沖壓變形理論基礎(chǔ)

1、沖壓變形理論基礎(chǔ)沖壓成形是金屬塑性成形加工方法之一，是建立在金屬塑性變形理論基礎(chǔ)上的材料成形工程技術(shù)。要掌握冷沖壓成形加工技術(shù)，就必須具有金屬塑性變形理論的基礎(chǔ)知識塑性變形的基本概念 在金屬材料中，原子之間作用著相當(dāng)大的力，足以抵抗重力的作用，所以在沒有其它外力作用的條件下，金屬物體將保持自有的形狀和尺寸。 彈性變形-當(dāng)物體受到外力作用之后，它的形狀和尺寸將發(fā)生變化即變形，變形的實(shí)質(zhì)就是原子間的距離產(chǎn)生變化。假如作用于物體的外力去除后，由外力引起的變形隨之消失，物體能完全恢復(fù)自己的原始形狀和尺寸，這樣的變形稱為彈性變形。 塑性變形-如果作用于物體的外力去除后，物體并不能完全恢復(fù)自己的原始形狀和

2、尺寸，這樣的變形稱為塑性變形。塑性變形和彈性變形都是在變形體不破壞的條件下進(jìn)行的（即連續(xù)性不破壞）通常用塑性表示材料塑性變形能力。 塑性-指固體材料在外力作用下發(fā)生永久變形而不破壞其完整性能力。金屬的塑性不是固定不變的，影響它的因素很多，除了金屬本身的晶格類型、化學(xué)成分和金相組織等內(nèi)在因素之外，其外部因素變形方式（機(jī)械因素即應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)變狀態(tài)）、變形條件（物理因素即變形溫度與變形速度）的影響也很大。影響金屬塑性的主要因素如表1.3.1 所示。 衡量金屬塑性高低的參數(shù)稱為塑性指標(biāo)（延伸率、斷面收縮率）。 塑性指標(biāo)-是以材料開始破壞時的塑性變形量來表示，它可借助于各種實(shí)驗(yàn)方法測定。目前應(yīng)用比較廣泛

3、的是拉伸試驗(yàn)，對應(yīng)于拉伸試驗(yàn)的塑性指標(biāo)，用延伸率和斷面收縮率表示。和的數(shù)值由下式確定： 需要指出，各種試驗(yàn)方法都是相對于特定的受力狀況和變形條件的，由此所測定的塑性指標(biāo)，僅具有相對的比較意義。 變形力變形力-塑性變形時，使金屬產(chǎn)生變形的外力稱為變形力。 變形抗力變形抗力-金屬抵抗變形的力稱為變形抗力，它反映材料產(chǎn)生塑性變形的難易程度，一般用金屬材料產(chǎn)生塑性變形的單位變形力表示其大小。 金屬受外力作用產(chǎn)生塑性變形后不僅形狀和尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的組織和性能也將發(fā)生變化。一般會產(chǎn)生加工硬化或應(yīng)變剛現(xiàn)象，即金屬的機(jī)械性能，隨著變形程度的增加，強(qiáng)度和硬度逐漸增加，而塑性和韌性逐漸降低；晶粒會沿變形

4、方向伸長排列形成纖維組織使材料產(chǎn)生各向異性；由于變形不均，會在材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，變形后作為殘余應(yīng)力保留在材料內(nèi)部。塑性力學(xué)基礎(chǔ).點(diǎn)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)金屬沖壓成形時，外力通過模具作用在坯料上，使其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，并且發(fā)生塑性變形。一定的力 的作用方式和大小都對應(yīng)著一定的變形，受力不同，變形就不同。 由于坯料變形區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的受力和變形情況不同，為了全面、完整地描述變形區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的受力情況，引入點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)的概念。某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)， 通常是圍繞該點(diǎn)取出一個微?。ㄕ┝骟w（即所謂單元體），用該單元體上三個相互垂直面上的應(yīng)力來表示。一般可沿坐標(biāo)方向?qū)⑦@些應(yīng)力分解成9個應(yīng)力分量，即3個正應(yīng)力和6個剪應(yīng)力，如圖1

