冷冲压变形基础.ppt

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1、1.冲压、冲模,2.冲压工序及冷冲模的分类,复习上次课内容,一.影响金属塑性和变形抗力的因素二.塑性变形体积不变条件三.塑性条件(屈服准则)四.塑性变形时应力与应变的关系五.冷冲压成形中的硬化现象六.塑性拉伸失稳及极限应变,第二章 冷冲压变形基础,第一节 冷冲压变形的基本原理概述 P9,第二节 冷冲压材料及其冲压成形性能 P20,第一节 冷冲压变形的基本原理概述,一.影响金属塑性和变形抗力的因素,指引起塑性变形的单位变形力。,指金属在外力的作用下,能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。,塑性：,变形抗力：,影响因素：,变形温度、应变速率、应力应变状态和尺寸因素。,1.变形温度,对于大多数

2、金属,随着温度的升高，塑性增加，变形抗力下降。,温度的升高导致金属内部各种物理化学状态的变化，使得金属的塑性和变形抗力发生改变。由于金属和合金的种类繁多，温度变化引起的物理化学状态的改变各不相同，所以温度对各种金属和合金塑性及变形抗力的影响规律也各不相同。如碳钢，在随温度升高塑性增加的总趋势下有几处相反的情况；图2-1,总之，为了提高材料的变形程度，减小材料的变形抗力，在确定变形温度时，必须根据不同材料的温度力学性能曲线、加热对材料可能产生的不利影响（如氢脆、晶间腐蚀、氧化、脱碳等）以及材料的变形性质作出正确的选择。,2.应变速率,指单位时间内应变的变化量。,一般来说，由于塑性变形需要一定的时

3、间来进行，因此应变速率太大，塑性变形来不及在塑性变形体中充分扩展和完成，而是更多地表现为弹性变形，致使变形抗力增大。又由于断裂抗力基本不受应变速率的影响，所以变形抗力的增大就意味着塑性的下降，如图 2-2所示。,压力机滑块的移动速度越高，则工件的应变速率越大。因此在实际应用中，可依据上述影响规律来选用塑性成形设备的工作速度。通常是：,1）对于形状简单的小零件，因为变形程度小，一般可以不考虑速度因素。,2）对于大型复杂零件的冲压成形，宜用低速压力机。,4）对于应变速率比较敏感的材料，如不锈钢、耐热合金、钛合金等，加载速度不宜超过 0.25m/s。,3）对于加热成形工序，如加热拉深、加热缩口等，宜

4、用低速。,3.应力、应变状态,应力状态对金属的塑性有很大的影响，主要取决于主应力状态下静水压力的大小，静水压力越大，亦即压应力的个数越多、数值越大时，金属表现出的塑性越好。相反，如拉应力的个数越多、数值越大，即静水压力越小，则金属的塑性越差。,在主应力状态中，静水应力 m=(1+2+3)/3的绝对值越大，则变形体的变形抗力越大。,应变状态对金属的塑性也有一定的影响。在主应变状态中，压应变的成分越多，拉应变的成分越少，越有利于材料塑性的发挥；反之，越不利于材料塑性的发挥。这是因为材料的裂纹与缺陷在拉应变的方向易于暴露和扩展，沿着压应变的方向则不易暴露和扩展。,如：铅在三向等拉应力作用下很脆，而大

5、理石在三向压应力作用下却能产生较大的塑性变形。,4.尺寸因素,同一种材料，在其他条件相同时，尺寸越大，塑性越差，变形抗力越小。这是因为材料尺寸越大，组织和化学成分越不均匀，且内部缺陷也越多，应力分布也不均匀。例如厚板冲裁，产生剪裂纹时凸模挤入板料的深度与板料厚度的比值比薄板冲裁时小。,二.塑性变形体积不变条件,塑性变形的物体其体积保持不变，即塑性变形以前的体积等于其变形后的体积，可表示为：1+2+3=0 1、2、3塑性变形时的三个主应变分量 上式即为塑性变形体积不变条件，它反映了三个塑性主应变值之间的相互关系。由体积不变条件可看出，主应变图只可能有三类：具有一个负应变及两个正应变；具有一个正应

