沖壓模具設計

1、第二章 冷沖壓變形基礎第一節(jié)第一節(jié) 冷沖壓變形的基本原理概述冷沖壓變形的基本原理概述第二節(jié)第二節(jié) 冷沖壓材料及其沖壓成形性能冷沖壓材料及其沖壓成形性能第一節(jié)第一節(jié) 冷沖壓變形的基本原理概述冷沖壓變形的基本原理概述一、影響金屬塑性和變形抗力的因素 對于大多數金屬，總的影響趨勢是：隨著溫度的升高，塑性增加，變形抗力下降。所以在沖壓工藝中，有時也采用加熱成形的方法，提高材料的塑性，增加在一次成形中所能達到的變形程度；降低材料的變形抗力，減輕設備和工裝的負擔。1.變形溫度第一節(jié)第一節(jié) 冷沖壓變形的基本原理概述冷沖壓變形的基本原理概述一、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.變形溫度圖2-1 碳鋼塑性隨溫度變

2、化曲線 應變速率是指單位時間內應變的變化量。一般來說，由于塑性變形需要一定的時間來進行，因此應變速率太大，塑性變形來不及在塑性變形體中充分擴展和完成，而是更多地表現為彈性變形，致使變形抗力增大。又由于斷裂抗力基本不受應變速率的影響，所以變形抗力的增大就意味著塑性的下降，如圖所示，高速下的極限變形程度1顯然小于低速時的2。2.應變速率一、影響金屬塑性和變形抗力的因素2.應變速率一、影響金屬塑性和變形抗力的因素圖2-2 應變速率對變形抗力和塑性的影響示意圖1高速 低速 塑性變形是在力的作用下產生的，宏觀上是力與塑性變形的關系，實際上是變形體微觀質點應力和應變狀態(tài)關系的表現。施加不同形式的力，在變形

3、體中就有不同的應力狀態(tài)和應變狀態(tài)，從而表現出不同的塑性變形行為。3.應力、應變狀態(tài)一、影響金屬塑性和變形抗力的因素 同一種材料，在其他條件相同時，尺寸越大，塑性越差，變形抗力越小。這是因為材料尺寸越大，組織和化學成分越不均勻，且內部缺陷也越多，應力分布也不均勻。例如厚板沖裁，產生剪裂紋時凸模擠入板料的深度與板料厚度的比值比薄板沖裁時小。4.尺寸因素一、影響金屬塑性和變形抗力的因素 彈性變形時，物體體積的變化與平均應力成正比。實踐證明，塑性變形的物體之體積保持不變，塑性變形以前的體積等于其變形后的體積，可表示為二、塑性變形體積不變條件1230式中 1、2、3塑性變形時的三個主應 變分量。 由體積

4、不變條件可看出，主應變圖只可能有三類：具有一個正應變及兩個負應變；具有一個負應變及兩個正應變；一個主應變?yōu)榱悖韮蓚€應變之大小相等符號相反。二、塑性變形體積不變條件圖2-3 主應變圖2三、塑性條件(屈服準則)屈雷斯加屈服準則的數學表達式是maxmaxmins2式中 max質點的最大切應力； max、min代數值最大、最小 的主應力； s金屬在一定的變形溫度、變 形速度下的屈服點。式中 1、2、3 質點的三個主應力。三、塑性條件(屈服準則)米塞斯屈服準則的數學表達式是（12）2（23）2（31）2或 ()()()21 增量理論又稱流動理論，它可表述如下：在每一加載瞬間，應變增量主軸與應力主軸重合

5、，應變增量與應力偏量成正比，即四、塑性變形時應力與應變的關系d11-m= = =d22-md33-m式中 d瞬時常數，在加載的不同瞬時是變 化的； m平均主應力（靜水應力）。 全量理論認為，在比例加載（也稱簡單加載，是指在加載過程中所有外力從一開始起就按同一比例增加）的條件下，無論變形體所處的應力狀態(tài)如何，應變偏張量各分量與應力偏張量各分量成正比，即四、塑性變形時應力與應變的關系1-m1-m2-m2-m3-m3-m 11-m22-m33-m 由于塑性變形時體積不變，即m0，所以上式可寫成式中 比例系數，它與材料性質和加載歷程有 關，而與物體所處的應力狀態(tài)無關。五、冷沖壓成形中的硬化現象圖2-4

6、 幾種材料的硬化曲線五、冷沖壓成形中的硬化現象 為了實用上的需要，在塑性力學中經常采用直線和指數曲線來近似代替實際硬化曲線，如圖所示為四種簡化類型。 圖2-5 硬化曲線的簡化類型）冪指數硬化曲線 ）剛塑性硬化曲線 ）剛塑性硬化直線 ）理想剛塑性水平直線 一般來說，材料的塑性是有限的。當拉伸變形達到某一量之后，便開始失去穩(wěn)定，產生縮頸，繼而發(fā)生破裂，這就是所謂的塑性拉伸失穩(wěn)。六、塑性拉伸失穩(wěn)及極限應變1.塑性拉伸失穩(wěn)的概念圖2-6 單向拉伸試驗 ）拉斷后的試樣 ）試驗曲線六、塑性拉伸失穩(wěn)及極限應變2.單向拉伸縮頸的條件及極限應變（1）分散性縮頸 板料單向拉伸時，瞬時載荷為 F1A 式中 1 實際

