影响U形件成形表面质量的凹模圆角半径和模具间隙的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.06MB 63 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 引言
随着科学技术的进步和社会的发展,人们对机械产品的性能和质量都提出了越
来越高的要求，期望以低廉的价格获取功能齐全、性能良好，使用可靠的产品。
这就促使企业在激烈的市场竞争中不断的创新和进取，提高产品的自身质量，以
获取市场和利润，确保企业的生存和发展[1]。
产品的质量是反映产品满足用户期望功能的程度，是评价产品优劣的重要指
标，而产品的质量取决于零件加工和装配质量。零件的质量是指由毛坯的一系列
加工变形方法获得的零件在尺寸、形状和表面等方面与零件设计技术要求相符合
的程度。对于零件的机械加工质量，是由加工精度和表面质量两个方面来评价。
其中加工精度的评价指标为各加工表面的尺寸精度；各加工表面的几何形状精度
及各加工表面间相互位置精度，表达了对零件宏观方面参数的要求；表面质量表
达了零件表面的微观几何特征和物理力学性能的要求。
零件表面质量是评价零件质量的一个重要指标，它对零件的使用性能有很大
的影响。按形成方法分为两大类：一类是毛坯表面。它的尺寸、形状和性能是在
毛坯制造过程中形成，不经过任何机械加工便可以达到设计图样的要求。它的表
面质量由相应的毛坯制造方法所决定，由相应的毛坯制造标准来评价。另一类是
机械加工表面。它是通过机械加工或其它加工方法改变毛坯表面的尺寸、形状和
性能，使其达到设计图样的要求。它的表面质量是指加工中形成的很薄表面层的
质量，而所获得的零件表面层几何的、物理的、化学的或其他工程性能的状况，
与加工方法和工艺参数有密切关系。所以在研究机械加工表面质量时，必须对表
面层的特性及影响因素进行研究，进而根据表面层的特性提出相应的表面质量评
价内容。
任何机械加工所获得的零件表面层状况，不可能是完全理想的表面，总存在
一定微观几何形状偏差，其表面层材料在加工力和加工热的影响下，也会使原有
的物理力学性能发生变化。为此，在机械加工中用“表面质量”来评价由一种或
几种处理加工方法获得的零件表面层几何的、物理的、化学的或其他工程性能的
状况与零件技术要求的符合程度。所表达的主要内容分为以下两个方面[2]：一是加
工表面的几何特征：如粗糙度、加工表面缺陷等；一是加工表面层材料的性能：
如反映表面层的塑性变形、加工硬化、表面层的残余应力及表面层的金相组织变
化等方面的物理力学性能，反映表面锈蚀、光学性能等方面要求的其它特殊性能
要求。
§1.1.1 表面质量对使用性能的影响
表面质量虽然只反映表面的几何特征和表面层特性，但它对零件的耐磨性、
配合质量、疲劳强度、抗腐蚀性及接触刚度等方面的使用性能都有一定程度的影
响。
1对零件耐磨性的影响
机械零件使用的寿命在很大程度上取决于零件的耐磨性。零件的耐磨性主要
与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关。在这些条件确定的情况下，零件
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的表面质量就起着决定性的作用。
零件的磨损过程通常分为以下三个阶段：
1）磨合阶段。它又称跑合阶段，是磨损过程中的非均匀阶段，它在整个磨损
过程中所占的比例很小。当两个零件表面刚开始接触时，只是表面粗糙的凸峰相
互接触，实际接触面积很小，单位面积压力很大，不能形成润滑油膜，接触处形