6、变及两个负应变；一个主应变为零，另两个应变之大小相等符号相反。,图 2-3 主应变图,三.塑性条件(屈服准则),对复杂应力状态，就不能仅仅根据某一个应力分量来判断一点是否已经屈服，而要同时考虑各应力分量的综合作用。那么，在复杂应力状态下，各应力分量之间符合某种关系时，才能同单向应力状态下试验确定的屈服点s等效，从而使物体由弹性状态进入塑性状态，此时应力分量之间的这种关系就称为塑性条件，或称屈服准则。,在外力作用下，金属由弹性变形过渡到塑性变形（即开始屈服），主要取决于变形金属的力学性能和所受的应力状态。在其它条件相同时，金属的屈服只决定于所受的应力状态。,在单向应力状态下，如果拉伸（或压缩）应

7、力达到材料的屈服点s，便开始屈服，从弹性状态进入塑性状态。,1.屈雷斯加（H.Tresca）准则,屈雷斯加屈服准则的数学表达式是,式中 max质点的最大切应力；max、min代数值最大、最小的主应力；s金属在一定的变形温度、变形速度下的屈服点。,亦即当受力物体内质点的最大切应力达到材料单向拉伸时屈服点值s的一半时，该点就发生屈服。或者说，材料（质点）处于塑性状态时，其最大切应力等于s的一半。所以屈雷斯加屈服准则又称作最大切应力不变条件。,该准则计算比较简单，有时也较符合实际，所以较常用。但由于未反映中间应力的影响，仍有不足之处。,2.米塞斯（Von.Mises）准则,米塞斯屈服准则的数学表达式

8、是,即当受力物体内质点的等效应力 达到材料单向拉伸时屈服点值s时，该点就发生屈服。米塞斯屈服准则也称为能量准则。若用修正系数来考虑中间主应力2的影响，米塞斯屈服准则可以简写为,13=s,中间主应力影响系数，或称应力修正系数，其值在11.155 范围内。,式中 1、2、3质点的三个主应力。,四.塑性变形时应力与应变的关系,弹性变形阶段：应力与应变之间的关系是线性的、可逆的，与加载历史无关；,塑性变形阶段：应力与应变之间的关系则是非线性的、不可逆的，与加载历史有关。,针对加载过程的每一瞬间，可采用增量理论来描述塑性变形的应力与应变增量之间的关系。增量理论又称流动理论，它可表述如下：在每一加载瞬间，

9、应变增量主轴与应力主轴重合，应变增量与应力偏量成正比，即,式中 d瞬时常数，在加载的不同瞬时是变化的；m平均主应力（静水应力）。,全量理论认为，在比例加载（也称简单加载，是指在加载过程中所有外力从一开始起就按同一比例增加）的条件下，无论变形体所处的应力状态如何，应变偏张量各分量与应力偏张量各分量成正比，即,由于塑性变形时体积不变，即m=0，所以上式可写成,比例系数，它与材料性质和加载历程有关，而与物体所处的应力状态无关。,在塑性成形中，由于难以普遍保证比例加载，所以一般都采用增量理论来分析解决问题。全量理论，一般用来研究小变形问题。,1）可根据偏应力（i-m）的正负来判断某个方向的主应变的正负

10、。当某个方向的偏应力为正值时，则该方向的主应变亦为正值；反之，亦然。2）若某点的主应力的顺序为123，则该点主应变的顺序为123，且1 0，3 0。3）当变形体处于三向等拉或三向等压的应力状态（即1=2=3=m）时，不会产生任何塑性变形（即1=2=3=0）。,利用全量理论式，并结合塑性变形体积不变定律，可以对塑性变形体中某些特定的、有代表性的点的应变和应力的性质作出大致的定性分析，例如：,4）当变形体处于单向拉应力状态（即1 0，2=3=0）时，则有1 0，2=3=-1/2。当变形体处于单向压应力状态（即3 0，3=0）时，则有1=2=-3/2。6）当变形体处于平面应变状态（即3=-1，2=0

