面发生互相咬合所造成的，模具型腔表面高温软化后，其耐磨性降低。热磨损过程十分复杂，显然温度是影响热磨损的主要因素，温度愈高，热磨损愈严重。
（２）开裂失效，在实际生产中裂纹分布在模具的某些部位，它经过一定的服役期，萌生细小的裂纹，并逐渐向纵深扩展，裂纹扩展到一定尺寸后，将严重削弱模具的承载能力而引起断裂，或在原热处理和加工制造模具时已经产生微裂纹，使模具在服役中容易扩展从而发生早期裂纹。失效原因在设计方面主要是模具强度设计及过渡处圆角半径的选择；制造方面主要是材质的预检和加工时表面粗糙度及加损伤方面的注意，以及热处理和表面处理质量的影响。在使用中主要注意模具预热、挤压比及锭坯温度的掌握以及挤压速度和金属变形流动的控制。
（３）变形失效，变形失效就是模具在使用中出现悬臂偏心、下陷，分流模上模在使用中出现的舌头偏心及下模出现的型腔塌陷、型孔胀大、棱角倒塌等失效形式，主要原因有材料强度不高；或模具材料虽选择正确， 但热处理工艺不正确，未充分发挥模具钢的强韧性；或分流模设计不当，使流速不均，造成对舌头的侧向力不均而产生偏心；还有就是分流模虽设计正确，但加工制造水平不高，使进入各分流孔的流速不均，造成侧向力不同而导致偏心。
2 提高铝挤压模寿命的主要措施
影响铝挤压模寿命的因素很多，除了模具的结构设计与强度较核、模具材料、冷热加工与电加工工艺、热处理与表面处理工艺等内在因素的影响外，还有挤压工艺与使用条件、模具维护与修理、挤压产品材料特性与形状、规格以及模具科学故的管理等外在因素有关，同时，影响的因素不是单一的，而是一个复杂多因素的综合性问题。但基于上述失效形式及其原因的分析使得我们在如何提高铝挤压模寿命的时候有了思路和方法，笔者认为要提高模具寿命主要从以下几方面下功夫：
（１）合理设计模具，模具设计的合理得当，是延长其使用寿命的重要环节。正确设计的模具结构，应保证在正常的使用条件下没有产生冲击破裂和应力集中的可能，因此，在设计模具时应尽量使各部分受力均匀，注意避免尖角、内凹角、壁厚差悬殊、扁宽薄壁截面等，以免产生过大的应力集中，引起热处理变形、开裂和使用过程中脆性破裂或早期热裂。同时标准化设计有利于模具的互换、保管和维修。总的说来，合理的模具结构设计和可靠的强度较核，还有不断革新模具设计理论和方法，采用电子计算机辅助设计等是改进挤压模具设计和提高使用寿命的主要途径。
（２）模具材料的合理选择，挤压模具是在高温高压下作业，并承受周期载荷的作用，工作条件和环境十分恶劣，因此对模具钢的性能要求相当高，制造模具的材料应具有良好的热稳定性、热疲劳性、热耐磨性和足够的韧性。目前国内常采用模具材料是４Ｃｒ５ＭｏＳｉＶ１Ｈ１３钢和３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ钢，但近年来由于３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ钢的韧性低，抗疲劳强度不好，即便采用高温淬火等工艺处理措施也不能满足要求，模具的早期失效比较严重，新型钢种４Ｃｒ５ＭｏＳｉＶ１Ｈ１３钢具有良好的淬透性、热强性、耐磨性和塑性，较高的冲击韧性、抗冷热疲劳性，热处理变形小，抗裂纹扩展性好，能改善挤压型材的表面粗糙度，易修模以及良好的高温综合性能和