成局部干摩擦，其应力可能超过金属的屈服极限和强度极限。随摩擦副的相对运
动，接触部分金属被撕裂、破碎或切断，凸峰很快被碾平，磨损速度较快，如图
1-1 中A部分所示。
2）稳定磨损阶段。 随着磨合过程的进行，表面粗糙度值逐渐减小，实际接
触面积增大，单位面积压力减小，摩擦表面之间具有良好的润滑条件，磨损将以
缓慢速度进行，如图 1-1 中B部分所示。
3）急剧（事故）磨损阶段。经过相当长一段时间后，随着磨损的进行粗糙度
值继续减小，润滑油被挤出接触面，致使接触面形成了半干摩擦，甚至干摩擦，
摩擦阻力增大，加剧了表面磨损。同时，由于实际接触面积进一步增大，促使接
触面间分子吸附力增大，从而容易出现分子粘合的表面咬焊现象，导致表面被撕
裂。有时还会由于摩擦产生的大量热量，使接触表面出现高温，改变金属组织，
降低表面硬度，导致磨损剧烈增加，如图 1-1 中C部分所示。
时间
剧烈磨损阶段
磨合
阶段
磨损量
图1-1 典型的磨损过程曲线
稳定磨损阶段
表面质量中的几何特征和物理力学性能对零件的耐磨性都有一定的影响。零
件的初期磨损量与表面粗糙度有着密切的关系。在一定工作条件下，存在一个初
期磨损量最小的最佳表面粗糙度值。随着载荷的增加，表面粗糙度增加，磨损量
增加，一般工作情况，表面粗糙度在 Ra0.4~0.8μm 时，初期磨损量最小。
2表面质量对配合质量的影响
表面粗糙度对配合表面的配合精度有较大的影响。实验证明，对于过盈配合，
在装配时表面粗糙的凸峰会被碾平，所以，即使具有相同有效过盈量的配合零件，
也会由于表面粗糙度值的不同，得到不同的联结强度，表面粗糙度值大者，联结
强度较低。对于间隙配合，表面粗糙度值大，初期磨损严重，配合间隙很快增大，
配合精度降低。因此，应根据零件的配合精度要求选取相应冲件表面粗糙度。当
配合精度要求高时，质量过程中响应配合表面粗糙度值要小，以保证零件的配合
质量和工作可靠性。表 1-1 中所示的表面粗糙度值 RZ和公差 T值之间的关系可供
第一章 绪论
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设计时参考。
表1-1 表面粗糙度值 RZ和公差 T值之间的关系
尺寸/ mm
RZ/μm
＞50
(0.1~0.15)T
≥18~50
(0.15~0.2)T
＜18
(0.2~0.25)T
3表面质量对对抗疲劳强度的影响
在交变载荷的影响下，冲件由于表面粗糙和表面划痕、拉伤、裂纹等缺陷，
将引起应力集中，导致表面轮廓谷底处应力易于超过疲劳极限，从而产生和发展
疲劳裂纹，造成疲劳破坏。抗疲劳强度计算中的应力集中系数，随表面粗糙度值
增大而增大。实验表明，对于承受交变载荷的零件，减少表面粗糙度值，可使抗
疲劳强度提高 30%~40%。由于表面划痕、拉伤、裂纹等缺陷，将导致零件过早在
缺陷处产生疲劳而破坏，因此当零件在交变载荷下服役时，在成形加工中，要严
格控制表面的这些缺陷。
加工硬化对抗疲劳强度也有影响。由于伸长和压缩变形所造成的适当硬化，
使金属表面强化，从而组织疲劳裂纹的发生和缓和已有裂纹的扩展，有利于提高
抗疲劳强度。但硬度过高，会出现较大的脆性裂纹，降低抗疲劳强度。因此，对
于加工硬化比较严重的板材如 H62、H68、1Cr18Ni9Ti 等材料，在多次成形后要进
行退火处理，以减少加工硬化程度。
表面残余应力对抗疲劳强度影响极大。当表面为拉应力时，能助长疲劳裂纹
的形成和扩展，从而降低抗疲劳强度。
4表面质量对抗腐蚀的影响
如果所加工的零件在潮湿的空气中或在腐蚀环境中工作，有腐蚀作用的介质
会积存在表面凹谷和裂缝中，形成化学腐蚀或电化学腐蚀。表面的凹坑越深、越