7、應力； A 板料的瞬時斷面積。六、塑性拉伸失穩(wěn)及極限應變2.單向拉伸縮頸的條件及極限應變 （2）集中性縮頸條件 根據Hill理論，當板料的應力變化率等于厚度的減薄率時，此處的變形不能向外轉移，便開始產生集中性縮頸。這就是產生集中性縮頸的條件，可表達為 d11dttd3六、塑性拉伸失穩(wěn)及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變圖2-7 板料雙向拉伸六、塑性拉伸失穩(wěn)及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變 （1）縮頸條件 板料開始產生分散性頸縮失穩(wěn)時，dF10，dF20，類似于單向拉伸時的情況，求導可得到雙向拉伸時的分散性失穩(wěn)條件為d111d222 與單向拉伸一樣，產生集中性縮頸的條件是：板料的

8、應力變化率與厚度的減薄率相等，表達式為六、塑性拉伸失穩(wěn)及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變d11- - d3dttd22- - d3dtt（2）失穩(wěn)極限應變六、塑性拉伸失穩(wěn)及極限應變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應變 板料沖壓成形時，坯料內部的應力和應變狀態(tài)一般都不均勻且不斷變化的，因此，研究板料塑性拉伸失穩(wěn)條件及極限應變，對分析解決沖壓成形工藝問題有直接的指導意義。 在沖壓成形過程中，材料的最大變形限度稱為成形極限。第二節(jié)第二節(jié) 冷沖壓材料及其沖壓成形性能冷沖壓材料及其沖壓成形性能一、板料的沖壓成形性能1.成形極限 沖壓成形失效實際上是塑性變形失穩(wěn)在沖壓工序中的具體表現，其形式可歸結為兩

9、大類，一類拉伸失效，表現為坯料局部出現過度變薄或破裂；一類是受壓失效，表現為板料產生失穩(wěn)起皺。第二節(jié)第二節(jié) 冷沖壓材料及其沖壓成形性能冷沖壓材料及其沖壓成形性能一、板料的沖壓成形性能1.成形極限圖2-8 起皺與破裂的實例 ）板料的貼模性，指板料在沖壓過程中取得模具形狀的能力，成形過程中發(fā)生的內皺、翹曲、塌陷和鼓起等幾何面缺陷均會使貼模性降低。 ）板料的定形性（也叫凍結性），指零件脫模后保持其在模內既得形狀的能力。 ）板料性能的各向異性，特別是板平面方向與板厚方向的性能差異的大小，是影響沖壓成形后板厚變化的重要因素。一、板料的沖壓成形性能2.成形質量 ）板料表面的原始狀態(tài)、晶粒大小、沖壓時材料粘

10、模的情況等都將是影響工件的表面質量。 ）板料的加工硬化性能，以及變形的均勻性，直接影響成形后材料的物理力學性能。一、板料的沖壓成形性能2.成形質量 脹形試驗也稱杯突試驗Erichsen試驗），圖是GBT41561984“金屬杯突試驗方法”的示意圖。二、板料沖壓成形性能的測定（1）脹形試驗圖2-10 杯突試驗 測定或評價板料擴孔成形性能時，常采用圓柱形平底凸模擴孔試驗（KWI擴孔試驗）。二、板料沖壓成形性能的測定（2）擴孔試驗圖2-11 擴孔試驗 這是模擬拉深變形區(qū)的應力和變形狀態(tài)，將楔形板料試樣拉過?？?，在模壁壓縮下使之成為等寬的矩形板條，在試樣不斷裂的條件下，bB越小，拉深性能越好。二、板料

11、沖壓成形性能的測定（3）拉深性能試驗1）拉楔試驗圖2-12 拉楔試驗二、板料沖壓成形性能的測定（3）拉深性能試驗 也叫Swift拉深試驗、LDR試驗，是采用50mm的平底凸模將試樣拉深成形，圖是GBT15825.3-1995“金屬薄板成形性能與試驗方法拉深與拉深載荷試驗”的示意圖。圖2-13 沖杯試驗2）沖杯試驗 也叫TZP法，圖是GBT15825.21995“金屬薄板成形性能與試驗方法 通用試驗規(guī)程”的示意圖。二、板料沖壓成形性能的測定（3）拉深性能試驗3）拉深力對比試驗 圖2-14 TZP試驗)落料 ）拉深 ）夾緊 ）破裂二、板料沖壓成形性能的測定（4）彎曲試驗 圖是GBT15825.5-

