固態(tài)金屬塑性成形綜合實驗實驗教學教材200667

1、固態(tài)金屬塑性成形綜合實驗教程夏巨諶胡國安 編寫柳玉起華中科技大學材料學院概 述一、設(shè)置材料成形工藝實驗課程的作用與意義材料成形工藝是“材料成形與控制工程”專業(yè)本科的一門重要與必修課程。它包括材料成形工藝教材、課堂教學、實驗教學、電子教案、網(wǎng)絡(luò)課程、習題與試題庫、教學參考書（資料庫）、在線視頻等內(nèi)容。華中科技大學“材控”專業(yè)的培養(yǎng)目的是：培養(yǎng)具備材料成形與控制學科及相關(guān)專業(yè)學科的基礎(chǔ)理論知識與應用能力，能夠在工業(yè)生產(chǎn)第一線從事材料成形工藝、模具及工裝領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)開發(fā)、設(shè)計、制造、應用研究、運營管理等方面工作富有創(chuàng)新精神綜合素質(zhì)高的人才。綜合素質(zhì)高的人才，一是要具有較為扎實的專業(yè)理論基礎(chǔ)和較寬的專

2、業(yè)知識面；二是要具有較強的實踐與動手能力即實際工作能力；三是具有較高的外語和計算機應用水平；四是具有一定的人文素質(zhì)和團隊精神等。實踐與動手能力是當代大學生及至研究生最為缺乏和不足；實驗課和實習則是大學生在學習過程中培養(yǎng)實踐與動手能力的重要環(huán)節(jié)，尤其是實驗課更顯重要。二、實驗教學目標1. 掌握實驗儀器設(shè)備的使用及操作技能和實驗操作方法，培養(yǎng)學生的實踐及動手能力。2. 深化教材和課堂理論知識的理解，促進學生綜合技術(shù)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。三、實驗教學的基本思路1. 實驗教學的內(nèi)容應當與教材及課堂理論教學的內(nèi)容保持一致，相互協(xié)調(diào)呼應，但應將實驗由單純驗證書本理論知識轉(zhuǎn)變?yōu)轵炞C和分析研究相結(jié)全的復合型，

3、即所開實驗應在驗證書本理論的基礎(chǔ)上進行延深，作進一步的分析研究，將理論機制與機理徹底弄清搞懂，看看是否還有值得改進和完善的地方，甚至能發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象與新的解釋。2. 將實驗設(shè)計為課內(nèi)必做實驗和課外選做創(chuàng)新實驗，以課內(nèi)必做實驗為主同課外創(chuàng)新選做實驗相結(jié)合，參加課外選做創(chuàng)新實驗的學生，本著“學有余力，不影響正常教學安排，確有興趣、自愿參加”的原則，避免創(chuàng)新實驗流于形式或走過場，確保參加創(chuàng)新實驗的學生其實際工作能力得到進一步的鍛煉，技術(shù)創(chuàng)新能力受到培養(yǎng)。3. 全部實驗教學內(nèi)容與教材和課堂教學一樣，以工藝及模具為重點，以設(shè)備為輔，使所開的全部單個實驗形成一個有機的完整體系，而不是各自獨立，互不相關(guān)，而應

4、是彼此關(guān)聯(lián)，體現(xiàn)所有實驗的整體綜合性，有利于培養(yǎng)學生成套技術(shù)的完整思維和集成創(chuàng)新的能力。4. 以硬件為主軟硬結(jié)合，即以儀器設(shè)備進行實驗為主，確保學生動手操作；輔以軟件演示材料變形過程及成形機理，演示在實驗室無法實現(xiàn)的現(xiàn)代化材料成形制造業(yè)的典型產(chǎn)品與生產(chǎn)線，擴大學生的知識面，增強學生學習專業(yè)知識的積極性。實驗一: 板料拉伸實驗（2學時）一、實驗理論板料拉伸實驗主要于研究板料金屬的沖壓成形性能，通過觀察和測試得到反映沖壓形成性能的量化指標和數(shù)據(jù)。板料的拉伸試驗如圖1-1所示，采用標準拉伸試樣，通過試驗獲得材料拉伸應力應變曲線。從拉伸曲線中所得到的有關(guān)材料的力學性能指標，可以反映出材料的某些沖壓性能

5、?，F(xiàn)簡要分析如下：1. 均勻伸長率是指試樣拉伸變形開始產(chǎn)生縮頸時的伸長率；是拉伸試驗中試樣破壞時的總伸長率。表示材料產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的塑性變形能力，由于沖壓成形是在穩(wěn)定而均勻地變形之中進行的，因此，材料的可以間接地表示伸長類變形的極限變形程度。越大，則成形極限越大。圖1-1 板料的拉伸實驗a)拉伸試樣 b）拉深曲線2. 屈強比屈強比對于材料沖壓性能是一個極為重要的參數(shù)。塑性成形就是利用材料屈服點與抗拉強度之間的這一段可塑性能而實現(xiàn)的。屈強比越小，說明和之間的距離越寬，材料塑性變形的能力越強；對壓縮類成形，材料不易起皺；對彎曲成形，回彈變形小；對伸長類成形，零件形裝尺寸凍結(jié)性好，工藝穩(wěn)定性高，對沖壓