组织中含有较多的Ｃｒ、Ｍｏ元素，氮化处理时能生成丰富稳定的氮化物并弥散分布等突出特点，因此逐渐取代了Ｃｒ２Ｗ８Ｖ钢，成为挤压模具的首选材料，实践数据也证明：用４Ｃｒ５ＭｏＳｉＶ１钢和３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ钢制造同种模具，４Ｃｒ５ＭｏＳｉＶ１的寿命比３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ的寿命高３～５倍１，已成为标准模具用材。当然模具材料的选择也是一个很复杂的问题，涉及面很广，只有将研制新材料、提高材料本身质量与研究新型热处理工艺和表面强化处理工艺有机结合起来，才是提高寿命的有效途径。
（３）提高热处理和表面处理质量，挤压模具的使用寿命很大程度上取决于热处理质量，因此，先进的热处理方法和热处理工艺以及强韧化处理和表面强化处理对提高模具使用寿命尤为重要，同时，严格控制热处理和表面强化工艺，防止热处理缺陷，调整淬火与回火工艺参数，增加预处理、稳定化处理和回火次数，注意温控、升温和冷却强度，采用新型淬火介质以及研究强韧化处理、各种表面强化处理等新工艺、新设备，都有利于模具使用寿命的提高。
（４） 提高模具制造中的加工质量，在模具的加工过程中，常见的加工方法有机械加工、线切割加工、放电加工等。机械加工是模具加工过程中不可缺少的重要工序，它不但改变模具的外观尺寸，而且直接影响型材的质量及模具使用寿命；线切割加工模孔是模具加工中广泛使用的工艺方法，它提高了加工效率和加工精度，但也带来了一些特殊问题，如经线切割加工的模具，如不经过回火处理而直接用于生产，易产生掉渣、剥落等现象，将降低模具的使用寿命。因此对线切割后的模具进行充分回火能改善表面拉应力状态，降低残余应力，提高模具使用寿命。应力集中是模具断裂的主要原因，在图纸设计允许的范围内，线切割丝直径越大越好，这不仅有利于提高加工效率，也可大大改善应力的分布状态，防止应力集中的发生；放电加工是由放电时所产生的材料汽化、熔融和加工液蒸发现象的叠加作用所进行的一种电腐蚀加工。带来的问题是由于加热、冷却的热作用和加工液的电化学作用，在加工部位形成变质层产生应变和应力，在加工液为油的情况下，因油的燃烧而分解出的碳原子向被加工面扩散、渗碳，变质层在热应力提高的同时，因脆硬而易产生裂纹，同时构成残余应力而依附在工件上，这将造成疲劳强度降低，加速断裂、应力腐蚀等现象。因此在加工过程中，应尽量防止上述问题的产生，提高加工质量。
（５）改善工况和改进挤压工艺条件，挤压模的工作条件极差和环境十分恶劣，因此，改进挤压工艺方法和工艺参数，改善工作条件与工作环境对提高模具寿命有利。所以我们在挤压前要认真拟订挤压方案，选择最佳的设备系统与坯料规格，制定最佳的挤压工艺参数（如挤压温度、速度、挤压系数和挤压压力等）和改善挤压时的工作环境（如采用水冷或氮气冷却、充分润滑等），减轻模具的工作负担（如降低挤压力，减少激冷激热和交变载荷等），建立与健全工艺操作规程和安全使用规程。
3 结论
在实际生产和工作过程中，挤压模具的使用寿命是一个综合性的技术问题，以上介绍的五个方面只是其中的主要部分，模具的合理使用和维护以及科学的管理对延长挤压模具的使用寿命也至关重要。(end)