5、.3.1 a）所示。由于單元體處于靜平衡狀態(tài)，根據(jù)剪應(yīng)力互等定理（xy=yx ，xz=zx ，yz=zy），實(shí)際上只需要知道6個應(yīng)力分量，即3個正應(yīng)力和3個剪應(yīng)力，就可以確定該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。 對于任何一種應(yīng)力狀態(tài)，總是存在這樣一組坐標(biāo)系，使得單元體各表面只有正應(yīng)力而無剪應(yīng)力，如圖1.3.1b）所示, 這樣，應(yīng)力狀態(tài)的表示將大大的簡化。我們稱剪應(yīng)力為零的平面為主平面， 與主平面垂直的各條軸線稱主軸，作用在主平面上的正應(yīng)力稱為主應(yīng)力（一般用1、2、3表示），以主應(yīng)力表示的應(yīng)力狀態(tài)，稱為主應(yīng)力狀態(tài)，表示主應(yīng)力有無與方向的圖形， 稱主應(yīng)力狀態(tài)圖。塑性變形過程中，可能出現(xiàn)的主應(yīng)力狀態(tài)圖共有九種，如圖1.

6、3.2 所示。 變形體內(nèi)存在應(yīng)力必然產(chǎn)生應(yīng)變。通常用應(yīng)變狀態(tài)來描述點(diǎn)的變形情況，點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)與點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)類似。應(yīng)變也有正應(yīng)變和剪應(yīng)變之分，當(dāng)采用主軸坐標(biāo)系時，單元體上也只有三個主應(yīng)變分量:1 、2 、3金屬材料在塑性變形時，體積變化很小，可以忽略不計。因此，一般認(rèn)為金屬材料在塑性變形時體積不變，可證明滿足1 +2 +3=0 ，由此可見，塑性變形時，三個主應(yīng)變分量不可能全部同號，只可能有三向和二向應(yīng)變狀態(tài)，不可能有單向應(yīng)變狀態(tài)。其主應(yīng)變狀態(tài)圖只有三種，如圖1.3.3所示。 2金屬的屈服條件 眾所周知，在材料單向拉伸中，由于質(zhì)點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)， 只要單向拉伸應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限，該質(zhì)點(diǎn)即行屈

7、服，進(jìn)入塑性狀態(tài)。在多向應(yīng)力狀態(tài)時， 顯然就不能僅僅用某一應(yīng)力分量來判斷質(zhì)點(diǎn)是否進(jìn)入塑性狀態(tài)，必須同時考慮其它應(yīng)力分量。研究表明，只有當(dāng)各應(yīng)力分量之間符合一定的關(guān)系時，質(zhì)點(diǎn)才進(jìn)入塑性狀態(tài)。這種關(guān)系叫做屈服條件，或屈服準(zhǔn)則，也稱塑性條件或塑性方程。 滿足屈服條件表明材料處于塑性狀態(tài)。材料要進(jìn)行塑性變形，必須始終滿足屈服條件。 對于應(yīng)變硬化材料，材料要由彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形，必須滿足的屈服條件叫初始屈服條件；而塑性變形要繼續(xù)發(fā)展，必須滿足的屈服條件則叫后繼屈服條件。 在一般應(yīng)力狀態(tài)下，塑性變形過程的發(fā)生、發(fā)展，實(shí)質(zhì)上可以理解為一系列的彈性極限狀態(tài)的突破初始屈服和后繼屈服。 材料是否屈服和進(jìn)入塑性狀

8、態(tài)，主要取決于兩方面的因素： (1）在一定的變形條件（變形溫度和變形速度）下材料的物理機(jī)械性質(zhì)轉(zhuǎn)變的根據(jù)。 (2）材料所處的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變的條件。 目前在工程上常用的屈服條件可表示如下： 1-3=S 式中 1、3 、S最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和屈服應(yīng)力； 應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)，其值在11.155之間。當(dāng)2(1+3)/2時，1.155；當(dāng)21或23時，=1。一般近似取1.1。3金屬塑性變形時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系是線性的、可逆的，與加載歷史無關(guān)；而塑性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系則是非線性的、不可逆的，與加載歷史有關(guān)。應(yīng)變不僅與應(yīng)力大小有關(guān)，而且還與加載歷史有著密切的關(guān)系。 目

