第一章沖壓變形的基本原理

第一章沖壓變形的基本原理第二章沖裁工藝及沖裁模設計第三章彎曲工藝與彎曲模具設計第四章拉深工藝及拉深模具的設計第五章其它成形工藝及模具設計第六章大型覆蓋件成形工藝及模具設計第七章冷擠壓工藝與模具設計第八章沖壓工藝規(guī)程的編制第九章多工位精密自動級進模設計第十章特種沖壓模具設計第十一章沖壓模具失效形式及沖模材料

第一章沖壓變形的基本原理

緒論本章學習要求：1.掌握金屬塑性變形的基本概念；2.掌握板料沖壓性能和常見的沖壓材料；3.了解塑性變形的力學基礎和沖壓成形方法的力學特點。第一章沖壓變形的基本原理1.1

金屬塑性變形的基本概念

在外力作用下，金屬產生形狀與尺寸的變化稱為變形，它分為彈性變形和塑性變形。1.1.1塑性變形的物理概念

所有的固體金屬都是晶體，原子在晶體所占的空間內有序排列。在沒有外力作用時，金屬中原子處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，金屬物體具有自己的形狀與尺寸。施加外力，會破壞原子間原來的平衡狀態(tài)，造成原子排畸變圖1.1.1，引起金屬形狀與尺寸的變化。圖1.1.1晶體變形a〕無變形b〕彈性變形c〕彈性變形+塑性變形d〕塑性變形

假若除去外力，金屬中原子立即恢復到原來穩(wěn)定平衡的位置，原子排列畸變消失和金屬完全恢復了自己的原始形狀和尺寸，則這樣的變形稱為彈性變形（圖1.1.1a）。增加外力，原子排列的畸變程度增加，移動距離有可能大于受力前的原子間距離，這時晶體中一部分原子相對于另一部分產生較大的錯動（圖1.1.1c）。外力除去以后，原子間的距離雖然仍可恢復原狀，但錯動了的原子并不能再回到其原始位置（圖1.1.1d），金屬的形狀和尺寸也都發(fā)生了永久改變。這種在外力作用下產生不可恢復的永久變形稱為塑性變形。

受外力作用時，原子總是離開平衡位置而移動。因此，在塑性變形條件下，總變形既包括塑性變形，也包括除去外力后消失的彈性變形。1.1.2塑性變形的基本形式

先了解單晶體的變形規(guī)律，單晶體的塑性變形主要通過滑移和孿生方式進行。

1.滑移

滑移是晶體一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相對于另一部分作相對移動。由阻力最小定律滑移總是沿原子排列最密的面的最密排的方向進行。一種滑移面及其面上的一個滑移方向組成一個滑移系。晶體的滑移系越多，則可能出現的滑移位向越多，金屬的塑性也越好。晶體的滑移是通過位錯的移動而產生的，并不需要整個滑移面上的全部原子一齊移動，而只是在位錯中心附近的少數原子發(fā)生移動，且它們的移動距離小于一個原子間距故通過位錯移動的滑移所需應力要小得多。滑移會在宏觀上形成滑移線和滑移帶。

2.孿生

孿生是晶體一部分相對另一部分，對應于一定的晶面（孿晶面）沿一定方向發(fā)生轉動的結果。孿生時，晶體變形部分中所有與孿晶面平行的原子平面均向同一方向移動，移動距離與該原子面距孿晶面之距離成正比。雖然相鄰原子間的位移只有一個原子間距的幾分之一，但許多層晶面積累起來便可形成比原子間距大許多倍的變形。金屬的臨界孿生剪切應力比臨界滑移剪切應力大得多，只有在滑移過程很困難時，晶體才發(fā)生孿生。孿生對變形過程的直接貢獻不大，但是孿生后由于晶體轉至新位向，將有利于滑移，因而使金屬的變形能力得到提高。滑移和孿生二者往往交替進行。3.多晶體塑性變形

實際使用的金屬都是多晶體，由大小、形狀、位向都不完全相同的晶粒組成，各晶粒之間由晶界相連接。多晶體塑性變形包括晶內變形和晶間變形。

(1)晶內變形

單就一個晶粒來說，其晶內塑性變形方式同單晶體。多晶體在受到外力作用時，塑性變形首先發(fā)生在位向最有利的晶粒中，如圖1.1.2a中的晶粒A和B。隨著外力增加，作用在位向不太有利的滑移面上的切應力達到了塑性變形所需要的數值，塑性變形開始遍及越來越多的晶粒。各晶粒的變形先后不一致，變形量也不一致，在同一晶粒內變形也不一致，這就造成了多晶體變形的不均勻性。圖1.1.2多晶體的塑性變形a〕晶內變形b〕晶外變形