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作者：曹安斋 方敏 张治民 柴国瑞

为了减轻质量和增加刚度，某些耐高压壳体类零件选用质量轻、强度高的铝合金，结构多采用纵、横内筋结构，这给构件的加工带来很大的困难田。研究金属塑性成形流动的方法有物理模拟和数值模拟两种。前者周期长、投资大沮整个变形过程难以_直接观察;后者免去大量的物理模拟，从而有效地节省投资，节省人力物力，缩短设计时间和生产周期团。本文通过数值模拟研究了铝合金带筋筒形件的金属流动规律，并得出了挤压温度与筋高的关系，为实现生产提供了理论依据。
1 零件成形工艺方案的确定
本零件材料为防锈铝合金LF6,零件图如图1所示。该件为纵、横内筋结构件，纵向有10条筋，横向有2条筋，宽度为10 mm，突起为5mm,成网格状。本例采用单工步等温挤成形工艺，即下料，均匀化处理(400℃保温6 h,然后再升温到480℃保温6h)，去除氧化皮一成形，冷整形。

2 三维数值模拟模型与条件加载
2.1 模型的建立
有限元模型是对物体实际模型的简化，根据本零件的对称性，仅取整个坯料的1/6作为模拟对象。采用Pro/E软件对模具进行三维造型，然后导人MSC/Marc软件，建立模型图。模拟分析简图如图2所示。采用MSC/superform软件进行模拟分析。

2.2 模型参数定义
模型几何参数凸模压下速度为1 mm/s，坯料由边长为2.75 mm的5 537个六边形单元组成，在变形过程中当单元的边长超过3mm时，对网格进行自动重划分。
模型材料参数模型中材料为asm_Alum_21,弹性模量为70GPa，泊松比为0.3，密度为2.64 g/cm3。
摩擦系数凸凹模的摩擦系数为0.2。
2.3 挤压过程金属流动规律
图3表示带筋筒形件毛坯挤压成形过程中不同阶段的变形网格图。从图中的网格变化看出，筒体区域变形较小，零件的塑性变形主要集中在筋部位。随着凸模向下运动和凸模镶块的径向运动(水平运动)，网格筋逐渐被充满，变形最剧烈的区域就是纵横筋的交叉部位，剧烈的变化导致畸变的网格数目越来越多，中间进行了网格重划分。

2.4 不同温度与筋高的关系
图4分别对不同温度进行了数值模拟，其温度与成形筋高的关系。可以看出，随着坯料加热温度的升高，毛刺有所减少，这是因为温度上升后坯料的变形抗力下降的结果。因此温度的升高，对变形趋于均匀化有利。温度越高所成形筋高越高，但挤压温度过高不仅会发生过烧现象，容易发生裂痕，而且容易和模具产生粘结。挤压温度过低，对设备要求高，而且容易使模具发生变形0故挤压温度应选择440℃左右为宜。

3 结论
(1)通过对6种不同的挤压温度进行数值模拟，得出挤压温度应选择440℃左右为宜口
(2)由模拟结果可知，筋高随着挤压温度的升高而升高。
(3)数值模拟可减少零件塑性成形时实验工作量，为其毛坯合理的选择及模具结构的优化提供科学的依据。(end)

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作者：湖北工业大学 夏露 黄晋 张友寿

影响金属板料拉延成形的因素很多，如模具的形状、材料性能、毛坯形状和尺寸、边界条件、模具和板料之间的摩擦和润滑等[1,2]。因此，在金属板料成形工艺设计时就要综合考虑上述各个因素的影响。然而，由于对工件在拉延成形过程中的变形特点和流动规律缺乏全面的了解，往往难以加工出高质量的工件;另外，对于工件中的缺陷也缺乏科学的预测手段 [3~5]。近年来，随着计算机技术的飞速发展，以及有限元方法的成熟，数值模拟技术在板料成形中得到广泛应用[6]。本文采用动力显示有限元板料软件 Dynaform，以油箱外壳为例，研究了板料的厚向异性系数r和硬化指数n对零件拉延成形性能的影响。
1 有限元分析模型的建立
本文导入tank.nas文件[7]后，按照正装式双动拉延成形模具规则，利用Dynaform前处理系统建立三维几何模型，如图1所示，图中板坯共划分了3029个单元和3091个节点，计算使用的单元类型为基于薄壳经典理论，采用非线性材料模型和沙漏粘性阻尼的四节点四边形 Belytschko-Tsay非线性薄壳单元。材料选用具有各向异性性质的三参数Barlat-Lian材料模型，接触类型为描述了位移和速度边界条件的form one way s.to s.算法模型，接触点采用全局搜索。接触静、动摩擦系数均为0.11，材料弹性模量为2.07×105MPa，泊松比为0.28，板料厚度为0.8mm，上压料面虚拟运行速度为2000mm/s，行程30.26mm，终止时间为0.016504s，凸模虚拟运行速度为5000mm/s，行程 156.74mm，上压料面压边力为200000N，起始时间为0.016504s。

