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1、 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 20 页 共 20 页冲压成形特点与板材冲压成形性能冲压是通过模具使板材产生塑性变形而获得成品零件的一种成形工艺方法。由于冲压通常在冷态下进行，因此也称冷冲压。只有当板材厚度超过8100mm时，才采用热冲压。冲压加工的原材料_二般为板材或带材，故也称板材冲压。某些非金属板材(如胶木板、云母片、石棉、皮革等)亦可采用冲压成形工艺进行加工。冲压广泛应用于金属制品各行业中，尤其在汽车、仪表、军工、家用电器等工业中占有极其重要的地位。冲压成形需研究工艺、设备和模具三类基本问题。板材冲压具有下列特点：(1)材料利用率高。(2)可加工薄壁、形状复杂的零件。(
2、3)冲压件在形状和尺寸精度方面的互换性好。(4)能获得质量轻而强度高、刚性好的零件。(5)生产率高，操作简单，容易实现机械化和自动化。冲压模具制造成本高，因此适合于大批量生产。对于小批量、多品种生产常采用简易冲模，同时引进冲压加工中心等新型设备，以满足市场求新求变的需求。板材冲压常用的金属材料有低碳钢、铜、铝、镁合金及高塑性的合金钢等。如前所述，材料形状有板材和带材。冲压生产设备有剪床和冲床。剪床是用来将板材剪切成具有一定宽度的条料，以供后续冲压工序使用，冲床可用于剪切及成形。1.1 冲压成形的特点生产实践中所采用的冲压成形工艺方法有很多，具有多种形式和名称，但其塑性变形本质是相同的。冲压成形
3、具有如下几个非常突出的特点。(1)垂直于板面方向的单位面积上的压力，其数值不大便足以在板面方向上使板材产生塑性变形。由于垂直于板面方向上的单位面积上压力的数值远小于板面方向上的内应力，所以大多数的冲压变形都可以近似地当作平面应力状态来处理，使其变形力学的分析和工艺参数的计算等工作都得到很大的简化。(2)由于冲压成形用的板材毛坯的相对厚度很小，在压应力作用下的抗失稳能力也很差，所以在没有抗失稳装置(如压边圈等)的条件下，很难在自由状态下顺利地完成冲压成形过程。因此，以拉应力作用为主的伸长类冲压成形过程多于以压应力作用为主的压缩类成形过程。(3)冲压成形时，板材毛坯内应力的数值等于或小于材料的屈服
4、应力。在这一点上，冲压成形与体积成形的差别很大。因此，在冲压成形时变形区应力状态中的静水压力成分对成形极限与变形抗力的影响，已失去其在体积成形时的重要程度，有些情况下，甚至可以完全不予考虑，即使有必要考虑时，其处理方法也不相同。(4)在冲压成形时，模具对板材毛坯作用力所形成的约束作用较轻，不像体积成形(如模锻等)是靠与制件形状完全相同的型腔对毛坯进行全面接触而实现的强制成形。在冲压成形中，大多数情况下，板材毛坯都有某种程度的自由度，常常是只有一个表面与模具接触，甚至有时存在板材两侧表面都不与模具接触的变形部分。在这种情况下，这部分毛坯的变形是靠模具对其相邻部分施加的外力实现其控制作用的。例如，
5、球面和锥面零件成形时的悬空部分和管坯端部的卷边成形等都属这种情况。由于冲压成形具有上述一些在变形与力学方面的特点，致使冲压技术也形成了一些与体积成形不同的特点。(1)由于不需要在板材毛坯的表面施加很大的单位压力即可使其成形，所以在冲压技术中关于模具强度与刚度的研究并不十分重要，相反地却发展了许多简易模具技术。由于相同的原因，也促使靠气体或液体压力成形的工艺方法得以发展。(2)因冲压成形时的平面应力状态或更为单纯的应变状态(与体积成形相比)，当前对冲压成形中毛坯的变形与力能参数方面的研究较为深人，有条件运用合理的科学方法进行冲压加工。借助于电子计算机与先进的测试手段，在对板材性能与冲压变形参数进