9、前常用的塑性變形時應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系主要有兩類：一類簡稱增量理論，它著眼于每一加載瞬間，認(rèn)為應(yīng)力狀態(tài)確定的不是塑性應(yīng)變分量的全量而是它的瞬時增量；另一類簡稱全量理論，它認(rèn)為在簡單加載（即在塑性變形發(fā)展的過程中，只加載，不卸載，各應(yīng)力分量一直按同一比例系數(shù)增長，又稱比例加載）條件下，應(yīng)力狀態(tài)可確定塑性應(yīng)變分量。為了便于理解和比較，在此僅介紹全量理論。 全量理論認(rèn)為在簡單加載條件下，塑性變形的每一瞬間，主應(yīng)力差與主應(yīng)變差成比例 非負(fù)比例系數(shù)，是一個與材料性質(zhì)和變形程度有關(guān)的函數(shù)， 而與變形體所處的應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)。 了解塑性變形時應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有助于分析沖壓成形時板材的應(yīng)力與應(yīng)變。通過對塑性變形時應(yīng)力應(yīng)變關(guān)

10、系的分析，可得出以下結(jié)論： ( 1）應(yīng)力分量與應(yīng)變分量符號不一定一致， 即拉應(yīng)力不一定對應(yīng)拉應(yīng)變，壓應(yīng)力不一定對應(yīng)壓應(yīng)變； (2）某方向應(yīng)力為零其應(yīng)變不一定為零； (3）在任何一種應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力分量的大小與應(yīng)變分量的大小次序是相對應(yīng)的，即123，則有123。 (4）若有兩個應(yīng)力分量相等， 則對應(yīng)的應(yīng)變分量也相等，即若12，則有12。金屬塑性變形的一些基本規(guī)律1硬化規(guī)律 沖壓生產(chǎn)一般都在常溫下進(jìn)行。對金屬材料來說，在這種條件下進(jìn)行塑性變形，必然要引起加工硬化，塑性降低，變形抗力提高。材料不同，變形條件不同，其加工硬化的程度也就不同。材料加工硬化對沖壓成形的影響既有有利的方面，也有不利的方面。有

11、利的是板材的硬化能夠減少過大的局部集中變形，使變形趨向均勻，增大成形極限，尤其對伸長類變形有利；不利的是變形抗力的增加，使變形變得困難，對后續(xù)變形工序不利，有時不得不增加中間退火工序以消除硬化。因此應(yīng)了解材料的硬化現(xiàn)象及其規(guī)律，并在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。 表示變形抗力隨變形程度增加而變化的曲線叫做硬化曲線，也稱實(shí)際應(yīng)力曲線或真實(shí)應(yīng)力曲線，它可以通過拉伸等實(shí)驗(yàn)方法求得。實(shí)際應(yīng)力曲線與材料力學(xué)中所學(xué)的工程應(yīng)力曲線（也稱假象應(yīng)力曲線）是有所區(qū)別的，假象應(yīng)力曲線的應(yīng)力指標(biāo)是采用假象應(yīng)力來表示的，即應(yīng)力是按各加載瞬間的載荷F除以變形前試樣的原始截面積A0計算，沒有考慮變形過程中試樣截面積的變化，顯然是不準(zhǔn)確的

12、；而實(shí)際應(yīng)力曲線的應(yīng)力指標(biāo)是采用真實(shí)應(yīng)力來表示的，即應(yīng)力是按各加載瞬間的載荷F除以該瞬間試樣的截面積A計算。實(shí)際應(yīng)力曲線與假象應(yīng)力曲線如圖1.3.4所示。從圖中可以看出，實(shí)際應(yīng)力曲線能真實(shí)反映變形材料的加工硬化現(xiàn)象。圖1.3.5是用實(shí)驗(yàn)方法求得的幾種金屬在室溫下的硬化曲線。從曲線的變化規(guī)律來看，幾乎所有的硬化曲線都具有一個共同的特點(diǎn)，即在塑性變形的開始階段，隨變形程度的增大，實(shí)際應(yīng)力劇烈增加，當(dāng)變形程度達(dá)到某些值以后，變形的增加不再引起實(shí)際應(yīng)力值的顯著增加。這種變化規(guī)律可近似用指數(shù)曲線表示，其函數(shù)關(guān)系如下：和n決定于材料的種類和性能，可通過拉伸試驗(yàn)求得，不同材料的和n值列于表1.3.2中。 硬