6、成形很有利。3. 硬化指數(shù)n隨著塑性變形程度的增加，材料的塑性指標降低，強度指標上升，這種現(xiàn)象稱為加工硬化。硬化指數(shù)n值就是評價材料加工硬化性能的參數(shù)，n值增大，能夠提高材料的局部應變能力，使變形均勻化，增大材料極限變形。4. 板厚方向性系數(shù)r板厚方向性系數(shù)r也稱為r值，是指板料試樣拉伸時，寬度方向應變與厚度方向應變之比，所以也稱為塑性應變比。其表達式為：r值越大，厚度方向上不容易變形，對于拉深成形就不易出現(xiàn)起皺。二、實驗目的及內(nèi)容1. 實驗目的：板料拉伸實驗也叫單向拉伸實驗。應用拉伸實驗方法，可以得到許多評定板料沖壓成形性能的實驗數(shù)據(jù)與曲線，為制定板料沖壓成形工藝方案與計算確定工藝參數(shù)提供科

7、學依據(jù)；理解并深化固態(tài)金屬塑性成形中應力與應變關(guān)系這一基本理論；掌握板料拉伸實驗方法。2. 實驗內(nèi)容（1）建立拉伸力F與伸長變形之間的拉伸曲線；（2）建立名義應力與伸長之間的名義應力拉伸曲線；（3）測試并計算屈服點，抗拉強度，屈強比，均勻拉伸率、硬化指數(shù)和各向異性系數(shù)；三、實驗儀器 設(shè)備及試樣1. 儀器設(shè)備Y32-150型數(shù)控拉伸液壓試驗機，游標卡尺，鋼皮直尺等。2. 試樣（圖1-1a）試樣材質(zhì)為08拉伸鋼板，按GB/T228-1987標準制作，每小組1件。四、實驗方法和步驟1. 按圖1-1a所示測量全部尺寸，尺寸精度精確到小數(shù)后面兩位數(shù)；2. 現(xiàn)場熟悉數(shù)控拉伸液壓試驗機的操作程序，空載運行到

8、正確操作為止。3. 將試樣裝夾在試驗機的上、下夾頭上，反復檢查是否夾緊；4. 開動實驗機進行拉伸實驗，觀察試樣的變形過程及在拉伸過程中分別測量變形量10%和拉斷后的載荷值（F1、F2）和試件的長度（L1、L2）；5. 由指導教師組織現(xiàn)場討論。五、實驗報告（1）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，描繪拉伸力F與拉伸變形之間的拉伸曲線；（2）以實驗的數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過計算得到名義應力和值，并描繪名義應力與伸長之間的名義應力應變曲線；（3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算屈服點的屈服應力，抗拉強度，屈強比，均勻伸長率、硬化指數(shù)n和板厚方向系數(shù)r。（4）試說明用于生產(chǎn)汽車覆蓋件的板材，應具備何種沖壓成形性能。實驗二 板料沖裁拉深成形工藝實驗

9、（2學時）一、實驗理論1. 沖裁的基本理論沖裁是利用模具使材料分離的一種沖壓工序，它主要是指落料和沖孔工序。沖裁既可以加工出成品零件，又可以為其它成形工序制備毛坯。沖裁加工之后，材料分成兩個部分，即沖孔和落料，沖孔是指在板料或者工件上沖出所需形狀的孔，沖去的為廢料，而落料是指從板料上沖下所需形狀的零件或者毛坯。圖2-1所示墊圈零件，制取外形22mm的沖裁工序稱為落料，制取內(nèi)孔10.5mm的沖裁工序稱為沖孔。本實驗僅做普通沖裁。圖2-1 墊圈（1）.沖裁過程的分析普通沖裁過程大致可以分成三個階段，如圖2-2所示。圖2-2 沖裁過程1).彈性變形階段 凸模與材料接觸后，使材料壓縮并產(chǎn)生拉伸和彎曲彈

10、性變形，此時，材料內(nèi)應力沒有超過材料的彈性極限。若卸去載荷，材料則恢復原狀。2).塑性變形階段 當凸模繼續(xù)下壓，材料內(nèi)部的應力值達到屈服強度時開始產(chǎn)生塑性流動、剪切變形，同時還伴隨有金屬的拉抻和彎曲。隨著凸模擠入材料的深度增大，塑性變形程度逐漸增大，變形區(qū)材料硬化加劇，直到刃口附近的材料內(nèi)應力達到材料強度極限，沖裁力達到最大值，村料出現(xiàn)裂紋，開始破壞，塑性變形階段結(jié)束。3).斷裂分離階段 隨著凸模繼續(xù)壓入材料，已經(jīng)出現(xiàn)的上、下裂紋逐漸向金屬內(nèi)層擴展延伸，當裂紋相遇重合時，材料即被剪斷完成分離過程。圖2-3為沖裁時剪切區(qū)受力狀態(tài)圖。圖中F1、F2分別是凸、凹模對板料的垂直作用力；F3、F4分別是

11、凸、凹模對板料的側(cè)壓力；µF1、µF2為凸、凹模端面作用于板料的摩擦力；µF3、µF4為凸、凹模側(cè)面作用于板料的摩擦力。其中摩擦力µF1和µF2隨凸、凹模間隙值大小的不同而方向發(fā)生改變。圖2-3 沖裁受力狀態(tài)1凸模2板料3凹模從受力情況分析，側(cè)向壓力F3、F4一定小于垂直壓力F1、F2；而在壓力小的地方裂紋更容易產(chǎn)生和擴展。因此，沖裁分離時的初始裂紋是從模具刃口側(cè)面產(chǎn)生的，隨之上、下微裂紋迅速擴展延伸并相遇而完成分離。(2). 沖裁件質(zhì)量沖裁件質(zhì)量主要是指切斷面質(zhì)量、表面質(zhì)量、形狀誤差和尺寸精度。對于沖裁工序而言，沖裁件切斷面質(zhì)量往往