图1 有限元单元网格模型

2 数值模拟分析
2.1 厚向异性系数对成形性能的影响
拉延成形时对成形性能的考察可以通过对拉延方向最大应力和最小厚度来进行。一般来说，当最大应力过大，超过材料的强度极限时，就会发生拉裂现象; 当最小厚度太小，即减薄量太高时，越容易拉裂。在此，分别选取厚向异性系数r=1.65、1.85、2.05，通过对Z方向最大应力和最小厚度的模拟，研究厚向异性系数对拉延成形性能的影响。模拟结果见图2、图3。

图2 厚向异性系数对Z方向应力场及最大应力的影响

图3 厚向异性系数对厚度分布云图及最小厚度的影响

从图2可以看出，最大应力都出现在凹模圆角下方的直壁部分，此处在拉延过程中容易出现拉裂。随着厚向异性系数的增大，最大应力逐渐增大，但增幅不大。
从图3可以看出，最大减薄出现在与凸模圆角对应的部位，在拉延过程中也容易出现拉裂。随着r值的增大，最小厚度逐渐增加，这就意味着r值越大，板料越不容易在厚度方向上变形，也就是越不容易变薄或增厚，因此，若增大r值，使板料易于在宽度方向变形，则可减少起皱，有利于拉延进行和产品质量的提高。同样，增大r值，材料受拉时，厚度不易变薄，因而也不易产生拉裂。
由模拟结果可知，增大r值尽管使Z向最大应力增大，但同时也使板料最小厚度增加，而且后者增幅远大于前者，因此，增大厚向异性系数r可提高板料的拉延成形性能。
2.2 硬化指数对成形性能的影响
分别选取硬化指数n=0.18、0.20、0.22，通过对Z方向最大应力和最小厚度的模拟，研究硬化指数对拉延成形性能的影响。限于篇幅，本文在此仅给出硬化指数n对Z向最大应力和最小厚度影响的曲线图，如图4所示。

图4 硬化指数n对Z向最大应力和最小厚度的影响

由图4可以看出，随着硬化指数n的增加，最大应力逐渐减小，而且，板料最小厚度逐渐增加，这就是说板料越容易拉延成功，即拉延性能越好。模拟结果也可以很直观的看出，n对拉延成形的影响明显，高的硬化指数有利于提高拉延成形性能。
3 小结
(1)增大厚向异性系数r尽管使拉延方向最大应力有所增加，但能够使板料最小厚度明显增大，对拉延成形有利。
(2)增大硬化指数n不仅减小拉延方向最大应力，同时还使板料最小厚度明显增大，能明显提高板料拉延成形性能。
参考文献
[1]ZHANG Yang, ZHANGLian-hong , LI Shuang-yi .Sheet Metal Forming Simulation and Its Application in Stamping Process of Automobile Panels[J], Transactions of Tianjin University, 2002,Vol.8.No4:169~272.
[2]林淑霞，张国强，王锐等，大型覆盖件成形中板料形状的影响[J]，模具技术，2003(6)：41~42.
[3]Qunqiang FU, Wei ZHU, Zhiliang ZHANG. Effect of Variable Blank Holder Force on Rectangular Box Drawing Process of Hot-galvanized Sheet Steel[J]. J. Mater. Sci. Technol. 2005,Vol.21 No.6:909~913.
[4] ]但文蛟,王耘,胡树根等.板料成形CAE技术[J].模具技术,2002,(3):37～39.
[5]林忠钦,李淑慧,于忠奇等著.车身覆盖件冲压成形仿真[M],2005,1.
[6]衡猛，周建忠，板料成形中有限元模拟技术的应用[J]，电加工与模具，2004(2)：49~51.
[7]陈文亮,材料成形CAE分析教程[M],机械工业出版社,2005.(end)

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作者：哈尔滨工业大学 徐永超 刘欣 苑世剑    来源：雅式工业专网