11、）时，则2=m=（1+3）/2。,五.冷冲压成形中的硬化现象,3.硬化曲线,材料的强度、硬度指标随变形程度的增加而增加,塑性随之降低。,1.硬化现象的表现形式:,2.加工硬化有利及不利面,有利方面:,板料硬化能够减小过大的局部变形,使变形趋于均匀,增大成形极限,同时也提高了材料的强度。,不利方面:,使进一步变形困难。,为了实用上的需要，在塑性力学中经常采用直线和指数曲线来近似代替实际硬化曲线，如图2-5所示为四种简化类型。,A 和 n决定于材料的种类和性能，可通过拉伸试验求得，其值列于表 2-1。指数曲线和材料的实际硬化曲线比较接近。硬化指数 n是表明材料冷变形时硬化性能的重要参数，也称 n

12、值。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地增大。n值对板材的冲压成形性能以及制件的质量都有较为重要的影响。,图 a是幂指数硬化曲线，其函数式为：,=An,A强度系数；n硬化指数。,六.塑性拉伸失稳及极限应变,当拉伸变形达到某一量之后，便开始失去稳定，产生缩颈，继而发生破裂，称为塑性拉伸失稳。在单向拉伸实验中，表现为拉力载荷随变形程度增大不断降低，如图 2-6单向拉伸曲线中的 bd 段所示。,1.塑性拉伸失稳的概念,单向拉伸失稳时的极限应变主要取决于材料的硬化指数 n，而双向拉伸失稳时的极限应变还与应力比有关。,.失稳极限应变,第二节 冷冲压材料及其冲压成形性能 P

13、20,一、板料的冲压成形性能,二、板料冲压成形性能的测定,三、板料的基本性能与冲压成形性能的关系,四、冷冲压材料及其在图样上表示方法,一、板料的冲压成形性能,板料对冲压成形工艺的适应能力。,冲压成形性能:,指板料便于冲压加工，一次冲压工序的极限变形程度和总的极限变形程度大，生产率高，容易得到高质量的冲压件，模具寿命长等。,冲压性能好:,1.成形极限2.成形质量,1.成形极限,在冲压成形过程中，材料的最大变形限度。,成形极限:,材料性能、零件和冲模的几何形状与尺寸、变形条件（变形速度、压边力、摩擦和温度等）以及冲压设备性能和操作水平等。,影响因素:,受压失效_表现为板料产生失稳起皱。图2-8,失

14、效形式:,拉伸失效_表现为坯料局部出现过度变薄或破裂；,若材料已确定，从冲压工艺参数的角度来看，为了不影响成形过程正常进行（不起皱、不破裂），就必须限制其成形极限。,当变形坯料板平面内两个方向的应变之和大于 0，而板厚方向的应变小于 0时，称之为伸长类变形（如胀形、扩口、翻孔等）。当变形坯料板平面内两个方向的应变之和小于 0，而板厚方向的应变大于 0时，称之为压缩类变形（如拉深、缩口等）。,提高成形极限措施:,提高材料的塑性指标和增强抗拉、抗压的能力。,伸长类变形的极限变形参数主要决定于材料的塑性；压缩类变形的极限变形参数通常是受坯料传力区的承载能力的限制，有时则受变形区或传力区的抗失稳起皱能

15、力的限制。,2.成形质量,尺寸精度、形状精度、厚度变化、表面质量以及成形后材料的物理力学性能等方面的内容。,影响冲压件质量的因素:,1）板料的贴模性，指板料在冲压过程中取得模具形 状的能力。,2）板料的定形性（也叫冻结性），指零件脱模后保 持其在模内既得形状的能力。,3）板料性能的各向异性。,4）板料表面的原始状态、晶粒大小、冲压时材料粘 模的情况等都将是影响工件的表面质量。（图 2-9）,5）板料的加工硬化性能，以及变形的均匀性,直接影 响成形后材料的物理力学性能.,冲压件的成形质量:,二、板料冲压成形性能的测定,板料的冲压成形性能可以通过试验进行测定与评价。,用工艺试验可以直接测得被测板料