12、是關(guān)系到工序成功與否的重要因素。從圖2-4中能夠看到，沖裁件切斷面可以明顯地區(qū)分為四個部分：1）光亮帶；2）斷裂帶；3）圓角；4）毛刺。 圖2-4 沖裁件切斷面特征a）落料件b）沖孔件1).光亮帶的形成，是在沖裁過程中，模具刃口切入材料后，村料與模具刃口側(cè)面擠壓而產(chǎn)生塑性變形的結(jié)果。光亮帶部分由于具有擠壓特征，表面光潔垂直，是沖裁件切斷面上精度最高、質(zhì)量最好的部分。光亮帶所占比例通常是沖裁件斷面厚度的1/2 1/3。2）斷裂帶是在沖裁過程的最后階段，材料剪斷分離時形成的區(qū)域，是模具刃口附近裂紋在拉應力作用下不斷擴展而形成的撕裂面。斷裂帶表面粗糙并略帶斜角，不與板平面垂直。3）圓角形成的原因當模

13、具壓入材料時，刃口附近的材料被牽連變形的結(jié)果，材料塑性越好，則圓角帶越大。4）切斷面上的毛刺是在沖裁過程中出現(xiàn)微裂紋時形成的。隨后已形成的毛刺被拉長，并殘留在沖裁件上。沖裁件切斷面和表面質(zhì)量的影響因素很多，切斷面上的光亮帶、斷裂帶、圓角、毛刺等四個部分，各自所占斷面厚度的比例也是隨著制件材料、模具和設(shè)備等各種沖裁條件不同而變化的。2. 拉深的基本理論將毛坯通過模具制成開口空心零件的沖壓工藝方法稱為拉深，也可以稱為拉延。拉深工序可以制成圓筒形、盒形、錐形、球形、階梯形以及形狀復雜的覆蓋零件。拉深工序加工的零件尺寸范圍大，應用也非常廣泛。下面主要以具有典型意義的圓筒件拉深進行變形分析和工藝計算。（

14、1）圓筒形件拉深變形與力學分析將直徑為D0的毛坯逐步拉深成為具有直徑d、高度h的零件，在拉深過程中，根據(jù)拉深毛坯的不同狀態(tài)可以分為三大部分：凸緣部分是變形區(qū)，直壁部分是傳力區(qū)（或稱已變形區(qū)），而筒底部分是不變形區(qū)（圖2-5）。通過對毛坯三大部分進行應力應變分析，又可以進一步分為：凸緣變形區(qū)1、凹模圓角變形區(qū)2、直壁傳力區(qū)3、凸模圓角傳力區(qū)4和筒底不變形區(qū)5。圖2-5顯示了各個部位的應力應變狀態(tài)。 圖2-5 拉深過程應力與應變狀態(tài)圓筒形件拉深時，毛坯的凸緣變形區(qū)切向受壓應力，徑向受拉應力（圖2-6）。當厚度方向的應力忽略不計時，可以利用平衡微分方程和塑性方程求解出凸緣變形區(qū)的切向應力和徑向應力。

15、 圖2-6 圓筒形件拉深時的應力分析1).無壓邊圈的拉深 在拉深毛坯邊緣取一扇形微分體（圖9-25），在拉深過程的任意瞬間，微分體處于平衡狀態(tài)，其徑向合力為零：簡化上述并略去高階項，利用最大剪應力塑性條件（）和邊界條件，得到凸緣變形區(qū)徑向拉應力和切向應力為：，根據(jù)此式獲得凸緣變形區(qū)應力分布規(guī)律，如圖2-5所示。從圖中的徑向拉應力與切向壓應力的分布曲線可以看到，在變形區(qū)內(nèi)的大部分區(qū)域，切向壓應力的絕對值都大于徑向拉應力，即變形區(qū)的主要變形方式是壓縮變形。這說明圓筒形件拉深時的主要變形區(qū)為壓縮類成形。切向壓應力在毛坯變形區(qū)外邊緣達到最大值，即：徑向拉應力在毛坯變形區(qū)內(nèi)邊緣處達到最大值：從圖2-6中

16、應力分布曲線可以看到，當切向壓應力和徑向拉應力的絕對值相等時，即令時，則可以求“等應力圓”的位置。當時，。當時，。從以上分析也可以得出初步的結(jié)論：圓筒形件拉深時，靠近凹模圓角處的毛坯，其主應變?yōu)閺较蚴芾瓚儯辶嫌凶儽‖F(xiàn)象，而靠近毛坯外邊緣部分的最大應變?yōu)閴嚎s應變，板料略有增厚。2).有壓邊圈的拉深 當使用壓邊圈進行拉深時，圓筒直壁傳力區(qū)所受拉應力除了凸緣變形所需的應力之外，還包括由壓邊力FQ在凸緣變形區(qū)表面產(chǎn)生的摩擦阻力、毛坯通過凹模圓角時產(chǎn)生彎曲、校直變形的應力和摩擦阻力。當包角時，得到圓筒直壁傳力區(qū)承受的最大總壓力為：拉深力的理論計算公式為：式中，d為圓筒形件直徑；t為毛坯厚度；