13、化指數(shù)是表明材料冷變形硬化的重要參數(shù)，對板材的沖壓成形性能以及制件的質(zhì)量都有較為重要的影響。n大表示在冷變形過程中，材料的變形抗力隨變形程度的增加而迅速地增大，材料均勻變形能力強(qiáng)。2卸載彈性恢復(fù)規(guī)律和反載軟化現(xiàn)象 由圖1.3.6所示的硬化曲線可知，在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系是直線函數(shù)關(guān)系。在彈性變形的范圍內(nèi)卸載，應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)匀话凑胀恢本€回到原點(diǎn)，變形完全消失，沒有殘留的永久變形。如果變形進(jìn)入塑性變形范圍，超過屈服點(diǎn)A，達(dá)到某點(diǎn) B（，），再逐漸減小外載，應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系就按另一條直線逐漸降低，不再重復(fù)加載曲線所經(jīng)過的路線了。卸載直線正好與加載時彈性變形的直線段相平行，直至載荷為零。于是

14、，加載時的總變形就分為兩部分：一部分t 因彈性恢復(fù)而消失，另一部分s仍然保留下來，成為永久變形。總的變形=t+s。彈性恢復(fù)的應(yīng)變量為:t=/E 式中E為材料的彈性模量（Pa）。 如卸載后再重新同向加載，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系將沿直線CB逐漸上升，到達(dá)B點(diǎn)應(yīng)力時，材料才又開始屈服，隨后應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系繼續(xù)沿著加載曲線變化。所以又可以理解為材料在變形程度時的屈服點(diǎn)。推而廣之，在塑性變形階段，實(shí)際應(yīng)力曲線上每一點(diǎn)的應(yīng)力值，都可理解為材料在相應(yīng)的變形程度下的屈服點(diǎn)。 如果卸載后反向加載，由拉伸改為壓縮，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系又會產(chǎn)生什么樣的變化呢？試驗(yàn)表明，反向加載時，材料的屈服應(yīng)力較拉伸時的屈服應(yīng)力有所降低，出現(xiàn)所謂反

15、載軟化現(xiàn)象。反向加載時屈服應(yīng)力的降低量，視材料的種類及正向加載的變形程度不同而異。關(guān)于反載軟化現(xiàn)象，有人認(rèn)為可能是因?yàn)檎蚣虞d時材料中的殘余應(yīng)力引起的。 反向加載，材料屈服后，應(yīng)力應(yīng)變之間基本上按照加載時的曲線規(guī)律變化（見圖1.3.7）。3最小阻力定律 在塑性變形中，破壞了金屬的整體平衡而強(qiáng)制金屬流動，當(dāng)金屬質(zhì)點(diǎn)有向幾個方向移動的可能時，它向阻力最小的方向移動。換句話說，在沖壓加工中，板料在變形過程中總是沿著阻力最小的方向發(fā)展，這就是塑性變形中的最小阻力定律。例如，將一塊方形板料拉深成圓筒形制件，當(dāng)凸模將板料拉入凹模時，距凸模中心愈遠(yuǎn)的地方（即方形料的對角線處），流動阻力愈大，愈不易向凹模洞口

16、流動，拉深變形后，凸緣形成弧狀而不是直線邊，如圖1.3.8所示。最小阻力定律說明了在沖壓生產(chǎn)中金屬板料流動的趨勢，控制金屬流動就可控制變形的趨向性。影響金屬流動的因素主要是材料本身的特性和應(yīng)力狀態(tài)，而應(yīng)力狀態(tài)與沖壓工序的性質(zhì)、工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)（如凸模、凹模工作部分的圓角半徑，摩擦和間隙等。）有關(guān)。 沖壓成形必須正確控制金屬流動開流和限流。開流就是在需要金屬流動的地方減少阻力，使其順利流動，達(dá)到成形目的。當(dāng)某處需要金屬流入而不能流入時，該局部就會發(fā)生變薄，甚至板料斷裂。限流就是在不需要金屬流動的地方增大阻力，限制金屬流入。當(dāng)某處不需要金屬流入而流入金屬時，多余的金屬就會使該處產(chǎn)生起皺。具體

17、控制金屬流動的措施，有改變凸模與凹模工作部分的圓角半徑以及改變摩擦、間隙、應(yīng)力性質(zhì)等。加大圓角半徑和間隙，減小摩擦，均能起到開流作用；反之則起限流作用。例如矩形件拉深，若直邊與四角的間隙值相同時，不是四角拉破就是直壁部分起皺。若對四角部分采取開流而對直邊部分采取限流措施，則可消除上述問題。方法是直邊采用小間隙，四角采用大間隙；或使凹模四角的圓角半徑大于直邊部分的圓角半徑。又如在大型覆蓋件拉深成形中采取調(diào)節(jié)壓邊力，增設(shè)拉深筋和開切口等方法，均可調(diào)節(jié)金屬流動阻力。 最小阻力定律是塑性加工中最重要的定性原理之一，它在沖壓加工中有十分靈活和廣泛的應(yīng)用，能正確指導(dǎo)沖壓工藝及模具設(shè)計，解決實(shí)際生產(chǎn)過程中出

