冲压模具冲压件成型过程中的应力分析与优化设计

冲压模具冲压件成型过程中的应力分析与优化设计

朱海龙、张敏杰

长城汽车股份有限公司  河北省保定市  071000

摘  要：本文聚焦于冲压模具冲压件成型过程中应力变化的深入研究，以及这些变化如何直接影响产品质量。首先，我们详细探讨了冲压过程中应力分布的动态变化，分析了应力集中和分布不均的现象。这些应力分布不均的现象不仅会影响冲压件的尺寸精度和形状稳定性，还可能引发微观裂纹，进而影响产品的长期性能和可靠性。针对应力集中和分布不均带来的问题，本文深入揭示了其对模具寿命的影响机制。模具在长期的应力作用下，容易发生疲劳损伤，缩短使用寿命，增加生产成本。为了解决这些问题，我们提出了一系列优化设计策略，旨在通过优化模具结构、调整冲压工艺参数以及应用先进的材料技术，提高冲压件的成形精度，降低模具损耗，最终实现生产效率和产品质量的双重提升。这些策略不仅具有理论价值，而且在实际生产中具有重要的指导意义。

关键词：冲压模具；冲压件；应力分析

引  言：随着制造业的快速发展，冲压成型技术因其高效、精准的特点而广泛应用于各个领域。然而，冲压过程中产生的应力问题一直是制约产品质量和生产效率的关键因素。因此，对冲压模具冲压件成型过程中的应力进行深入研究，并据此进行模具优化设计，具有重要的理论意义和实际应用价值。

一、冲压模具冲压件成型过程概述

（一）冲压成型技术的基本原理

冲压成型技术的基本原理是利用模具对金属板材进行加压，使其产生塑性变形，从而得到所需形状和尺寸的零件。在冲压过程中，金属板材受到模具的挤压作用，发生应力集中和分布不均，导致材料流动和变形。通过精确控制模具的结构、尺寸和工艺参数，可以实现高精度的冲压成型。冲压成型技术具有生产效率高、材料利用率高、零件尺寸精度高、表面质量好等优点。同时，冲压成型技术还可以实现自动化和连续化生产，提高生产效率和降低生产成本。

（二）冲压模具的结构与功能

冲压模具是冲压成型过程中的关键设备，其结构和功能直接影响冲压件的质量和成型精度。冲压模具通常由凸模、凹模、导向装置、卸料装置等部分组成。凸模是冲压模具中的关键部件，其形状和尺寸与所需冲压件的形状和尺寸相对应。凸模在冲压过程中起到加压和成型的作用，通过凸模的上下运动，使金属板材在凹模内产生塑性变形。凹模是冲压模具中的另一个重要部件，其形状和尺寸与凸模相配合，形成所需的冲压件形状。凹模在冲压过程中起到支撑和定位的作用，确保金属板材在冲压过程中不会发生偏移或变形。

导向装置用于确保凸模和凹模在冲压过程中的相对位置不变，保证冲压件的尺寸精度和形状精度。卸料装置则用于将冲压件从模具中取出，便于后续加工和检验。

（三）冲压件成型过程中的关键步骤

冲压件成型过程包括以下几个关键步骤：材料准备选择合适的金属板材作为冲压材料，并进行必要的预处理，如清洗、除锈、切割等。模具安装与调试将凸模和凹模安装在冲压机上，并进行调试，确保模具的精度和稳定性。冲压成型启动冲压机，使凸模在凹模内对金属板材进行加压，使其产生塑性变形，得到所需形状的冲压件。卸料与检验将冲压件从模具中取出，并进行必要的检验和测量，确保冲压件的质量和尺寸精度符合要求。后续处理对冲压件进行必要的后续处理，如去毛刺、清洗、热处理等，以提高其表面质量和性能。通过以上关键步骤的精确控制和操作，可以确保冲压件的质量和成型精度，满足各种复杂零件的生产需求。