针对传统板材冲压成形中存在的成形极限低、模具型腔复杂，以及零件表面品质差等缺点，发展了板材液压成形技术。其基本原理是采用液体作为传力介质以代替刚性的凸模或凹模来传递载荷，使坯料在液体压力作用下贴靠凹模或凸模，从而实现金属板材零件的成形。
自从该技术推出以来，在航空航天及汽车领域不断获得应用，特别适于结构形状复杂的零件及冷成形性能差的材料成形，如铝合金、高强钢、高温合金以及拼焊板等。板材液压成形技术现也日渐成为国内外业界的研究热点，并产生了可控径向加压充液拉深技术及液体凸模拉深成形新技术。
板材液压成形原理及分类
板材液压成形是利用液体作为传力介质来传递载荷，使板材成形到单侧模具上的一种板材成形方法，根据液体介质取代凹模或凸模可将之进一步分类为充液拉深成形和液体凸模拉深成形。
前者（图1）是用液体介质代替凹模传递载荷，液压则作为辅助成形的手段，可减小普通拉深成形中凸、凹模之间坯料的悬空区，使该部分坯料紧贴凸模，零件形状尺寸最终靠凸模来保证。

图1 充液拉深成形原理

充液拉深成形中的液压作用形成了坯料与凸模之间的摩擦保持效果，提高了凸模圆角区板料的承载能力，抑制坯料减薄和开裂，可有效提高成形极限、减少成形道次。同时，液体从坯料与凹模上表面间溢出可形成流体润滑，促进外围板材进入凹模，缓解了零件表面的划伤。
这一成形技术因其独特优势在国际上受到普遍重视，发展出主动背压（预胀）拉深法，其过程是预先胀形，然后拉深，通过预先胀形达到变形硬化的效果。
液体凸模拉深成形（图2）则是以液体介质代替凸模传递载荷，液压作为主驱动力使坯料变形，坯料法兰区逐渐流入凹模，最终在高压作用下使坯料贴靠凹模型腔，零件形状尺寸靠凹模来保证。这一成形法通过合理控制压边力可使坯料产生拉-胀成形，应变硬化可提高曲面薄壳零件的刚性、压曲抗力和抗冲击能力。因此，它非常适于铝合金和高强钢等轻合金板料形状复杂（特别是局部带有小圆角）、深度较浅的零件成形。

图2 液体凸模拉深成形技术

板材液压成形的优点及典型零件
与传统板材冲压加工相比，板材液压成形技术具有以下优点：
1. 成形极限高
由于充液拉深成形中液压的作用，使坯料与凸模紧紧贴合，产生“摩擦保持效果”，提高了传力区的承载能力。更为重要的是，对于汽车制造领域的复杂曲面零件，反向液压的作用形成“软拉深筋”，消除悬空区，坯料与模具之间建立起有益摩擦使得凸模底部圆角处坯料的径向拉应力减小，应变轨迹在成形极限图上向左偏移，可大幅提高成形极限，而传统拉深的等双拉应力状态则容易导致拉裂。
2. 尺寸精度高、表面品质好
液体从板材与凹模表面间溢出形成流体润滑，利于板材进入凹模，减少零件表面划伤，所成形零件外表面得以保持原始板材的表面品质，尤其适合镀锌板等带涂层的板材成形。
3. 道次少
可成形复杂薄壳零件，减少中间工序，并可成形具复杂形状的零件，减少退火等耗能工序。
4. 成本低
复杂零件在一道工序内完成，减少多任务序成形所需的模具，降低生产成本。
由于具有上述特点，从零件结构看，适合于成形高径比大或深的筒形件、盒形件、复杂曲面零件等；从材料角度看，适合高强钢、高性能铝合金和低塑性材料的成形。
图3 为铝合金拋物线形零件的充液拉深成形和普通拉深成形的比较。采用充液拉深可一道次实现该零件的成形；普通拉深成形则需六道次，中间过程退火。可见，充液拉深在复杂曲面零件成形中具显著优势，减少成形道次，避免了尖锥底处的破裂。

图3 充液拉深与普通拉深的道次比较

图4是瑞典AP&T公司充液拉深成形的典型零件。采用这一成形技术可以将直径300mm壁厚1mm的不锈钢坯料几乎全部拉入直径100mm的凹模中，从而形成高度超过200mm的筒形零件，而且，这个过程只需一次拉深即可完成，在传统工艺中往往需要三个道次的拉深过程且每个道次之间需要进行退火处理。