18、現(xiàn)的質(zhì)量問題。4最小阻力定律應(yīng)用沖壓成形中的變形趨向性分析及其控制律 研究各種沖壓成形工藝的變形趨向性及其控制的目的，是為了合理確定沖壓工藝參數(shù)，編制工藝規(guī)程，設(shè)計模具，分析和解決生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題。 板料在成形過程中，可以劃分為變形區(qū)、傳力區(qū)和不變形區(qū)。沖壓加工時，變形力是通過傳力區(qū)傳給變形區(qū)使其產(chǎn)生塑性變形的。在成形過程中，變形區(qū)和傳力區(qū)的范圍、尺寸不斷變化，而且互相轉(zhuǎn)化。如圖1.3.9所示，進(jìn)行縮口成形時，開始隨著凹模下降變形區(qū)不斷擴(kuò)大，傳力區(qū)不斷減小，金屬不斷從傳力區(qū)轉(zhuǎn)移到變形區(qū)。當(dāng)變形發(fā)展到一定階段后（如圖（），變形區(qū)的尺寸不再發(fā)生變化，從傳力區(qū)進(jìn)入變形區(qū)的金屬體積和從變形區(qū)轉(zhuǎn)

19、移出去的金屬體積相等，即達(dá)到穩(wěn)定的變形過程。此時，傳力區(qū)不斷減小，已變形區(qū)不斷擴(kuò)大，變形區(qū)的尺寸及其應(yīng)力分布的數(shù)值與規(guī)律不變。在變形區(qū)與傳力區(qū)之間的分界面上的內(nèi)力，其性質(zhì)與大小完全相同。但在同一內(nèi)力作用下所產(chǎn)生的變形方式不同，因而必定有一個區(qū)所需的變形力較小而首先進(jìn)入塑性狀態(tài)產(chǎn)生變形。首先產(chǎn)生塑性變形（即所需變形力較?。┑膮^(qū)稱為弱區(qū)。為了使沖壓生產(chǎn)過程順利進(jìn)行，必須保證制件上首先變形的部分為弱區(qū)，以把塑性變形局限于變形區(qū)，并排除在傳力區(qū)產(chǎn)生塑性變形的可能性在設(shè)計工藝方案，確定工序和半成品尺寸時，必須遵循弱區(qū)先變形，變形區(qū)為弱區(qū)的條件。如圖1.3.10所示制件，當(dāng)D-d較大而較小時，其成形方法可

20、采用帶孔的環(huán)形坯料通過翻邊制成；當(dāng)D-d較小而h較大時，此時進(jìn)行翻邊就不能保證外環(huán)為強(qiáng)區(qū)和內(nèi)環(huán)為弱區(qū)的條件，成形過程中必然造成外徑收縮使翻邊難以成形。為此，沖壓工藝必然要改變?yōu)槔詈笄械缀颓羞吘?，或?qū)⑴髁螪0增大，進(jìn)行翻邊后再沖切外邊緣。當(dāng)變形區(qū)或傳力區(qū)存在兩種以上的變形方式時，首先發(fā)生變形的方式一定是所需的變形力為最小。在設(shè)計沖壓工藝和模具時，除要保證變形區(qū)為弱區(qū)外，還要保證所需的變形方式要求的變形力為最小。例如，沖載時在沖壓力的作用下，板料具有產(chǎn)生剪切分離和彎曲變形兩種趨向。當(dāng)沖載間隙小到一定程度時，建立起對彎曲變形不利而對剪切有利的條件，此時便可以在產(chǎn)生很小彎曲變形的情況下實(shí)現(xiàn)剪切。合理