17、1;為摩擦系數(shù)；rd為凹模圓角半徑。拉深力的大小主要與材料性能、零件和毛坯尺寸、凹模圓角半徑以及潤滑條件等有關(guān)。上述關(guān)于拉深力的理論推導給拉深成形分析、工藝計算提供了很好的方法和理論性依據(jù)。但是對于實際應用，理論公式計算起來并不方便，拉深力通常采用以下經(jīng)驗公式進行計算：第一次拉深力：第二次及以后各次拉深力： （i=2，3，n）式中，d1為第一次拉深后零件直徑；di為第i次拉深后零件直徑；Fi為第i次拉深力；為材料強度極限；K1，K2為系數(shù)，可查手冊或有關(guān)資料。（2）圓筒形件拉深工藝1）.拉深系數(shù)和拉深次數(shù)每次拉深后圓筒形件的直徑與拉深前毛坯直徑之比稱為拉深系數(shù)m。通常用下式表示：式中，d為拉深

18、后的圓筒件直徑；D為毛坯直徑。拉深系數(shù)可以用于反映圓筒形件拉深的變形程度。從上式中可以看出，拉深系數(shù)越小，其拉深變形程度大。生產(chǎn)中也用拉深系數(shù)的倒數(shù)，即拉深比來表示拉深變形程度：對于每一種材料，其塑性變形程度都會有一定的極限，因而每一種材料的拉深系數(shù)也必然會有一個最小界限值。這個拉深系數(shù)的最小界限值在拉深工藝中稱為極限拉深系數(shù)。當成形零件的拉深系數(shù)小于材料許用的第一次極限拉深系數(shù)時，就需要進行多次拉才能完成零件成形。對于需要多次拉深的零件，其每次的拉深系數(shù)為：第一次拉深時：以后各次拉深時：式中，D為毛坯直徑；dn為零件直徑；d1、d2、d3、，dn-1為各次成品直徑。因為零件的拉深系數(shù)為：所以

19、零件拉深系數(shù)與每次拉深系數(shù)的關(guān)系為：材料的許用極限拉深系數(shù)可以查手冊或有關(guān)資料，通過上式可以推算出該零件所需要的拉深次數(shù)和中間拉深毛坯的尺寸。影響材料的許用極限拉深系數(shù)的因素很多，在進行拉深工藝設(shè)計和實際沖壓生產(chǎn)中，充分利用各種有利因素，采取有效措施提高拉深毛坯傳力區(qū)強度和承載能力，降低變形區(qū)變形所需的變形力，使變形區(qū)成為容易產(chǎn)生塑性變形的區(qū)域，是降低每次極限拉深系數(shù)，減小拉深次數(shù)，保證成功實現(xiàn)拉深成形的關(guān)鍵。2). 拉深件展開毛坯尺寸的確定圓筒形拉深件采用圓形毛坯進行拉深。為了簡化毛坯計算，可以忽略拉深過程中板料厚度的變化。根據(jù)金屬塑性變形體積不變條件，拉深毛坯尺寸直接按拉深前后毛坯和拉深前

20、后毛坯和拉深零件面積相等的原則進行計算。 圖2-7 圓筒形件拉深毛坯計算按照上述原則，先將拉深零件分為若干個簡單幾何體（圖2-7），再將幾何體面積計算后相加，可以得出拉深零件的總面積，然后計算毛坯尺寸：即分別計算圖2-7所示零件面積：將三部分面積代入前式，得：式中，d為圓筒件外徑；R為圓筒件底部內(nèi)面圓角半徑；H為直壁高度，實際計算時要增加修邊余量，可查手冊或資料。二、實驗目的及內(nèi)容1、實驗目的（1）學習并掌握板料沖裁與拉深成形工藝實驗的操作方法；（2）建立沖裁與拉深等主要板料沖壓成形工藝的感性認識，深化板料沖裁與拉深成形規(guī)律與機理的理解；（3）基于掌握沖裁與拉深成形工藝參數(shù)（毛坯展開、成形力等

21、）的計算方法。2、實驗內(nèi)容（1）完成薄壁圓筒試件毛坯展開及沖壓工藝參數(shù)計算（2）完成落料與拉伸兩個單工序沖壓成形工藝實驗（3）完成落料與拉伸復合沖壓成形工藝實驗（4）精密沖裁實驗（動畫演示）三、實驗儀器設(shè)備及試樣1、儀器設(shè)備Y32-250數(shù)控液壓沖床1臺，Y32-250液壓沖床2臺、游標卡尺、鋼皮直尺等。2、試樣坯料：08鋼板條料，厚度t=0.5mm，寬度b=65mm試樣：如圖2-8所示。 圖2-8 a 毛坯的直徑 b 圓筒件試樣四、實驗方法和步驟1、測量坯料尺寸，由圖2-8b所示圓筒件試樣，計算展開毛坯的直徑D（圖2-8a）和沖裁力F沖與拉深成形力；2、熟悉模具及沖床的操作程序；3、完成落料