尖锐，尤其有裂缝时，这种腐蚀作用越强。因此降低表面粗糙度，减少表面裂纹
等缺陷，形成残余压应力和适当的加工硬化，都能提高零件的抗腐蚀性能。
5表面质量对产品特殊性能的影响
对于有些产品的表面要考虑电镀层质量、连接强度、涂漆性能、光泽性能和
外观欣赏等方面的影响。例如，对外观质量要求高的产品，除考虑表面粗糙度影
响外，还要考虑加工纹路、表面擦伤、表面划痕、裂纹和光亮程度等影响。
§1.1.2 零件表面质量的评价
随着机械产品对零件表面质量质量的不断提高，人们对如何评价和控制零件
的表面质量进入了深入研究。美国金属切削研究会的 M.Filed 和J.Kahles 于1964
年在一次技术座谈会提出了“表面完整性”的概念，并将其定义为：由于受控制
加工方向的影响，导致成品的表面状态或性能没有任何损伤，甚至有所加强的结
果。“表面完整性”已被工业发达国家应用于生产中，用于评价和控制关键零件在
控制过程中表面状态或性能的变化，全面分析表面质量对产品性能的影响。
1表面几何特征的评价
零件表面几何特征是表面粗糙度、表面波纹度、表面纹理几何形状及表面毛
刺等缺陷的总称。它不仅影响零件的使用性能，还关系到零件的服役寿命。因此，
影响 U 形件成形表面质量的凹模圆角半径和模具间隙的研究
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对表面几何特征的评价和研究，在板料成型工艺领域中日益得到广泛的重视，本
文只对表面粗糙度和表面缺陷进行描述。
1）表面粗糙度的评价[3]
任何加工方法所得到的表面几何形状，都不可能是完全理想的几何表面，而
是具有起伏不平轮廓峰和轮廓谷的表面。评定表面粗糙度参数有：
A．轮廓算数平均偏差 Ra。指在取样长度 L内，轮廓偏距绝对值的算数平均
值。其表达式为
Ra=
Ldxxy
L0|)(|
1
近似值为
Ra=
n
i
i
y
n1
1
B．微观不平度十点高度 Rz。指在取样长度 L内，五个最大轮廓峰高的平均
值，与五个最大轮廓谷深的平均值之和。其表达式为
Rz=
5
5
1
5
1
i
vi
i
pi yy
式中
pi
y
————第i个最大的轮廓峰高;
————第i个最大的轮廓谷深。
C．轮廓最大高度 Ry。指在取样长度 L内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的
距离。Ry 是Rp 与Rm 之和。Rp 是最大的轮廓峰高，表征了取样长度内轮廓峰顶
线至中线的距离，它与表面的耐磨性能以及接触刚度有关。Rm 是最大的轮廓谷
深 ，表征了取样长度内轮廓谷底线至中线的距离，对冲压件的耐疲劳强度以及耐
腐蚀性能有影响。所以对应力集中而导致疲劳破坏较敏感的表面，可在选取 Ra 和
Rz 参数的同时，选取 Ry 参数，达到控制轮廓的最大高度不超过规定的允许值。
2） 表面缺陷的评价[4]
（1）缺陷的类型 在国家标准中，将表面缺陷分为六种类型：
A凹缺陷。指向内的缺陷，如沟槽、擦伤、破裂、毛孔、砂眼、缩孔、鳞皮、
缺损和窝陷。
B凸缺陷。指向外的缺陷，如树瘤、氧化皮、夹杂物、飞边、缝脊和附着物。
C混合缺陷。指部分向内和部分向外的缺陷，如环形坑、折叠、划痕和切削
残余。
D区域缺陷和外观缺陷。指集合尺寸很难测量的缺陷，如划痕、腐蚀、磨蚀、
麻点、裂纹、斑点和斑纹。
E褪色。指表面上褪色或颜色变淡的区域。
F条纹。指深度较浅、呈带状的凹陷区域。
（2）缺陷的评价参数
A表面缺陷数（SDN）。指在商定判别极限内的全部实际表面上允许的缺陷最
大数。
第一章 绪论