图4 充液拉深成形的典型零件

采用液力成形可以克服铝合金成形性能的局限性，实现高效的零件制造，并利用变形强化减少成形件的弹复，保证其尺寸精度。如某A1100铝合金拋物线曲面接收器件，直径达2.4m，壁厚4.5mm，采用液力成形制造，可以通过高压液体介质使板材各部位完全与模具贴合，成形件相比常规成形工艺具有更好的曲率精度和表面品质。又如某型号飞机发动机A2024唇口零件，采用液压成形工艺，通过切边—压边—拉胀复合成形即可完成所有结构尺寸的精密成形，而若采用传统冲压工艺时，该零件的制造却需要20个工序才能完成。
近年来，液压成形技术从筒形零件充液拉深逐渐向复杂板料零件成形发展。图5是液压成形的复杂板材零件，图5a是日本冈野铁工所开发的A6022铝合金汽车翼子板，采用充液拉深可克服因材料塑性低导致的成形困难，为汽车轻量化提供技术手段。

图5 复杂零件液压成形

图5b为DC04碳钢复杂板材零件，该零件形状复杂，相对较浅，普通拉深凸凹模型面复杂且调试困难，而采用充液拉深成形技术只需制造与其形状尺寸一致的凸模，液压充当软凹模，无须加工与凸模匹配的复杂凹模型腔，可降低模具成本。
可控径向加压充液拉深技术
可控径向加压充液拉深的原理如图6所示。该技术是在现有充液拉深技术的基础上，辅以独立于液室压力pc的可控径向液压力pr，来推动法兰区材料的流动，配合凸模的拉深进行成形。由于现有充液拉深成形技术还主要依靠液室压力作用来增大板材与拉深凸模之间有益摩擦和建立坯料与凹模之间的流体润滑，从而缓解凸模圆角处坯料径向拉应力来提高板材零件的成形极限，适合制造普通拉深无法一道次拉深成形的复杂板材零件。而对于铝合金等大高径比、低塑性材料曲面（锥面、球面、拋物线截面等）零件和锥盒形零件，过大的液室压力会导致曲面零件成形初期悬空区的破裂和锥盒形零件棱边角部起皱。

图6 可控径向加压充液拉深

所以，通过单纯增大液室压力来提高有益摩擦、提高成形极限的量度是有限的，大高径比、低塑性材料零件的成形仍然困难。可控径向加压充液拉深技术中，由于径向液压与液室液压相互独立控制，可根据变形材料、零件形状和成形极限，通过增大径向液压来辅助零件的拉深成形，同时利用有益摩擦和流体润滑，避免大高径比、曲面零件成形初期因液室压力过大而导致的悬空区破裂，从而进一步提高零件的成形极限。通过该技术，可将5A06防锈铝合金球底筒形件的极限拉深比从2.4提高到2.8，成形件如图7所示。

图7 可控径向加压充液拉深成形件

铝合金复杂曲面零件液体凸模拉深技术
铝合金为航空航天领域广为应用的材料，板材零件多为相对较浅的具复杂型面的超薄构件。由于铝合金硬化指数低，普通拉深使零件形状的冻结性及刚度受到影响，必须使其产生充分的变形硬化，才能保证零件结构尺寸的稳定性及刚度。对于较浅的复杂曲面零件，成形模具简单，在成形过程中可通过控制压边力及成形液压，既保证充分的变形强化，又可实现坯料法兰区的合理流入，避免壁厚过度减薄。

图8 液体凸模拉深成形复杂曲面件

图8a为1mm厚的2024硬铝合金板材件。通过液体凸模拉深技术，可使该件的材料变形硬化，同时避免曲面部分起皱，获得具有较高刚度的薄壁板材零件。图8b为1mm厚的SUS304不锈钢复杂板材件。通过液体凸模拉深技术的运用，可简化模具，无需具有复杂型面的凸模，从而消除了普通拉深凸模与坯料之间的不利摩擦，利于材料流入模腔。在合理边压边力条件下，最终成形压力12MPa时可实现该件的成形。(end)