22、（沖裁）與拉深兩個單工序沖壓成形工藝實驗；（1）計算圖2-8b所示圓筒件展開毛坯的直徑D，根據(jù)計算出的D的數(shù)值和板厚t=0.5mm，確定毛坯的兩側(cè)及前后的搭邊寬度a與b，計算圓筒件的拉深系數(shù)m，計算落料沖裁力F1和拉深成形力F2。（2）觀察落料毛坯的斷口情況，分析落料剪切過程及剪切機理、影響剪切斷面質(zhì)量的主要因素（3）觀察圓筒件拉深成形過程，分析圓筒工件分為哪幾個變形區(qū)及每個變形區(qū)的應力與應變狀態(tài)。選做部分：轎車零精密模鍛工藝及模具一、實驗目的1、進一步學習精密模鍛特別是閉式（無飛邊）精密模鍛的基本理論，了解并掌握精密模鍛工藝的特點，閉式模鍛時金屬的流動規(guī)律，成形力的計算及相關(guān)工藝參數(shù)的確定；

23、2、進一步學習并基本掌握精密模鍛的關(guān)鍵技術(shù)，如閉式模鍛中分流降壓技術(shù)的應用，在模膛設(shè)計中如何考慮各種因素對鍛件尺寸精度的影響及其控制方法；3、進一步學習和了解精密模鍛模具的種類及特點，基本掌握可分凹模具的設(shè)計要點?？傊褐嘏囵B(yǎng)工藝分析與計算、模具設(shè)計和動手實驗的能力，達到提高創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目的。二、實驗內(nèi)容（1）安全氣囊氣體發(fā)生器的壓蓋、殼體及類似的多層薄壁圓筒類鋁合金零件的熱擠壓；（2）轎車無噪聲空調(diào)壓縮機活塞筒、活塞尾、斜盤及配氣接頭等零件的熱精鍛；（3）轎車圓錐齒輪閉式冷精鍛；（4）管接頭多向精密模鍛等。三、實驗設(shè)備Y28-400/400型數(shù)控雙動液壓機；高速帶鋸床；高溫加熱爐；通用模

24、架（多副）；計算機與CAD及CAE軟件；溫度、壓力及位移測量儀器等。四、實驗方法1、將愿意參加本實驗的學生分為2-3人一組，由學生在上述零件（教師提供零件圖）中選擇一個作為實驗研究的樣件；2、閱讀教材及國內(nèi)外相關(guān)文獻資料，提出精密模鍛工藝及模具實驗技術(shù)方案，并同指導教師包括參與指導的研究生討論達成共識，技術(shù)方案應具有獨到之處，即要有特色和一定的創(chuàng)新；3、選擇一副通用模架，設(shè)計凸凹模鑲塊并由與課題組協(xié)作的校內(nèi)加工點進行加工，或選擇現(xiàn)有凸凹模鑲塊改制，加工完成后進行裝配與調(diào)試；4、工藝與模具試驗，一般用鉛或純鋁作試件材料，以免加熱時間過長而影響進展。五、實驗報告以論文的格式來撰寫，其內(nèi)容主要包括論

25、文題目及主要研究內(nèi)容、技術(shù)方案即工藝與模具方案，技術(shù)路線即實驗方法與過程、實驗結(jié)果及分析、創(chuàng)新點等。篇幅為30005000字。實驗三 沖壓裝備及自動化實驗一、實驗理論1. 沖模的基本形式與主要零件（1）沖模的基本形式?jīng)_模的種類和結(jié)構(gòu)形式多種多樣，通?？梢园凑詹煌奶卣鬟M行分類：按工藝性質(zhì)分為沖裁模、彎曲模、拉深模、脹形模、翻邊模等。按工序的復合程度分為單一工序的簡單模、多工序的連續(xù)模和復合模。按自動化程度分為手動模、半自動模、自動模。按導向方式分為無導向開式模、導板模、導柱模、導筒模。按卸料裝置分為剛性卸料模、彈性卸料模。按節(jié)制進料的方法分為定位銷式、擋料銷式、鍘刃式。按工序的復合程度對模具進

26、行分類，使模具結(jié)構(gòu)類型清晰、特征明顯，規(guī)律性比較統(tǒng)一，適合于對模具結(jié)構(gòu)和模具設(shè)計、制造、應用為目的的研究。1）.簡單模模具在一次沖程中，只完成一道工序，稱為簡單模或單工序模。圖3-1是導式板式簡單沖裁模，凸模1和凹模3在沖裁過程中依靠導板2進行滑動導向，導板2兼卸料板。工作時，凸模始終不脫離導板，以保證模具導向精度。導板模比無導向模導向精度高，模具壽命長，但制造比較復雜，一般適用于形狀簡單、尺寸不大的沖裁件。 圖3-1 導板式簡單沖裁模1凸模2導板3凹模圖3-2是導柱式簡單沖裁模。模具上下兩部分利用導柱1和導套2進行滑動導向。這種模具輪廓尺寸大，制造工藝復雜，但導向可靠、導向精度高，模具壽命長

27、，適合于大量和成批的沖件生產(chǎn)。 圖3-2 導柱式簡單沖裁模1導柱2導套3檔料銷2).復合模模具在一次沖程中，在模具同一位置上同時完成兩道以上的工序，稱為復合模。圖3-3是沖制墊圈零件的復合模，墊圈零件的沖孔、落料兩道工序在模具的同一位置一次即可完成。如果采用簡單模進行沖裁則需要兩套模具。復合模結(jié)構(gòu)上的特點是有凸凹模零件。在沖壓過程中，凸凹模在兩道工序中分別起到凸模和凹模的作用（圖3-3中零件15）。復合模結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高。但是，沖件的精度好，生產(chǎn)效率高，適合于大批量沖壓生產(chǎn)。 圖3-3 復合模1上模座2導套3凹模4凸模固定板5螺栓6銷釘7模柄8打桿9打板10沖頭11打件桿12打件塊13墊板