12、1995“金屬薄板成形性能與試驗方法 彎曲試驗”示意圖。圖2-16 彎曲試驗 圖是GBT15825.61995“金屬薄板成形性能與試驗方法錐杯試驗”的示意圖，取沖頭直徑Dp與試樣直徑D0的比值為0.35。 二、板料沖壓成形性能的測定（5）錐杯試驗圖2-17 錐杯試驗 在單向拉伸試驗中試樣開始產生局部集中變形（剛出現頸縮時）的伸長率，稱為均勻伸長率，記作b。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系1.伸長率0bb圖2-18 單向拉伸試驗曲線 屈服極限小，材料容易屈服，成形后回彈小，貼模性和定形性較好。如在彎曲工序中，若材料的s低，則sE小，卸載時的回彈變形也小，這有利于提高彎曲件的精度。三、板料的

13、基本性能與沖壓成形性能的關系2.屈服極限s0bb圖2-18 單向拉伸試驗曲線 屈強比s/b對板料沖壓成形性能影響較大。s/b小，即材料易進入塑性變形（需要較小的力），而又不容易產生破裂（需要較大的力），這對所有沖壓成形都是有利的。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系3.屈強比s/b 硬化指數n表示材料在冷塑性變形中材料硬化的程度。n值大的材料，硬化效應就大，這意味著在變形過程中材料局部變形程度的增加會使該處變形抗力較快增大，這樣就可以補償該處因截面積減小而引起的承載能力的減弱，制止了局部集中變形的進一步發(fā)展，致使變形區(qū)擴展，從而使應變分布趨于均勻化。也就是提高了板料的局部抗失穩(wěn)能力和板料成形

14、時的總體成形極限。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系4.應變硬化指數n三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系5.塑性應變比 塑性應變比是指板料試樣單向拉伸時，寬向應變b與厚向應變t之比（又稱板厚方向性系數），即0tto9 04 52r + r- 2 r tblnln式中b0、b、t0與t分別為變形前后試樣的寬度與厚度。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系6.板平面方向性系數(凸耳參數)r 板料經軋制后其力學、物理性能在板平面內出現各向異性，稱為板平面方向性。在表示板材力學性能的各項指標中，板厚方向性系數對沖壓性能的影響比較明顯，故板平面方向性的大小一般用板厚方向性系數r在幾個方向上的平均

15、差值r來衡量，規(guī)定為r 應變速率敏感系數m是材料在單向拉伸過程中變形抗力的增長率和應變速率的比值。如果m值大，則板料變形抗力的增長率高，局部應變容易向周圍轉移擴散，有利于抑制成形時的頸縮或破裂。常溫下普通低碳鋼的m值很小，對沖壓成形性能影響不十分明顯，但m值對某些合金板料和高強鋼板的沖壓成形性能影響較大。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關系7.應變速率敏感系數m四、成形極限圖及其應用1.成形極限圖的概念和試驗方法 成形極限圖Forming Limit Diagrams，縮寫為FLD）或成形極限曲線（Forming Limit Curves，縮寫為FLC）著眼于復雜零件的每一變形局部，它是板料

16、在不同應變路徑（即不同的應變比）下的局部失穩(wěn)極限應變1和2構成的條帶形區(qū)域或曲線，如圖所示，FLD全面、直觀地反映了不同應變狀態(tài)下板料的成形性能，是對板料成形性能的一種定量描述，它是定性和定量研究板料的局部成形性能的有效手段。四、成形極限圖及其應用1.成形極限圖的概念和試驗方法圖2-19 成形極限圖 實際應用的成形極限圖（圖2-20）通常采用剛性半球頭凸模脹形實驗的方法來制作，參見GBT1825.81995“金屬薄板成形性能與試驗方法 成形極限圖試驗”。四、成形極限圖及其應用1.成形極限圖的概念和試驗方法圖2-20 理論成形極限圖 FLD的應用是采用等量比較的方法進行的。在被分析對象的零件板坯

17、上復制上述網格，用待分析的工藝方法對板坯進行成形，測量并計算成形零件中需分析的若干點的應變值，將它們標注在相應的成形極限圖上，便可直觀地得到所分析點的變形情況優(yōu)劣的結論。四、成形極限圖及其應用2.成形極限圖的應用NoImage圖2-22 用成形極限圖進行分析的方法五、冷沖壓材料及其在圖樣上表示方法1.沖壓加工常用的板料種類沖壓加工常用的板料種類金屬材料鐵金屬薄鋼板碳素結構鋼、優(yōu)質碳素鋼、低合金高強度鋼等不銹鋼板鉻鋼、鉻鎳基鋼非鐵金屬鋁及其合金板純鋁、防銹鋁、硬鋁銅及其合金板鈦及其合金板純銅、黃銅、青銅鈦合金非金屬材料紙板、布、皮革、膠木板、橡膠板、塑料板、纖維板、云母板、復合板等沖壓用新材料高強度鋼板、表面處理鋼板、疊層復合板 沖壓用原材料大部分以板料、帶料的形式供貨，其規(guī)格包含尺寸規(guī)格與性能規(guī)格兩方面的內容。尺寸規(guī)格指長度、寬度