6、行实时测量与分析的基础上，实现冲压过程智能化控制的研究工作也在开展。(3)人们在对冲压成形过程有了较为深人的了解后，已经认识到冲压成形与原材料有十分密切的关系。所以，对板材冲压性能即成形性与形状稳定性的研究，目前已成为冲压技术的一个重要内容。对板材冲压性能的研究工作不仅是冲压技术发展的需要，而且也促进了钢铁工业生产技术的发展，为其提高板材的质量提供了一个可靠的基础与依据。1.2 冲压变形的分冲压成形工艺可完成多种工序，其基本工序可分为分离工序和变形工序两大类。分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的工艺方法，主要有落料、冲孔、切边、剖切、修整等。其中又以冲孑L、落料应用最广。变形工序是使坯
7、料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工艺方法，主要有拉深、弯曲、局部成形、胀形、翻边、缩径、校形、旋压等。从本质上看，冲压成形就是毛坯的变形区在外力的作用下产生相应的塑性变形，所以变形区内的应力状态和变形性质是决定冲压成形性质的基本因素。因此，根据变形区应力状态和变形特点进行的冲压成形分类，可以把成形性质相同的成形方法概括成同一类型并进行体系化的研究。绝大多数冲压成形时毛坯变形区均处于平面应力状态。通常认为在板材表面上不受外力的作用，即使有外力作用，其数值也是较小的，所以可以认为垂直于板面方向上的应力为零，使板材毛坯产生塑性变形的是作用于板面方向上相互垂直的两个主应力。由于板厚较小，通常
8、都近似地认为这两个主应力在厚度方向上是均匀分布的。基于这样的分析，可以把各种形式冲压成形中的毛坯变形区的受力状态与变形特点，在平面应力的应力坐标系中(冲压应力图)与相应的两向应变坐标系中(冲压应变图)以应力与应变坐标决定的位置来表示。也就是说，冲压应力图与冲压应变图中的不同位置都代表着不同的受力情况与变形特点。(1)冲压毛坯变形区受两向拉应力时，可以分为两种情况：和。在这两种情况下，绝对值最大的应力时拉应力。以下对这两种情况分别进行分析。1、当且时，按全量理论可以写出如下应力和应变关系式：式中：，分别式轴对称冲压成形时的径向主应变，切向主应变和厚度方向上的主应变 ，分别时轴对称冲压称形时的径向
9、主应力，切向主应力与厚度方向上的主应力；平均应力；K常数。在平面应力状态时，上式具有如下形式：式 （1-2）因为0,所以必定有0与0.这个结果表明，在两向拉应力的平面应力状态时，如果绝对值最大拉应力时，则在这个方向上的主应变一定时正应变，即拉变形。又因为0，所以必定有0与2时，0；当2时，0;当0。的变化范围时0。在双向等卡应力状态时，=，由式（1-2）得=0及0且=0时，由式（1-2）可知：因为0,所以一定由20于0.这个结果表明：对于两向拉应力的平面应力状态，当的绝对值最大时，则在这个方向上应变一定时伸长变形。又因为0,所以一定有0与2时，0；当0.这时的变化范围时0。当=时，=0，页就是
10、在双向等拉的应力状态下，在两个拉应力方向上产生数值相同的伸长变形：当=0时，=/20，也就是说，在单向拉应力状态下，其变形性质与一般的简单拉伸时完全一样的，这中变形与受力情况，处于冲压应变图中的AOC范围内（见图1-1），处于冲压应力图中的AOH范围内（1-2）。上述两种冲压变形情况，仅在最大拉应力方向上不同，而两个应力的性质以及它们引起的变形都是一样的，因此，对于各向同性材料，这两种变形时完全相同的。冲压毛坯变形区受两向压应力的作用，这种变形也时分两种情况分析，即：0，=0和0，=0.当0，=0时，由式（1-2）可知：因为0.，所以一定由20，与0。这个结果表明，在两向压应力作用的平面应力状