28、14導料銷15凸凹模16檔料銷17拉桿彈簧18托板19導柱20下模座3).連續(xù)模模具在一次沖程中，在模具不同位置，同時完成兩道以上的工序，稱為連續(xù)?；蚣夁M模，也可以稱為跳步模、步進模（圖3-4）。連續(xù)模可以集幾十道工序于一體，與簡單模和復合模相比可以減少模具和設(shè)備數(shù)量，生產(chǎn)效率最高，而且容易實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。但是，制造難度高，成本高。用連續(xù)模沖制零件，必須解決條料的準確定位問題，這樣才有可能保證制件的質(zhì)量。典型連續(xù)模的結(jié)構(gòu)形式按定位方式區(qū)分，主要有：固定擋料銷及導正銷的連續(xù)模，有側(cè)刃的連續(xù)模以及有自動擋料的連續(xù)模。在沖壓生產(chǎn)中，連續(xù)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計是相當廣泛的，并且連續(xù)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù)的發(fā)展也

29、相當迅速。如將裝配工序引入連續(xù)模之中，使沖壓工序與裝配工序合于一模，通過連續(xù)模去直接完成沖壓與裝配。這種類型的模具被應用于生產(chǎn)，擴充了沖壓的概念，擴大了沖模的功能，也擴展了沖壓技術(shù)的應用領(lǐng)域。 圖3-4 連續(xù)模（2）.沖模的主要零件組成沖模的主要零件，根據(jù)其功用可以分為兩大類：1）工藝結(jié)構(gòu)零件 這類零件直接參與完成工藝過程，并且與毛坯直接發(fā)生作用。主要包括工作零件、定位零件和卸料推件零件。2）輔助結(jié)構(gòu)零件 這類零件不直接參與完成工藝過程，也不與毛坯直接作用，只是對完成工藝過程起輔助作用，使模具的功能更加完善。主要包括導向零件、聯(lián)接固定零件和緊固及其它零件。沖模零件的詳細分類見表3-1。表3-1

30、 沖模主要零件分類工 藝 結(jié) 構(gòu) 部 分輔 助 結(jié) 構(gòu) 部 分工作零件定位零件壓料、卸料及出件零件導向零件固定零件緊固及其它零件凸模擋料銷和導正銷卸料板導柱上、下模座螺釘凹模導料板壓邊圈導套模柄銷釘凸凹模定位銷、定位板側(cè)壓板側(cè)刃頂件器推件器導板導筒凸、凹模固定板墊板限制器鍵其它2. Y32-250數(shù)控液壓沖床工作原理二、實驗目的和內(nèi)容1. 實驗目的基本掌握沖壓模具的基本類型、結(jié)構(gòu)和功能，了解液壓沖床的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，熟悉模具與壓力機的裝配關(guān)系。2. 實驗內(nèi)容（1） 了解沖模的基本類型，特點及作用；（2） 了解構(gòu)成沖模的主要零件及這些零件的作用與相互裝配關(guān)系。（3） 了解液壓沖床的基本結(jié)構(gòu)、

31、工作原理及數(shù)控面板上的功能顯示；（4） 掌握模具與沖床的安裝，調(diào)整及操作要領(lǐng)。（5） 觀看模鍛和沖壓自動化生產(chǎn)現(xiàn)場錄像三、實驗儀器設(shè)備及試樣1. 儀器設(shè)備Y32-250數(shù)控液壓沖床，Y32-250液壓沖床、內(nèi)六角板手、趣子、手錘、銅棒等。2. 試樣沖裁（落料）模、拉深模、落料拉深復合模。四、實驗方法和步驟1. 對照液壓沖床了解其基本結(jié)構(gòu)及工作原理；2. 將沖模（每個學生一副）拆卸成單個零件，了解每一個零件的名稱及作用；3. 將零件裝配成模具，進一步了解模具的整體結(jié)構(gòu) ；4. 將模具安裝在液壓沖床上，掌握模具的輪廓尺寸同沖床的裝?？臻g關(guān)系及安裝要領(lǐng)；5. 開動液壓沖床，觀察并掌握模具和沖床實現(xiàn)沖

32、壓工藝動作的工作原理、熟悉數(shù)控面板上的功能顯示，6. 觀看模鍛和沖壓自動化生產(chǎn)現(xiàn)場錄像。五、實驗報告1. 敘述幾副實驗用沖模的類型、畫出落料模筒圖并說明各部分包括的零件及其作用；2. 簡述模具在液壓沖床上的安裝過程及注意事項。3. 說明壓力機的閉合高度和模具的閉合高度的含義以及兩個閉合高度之間的關(guān)系。4. 試說明自動化生產(chǎn)的優(yōu)點和適用范圍。實驗四： 固態(tài)金屬塑性成形過程數(shù)值模擬（研究型）一、 實驗理論二、實驗目的和內(nèi)容(1).實驗目的：深化理解固態(tài)金屬塑性成形數(shù)值模擬的基本概念、內(nèi)涵及作用；基本掌握一種數(shù)值模擬軟件的使用方法和步驟；了解數(shù)值模擬結(jié)果分析及同物理模擬的比較方法。(2)實驗內(nèi)容：1