二、冲压过程中的应力分析

（一）应力产生的原因与机制

应力在冲压过程中产生的原因多种多样，但主要可以归结为以下几点：材料性质金属材料的弹性模量、屈服强度等物理性质决定了其在受到外力作用时产生应力的程度。不同的金属材料在相同的冲压条件下会产生不同的应力状态。模具设计模具的结构设计、圆角半径、凸凹模间隙等因素都会对冲压过程中的应力分布产生影响。设计不合理的模具会导致应力集中和分布不均。冲压工艺参数如冲压速度、冲压力、保压时间等工艺参数的选择，也会影响冲压件内部的应力分布。过快或过慢的冲压速度，以及不合适的冲压力，都可能导致应力集中。应力产生的机制主要是金属在受到外力作用时发生塑性变形，材料内部原子间距离发生变化，导致应力的产生和传递。在冲压过程中，金属板材受到模具的挤压作用，产生复杂的应力场。

（二）应力分布的影响因素

应力分布的影响因素众多，主要包括材料厚度材料厚度越大，应力分布越不均匀，容易产生应力集中。模具结构模具的圆角半径、凸凹模间隙等结构参数对应力分布有显著影响。过小的圆角半径和过大的凸凹模间隙都会导致应力集中。摩擦与润滑模具与金属板材之间的摩擦和润滑条件会影响材料的流动性和应力分布。适当的润滑可以减少摩擦，降低应力集中程度。温度变化冲压过程中的温度变化会导致材料性质的改变，从而影响应力分布。过高的温度会使材料软化，降低应力集中程度；而过低的温度则会使材料硬化，增加应力集中风险。

（三）应力集中与分布不均的识别方法

识别应力集中与分布不均的方法主要有观察法通过观察冲压件表面是否有裂纹、变形等现象，初步判断是否存在应力集中。有限元分析利用有限元分析软件对冲压过程进行模拟，可以直观地看到应力分布的情况，从而识别应力集中区域。X射线衍射法通过X射线衍射技术测量材料内部的残余应力，可以准确地判断应力集中程度和分布情况。硬度测试通过硬度测试可以间接反映材料内部的应力状态。在应力集中区域，材料的硬度通常会有所提高。

三、应力对产品质量和模具寿命的影响

（一）应力对冲压件性能的影响

应力对冲压件性能的影响主要体现在强度与韧性冲压件内部的应力分布会直接影响其强度和韧性。应力集中区域往往成为冲压件的薄弱环节，容易导致开裂或断裂。而应力分布均匀的冲压件则具有更高的强度和韧性。尺寸精度应力分布不均会导致冲压件在成型后产生变形或翘曲，从而影响其尺寸精度。这不仅影响产品的外观质量，还可能影响其与其他零件的装配性能。疲劳寿命冲压件在使用过程中会受到循环载荷的作用，应力集中区域容易出现疲劳裂纹，导致冲压件的疲劳寿命降低。

（二）应力对模具损耗的影响

应力对模具损耗的影响主要表现在模具磨损在冲压过程中，模具与金属板材之间会产生摩擦，应力集中区域往往成为磨损最严重的部位。长期的磨损会导致模具精度下降，甚至损坏。模具开裂应力集中和分布不均还可能导致模具在冲压过程中出现开裂现象。这不仅会影响模具的使用寿命，还可能对生产安全造成威胁。模具变形应力分布不均会导致模具在长期使用过程中出现变形现象，从而影响冲压件的尺寸精度和形状精度。

（三）应力问题的经济与社会成本

应力问题不仅会给企业带来直接的经济损失，如模具更换成本、产品返修成本等，还会对社会造成间接影响。一方面，由于产品质量问题可能导致客户投诉和退货，损害企业声誉和品牌形象；另一方面，模具损耗过快会增加企业的生产成本和能源消耗，不利于可持续发展。

结语：本文通过对冲压模具冲压件成型过程中的应力进行深入分析，揭示了应力对产品质量和模具寿命的影响机制。在此基础上，提出了一系列优化设计策略和方法，旨在解决冲压过程中的应力问题，提高产品质量和生产效率。

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