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1、冲压工艺及冲模设计,机械与动力工程学院 LJHCQUST,一、影响金属塑性和变形抗力的因素 金属塑性变形概念：在外力的作用下，金属产生的形状和尺寸变化称为变形，变形分为弹性变形与塑性变形。 弹性：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。 塑性：物体产生永久变形的能力，不可逆性。,第二章 冷冲压变形基础,2.1 冷冲压变形基本原理,塑性变形的内因 外力破坏原子间原有的平衡状态，造成原子排列的畸变，引起金属形状和尺寸的变化。变形的实质是原子间的距离产生变化。 塑性变形：金属形状和尺寸产生永久改变，这种改变不可恢复，该变形称为塑性变形。,金属的塑性与变形抗力 1. 塑性及其衡量指标 塑性：指金属在外力的作用
2、下，能稳定的发挥塑性变形而不破坏其完整性的能力。 塑性指标：常用的塑性指标有 延伸率 断面收缩率 2. 变形抗力 金属抵抗变形的力称为变形抗力，常用屈服强度s来表征。 塑性与变形抗力是两个不同的概念： 塑性：反映变形的能力。 变形抗力：是塑性变形的难易程度。,影响金属的塑性与变形抗力的主要因素 1. 变形温度 1）温度升高，原子热运动加剧； 2）温度升高，回复与再结晶； 3）温度升高，晶界强度下降。 总体而言，随着温度的升高，金属塑性增强，变形抗力下降。实际情况下由于金属和合金种类繁多，温度变化引起的材料物理化学状态的变化各不相同，所以温度对各种金属和合金塑性及变形抗力的影响规律将更为复杂。（
3、教材图例2-1） 对于塑性变形量比较大的成形工艺中，一般都采用加热的方法提高材料的塑性，同时降低材料的变形抗力，减轻设备和工装的负担。,2. 变形速度对塑性和变形抗力的影响 速度大时，塑性变形来不及扩展，没有足够时间回复、再结晶，塑性降低，变形抗力增大。另一方面，速度大时，发热效应显著，变形温度升高对塑性增加有利。,应力、应变状态 外力 内力 模具 毛坯 零件,毛坯的变形都是模具对毛坯施加外力所引起内力或由 内力直接作用的结果。应力就是毛坯内单位面积上作用的 内力。应力应理解为一极小面积上的内力与该面积比值的 极限，即：,其中，P表示作用物体某一微元面积F上的内力，即应力是内力P与面积F当F趋
4、于零时比值的极限。,二、一点的应力与应变状态（补充） （）一点的应力状态： 是指通过变形体内某点的单元体所有截面上的应力的 有或无、大小、方向等情况。,应力是个张量，一点的全应力可分解为三个应力分量： 一个正应力（与平面垂直）和两个剪切力（与平面相切）,九种主应力状态图,总可以找到三个互相垂直的平面，其上仅有正应力而无剪应力，这三个应力叫主应力（ 1、2、 3）。反过来，只要三个主应力是已知的，就可以计算出任意平面上作用的正应力与剪应力，也就是说该点的应力状态是已知的。主应力的作用方向成为主轴。显然，主轴的方向仅仅决定于该点的应力状态，而与座标轴的选取是无关的。,（2）一点的应变状态 塑性变形
5、过程中，毛坯的形状和尺寸都发生变化，变化的大小可用应变表示。 1）相对应变 相对应变为变形长度与原始长度之比 这种变形表示方法没有考虑材料的变形是一个逐渐积累的过程，因此其计算结果与实际情况比较是有误差的，且变形量越大，误差越大，只能用于小变形中（10%）。,2）真实应变（对数应变） 真实应变为为变形后长度与变形前长度之比取对数。 3）相对应变与真实应变关系 真实应变能反映变形的连续过程，而相对应变只与变形的始末尺寸有关，不反映变形的连续过程。,4）一点的主应变状态 体积不变定律 该式说明：金属塑性变形前后，只有形状的变化，而无体积的变化。 三个推论： 塑性变形时，只有形状的变化，而无体积的变
6、化； 不论什么应变状态，其中一个主应变的符号与另外两个主应变的符号相反； 已知两个应变就可求第三个应变。,主变形图只可能有三种形式,三种主应变状态图,应力、应变状态的影响,应力状态对塑性的影响也比较复杂。对提高塑性有利的应力条件往往对降低变形抗力不利；而变形抗力低的应力状态下，金属的塑性往往又不好。工程上主要考虑塑性指标。 例：挤压时为三向受压状态（静水压力 ），拉拔时为两向受压一向受拉的状态。一般情况下：压应力的数量愈多，则其塑性愈好；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。,三、塑性条件（屈服准则） 单向应力作用时，金属由弹性变形转化为塑性变形的条件是应力达到屈服极限，即 在复杂应力状态下，金属进