33、):完成實驗二中薄壁圓筒件展開毛坯的優(yōu)化設(shè)計2).完成實驗二中薄壁圓筒件拉深成形過程的有限元模擬3).采用不同直徑的金屬板坯進行實驗二中薄壁圓筒件的拉深工藝實驗（即物理模擬）4).將有限元模擬結(jié)果同工藝實驗結(jié)果進行分析對比5).汽車覆蓋件及大型汽車鍛件有限元模擬動態(tài)演示三、實驗方法和步驟1 前處理數(shù)據(jù)準備11.1 模型導入11.2 創(chuàng)建分析模型21.2.1 創(chuàng)建凹模網(wǎng)格模型31.2.2 創(chuàng)建板料網(wǎng)格模型41.2.3 定義板料材料71.2.4 創(chuàng)建壓邊圈網(wǎng)格和沖頭網(wǎng)格模型81.2.5 自動計算壓邊力101.2.6 自動裝配模具112 沖壓成形過程求解122.1 保存分析模型和系統(tǒng)模型132.2

34、啟動求解器計算143 計算結(jié)果顯示和自動分析報告153.1 打開計算結(jié)果文件153.2 隱藏模型163.3 播放方式163.3 單元信息和節(jié)點信息顯示與查詢173.3.1 顯示與查詢主要功能173.3.2 物理量顯示173.3.3 物理量查詢203.3.4 截面物理量顯示203.4自動分析報告21 FASTAMP軟件增量法的一般操作過程主要分3個過程：1 前處理數(shù)據(jù)準備過程；2 沖壓成形求解過程；3 后處理計算結(jié)果顯示和查詢，自動分析報告輸出。第1章 1 前處理數(shù)據(jù)準備1.1 模型導入FASTAMP軟件可以導入標準的Iges和VDA曲面模型（*.igs和*.VDA），也可以導入Nastran格

35、式的網(wǎng)格模型（*.nas）。v 雙擊啟動FASTAMP軟件，導入圓筒件的Iges工藝數(shù)模。導入曲面模型可以通過快捷圖標，也可以通過下拉菜單中導入，如圖1所示。 圖1 導入工藝數(shù)模v 選擇需要導入的cylinder.igs曲面模型，如圖2所示。除了igs曲面模型之外，F(xiàn)ASTAMP還可以導入VDA曲面模型和Nastran網(wǎng)格模型，用戶可以根據(jù)需要選擇不同的文件格式。圖2 選擇導入文件名v 導入的圓筒件工藝數(shù)模型和毛坯輪廓線（黃色線），如圖3所示。圖3 圓筒件工藝數(shù)模型和毛坯輪廓線1.2 創(chuàng)建分析模型應用FASTAMP軟件增量法時，可以通過導入的工藝數(shù)模和毛坯輪廓線創(chuàng)建增量法分析模型，包括模具網(wǎng)格

36、剖分、毛坯網(wǎng)格剖分、模具裝配等。v 單擊增量法快速設(shè)置圖標（），打開增量法分析模型快速設(shè)置對話框，如圖4所示。圖4 分析模型快速設(shè)置對話框1.2.1 創(chuàng)建凹模網(wǎng)格模型v 首先創(chuàng)建凹模網(wǎng)格模型（），選擇創(chuàng)建凹模網(wǎng)格模型，如圖5所示。成形模擬時要求工具網(wǎng)格模型進行接觸判斷，因此要將曲面模型劃分成網(wǎng)格模型。圖5 創(chuàng)建凹模網(wǎng)格模型v 拾取需要劃分網(wǎng)格的曲面，選擇拾取曲面，如圖6所示。M FASTAMP中還提供了很多曲面拾取方法。可選擇其它方法拾取曲面，按部件選?。?或 ），鼠標選?。ǎ娇蜻x?。ǎ?，任意邊框選取（）。圖6 選擇需要劃分網(wǎng)格的曲面v 劃分工具網(wǎng)格（），按默認網(wǎng)格劃分尺寸劃分工具網(wǎng)格，如

37、圖7所示。圖7 劃分工具網(wǎng)格v 接受所劃分的工具網(wǎng)格（）， 工具網(wǎng)格劃分對話框，如圖8所示。M 如果劃分的工具網(wǎng)格不滿意，可以不接受（），改變網(wǎng)格劃分尺寸重新劃分。劃分工具網(wǎng)格的標準是網(wǎng)格模型要忠于曲面模型，特別是圓角過渡的區(qū)域必須通過一定數(shù)量的網(wǎng)格過渡，保證網(wǎng)格過渡要比較光滑。但是也不是網(wǎng)格數(shù)量越多越好，如果網(wǎng)格數(shù)量越多，就會造成沖壓成形求解過程的計算量越大，因此在保證工具網(wǎng)格模型要忠于曲面模型基礎(chǔ)上，網(wǎng)格的數(shù)量越少越好。圖8 接受所劃分的工具網(wǎng)格1.2.2 創(chuàng)建板料網(wǎng)格模型v 創(chuàng)建完成凹模之后，下一步創(chuàng)建板料（）。由于沖壓成形計算時需要板料的網(wǎng)格模型，因此選擇，如圖9所示。通過導入的板料的