2)晶間變形

多晶體中各晶粒之間在外力的作用下發(fā)生相互移動和轉動，即晶間變形。對于塑性較差的材料，其晶間結合力弱，晶粒之間的相對移動會破壞晶界面降低晶粒之間的機械嵌合，易于導致金屬的破裂。

多晶體塑性變形后會引起下述組織改變：

(1)纖維組織

晶粒沿最大變形方向伸長，形成纖維狀的晶粒組織，即纖維組織。

(2)變形織構

塑性變形過程中晶粒形狀變化的同時，部分晶粒在空間發(fā)生轉動（圖1.1.2b），使滑移面動方向趨于一致，形成變形織構。

具有變形織構的金屬，各晶粒的位向接近，力學性能、物理性能等明顯地出現各向異性，對其工藝性能和使用都有很大的影響。例如，冷軋鋼板具有變形織構組織，在拉深過程中各方向的變形不等，得到的拉深件在口部不平整。1.1.3金屬的塑性與變形抗力

1.塑性及塑性指標

(1)塑性

是指金屬在外力作用下，能穩(wěn)定地發(fā)生永久變形而不破壞其完整性的能力。它反映了金屬的變形能力，是金屬的一種重要的加工性能。

(2)塑性指標

塑性一般以材料開始破壞時的塑性變形量來表示。常用的塑性指標有：

伸長率：

(1.1.1)

斷面收縮率：

(1.1.2)

鐓粗率：

(1.1.3)式中

L0、A0——拉伸試樣原始標距長度、原始斷面積；LK、AK——拉伸試樣破斷后標距間的長度、破斷處的斷面積；

H0、HK－－鐓粗試樣原始高度、側表面出現第一條裂紋時的高度。

塑性指標是通過實驗得出的，各種實驗都有其特定的受力狀況和變形條件，所以塑性指標僅具有相對的和比較的意義。

2.變形抗力及指標

塑性變形時，使金屬產生塑性變形的外力稱為變形力，金屬抵抗變形的力稱為變形抗力。因此，變形抗力反映了使材料產生塑性變形的難易程度。變形抗力和變形力數值相等，方向相反，一般用作用在金屬和工具接觸面上的平均單位面積變形力表示其大小。壓縮變形時的變形抗力即是作用于施壓工具表面的單位面積壓力，亦稱單位流壓力。

通常用真實應力作為變形抗力大小的指標。但變形抗力與真實應力是兩種不同的概念，真實應力是在單向拉伸（或壓縮）試驗時作用在試樣瞬時斷面上的應力，即初始的或后續(xù)的屈服應力，或稱流動應力。只有在單向應力狀態(tài)下，變形抗力才等于材料在特定條件下的真實應力。金屬塑性加工過程多數是在兩向或三向應力狀態(tài)下進行的，對于加工同一種材料，其變形抗力一般要比單向應力狀態(tài)的真實應力大得多，可達1.5~6倍。因此，變形抗力的大小除了取決于該材料在一定變形溫度、變形速度和變形程度下的真實應力外，還取決于塑性加工時的應力狀態(tài)、接觸摩擦及相對尺寸因素等。1.1.4影響金屬塑性和變形抗力的主要因素

(一）影響金屬塑性的主要因素

金屬的塑性不是固定不變的，它受金屬的內在因素（晶格類型、化學成分、組織狀態(tài)等）和外部條件（變形溫度、應變速率、變形的力學狀態(tài)等）的影響。因此通過創(chuàng)造合適的內、外部條件，就有可能改善金屬的塑性行為。

1.化學成分及組織的影響

（1）化學成分的影響

它對金屬塑性的影響是很復雜的。工業(yè)用的金屬除基本元素之外大都含有一定的雜質，有時為了改善金屬的使用性能也往往人為地加入一些合金元素。它們對金屬的塑性均有影響。