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作者：吕琳 邓明

1 引言
冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术，是零件成形加工的主要方法之一。而齿轮和花键形状复杂，尺寸精度、表面质量及综合机械性能等要求均很高，而且常温下金属的变形能力低、流动性差，这些原因导致锻造载荷陡增、齿形型腔角隅充填能力锐减，模具处于极限加工状态，带来易磨损、弹性变形严重、寿命低等弊病。如果采用流线型的挤压过渡型腔，能改善金属流动的均匀性，降低成形压力，提高齿轮和花键挤压成形的精度。
2 工艺分析
2．1 成形工艺设计
图1为小齿轮件的零件图，材料为40Cr，零件一端为齿轮，另一端为花键。齿轮参数为：齿数Z=8，模数m=1．5，齿形为渐开线，压力角口=20°，齿顶圆直径da=13ram，齿根圆直径df=11 mm，精度等级为IT6～IT7。

图1 小齿轮件零件图

根据对零件的分析得出小齿轮件的成形工艺方案为：精剪下料一挤压小端一正挤花键-镦粗一反挤齿轮、齿轮孔成形一挤台阶一齿轮部分精整成形，如图2所示。

图2 小齿轮件的成形工艺

2．2坯料形状和尺寸的确定
坯料形状和尺寸对冷挤压件的充填性能和模具寿命影响很大。根据小齿轮件的形状特点，同时为了便于送料以及有利于坯料的定位，故选用圆柱形坯料。毛坯的体积是根据变形前后的体积不变定律计算，经计算确定毛坯直径为12 mm，长度为27mm。
2．3坯料的软化处理
小齿轮件的材料为40Cr，其供应状态强度高、变形抗力大、塑性较差且有加工硬化存在。加工前要对坯料进行充分的软化处理，降低变形抗力，提高塑性，以满足冷挤压成形工艺。退火处理过程如图3所示。经退火处理后，材料硬度达到150～163HBS。

2．4坯料的表面及润滑处理
小齿轮件的冷挤压成形，单位挤压力很大，金属流动剧烈，变形量较大，坯料表面要求良好的表面处理和润滑处理。本工艺采用磷化一皂化处理。

3 模具结构设计及分析
小齿轮件的花键可以采用毛坯正挤压一次成形，其模具结构如图4所示。其中凹模是非常关键的部分，决定了花键的成形质量。为了加强凹模的强度，延长模具的使用寿命，采用二层组合凹模，如图5所示，即下凹模(材料为Crl2MoV，硬度为59～62 HRC)和凹模套(材料为40Cr，硬度为38～40 HRC)热压合成二层结构。由于凹模的齿部精度和表面粗糙度要求较高，故采用慢走丝线切割加工齿部，然后再进行人工抛光，上凹模(材料为45钢，硬度为42一45 HRC)的内孔起定位作用。经过分析可知：在花键成形模具的参数中，入模锥角为40°～50°时，成形力最小；工作带长度在2～4 mm范围内选取合适，如工作带长度太长，材料流动过程中摩擦阻力增大，但如工作带太短，又会造成金属流动不均匀等。凹模入口的收121部分应采用适当的圆角过渡，而键齿部分的圆角从上往下应均匀过渡。

小齿轮件的齿形采用的是反挤压成形，最后对齿形进行精整成形，其模具结构见图6。反挤齿形的凸凹模组件如图7所示，由于坯件上入模的端部有45°倒角，为人模方便，在凸凹模的人模口采用90°的入模锥度；又由于该工序是反挤齿形和挤齿轮孔同时进行，为了保证挤压强度，挤齿工作带长度采用全齿长，并圆角过渡，而齿形的圆角从下往上应由大到小的修磨，最后达到零件图上的齿形要求，这样才能使挤出的齿形更充盈，表面粗糙度达到Ra0.8μm。

4 结论
研究表明，采用冷挤压加工小齿轮件，只要工艺方案和模具设计合理，可以成功地挤出花键键齿和齿轮齿形，提高工件的表面质量，节约材料，缩短辅助时间，从而降低生产成本。冷挤压成形该形式的小齿轮是目前较为理想的一种成形方法。(end)

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Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

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