11、态时，如果绝对值最大的应力是0。则在这个方向上的应变一定是负的，即压缩应变。又因为0与0，即在板厚方向应变是正，板增厚。在方向上的变形取决于与的数值：当=2时，=0；当2时，0；当0。这时的变化范围是与0之间。当=时，时双向等压的平面应力状态，故有=0；当=0时，是单向受压的应力状态，所以=/2。这种变形情况处于冲压应变图的EOG范围内（见图1-1），而在冲压应力图中则处于COD范围内（见图1-2）。 当0且=0时，由式（1-2）可知：因为0,所以一定有20及 0。这各结果表明：对于两向压应力作用的平面应力状态，如果绝对值最大的应力是，则在这个方向上的应变上的应变一定是负的，一定是压缩应变，又
12、因为0及0，即在板厚方向上的应变是正的，板厚增大。 方向上的变形取决于应力与的数值：当=2时，=0；当2时，0；当0。这时，的数值只能在0之间变化，当=时，时双向等压的压力状态，所以有=/20。这种变形情况，在冲压应变图中处于GOL范围内（见图1-1），而在冲压应变图处于DOE范围内（见图1-2）。（3）变形区受两个方向上异号应力的作用，而且拉应力的绝对值大于压应力的绝对值。这种变形共有两种情况，分别做如下的分析。1）当0，时，由式（1-2）可知：因为0, 时，所以一定由2-0及0。这个结果表明，在异号的平面应力状态时，如果绝对值最大的应力时拉应力，则在这个绝对值最大的拉应力方向上的应变时正的
13、 ，即为伸长变形。又因为0，,所以必定0, 时，利用式（1-2），用与前项相同的方法分析可得0.即在异号应力作用的平面应力状态下，如果绝对值最大的应力式拉应力，则在这个方向上的应变式正的，式伸长变形；而在压应力方向上的应变是负的，是压缩变形。这时的数值只能在=与=0的范围内。当=时，0, 0, 0，时，由式（1-2）可知：因为0，必定有20与0，0及0，即在拉应力方向上的应变是正的，是伸厂变形。这时的数值只能介于=与=0之间。当=时，0，0, 0, 时，利用式（1-2）的关系，并用与前项相同的分析方法可得,0。即在异号应力作用的平面应力状态下，如果绝对值最大的应力式压应力，则在这个方向上的应变
14、式负的，式压缩变形；而在拉应力作用方向上的应变是正的，是伸长变形。这时的数值只能介于=与=0之间。当=时，0,0, 1时，单向拉伸试验中宽度方向上的应变大于厚度方向上的应变e。，说明厚度方向上的变形难于宽度方向。根据塑性变形中体积不变条件，可以把式(13)写成如下形式： (1-4)在用拉伸试验测定板材的，一值时，为了提高测量精度，通常都不是直接测量厚度方向上的应变，而是利用引伸计或位移传感量长度方向和宽度方向上的应变，利用式(14)计算。 板材的各向异性主要影响拉深性能。理论与冲压生产实践都证实，板材的，值大，它的拉深性能也好。由图1-9可看出，一值对圆筒形件极限拉深比(LDR)的影响。另外，
15、r值大对具有倾斜侧壁的曲面形状零件(如球面形件、锥面形件、抛物面形件、汽车覆盖件等)的冲压成形也是有利的。在这种类型零件成形时，它们的倾斜侧壁是由于拉力作用下产生伸长变形的同时，也会产生与之相垂直的横向压缩应变。当r值大时，横向压缩应变也大，有助于产生向凸模表面贴靠的位移，也就是易于实现拉力作用下的成形过程。实验结果表明，在单向拉伸试验时r值基本上是不变的，可以在任何伸长应变时取值。但是，为了消除测量时的误差，一般约定在伸长应变为1520时测取r值。当板材具有各向异性时，在板材的不同方向截取试样，进行单向拉伸试验所得的各种拉伸试验值也不一样。这种板材性能与板平面内方向有关的现象，叫做板平面内的各向