7、入并保持塑性变形的条件称为塑性条件，也称屈服准则。 1）屈雷斯加(H. Tresca)屈服准则（最大剪应力准则） 屈雷斯加于1864年提出：当材料中的最大剪应力达到某一定值时，材料即行屈服。因此，该准则又称为最大剪应力屈服准则。其数学表达式为：,三、塑性条件（屈服准则） 2）米塞斯(Von Mises)屈服准则（能量准则） 米塞斯于1913年提出了另一屈服准则：当材料中的等效应力达到某一定值时（单位体积变形位能为一定值），材料就开始屈服。由单向拉伸试验可确定该值，该值为材料的屈服点s。其数学表达式为： 或,四、塑性变形时应力与应变的关系 弹性变形时，变形过程是可逆的，应力应变关系遵循虎克定律。
8、 塑性变形时，应力应变关系是非线性的，当受单向应力作用时，应力应变关系可用硬化曲线或硬化曲线数学表达式表示。 当塑性变形区受二向以上的应力作用的复杂应力状态，应力应变关系可用全量理论或增量理论表示。 增量理论：瞬间的应变增量与相应应力的关系 全量理论：主应力差与主应变差成比例,五、硬化与硬化曲线 1.硬化 随着塑性变形程度的增加，决定金属变形抗力的力学性能、硬度等指标提高，而塑性指标下降，金属的这种效应称之为加工硬化。加工硬化对冲压变形有着不同的影响，如利于伸长类变形（可以使变形均匀化）。 2.硬化曲线 几种常用冲压板料的硬化曲线（图2-4）。 常用幂函数硬化曲线数学表达式： 式中 A材料常数
9、；n加工硬化指数，也称n值。 A和n值均可在拉伸实验中得到。n值大时，表示在冷变形过程中材料的变形抗力随变形程度的增加而迅速增加。 由于幂函数曲线与材料的实际硬化曲线比较接近，故冲压技术中常用它来代替硬化曲线。 硬化指数是表明材料冷变形硬化的重要参数，对板料的冲压性能以及冲压件的质量都有较大的影响（表2-1）。,六、塑性拉伸失稳及极限应变 拉伸失稳是指在拉应力的作用下，材料在板平面方向内失去塑性变形的稳定性而产生缩颈，并随之发生破裂。 拉伸失稳可分为分散失稳和集中失稳两种。分散性失稳是指板料的塑性变形达到一定程度后，变形开始出现在材料内某些性能不均匀或厚度不均匀的部位，载荷开始随变形程度增大而
10、减小；由于应变硬化，这些缩颈能在一定的尺寸范围内转移，使材料可以在这个范围内产生一种亚稳定的塑性流动，故载荷下降比较缓慢。但由于材料的硬化增强，变形抗力又有所提高，最终，最薄弱的环节逐渐显示出来，于是缩颈就逐步集中到某一狭窄区段，这样就逐渐形成了集中失稳。产生集中失稳时，缩颈点也不能再转移出去，此时金属产生不稳定流动，由于这时承载面急剧减小、变形，作用力也就急剧下降，很快就导致破坏。 成形极限是指材料不发生塑性失稳破坏时的极限应变值。但由于目前失稳理论的计算值还不能准确反映实际冲压成形中毛坯的变形极限，在实际生产中普遍应用由实验得到的成形极限图。,一、板料的冲压成形性能,冲压成形性能: 板料对
11、各种冲压成形加工的适应能力，是个综合性的概念。 抗破裂性、 贴模性、定形性、表面质量 成形极限 成形质量：冲压件形状尺寸精度等,2.2 冷冲压材料及其冲压成形性能,两类冲压成形的对比,一、板料的冲压成形性能,2.2 冷冲压材料及其冲压成形性能,二、板材冲压成形性能的试验方法 板料冲压性能试验方法通常分为三种类型：力学试验、金属学试验（统称间接试验）和工艺试验（直接试验、模拟试验）。 力学试验方法又有拉伸试验、剪切实验等；金属学试验主要包括硬度测试、金相观察等。间接试验时板材的受力、变形等都与实际冲压时有一定的差别，只能间接反映材料的冲压性能，有时还需要一定的分析方法。其中拉伸试验具有简单易行，
12、不需专用的试验设备等优点，而且得出的结果能从不同角度反映板材的冲压性能，所以它是一种很重要的试验方法。 直接试验（工艺试验）是指模拟某一类实际成形方式中的应力状态和变形特点来成形小尺寸试样的板料冲压试验，此时板料的应力应变状态与真实冲压时基本相同，所得结果比较准确。如杯突试验、扩孔试验、极限拉深比试验、拉深力对比试验、锥形件复合性能试验、吉田拉皱试验、液压胀形试验等。,2.2 冷冲压材料及其冲压成形性能,三、板料的力学性能与冲压成形性能的关系,拉伸试样从待试验板材截取，试样长度按标准确定 （如GB22887），宽度可根据材料厚度不同取10mm、15mm、20mm、及30mm四种，尺寸偏差不大于