16、的某种极限变形程度，而该极限变形程度即反映此板料对应于这类成形方式的冲压成形性能，所以又称之为直接试验。,工艺试验:(模拟试验和直接试验),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，所以工艺试验也称为模拟试验。,1.胀形试验 也称杯突试验（Erichsen试验）,2.扩孔试验 测定或评价板料扩孔成形性能,3.拉深性能试验 测定或评价板料拉深成形性能主要有下面几种试验方法。,1）拉楔试验：,2）冲杯试验：,4.弯曲试验,5.锥杯试验,三、板料的基本性能与冲压成形性能的关系,板料基本性能指标，是指按国家有关标准规定的试验方法（包括力学试验和金属学试验）测定得到的

17、通用性能指标。通过对板料基本性能的分析，能够间接地判定其冲压成形性能，所以，我们也将此类相关的试验称之为板料冲压成形性能的间接试验法。如板材单向拉伸试验，可得到的指标有：伸长率、均匀伸长率b、屈服伸长s、屈服极限s、抗拉强度b、屈强比s/b、应变硬化指数 n、塑性应变比 r、凸耳参数r、应变速率敏感系数 m 等。,1.伸长率,2.屈服极限s,3.屈强比s/b,4.应变硬化指数 n,5.塑性应变比 r,6.板平面方向性系数（凸耳参数）r,7.应变速率敏感系数 m,b表示板料产生均匀变形(稳定变形)的能力。一般情况下，冲压成形都在板材的均匀变形范围内进行，故b 对冲压性能有较为直接的意义。在伸长类

18、变形工序中，例如翻孔、扩口、弯曲（指外区）、胀形等工序，b越大，则极限变形程度越大。,1.伸长率,图 2-18 单向拉伸试验曲线,在单向拉伸试验中试样开始产生局部集中变形（刚出现颈缩时）的伸长率，称为均匀伸长率，记作b。试样拉断时的伸长率，称为总伸长率，如图 2-18所示。,2.屈服极限s,屈服极限s小，材料容易屈服，成形后回弹小，贴模性和定形性较好。如在弯曲工序中，若材料的s低，则s/E 小，卸载时的回弹变形也小，这有利于提高弯曲件的精度。,3.屈强比s/b,屈强比对板料冲压成形性能影响较大。s/b小，即材料易进入塑性变形（需要较小的力），而又不容易产生破裂（需要较大的力），这对所有冲压成形

19、都是有利的。例如，对于拉深工艺，当材料的屈强比小时，即屈服点s低，则变形区的切向压应力较小，板料失稳起皱的趋势小，防止起皱所需的压料力和需要克服的摩擦力也相应减小，从而降低了总的变形抗力，也就减轻了传力区的载荷；而抗拉强度b 高，则传力区的承载能力大，所以说屈强比小有利于成形极限的提高。,4.应变硬化指数n,n表示材料在冷塑性变形中材料硬化的程度。n 值大的材料，硬化效应就大，这意味着在变形过程中材料局部变形程度的增加会使该处变形抗力较快增大，这样就可以补偿该处因截面积减小而引起的承载能力的减弱，制止了局部集中变形的进一步发展，致使变形区扩展，从而使应变分布趋于均匀化。也就是提高了板料的局部抗

20、失稳能力和板料成形时的总体成形极限。材料的屈强比与硬化指数之间有一定的关系，当材料的种类相同，而且延伸率也相近时，s/b较小，则 n值较大，所以有时可以简便地用s/b 代替 n值来表示材料在伸长类变形工艺中的冲压性能。,四、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,见下表,黑色金属(碳素结构钢板如Q234、优质碳素 金属材料 钢板08F、电工硅钢板和不锈钢板等)冲压材料 有色金属(如铜板、铝板等)非金属材料(如绝缘胶木板、纸板、橡胶板、塑料板和纤维板)坯料类型,板料：大型零件,条料：中小型零件,卷料：大批量生产的自动送料,块料：少数钢种和有色金属的冲压,2.常用板料的规格,冲

21、压用原材料大部分以板料、带料的形式供货，其规格包含尺寸规格与性能规格两方面的内容。尺寸规格指长度、宽度、厚度及极限偏差，国标对不同种类的板料和带料的长度、宽度、厚度都规定了统一的标准系列，选用时可参照有关标准。,如 GB/T 52132001深冲压用冷轧薄钢板及钢带标准，规定冲压性能分为Z、S、P三级：Z最深拉深级；S深拉深级；P普通拉深级；同时规定铝镇静钢 08Al按其拉深质量分为 ZF、HF、F三级：ZF拉深最复杂零件；HF拉深很复杂零件；F拉深复杂零件。,在冲压工艺资料和图样上，对材料的表示方法有特殊的规定。现以优质碳素结构钢冷轧薄钢板标记为例。例 08钢，尺寸 1.0mm 1000mm