金屬的塑性隨其純度的提高而增加。例如純度為99.96﹪的鋁，伸長率為45﹪。而純度為98﹪的鋁，其伸長率則只有30﹪左右。純金屬的塑性與其晶體結構有關，面心立方的金屬（Ag、Al、Au、Ni、Cu、Pb、g-Fe等）、體心立方的金屬（Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、a-Fe、b-Ti等）滑移系較多，因此比密排六方的金屬。（Zn、Mg、Cd、a-Be、a-Ti、a-Co等）塑性好。但金屬塑性的好壞，還與滑移方向的數目有關，所以面心立方結構的金屬塑性較體心立方的為好。

金屬和合金中的雜質有：金屬、非金屬、氣體等。由于這些元素的性質不同，它們對金屬塑性的影響也各不相同。例如碳鋼中的雜質元素硫、磷、氮、氫、氧等分別會產生熱脆、冷脆、時效脆性及氫脆等，從而使碳鋼的塑性降低。

合金元素對塑性的影響，取決于加入元素的特性、數量、元素之間的相互作用及分布等。當合金元素與基體形成固溶體后，則有較好的塑性。若加入的量不適當，形成過剩相，則會使塑性降低。

對于多元合金，由于各元素的不同作用及元素之間的相互作用，對塑性的影響很復雜，需結合具體情況進行分析。

（2）組織結構的影響

一般情況下，單相組織（純金屬或固溶體）比多相組織的塑性好，固溶體比化合物的塑性好。而多相組織的塑性又與各相的特性、晶粒的大小、形狀、分布等有關。若兩相變形性能相近，則塑性為其平均值相差懸殊時，則變形主要在塑性好的一相中進行，另一相起阻礙作用，這時的塑性與第二相的分布有關，第二相若呈不連續(xù)網狀分布在晶界上，則塑性很差；若第二相呈片、層狀分布在晶粒內則塑性稍有下降；若呈顆粒狀彌散分布，則不影響塑性。

2.變形溫度對塑性的影響

就大多數金屬和合金而言，總的趨勢是：隨著溫度的升高，塑性增加。但在升溫過程中的某些溫度區(qū)間，塑性會降低，出現脆性區(qū)。如碳鋼隨著溫度的升高，塑性增加，但是大約在200～250°C、800～900℃、超過1250℃三個溫度范圍內，出現塑性下降，分別稱為藍脆區(qū)、熱脆區(qū)和高溫脆區(qū)。

溫度升高，塑性增加的原因有：發(fā)生了回復和再結晶；臨界切應力降低，滑移系增加；金屬的組織結構發(fā)生變化，可能由多相組織轉變?yōu)閱蜗嘟M織，也可能由對塑性不利的晶格轉變?yōu)閷λ苄杂欣木Ц?；熱塑性的發(fā)生；晶界滑動作用的加強等。

3.變形速度對塑性的影響

變形速度對塑性有兩個不同方面的影響，誰大誰小，要視具體情況而定。

1）隨變形速度的增大，要驅使更多的位錯同時運動，使金屬的真實流動應力提高，進而使斷裂提早，所以使金屬的塑性降低。另外，在熱變形條件下，變形速度大時，可能沒有足夠的時間發(fā)生回復和再結晶，使塑性降低。

2）隨著變形速度的增大，溫度效應顯著，會提高金屬的塑性。

4.應力狀態(tài)對塑性的影響

主應力狀態(tài)中的壓應力個數越多，數值越大，金屬的塑性越好；反之拉應力個數越多，數值越大，其塑性越低。原因是：壓應力阻止或減小晶間變形；有利于抑制或消除晶體中由于塑性變形引起的各種微觀破壞；能抵消由于不均勻變形所引起的附加應力。

(二)影響金屬變形抗力的主要因素

1.化學成分及組織的影響

1）化學成分的影響

對于各種純金屬，因原子間作用特性不同，變形抗力也不同。純度越高，變形抗力越小。不同牌號的合金，組織狀態(tài)不間，變形抗力值也不同。如退火的純銅，常溫下的變形抗力為70Mpa，而退火的純鋁，變形抗力為30Mpa左右，硬鋁合金LY12，在退火狀態(tài)下變形抗力為100MPa，淬火時效后為300MPa（上述數據都是屈服應力）。

合金元素、雜質元素對變形抗力的影響，主要取決于它們與基體原子間的相互作用特性、原子的大小、分布情況及引起基體點陣畸變程度等。一般，合金、雜質含量越高，變形抗力越大。尤其以彌散分布形式，對變形抗力的增大影響較大。