21、確定坯料和半成品的尺寸。如圖1.3.11所示，環(huán)形坯料尺寸D、d與dT 相互關(guān)系發(fā)生改變時，則可產(chǎn)生拉深、翻邊和脹形三種變形趨向，其尺寸關(guān)系如表1.3.3所示。當(dāng)D0dT 與d0dT 都小時，DdT 的外環(huán)部分為弱區(qū)，可得到外徑收縮的拉深變形；當(dāng)D0dT 與d0dT 都大時，dT d0的內(nèi)環(huán)為弱區(qū)，可得到內(nèi)孔擴(kuò)大的翻邊變形；當(dāng)D0dT 大而d0dT 小時，外環(huán)拉深或內(nèi)環(huán)翻邊變形均很困難，而內(nèi)外環(huán)中間部分為弱區(qū)，可得到中間部分板料變薄的脹形變形。改變模具工作部分的幾何形狀和尺寸。如增大凸模圓角半徑，減小凹模圓角半徑，可使拉深阻力增大，翻邊阻力減小，這樣則有利于翻邊成形的進(jìn)行。 改變坯料與模具接觸

22、表面間的摩擦阻力。如果采用潤滑，減小壓邊力，則有利于拉深成形。 采用局部加熱或深冷，降低變形區(qū)的變形抗力，提高傳力區(qū)的強(qiáng)度。如對不銹鋼板料進(jìn)行拉深時，對傳力區(qū)采取冷卻方法來阻止其產(chǎn)生變形，或?qū)ψ冃螀^(qū)進(jìn)行加熱來降低變形抗力，以提高塑性。在塑性變形中，破壞了金屬的整體平衡而強(qiáng)制金屬流動，當(dāng)金屬質(zhì)點(diǎn)有向幾個方向移動的可能時，它向阻力最小的方向移動。換句話說，在沖壓加工中，板料在變形過程中總是沿著阻力最小的方向發(fā)展，這就是塑性變形中的最小阻力定律。例如，將一塊方形板料拉深成圓筒形制件，當(dāng)凸模將板料拉入凹模時，距凸模中心愈遠(yuǎn)的地方（即方形料的對角線處），流動阻力愈大，愈不易向凹模洞口流動，拉深變形后，凸

23、緣形成弧狀而不是直線邊，如圖1.3.8所示。最小阻力定律說明了在沖壓生產(chǎn)中金屬板料流動的趨勢，控制金屬流動就可控制變形的趨向性。影響金屬流動的因素主要是材料本身的特性和應(yīng)力狀態(tài)，而應(yīng)力狀態(tài)與沖壓工序的性質(zhì)、工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)（如凸模、凹模工作部分的圓角半徑，摩擦和間隙等。）有關(guān)沖壓材料及其成形性能 1.材料的沖壓成形性能 材料對各種沖壓加工方法的適應(yīng)能力稱為材料的沖壓成形性能。材料的沖壓性能好，就是指其便于沖壓加工，一次沖壓工序的極限變形程度和總的極限變形程度大，生產(chǎn)率高，容易得到高質(zhì)量的沖壓件，模具壽命長等。由此可見，沖壓成形性能是一個綜合性的概念，它涉及的因素很多，但就其主要內(nèi)容來看，

24、有兩方面：一是成形極限，二是成形質(zhì)量。 （1）成形極限 在沖壓成形過程中，材料能達(dá)到的最大變形程度稱為成形極限。對于不同的成形工藝， 成形極限是采用不同的極限變形系數(shù)來表示的。 由于大多數(shù)沖壓成形都是在板厚方向上的應(yīng)力數(shù)值近似為零的平面應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的，因此，不難分析：在變形坯料的內(nèi)部，凡是受到過大拉應(yīng)力作用的區(qū)域，就會使坯料局部嚴(yán)重變薄，甚至拉裂而使沖件報廢；凡是受到過大壓應(yīng)力作用的區(qū)域，若超過了臨界應(yīng)力就會使坯料喪失穩(wěn)定而起皺。因此，從材料方面來看，為了提高成形極限，就必須提高材料的塑性指標(biāo)和增強(qiáng)抗拉、抗壓能力。 沖壓時，當(dāng)作用于坯料變形區(qū)內(nèi)的拉應(yīng)力的絕對值最大時，在這個方向上的變形一定是

25、伸長變形，故稱這種沖壓變形為伸長類變形（如脹形、擴(kuò)口、內(nèi)孔翻邊等）。 當(dāng)作用于坯料變形區(qū)內(nèi)的壓應(yīng)力的絕對值最大時，在這個方向上的變形一定是壓縮變形，故稱這種沖壓變形為壓縮類變形（如拉深、縮口等）。伸長類變形的極限變形系數(shù)主要決定于材料的塑性；壓縮類變形的極限變形系數(shù)通常是受坯料傳力區(qū)的承載能力的限制，有時則受變形區(qū)或傳力區(qū)的失穩(wěn)起皺的限制。（2）成形質(zhì)量 沖壓件的質(zhì)量指標(biāo)主要是尺寸精度、厚度變化、表面質(zhì)量以及成形后材料的物理機(jī)械性能等。影響工件質(zhì)量的因素很多，不同的沖壓工序情況又各不相同。 材料在塑性變形的同時總伴隨著彈性變形，當(dāng)載荷卸除后，由于材料的彈性回復(fù)， 造成制件的尺寸和形狀偏離模具，