38、外輪廓線創(chuàng)建板料網(wǎng)格模型，即選擇。M 創(chuàng)建凹模和創(chuàng)建板料沒有先后順序要求，但是它們必須要首先創(chuàng)建。 圖9 選擇曲線劃分板料網(wǎng)格v 單擊，拾?。ǎ┌辶系耐廨喞€，如圖10所示。圖10 拾取板料外輪廓線v 修改工具圓角半徑為1.0（），劃分網(wǎng)格（），如圖11所示。M 工具圓角半徑要根據(jù)不同模型的圓角半徑確定，一般為模型的最小有效圓角半徑。有效圓角半徑是指會影響零件成形性的區(qū)域圓角半徑。選擇圓角半徑越小，劃分的板料網(wǎng)格數(shù)量越多，成形過程的計算量越大。相反圓角半徑越大，板料網(wǎng)格數(shù)量越少，計算量越小，而計算精度越差。因此實際選擇圓角半徑時還要考慮計算量和計算精度兩個方面。圖11 劃分板料網(wǎng)格v 如果網(wǎng)格

39、數(shù)量和質(zhì)量滿足要求就所劃分的板料網(wǎng)格，如圖12所示。如果不接受所劃分的網(wǎng)格就。重新選擇工具圓角半徑再劃分。圖12 劃分板料網(wǎng)格1.2.3 定義板料材料v 定義板料的材料（），如圖13所示，從材料庫選擇材料（）。 圖13 定義板料材料v 從材料列表中選擇08ALF（），如圖14所示，修改材料厚度為0.5mm（），退出定義板料定義對話框。 圖14 選擇材料庫文件1.2.4 創(chuàng)建壓邊圈網(wǎng)格和沖頭網(wǎng)格模型v 創(chuàng)建壓邊圈模型（）。如圖15所示，選擇偏置生成壓邊圈模型（），選擇擴展拾取單元方法（），然后用鼠標左鍵單擊凹模網(wǎng)格中對應壓邊圈部分的任意一個單元就可以一次擴展選取所有壓邊圈單元。M 擴展選擇是根據(jù)

40、單元間法向量夾角大小選取的，擴展角度默認為6度，用戶可以手動調(diào)整。 圖15 偏移創(chuàng)建壓邊圈模型v 工具偏置創(chuàng)建壓邊圈模型，如圖16所示，自動偏置創(chuàng)建沖頭模型（），接受當前壓邊圈偏置結(jié)果（）。 圖16 創(chuàng)建壓邊圈模型和自動創(chuàng)建沖頭模型v 接受當前沖頭模型偏置結(jié)果（），完成創(chuàng)建壓邊圈和沖頭模型，如圖17所示，關(guān)閉偏置創(chuàng)建工具對話框（）。v 完成板料和模具模型創(chuàng)建，包括、網(wǎng)格模型。 圖17 創(chuàng)建沖頭模型1.2.5 自動計算壓邊力v 自動計算壓邊力大小（）。如圖18所示，在中可以設(shè)置壓邊圈的單位壓力（），默認值為2.0MPa，具體大小要根據(jù)實際工藝情況確定。 圖18 自動計算壓邊力1.2.6 自動裝配

41、模具v 選擇壓機類型為單動壓機（），如圖19所示，按單動壓機自動裝配模具（）。FASTAMP軟件會自動計算凹模行程（）和壓邊圈行程（）。M 成形速度默認為6000.0mm/s（），用戶可以根據(jù)實際計算需要修改。M 一般實際壓機的成形速度為300mm/s500mm/s，但是在動力顯式算法中，成形速度與求解速度成正比。如果按實際壓機速度計算，計算時間會很長，因此動力顯式算法中推薦成形速度為4000.0mm/s8000.0mm/s，這樣對計算精度影響不大。如果計算硬件條件允許的話，可以適當減小成形速度計算，可以得到更準確的計算結(jié)果。M 摩擦系數(shù)設(shè)置在高級參數(shù)（）中，如圖18所示，凹模、沖頭和壓邊圈的

42、默認值分別為，用戶可以根據(jù)實際工藝情況修改。M 板料網(wǎng)格自適應加密在高級參數(shù)（）中，如圖18所示，默認值為2。M 壓機類型還提供了雙動壓機（）和三動壓機（）。M 成形方向是正Z向（）或-Z向（），F(xiàn)ASTAMP自動裝配時會自動確定。圖19 單動壓機模具自動裝配v 完成單動壓機模具裝配，隱藏曲面模型（）和曲線模型（），只顯示網(wǎng)格模型（），如圖20所示。圖20 自動裝配后的模具網(wǎng)格模型第2章 2 沖壓成形過程求解創(chuàng)建完成分析模型之后就可以直接計算求解了，求解過程需要一定的求解時間，根據(jù)計算模型大小，計算機硬件條件的不同，求解時間也不會不同。v 完成模型后，如果分析模型自動裝配正確就可點擊直接求解計算了，如圖21所示。圖21 提交計算2.1 保存分析模型和系統(tǒng)模型v 啟動求解器之前，F(xiàn)ASTAMP軟件會自動要求保存前面所完成的分析模型和系統(tǒng)模型。這個文件是FASTAMP軟件的系統(tǒng)專用文件，文件后綴是*.fpj。如圖22所示，保存分析模型為cylinder.fpj。M 推薦在創(chuàng)建分析模型過程中保存FASTAMP系統(tǒng)專用文件，以免意外情況丟掉所完成的工作。M *.fpj文件包括所有模型和參數(shù)設(shè)置，包括曲線、曲線