1）組織結構的影響

相變

發(fā)生相變時，力學性能和物理性能都會發(fā)生變化。當然變形抗力也發(fā)生變化。

單相組織和多相組織

單相組織時，單相固溶體中合金元素的含量越高，引起品格畸變越大，變形抗力越高。單相組織比多相組織的變形抗力要低。當合金為多相組織時，第二相的形狀、大小、數量和分布狀況對變形抗力都有影響。第二相在基體相晶粒內呈顆粒狀彌散分布，抗力就高。第二相越細，分布越均勻，數量越多，變形抗力越高。

2.變形溫度對變形抗力的影響

溫度升高，金屬原子間結合力降低，變形抗力降低（圖1.1.3）。但對那些在升溫過程中在某些溫度區(qū)間出現脆性區(qū)則存在例外。圖1.1.3碳鋼在不同溫度下的流動應力

3.變形速度對變形抗力的影響

變形速度的增大使熱效應增大，從而使變形抗力降低；另一方面，縮短了變形時間，位錯運動的發(fā)生與發(fā)展的時間不足，又使變形抗力增加。一般來說，隨著變形速度的增加，金屬的真實應力提高，但提高的程度與變形溫度有關。冷變形時變形速度對真實應力影響不大；而在熱變形時變形速度的提高會引起真實應力明顯提高。實際應用中，為了方便地求得不同溫度下的動載流動應力，可將材料靜載下的流動應力S乘以速度系數w（也稱古布金系數，見表1.1.1），即為所求的動載荷下的應力。

4.變形程度對變形抗力的影響

隨著變形程度的增加，只要回復和再結晶來不及發(fā)生，都會必然產生加工硬化，提高變形抗力。其提高的幅度與材料的硬化率有關。

5.應力狀態(tài)對變形抗力的影響

塑性理論指出，只有應力差才會導致物體的形狀變形。物體受到的靜水壓力越大，其變形抗力越大。如擠壓時金屬受三向壓應力作用，拉拔時受兩壓一拉的應力作用，雖然兩者產生的變形狀態(tài)是相同的，但擠壓時的變形抗力遠大于拉拔時的變形抗力。返回章目錄

第一章沖壓變形的基本原理1.2

塑性變形的力學基礎

金屬成形時，外力通過模具或其它工具作用在坯料上，使其內部產生應力，并且發(fā)生塑性變形。由于外力的作用狀況坯料的尺寸與模具的形狀千差萬別，從而引起材料內各點的應力與應變也各不相同。因此必須研究變形體內各點的應力狀態(tài)、應變狀態(tài)以及產生塑性變形時各應力之間的關系與應力應變之間的關系。1.2.1點的應力與應變狀態(tài)

在變形物體上任意點取一個微量六面單元體，該單元體上的應力狀態(tài)可取其相互垂直表面上的應力來表示，沿坐標方向可將這些應力分解為九個應力分量，其中包括三個正應力和六個剪應力，如圖1.2.1a所示。相互垂直平面上的剪應力互等，txy=tyx，tyz=tzy，tzx=txz。因此若已知三個正應力和三個剪應力，那么該點的應力狀態(tài)就可以確定了。改變坐標方位，這六個應力分量的大小也跟著改變。對任何一種應力狀態(tài)，總是存在這樣一組坐標系，使得單元體各表面上只有正應力而無剪應力，如圖1.2.1b所示。這三個坐標軸就稱應力主軸，三個坐標軸的方向稱主方向，這三個正應力就稱為主應力，三個主應力的作用面稱為主平面。圖1.2.1點的應力狀態(tài)a）任意坐標系b）主軸坐標系

三個主方向上都有應力存在稱為三向應力狀態(tài)，如寬板彎曲變形。但板料大多數成形工序，沿料厚方向的應力st與其它兩個互相垂直方向的主應力（如徑向應力sr與切向應力sq）相比較，往往很小，可以忽略不計，如拉深、翻孔和脹形變形等，這種應力狀態(tài)稱為平面應力狀態(tài)。三個主應力中只有一個有值，稱為單向應力狀態(tài)，如板料的內孔邊緣和外形邊緣處常常是自由表面，sr、st為零。

除主平面不存在剪應力之外，單元體其它方向上均存在剪應力，而在與主平面成45°截面上的剪應力達到極值時，稱為主剪應力。s1≥s2≥s3時，最大剪應力為tmax=±（s1一s3）／2，最大剪應力與材料的塑性變形關系很大。