13、0.02。试验在拉伸试验机上进行，可得拉深力与行程（试件伸长）的拉伸曲线。,拉伸试验用的标准试样和拉伸曲线,1. 伸长率：均匀伸长率b，总伸长率。冲压成形一般都在板材的均匀变形范围内进行，所以均匀伸长率对冲压变形有较为直接的影响，它表示板材稳定的塑性变形能力，直接决定板材在伸长类成形中的冲压性能，一般情况下成正相关关系。 2. 屈服极限（屈服强度）s 屈服极限s小，材料容易屈服，则变形抗力小。 3. 屈强比s/b 屈服极限，开始发生塑性变形的应力；强度极限，开始产生不均匀变形的应力，即塑性拉伸失稳。屈强比小，说明s值小而 b值大，即材料容易进入塑性变形状态，而又不容易产生破裂，这对所有冲压成形
14、都是有利的。,三、板料的力学性能与冲压成形性能的关系,4. 硬化指数，n 值 单向拉伸硬化曲线可写成 ，其中 n 为硬化指数。 5. 板厚方向性指数（塑性应变比），r 值 板厚方向性指数是指单向拉伸试样宽度应变和厚度应变之比。 r 值的大小，表明板材在单向拉应力作用下，板平面方向和板厚方向上变形难易程度的比较。 当 r1 时，板材厚度方向上的变形比宽度方向上的变形困难，起皱趋向性降低，利于拉深成形。 考虑到板材方向性，可取,三、板料的力学性能与冲压成形性能的关系,6. 板平面方向性指数（凸耳参数） r,板料经轧制后其力学、物理性能在板平面内出现各项异性，称为板平面方向性。在表示板料力学性能的各
15、项指标中，板厚方向性系数对冲压性能的影响比较明显，故板平面方向性一般用板厚方向性系数 r 在几个方向上的平均值差r来衡量。,r大，板材方向性强，引起塑性变形分布不均，拉深件出现突耳，因此， r大对冲压成形不利。 r 值 大， r亦大，而r 值大有利于拉深变形， r大不利于拉深变形，故选材时，对 r 值的影响要综合考虑。,三、板料的力学性能与冲压成形性能的关系,四、成形极限图及其应用 1. 概念及试验方法,对于大型复杂薄板冲压件成形时，凹模内毛坯产生破裂的情况较多。这一部分毛坯一般是在拉应力作用下成形的，变形区内产生的断裂是延性断裂。掌握板材拉伸失稳理论，利用成形极限图，可以对这种破坏问题较快地
16、作出判断，找出原因，提出相应的解决办法。 成形极限图（FLD）也称成形极限线（FLC），是对板材成形性能的一种定量描述，也是对冲压工艺成败性的一种判断曲线。它比用总体成形极限参数，如胀形系数、翻边系数等来判断是否能成形更为方便而准确。 成形极限图是板材在不同应变路径下的局部失稳极限应变1和2构成的条带形区域或曲线（图2-19）。它全面反映了板材在单向和双向拉应力作用下的局部成形极限。在板材成形中，板平面内的两主应变的任意组合，只要落在成形极限图中的成形极限曲线上，板材变形时就会产生破裂；反之则是安全。图2-19中的条带形区域称为临界区，变形如位于临界区，表明此处板材有濒临于破裂的危险。由此可见
17、，FLD是判断和评定板材成形性能的最为简便和直观的方法，是解决板材冲压成形问题的一个非常有效的工具。,目前，试验确定板材成形极限图的方法是：在毛坯（试样）表面预先作出一定形状的网格。冲压成形后，观察、测定网格尺寸的变化量，经过计算，即可得到网格所在位置的应变。对破裂部位附近变形区内各点网格尺寸的变化进行测量与计算，可得到应变的分布。网格图形如图2-21所示。圆形网格在变形后网格变成椭圆形状，椭圆的长、短轴方向就是主轴方向。再改变润滑条件、毛坯尺寸、成形力等，以改变应变状态从而获得不同应变状态下的极限应变值。最终绘制出成形极限图2-19。,四、成形极限图及其应用 1. 概念及试验方法,成形极限图
18、与应变分析网格法结合在一起，可以分析解决许多生产实际问题。这种方法用于分析解决问题的原理是：首先通过试验方法获得研究零件所用板材的成形极限图；再将网格系统印制在待研究零件毛坯的表面，划出变形危险区；坯料成形为零件后，测定其网格的变化量，计算出应变值。将应变值标注在所用材料的成形极限图上。这时零件的变形危险区域便可准确加以判断。 成形极限图的应用大致有以下几方面： 1） 解决冲模调试中的破裂问题； 2） 判断所设计工艺过程的安全裕度，选用合适的冲压材料； 3） 可用于冲压成形过程的监视和寻找故障。,四、成形极限图及其应用 2. 成形极限图的应用,五、 冷冲压材料及其在图样上表示方法,1、冲压加工常用的板料种类（表2-5）,2、常用板料规格,