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B单位面积上缺陷最大数（SDN/A）。指在给定的评价区域面积 A内，允许的
缺陷最大数。
§1.2 U 形件成形的主要表面质量问题
板料的 U形件成形工艺可分为两大类：一类是 U形件弯曲；一类是准 U形件弯
曲。如盒形件拉深工序中，直边部分的材料流动可看做是弯曲成形；车身覆盖件拉
深工序中，侧壁的成形也可看做是准 U形件弯曲成形。这两种成形方式共同的特点
是：金属板料都必须在凸模作用下沿凹模圆角半径流入凹模洞口，形成所需要的形
状。但由于凸模和凹模的间隙、凸模和凹模的圆角半径、表面粗糙度、润滑和板材
自身冲压成形性能等因素的影响，弯曲后 U 形件可能会形成以下主要表面质量问题：
1） 表面划伤：主要由于过分粗糙的凸模和凹模表面或外界小颗粒导致表面
接触摩擦力增大，产生应力集中擦伤局部材料。
2） 表面塑性压痕：主要由于材料流入凹模洞口时，凹模圆角半径和模具间
隙联合作用使板料的外表面发生局部塑性变形，以致在板料表面留下塑
性变形的痕迹。
3） 表面分层：主要由于材料流入凹模洞口时，过分粗糙的凹模表面导致板
料表面和凹模表面强烈的摩擦，将润滑济挤走，产生干摩擦，发生金属
间的粘贴。
4） 表面硬斑点：主要由于板料含碳量高，碳化物偏析，形成簇集的小亮点。
这在高铬不锈钢板成形过程中更为明显。
5） 表面开裂：主要发生在弯曲的外圆角处，原因是弯曲半径小于材料的最
小相对弯曲半径所致。
§1.3 文献综述
§1.3.1 相关研究概况
在板材成形方面，回弹一直是困扰着工件成形精度的一个重要问题。由于回
弹的存在，卸载后零件的形状尺寸与模具表面的形状尺寸不能完全符合，零件尺
寸精度达不到设计要求。同样，U 形件成形的主要问题集中在成形后的回弹上，它
是板料成形过程中普遍存在的问题，特别在弯曲和浅拉深过程中回弹现象更为严
重，对零件的尺寸精度和生产效率造成极大的影响，有必要对其进行深入的研究
和有效的控制。零件的最后回弹形状是其整个成形历史的累积效应，而板料成形
过程与模具几何形状、材料特性、摩擦接触等众多因素密切相关，所以板料成形
的回弹问题非常复杂。半个多世纪来国内外许多学者对回弹问题进行了深入的研
究和探讨，这些研究涵盖了从弯曲成形到复杂拉深成形、从理论分析到数值模拟、
从回弹预测到回弹控制等诸多方面。
弯曲成形一般只涉及较为简单的几何形状和边界条件，所以有条件用解析方
法对其进行深入的研究。弯曲的基本理论模型分为两大类。一类是以平截面假定
和单向应力假定为基础的工程理论模型，该模型未考虑径向应力，认为弯曲过程
影响 U 形件成形表面质量的凹模圆角半径和模具间隙的研究
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中应力中性层、应变中性层始终和几何中面相重合；另一类是由陈毓勋［5］
提出的精
确理论模型，该模型考虑径向应力及中性层内移的影响，更接近板料弯曲的真实
情况。从板料的外部受力状态和加载方式来看，弯曲过程可分为纯弯曲、拉伸弯
曲、循环弯曲等几种典型情况。另外，材料模型对弯曲计算结果有很大的影响，
常用的材料模型有刚塑性、理想弹塑性、刚性强化、弹性强化等多种形式。
除弯曲件外，回弹对浅拉深零件的尺寸精度和生产效率也有极大的影响，轿
车覆盖件就是典型的例子。随着市场对车身外观质量要求的不断提高，以及高强
度钢板和铝板在车身中的广泛应用，回弹问题对覆盖件及其模具制造的消极影响
越来越引起工程和研究人员的极大重视[6]。由于涉及复杂的几何形状和边界条件，