應力產生應變，應變也具有與應力相同的表現形式。單元體上的應變也有正應變與剪應變，當采用主軸坐標時，單元體六個面上只有三個主應變分量e1、e2和e3，而沒有剪應變分量。塑性變形時物體主要是發(fā)生形狀的改變，體積變化很小，可忽略不計，即：e1+e2+e3=0（1.2.1）

此即為塑性變形體積不變定律。它反映了三個主應變值之間的相互關系。根據體積不變定律可知：塑性變形時只可能有三向應變狀態(tài)和平面應變狀態(tài)，而不可能有單向應變狀態(tài)。在平面應變狀態(tài)時若e2=0，另外兩個應變的絕對值必然相等，而符號相反。1.2.2屈服準則（塑性條件）

當物體受單向應力作用時，只要其主應力達到材料的屈服極限，該點就進入塑性狀態(tài)。而對于復雜的三向應力狀態(tài)，就不能僅根據某一個應力分量來判斷該點是否達到塑性狀態(tài)，而要同時考慮其它應力分量的作用。只有當各個應力分量之間符合一定的關系時，該點才開始屈服，這種關系就稱為塑性條件，或稱屈服準則。

工程上經常采用屈服準則通式來判別變形狀態(tài)：s1-s3=bss（1.2.3）式中s1、s3、ss——最大、最小主應力、坯料的屈服應力。b——應力狀態(tài)系數，其值在1.0~1.155范圍內。單向應力狀態(tài)及軸對稱應力狀態(tài)（雙向等拉、雙向等壓）時，取b=1.0；平面變形狀態(tài)時，取b=1.155。在應力分量未知情況下，b可取近似平均值1.1。1.2.3塑性變形時應力與應變的關系

物體在彈性變形階段，應力與應變之間的關系是線性的，與加載歷史無關。而塑性變形時應力應變關系則是非線性的、不可逆的，應力應變不能簡單疊加。如圖1.2.2為材料單向拉伸加載曲線。材料屈服后，應力應變不再是線性關系。如在同一個應力s時，因為加載歷史不同，應變也不同，可能是e′，也可能是e″。因而，在塑性變形時，應變不僅與應力大小有關，而且與加載歷史有著密切的關系。應力與應變之間不存在對應關系。為了建立物體受力與變形之間的關系，只能撇開整個變形，而取加載過程中某個微量時間間隔dt出來研究。從而出現了應力與應變增量之間的關系式，即增量理論，其表達式如下：

增量理論在計算上困難很大，尤其當材料有冷作硬化時，計算就更復雜了。如果在加載過程中，所有的應力分量均按同一比例增加，這種狀況稱為簡單加載，在簡單加載情況下，應力應變關系得到簡化，得出全量理論公式，其表達式為：

下面舉兩個簡單的利用全量理論分析應力應變關系的例子。（1）e2=0時，稱平面應變（或稱平面變形），由上式可得出s2=（s1+s3）/2。寬板彎曲就屬于這種情況。

（2）s1＞0，且s2=s3=0時，材料受單向拉應力，由上式可得e1＞0，e2=e3=-1/2e1，即單向拉伸時拉應力作用方向為伸長變形其余兩方向上的應變?yōu)閴嚎s變形，且為拉伸變形之半，翻孔變形材料邊緣屬此類變形。單向壓縮情況正好相反。1.2.4金屬變形時硬化現象和硬化曲線在沖壓生產過程中，變形過程是在常溫下進行的。金屬材料在常溫下塑性變形的重要特點之一是加工硬化。其結果是引起材料力學性能的變化，表現為材料的強度指標（屈服強度ss與抗拉強度sb）隨變形程度的增加而增加；塑性指標（伸長率d與斷面收縮率y）隨之降低。加工硬化既有不利的方面：使進一步變形變得困難；又有有利的方面：板料硬化能夠減小過大的局部變形，使變形趨于均勻，增大成形極限，同時也提高了材料的強度。因此，在進行變形毛坯內各部分的應力分析和各種工藝參數的確定時，必須考慮到加工硬化所產生的影響。冷變形時材料的變形抗力隨變形程度的變化情況可用硬化曲線表示。一般可用單向拉伸或壓縮試驗方法得到材料的硬化曲線。圖1.2.3是幾種常用沖壓板材的硬化曲線。為了使用方便，可將硬化曲線用數學函數式來表示。常用的數學函數的冪次式如下：s=Ken(1.2.6)s=ss+K1en1(1.2.7)式中K、K1、n、n1均為材料常數。圖1.2.3幾種常用沖壓板材的硬化曲線