22、 1500mm，较高精度，较高级的精整表面，深拉深级的冷轧钢板表示为,3.板料在图样上的表示,冷轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差,优质碳素结构钢热轧薄钢板和钢带,图 2-1 碳钢塑性随温度变化曲线,在大约 200 400 之间时，由于夹杂物以沉淀的形式在晶界、滑移面析出，产生沉淀硬化，使变形抗力增加，塑性降低，这一温度范围称为冷脆区（或蓝脆区）。在大约 800 950 的范围内，又会出现热脆区，使塑性降低。这和铁与硫形成的化合物 FeS几乎不溶于固体铁中，在晶界形成低熔点（910）的共晶体（FeSFeO）有关。当温度超过 1250 后，由于发生过热、过烧，塑性又会急剧下降，这个区称为高

23、温脆区。,图 2-2 应变速率对变形抗力和塑性的影响示意图1高速 2低速,高速下的极限变形程度1显然小于低速时的2。,图 2-4 几种材料的硬化曲线,图 2-5 硬化曲线的简化类型,a）幂指数硬化曲线 b）刚塑性硬化曲线c）刚塑性硬化直线 d）理想刚塑性水平直线,图 2-6 单向拉伸试验a）拉断后的试样 b）试验曲线,图 2-8 起皱与破裂的实例,在复杂冲压件的成形中，这两类缺陷可能同时出现。动画,图 2-9 表面桔皮状,晶粒粗大的钢板拉深时产生的缺陷,图 2-10 杯突试验,动画,杯突试验是模拟胀形工艺，所以试验值 IE 可作为材料的胀形成形性能指标，也是评定拉伸类冲压成形性能的一个材料特性

24、值。IE 值越大，胀形成形性能及拉伸类成形性能越好。,凸包刚好破裂时，凸模压入的深度。,杯突试验值IE：,图 2-11 扩孔试验,试验时，试样放在凹模与压边圈之间压死，凸模向上运动，把试样中心孔 d0胀大，直至孔缘局部发生破裂时，测得此时孔径的最大值 dfmax和最小值 dfmin，并计算扩孔率作为扩孔成形性能指标。越大，扩孔成形性能越好。,d0 试样中心孔的初始直径（mm）；df 孔缘破裂时的孔径平均值（mm）；df=1/2（dfmax-dfmin）。,图 2-12 拉楔试验,模拟拉深变形区的应力和变形状态，将楔形板料试样拉过模口，在模壁压缩下使之成为等宽的矩形板条，在试样不断裂的条件下，b

25、/B 越小，拉深性能越好。,图 2-13 冲杯试验,动画,也叫 Swift拉深试验、LDR 试验，是采用直径为50mm 的平底凸模将试样拉深成形。试验过程中，采用逐级增大试件直径 D0（直径相差 1.25mm）的办法，测定杯体底部不被拉破而又能将凸缘全部拉入凹模的最大直径 D0max，计算极限拉深比（LDR）作为拉深成形性能指标。LDR 越大，材料的拉深性能越好。,dp凸模直径。,它的最大缺点是需制备较多的试件、经过多次试验。,采用压弯法或折叠弯曲，在逐渐减小凸模弧面半径 rp的条件下，测定试样外层材料不产生裂纹时的最小弯曲半径 rmin，将其与试样基本厚度 t0 的比值(即最小相对弯曲半径=rmin/t 0)作为弯曲成形性能指标。最小相对弯曲半径越小，弯曲成形性能越好。,本试验是对板材拉深和胀形复合成形性能进行测试。取冲头直径 Dp 与试样直径 D0的比值为 0.35。试验时，试样平放在锥形凹模孔内，通过冲头把试样冲成锥杯，至杯底或其附近发生破裂时，测得杯口的平均直径 Dc，作为锥杯试验值，称之为 CCV 值。,CCV 值越小，“拉深胀形”成形性能越好。,作业,