26、影響制件的尺寸和形狀精度。因此，掌握回彈規(guī)律， 控制回彈量是非常重要的。沖壓成形后，一般板厚都要發(fā)生變化，有的是變厚，有的是變薄。 厚度變薄直接影響沖壓件的強(qiáng)度和使用，對強(qiáng)度有要求時，往往要限制其最大變薄量。 材料經(jīng)過塑性變形后，除產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象外，還由于變形不均，造成殘余應(yīng)力，從而引起工件尺寸及形狀的變化，嚴(yán)重時還會引起工件的自行開裂。所有這些情況， 在制定沖壓工藝時都應(yīng)予以考慮。 影響工件表面質(zhì)量的主要因素是原材料的表面狀態(tài)、晶粒大小、沖壓時材料粘模的情況以及模具對沖壓件表面的擦傷等。原材料的表面狀態(tài)直接影響工件的表面質(zhì)量； 晶粒粗大的鋼板拉伸時產(chǎn)生所謂“桔子皮”樣的缺陷（表面粗糙）；

27、沖壓易于粘模的材料則會擦傷沖壓件并降低模具壽命。此外，模具間隙不均，模具表面粗糙也會擦傷沖壓件。2板材沖壓成形性能的試驗(yàn)方法 板料的沖壓成形性能是通過試驗(yàn)來測定的。板料的沖壓性能試驗(yàn)方法很多，大致可分為間接試驗(yàn)和直接試驗(yàn)兩類。間接試驗(yàn)方法有拉伸試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、金相試驗(yàn)等，由于試驗(yàn)時試件的受力情況與變形特點(diǎn)都與實(shí)際沖壓時有一定的差別，因此這些試驗(yàn)所得結(jié)果只能間接反映出板料的沖壓成形性能。但由于這些試驗(yàn)在通用試驗(yàn)設(shè)備上即可進(jìn)行，故常常采用。直接試驗(yàn)方法有反復(fù)彎曲試驗(yàn)、脹形性能試驗(yàn)、拉深性能試驗(yàn)等，這類試驗(yàn)方法試樣所處的應(yīng)力狀態(tài)和變形特點(diǎn)基本上與實(shí)際的沖壓過程相同，所以能直接可靠地鑒定板料

28、某類沖壓成形的性能，但需要專用試驗(yàn)設(shè)備或工裝。下面僅就最常用的間接試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)作介紹。 材料的拉伸試驗(yàn)：在待試驗(yàn)板料的不同部位和方向上截取試樣，按標(biāo)準(zhǔn)制成如圖1.3.12所示的拉伸試樣，然后在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果或利用自動記錄裝置，可得到如圖1.3.13所示應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系曲線，即拉伸曲線。 通過拉伸試驗(yàn)可測得板料的各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)。板料的機(jī)械性能與沖壓成形性能有很緊密的關(guān)系，可從不同角度反映板材的沖壓成形性能。一般而言，板料的強(qiáng)度指標(biāo)越高，產(chǎn)生相同變形量的力就越大； 塑性指標(biāo)越高，成形時所能承受的極限變形量就越大；剛度指標(biāo)越高， 成形時抵抗失穩(wěn)起皺的能力就越大。現(xiàn)就其中

29、較為重要的幾項(xiàng)說明如下：(1）總延伸率與均勻延伸率b 是在拉伸試驗(yàn)中試樣破壞時的延伸率，稱為總延伸率，簡稱延伸率。b是在拉伸試驗(yàn)中開始產(chǎn)生局部集中變形時（剛出現(xiàn)細(xì)頸時）的延伸率，叫做均勻延伸率。b表示板料產(chǎn)生均勻變形或穩(wěn)定變形的能力。一般情況下，沖壓成形都在板材的均勻變形范圍內(nèi)進(jìn)行，故b對沖壓性能有較為直接的意義。在伸長類變形工序中，例如圓孔翻邊、脹形等工序中，b愈大，則極限變形程度愈大(2）屈強(qiáng)比（sb） (2）屈強(qiáng)比（sb）s/b是材料的屈服極限與強(qiáng)度極限的比值，稱為屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比小，即b與s之間的差值大，材料易塑性變形而不易斷裂，允許的塑性變形區(qū)間大，這對所有沖壓成形都是有利的。在壓縮類