式（1.2.7）忽略了彈性變形。適用于有初始屈服應力的材料。實際中式（1.2.6）是用得較普遍的。式（1.2.6）中的n稱為材料的硬化指數，是表明材料冷變形硬化性能的重要參數，部分沖壓板材的n值和K值列入表1.2.1中。

返回章目錄第一章沖壓變形的基本原理1.3各種沖壓成形方法的力學特點與分類

正確的板料沖壓成形工藝的分類方法，應該能夠明確地反映出每一種類型成形工藝的共性，并在此基礎上提供可能用共同的觀點和方法分析、研究和解決每一類成形之藝中的各種實際問題的條件。在各種沖壓成形工藝中毛坯變形區(qū)的應力狀態(tài)和變形特點是制訂工藝過程、設計模具和確定極限變形參數的主要依據，所以只有能夠充分地反映出變形毛坯的受力與變形特點的分類方法，才可能真正具有實用的意義。1.3.1變形毛坯的分區(qū)

在沖壓成形時，可以把變形毛坯分成變形區(qū)和不變形區(qū)。不變形區(qū)可能是已經經歷過變形的已變形區(qū)或是尚未參與變形的待變形區(qū)，也可能是在全部沖壓過程中都不參與變形的不變形區(qū)。當不變形區(qū)受力的作用時，叫作傳力區(qū)。表1.3.1列出拉探、翻孔與縮口時毛坯的變形區(qū)與不變形區(qū)的分布情況圖〔1.3.1〕圖1.3.1沖壓變形毛坯各區(qū)劃分舉例a〕拉伸b〕翻孔c〕縮口1.3.2變形區(qū)的應力與應變特點

從本質上看各種沖壓成形過程就是毛坯變形區(qū)在力的作用下產生變形的過程，所以毛坯變形區(qū)的受力情況和變形特點是決定各種沖壓變形性質的主要依據。絕大多數沖壓變形都是平面應力狀態(tài)。一般在板料表面上不受力或受數值不大的力，所以可以認為在板厚方向上的應力數值為零。使毛坯變形區(qū)產生塑性變形均是在板料平面內相互垂直的兩個主應力。除彎曲變形外，大多數情況下都可認為這兩個主應力在厚度方向上的數值是不變的。因此，可以把所有沖壓變形方式按毛坯變形區(qū)的受力情況和變形特點從變形力學理論的角度歸納為以下四種情況，并分別研究它們的變形特點。

(一)沖壓毛坯兩向受拉應力的作用

可以分為以下兩種情祝：sr＞sq＞0，且st=0sq＞sr＞0，且st=0相對應的變形是平板毛坯的局部脹形、內孔翻邊、空心毛坯脹形等（圖1.3.2I象限）。這時由應力應變關系的全量理論可知，最大拉應力方向上的變形一定是伸長變形，應力為零的方向（一般為料厚方向）上的變形一定是壓縮變形。因此，可以判斷在兩向拉應力作用下的變形，會產生材料變薄。在兩個拉應力相等（雙向等拉應力狀態(tài)）時，eq=er＞0，et=-2eq=-2er，厚向上的壓縮變形是伸長變形的兩倍，平板材料脹形時的中心部位就屬于這種變形狀況。

(二)沖壓毛坯變形區(qū)受兩向壓應力的作用可以分為下邊兩種情況：sr＜sq＜0，且st=0sq＜sr＜0，且st=0與此相對應的變形是縮口和窄板彎曲內區(qū)（見圖1.3.2III象限）等。由應力應變關系的全量理論可知，在最小壓應力（絕對值最大）方向（縮口的徑向、彎曲的周向）上的變形一定是壓縮變形，而在沒有應力的方向（如縮口厚向、彎曲寬向）的變形一定是伸長變形。圖1.3.2沖壓應力圖(三)沖壓毛坯變形區(qū)受異號應力的作用，且拉應力的絕對值大于壓應力的絕對值可以分為下邊兩種情況：sr＞0＞sq，st=0且s?r?＞s?q?sq＞0＞sr，st=0且s?q?＞s?r?