这类问题必须借助数值模拟技术，主要是有限元方法(FEM)来解决，一般的解析方
法对此则无能为力。板料成形的 FEM 模拟技术始于 70 年代，20 多年来，在材料模
型、单元类型、接触摩擦处理、非线性算法等方面都有了很大的发展。郑莹等人［7］
对此作了较详细的回顾和评述。
板料冲压的全过程应该包括成形和回弹两个既相互关联又相对独立的过程，
通常所说的成形过程一般不包含回弹在内。回弹过程和成形过程在应力应变的变
化状态上有所不同，所以在对回弹问题进行分析时所采用数值模拟技术也与成形
过程的有所不同。从单元模型看，由于回弹仿真要考虑弯曲效应，故一般采用壳
单元，如实体壳单元、退化壳单元等进行计算；也有人采用修正膜单元进行计算
［8］
，
所谓修正膜单元就是用弯曲应力对膜应力进行修正，这种方法既可以满足弯曲计
算的要求又可显著降低计算成本。从求解过程看，回弹问题一般采用两种求解方
法：一种方法是在成形结束时去除模具代之以接触反力，然后进行迭代计算直到
接触力为零；另一种方法是在成形结束时让模具反向运动，直到凸模完全与板料
脱离为止［9］[10]。两种方法的计算结果区别不太大，但第二种方法计算效率较高，
且适用范围较广，可对切边回弹进行计算而前者则不行。80 年代，回弹的 FEM 仿
真研究大多集中于 2-D 弯曲成形问题。进入 90 年代，随着 3-D 成形仿真技术的不
断完善有学者开始对 3-D 复杂成形件进行回弹仿真研究［11］
，其中的重点和难点是
对汽车覆盖件回弹问题的研究。 C.Q.Du,etc［12］分别采用静态隐式算法和动-静
态联合算法计算了轿车顶弧(roof bow)成形和后加强板(rail reinforcement)切
边时的回弹问题。M.Kawka,etc[13]以轿车阳顶和轮毂为例进行了 3D 复杂零件的多
步成形-回弹仿真计算，分析同一零件从拉深、切边直到翻边一系列相关步骤中的
回弹问题。
在弯曲成形中传统的回弹控制方法有：拉弯法、加压矫正法、模具补偿法、
过弯曲法等，根据零件形状和弯曲工艺的不同可选用不同的方法来控制回弹。模
具补偿法和过弯曲法是两种基本的回弹控制方法，前者适用于模具弯曲(闭式弯
曲)，后者适用于自由弯曲(air bending)。对于曲率非常小的弯曲件，由于其塑
性变形不充分，回弹较大，单纯模具补偿难以实施，一般要采用拉弯法和模具补
偿法联合作用来控制回弹。对于局部曲率很大的弯曲件，理论预测精度较差，实
际生产中一般采用局部加压矫正的方法来控制回弹。除此之外，有学者提出一些
新的控制方法，如邵鹏飞等［14］
提出的“二次弯曲法”可显著降低弯曲件的回弹量，
且实施过程较为简单。模具补偿法和过弯曲法作为回弹控制方法的基本方法有较
强的理论基础，许多学者对其进行了深入的研究。余同希［15］讨论了柱形弯曲回弹
的模具补偿算法，王晓林
［16］
进一步对非圆弧弯曲回弹的模具补偿算法进行了研究。
这些研究建立在纯理论计算或数值模拟基础之上，具有速度快、成本低的特点，
第一章 绪论
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取得了一定的效果。但从目前情况来看，回弹的理论预测精度较差，必须辅以适
当的工艺试验才能得到较为满意的结果。Yang [17]突破一般的理论预测和工艺试验
方法，将二者有机结合，实现了自由弯曲中回弹的自适应控制。他们方法的关键
点是：在零件开始弯曲的一段过程中实时测量弯曲力—凸模位移曲线，这一过程
实质上是把工艺试验嵌入到了生产过程之中，由此基本消除了由材料特性离散性
而引起的回弹预测误差。在测得实时力—位移曲线后，可有多种方法实现后续弯