30、變形工藝中，例如拉深時，當(dāng)屈強(qiáng)比小，即材料的屈服點(diǎn)s低時， 則變形區(qū)的切向壓應(yīng)力較小，板料失穩(wěn)起皺的趨勢小， 防止起皺所需的壓料力和需要克服的摩擦力也相應(yīng)減小，從而降低了總的變形力，也就減輕了傳力區(qū)的載荷。而強(qiáng)度極限b高， 則傳力區(qū)的承載能力大，所以說屈強(qiáng)比小有利于成形極限的提高。 在伸長類變形工藝中，例如脹形，當(dāng)屈強(qiáng)比小時，由于塑性成形所需拉力與坯料破壞時的拉斷力之差較大，因而塑性變形過程的穩(wěn)定性高，坯料拉破的可能性小，即不容易出廢品。 (3)彈性模量E 彈性模量是材料的剛度指標(biāo)。彈性模量愈大，在成形過程中抗壓失穩(wěn)能力愈強(qiáng)， 卸載后彈性恢復(fù)愈小，有利于提高零件的尺寸精度。 (4）硬化指數(shù)n

31、硬化指數(shù)n表示材料在冷塑性變形中材料硬化的強(qiáng)度。n值越大的材料，硬化效應(yīng)就大，這對于伸長類變形來說是有利的。因此n值增大，則變形過程中材料局部變形程度的增加會使該處變形抗力增大， 這樣就可以補(bǔ)償該處因截面積減小而引起的承載能力的減弱，從而制止了局部集中變形的進(jìn)一步發(fā)展，具有擴(kuò)展變形區(qū)、 使變形均勻化和增大極限變形程度的作用?？梢宰C明，材料的硬化指數(shù)n，其值為細(xì)頸點(diǎn)應(yīng)變j， 所以硬化指數(shù)n愈高，材料均勻變形的能力愈強(qiáng)。5）板厚方向性系數(shù) 板厚方向系數(shù)是指板料試樣單向拉伸時, 寬向應(yīng)變與厚向應(yīng)變之比（又稱塑性應(yīng)變比），即式中b0，t0與分別為變形前后試樣的寬度與厚度。一般規(guī)定值按延伸率為20時試樣

32、測量的結(jié)果進(jìn)行計算。 值的大小反映平面方向和厚度方向變形難易程度的比較，值愈大，則板平面方向上愈容易變形，而厚度方向上較難變形，這對拉深成形是很有利的。例如，在曲面零件拉深成形時，板料的中間部分在拉應(yīng)力作用下，厚度方向上變形比較困難，即變薄量小， 而在板平面內(nèi)與拉應(yīng)力相垂直的方向上的壓縮變形比較容易， 則板料中間部分起皺的趨向低，有利于拉深的順利進(jìn)行和工件質(zhì)量的提高；同樣， 在用值大的板料進(jìn)行筒形件拉深時，筒壁在拉應(yīng)力作用下不易變薄，不易拉破，而凸緣區(qū)的切向壓縮變形容易， 起皺趨勢降低，壓料力減小，反過來又使筒壁拉應(yīng)力減小，使筒形件的拉深極限變形程度增大。 沖壓加工所用板料，都是經(jīng)過軋制的材料。因纖維組織的影響，其縱向與橫向上性能有明顯差異，在不同方向上值也不相同，因此通常取其平均值 。式中r0，r90，r45分別為板料在縱向、橫向和45方向上的板厚方向性系數(shù)。 (6）板平面方向性 板料經(jīng)軋制后其機(jī)械、物理性能在板平面內(nèi)出現(xiàn)各向異性，稱為板平面方向性。 方向性越明顯，對沖壓成形性能的影響就越大。例如彎曲， 當(dāng)彎曲件的折彎線與板料的纖維方向垂直時，允許的極限變形程度就越大，而折彎線平行于纖維方向時， 允許的極限變形程度就小，方向性越明顯，降低量越大。又如筒形拉深件中， 由于板平面方向性使拉深件口部不齊，出現(xiàn)“凸耳”，方向性越明顯，則“凸耳”的高度