曲过程的实时控制。Yang［17］通过将实测曲线与试验数据库所存曲线相比较，应用
模糊推理机制实现弯曲的实时控制。以上自适应弯曲控制的最大优势在于，不必
进行专门的工艺试验，对不同特性和不同厚度的板料均可一次弯曲成形，具有良
好的应用前景。
以往对于复杂拉延成形件的回弹控制问题研究的不多，工程实际中通常基于经
验和反复试验来减小或消除回弹的影响。90 年代以来，随着拉延成形中起皱和拉
裂问题逐步得到解决，回弹控制问题逐渐上升为研究的重点，另外板料冲压 CAE
仿真技术的不断完善也为回弹控制研究提供了必要的基础。复杂拉延成形件的回
弹控制一般从两方面入手：一是通过改变成形过程边界条件，如毛料形状、压边
力、模具圆角、摩擦状态等因素来减小回弹，这一类方法可统称为工艺控制法。
另一途径是在特定工艺条件下预测或实测回弹量的大小，然后通过修正模具形状
使回弹后的零件形状恰好符合设计要求，即几何补偿法[17]。在工程实际中两类方
法一般联合应用，以达到最佳的效果。工艺条件和回弹量的直接关系很难确定。
一般都是按照增加拉伸变形以降低回弹的原理来调节各种工艺条件，这方面的研
究多集中于探讨压边力对成形质量的影响上［18］
。调节压边力可在一定程度上减小
回弹量，但对于浅拉延件往往要通过模具修正才能大幅度降低回弹的影响。以往
模具修正基本上是通过反复试验来完成的，目前数值模拟技术的发展为此提供了
快捷的途径。
§1.3.2 研究现状及存在的问题
由于回弹问题的突出性，关于这方面的研究方兴未艾。在工程应用中为了解
决回弹问题，人们往往忽略了由于减少回弹所带来板料成形产生的表面问题，特
别是表面塑性压痕问题，分析其原因有如下三点：
一是表面塑性压痕程度比较小，对衡量产品的尺寸、性能等技术指标不存在
大的影响，因此，一般产品设计和模具技术人员不关心这一问题。
二是对于比较明显的表面塑性压痕，一般采用抛光、表面涂覆等后续再处理
工艺来消除、弥补，基本可以达到要求。
三是关于减少表面塑性压方面的理论、实验和工程研究不够，难以找到合适
的工艺措施，来指导板料的冲压成形。
近年来，有一些工程技术人员也提出了一些工程的相应解决办法。何善梁[19]
关于“容声” 冰箱由于长期以来外观件表面存在两条轻微的压痕，一直无法消除。
为了提高外观件表面质量，保持“容声”冰箱在国内的霸主地位，公司开展了“零
缺陷工程”活动，提高了该零件的外观质量验收标准；加之喷涂工序采用光亮喷
塑工艺后，该零件的两条压痕暴露得越来越明显。作者通过改进弯曲模具的结构，
改变冲击线产生的位置，从根本上消除中盖板表面压痕的产生，使中盖板外观质
量得到了提高，达到了“零缺陷”外观验收标准的要求。
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1引言随着科学技术的进步和社会的发展,人们对机械产品的性能和质量都提出了越来越高的要求，期望以低廉的价格获取功能齐全、性能良好，使用可靠的产品。这就促使企业在激烈的市场竞争中不断的创新和进取，提高产品的自身质量，以获取市场和利润，确保企业的生存和发展[1]。产品的质量是反映产品满足用户期望功能的程度，是评价产品优劣的重要指标，而产品的质量取决于零件加工和装配质量。零件的质量是指由毛坯的一系列加工变形方法获得的零件在尺寸、形状和表面等方面与零件设计技术要求相符合的程度。对于零件的机械加工质量，是由加工精度和表面质量两个方面来评价。其中加工精度的评价指标为各加工表面的尺...

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