相對應的是無壓邊拉深凸緣的偏內位置、擴口、彎曲外區(qū)等，在沖壓應力圖中處于II、IV象限的AOH及COD范圍內。同理可知，在拉應力（絕對值大）的方向上的變形一定是伸長變形，且為最大變形，而在壓應力的方向（如拉深的周向、彎曲的徑向）的變形一定是壓縮變形，而無應力的方向（如拉深的厚向、彎曲的寬向）也是壓縮變形。

(四)沖壓毛坯變形區(qū)受異號應力的作用而且壓應力的絕對值大于拉應力的絕對值可以分為以下兩種情況：sr＞0＞sq，st=0且s?q?＞s?r?sq＞0＞sr，st=0且s?r?＞s?q?

與其相對應的是無壓邊拉深凸緣的偏外位置等，在沖壓應力圖中處于II、IV象限的HOG及DOE范圍內。同理，在壓應力方向（如拉深外區(qū)周向，應力的絕對值大）的變形一定是壓縮變形，且為最大變形，在拉應力方向為伸長變形，無應力方向（厚向）也為伸長變形（增厚）。

綜上所述，可以把沖壓變形概括為兩大類：伸長類變形與壓縮類變形。當作用于毛坯變形區(qū)內的絕對值最大應力、應變?yōu)檎禃r，稱這種沖壓變形為伸長類變形，如脹形翻孔與彎曲外側變形等。成形主要是靠材料的伸長和厚度的減薄來實現。這時，拉應力的成分越多，數值越大，材料的伸長與厚度減薄越嚴重。當作用于毛坯變形區(qū)內的絕對值最大應力、應變?yōu)樨撝禃r，稱這種沖壓變形為壓縮類變形，如拉深較外區(qū)和彎曲內側變形等。成形主要是靠材料的壓縮與增厚來實現，壓應力的成分越多，數值越大，板料的縮短與增厚就越嚴重。

由于伸長類成形和壓縮類成形在變形力學上的本質差別，它們在沖壓過程中出現的問題和解決的方法也是完全不同的，但是，對同一類變形中的各種沖壓方法，卻可以用相同的觀點和方法去分析和解決沖壓中的各種問題。以下舉例說明。

伸長類成形的極限變形參數主要決定于材料的塑性，并且可以用板材的塑性指標直接地或間接地表示。例如多數實驗結果證實：平板毛坯的局部脹形深度、圓柱體空心毛坯的脹形系數、圓孔翻邊系數、最小彎曲半徑等都與伸長率有明顯的正比關系。

壓縮類成形的極限變形參數（如拉深系數等），通常都是受毛坯傳力區(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。

由于兩類成形方法的極限變形參數的確定基礎不同，所以影響極限變形參數的因素和提高極限變形參數的途徑和方法也不一樣。

提高伸長類成形的極限變形參數的措施有：

1)提高材料的塑性。如變形前的退火，分段成形時的中間退火等。

2)減小變形不均勻程度。使變形趨向均勻，減小局部的集中變形，可以使總的均勻變形程度加大。如在用剛體沖模進行圓柱體空心毛坯的脹形時，均勻而有效的潤滑可使變形均勻，提高總體的變形程度。另外，提高材料的硬化指數也能防止產生過分集中的局部變形，并使脹形、翻邊、擴口等伸長類成形的極限變形參數得到提高。

3)消除毛坯變形區(qū)的局部硬化層或其他易于引起由應力集中而可能導致破壞的各種因素。如將帶毛利的毛坯表面置于彎曲模中朝向沖頭的方向等方法，可減少伸長類成形中的開裂現象。

提高壓縮類成形的極限變形參數的措施有：

1)提高傳力區(qū)的承載能力和降低變形區(qū)的變形抗力、摩擦阻力等。如通過建立不同的溫度條件而改變傳力區(qū)和變形區(qū)的強度性能的拉深方法：局部加熱拉深、局部深冷。

2)采取各種有效的措施，防止毛坯變形區(qū)的失穩(wěn)起皺。如有效的壓邊方法、足夠大的壓邊力，有利于防止起皺的模具工作部分的形狀和尺寸、合理的中間毛坯的形狀等。

3)以降低變形區(qū)的變形抗力為主要目的的退火。如多次拉深時的中間退火，這時的退火與伸長類成形時以恢復材料的塑性為主要目的的退火之間有很大的差別，進行退火的意義和方法也不相同。例如以極限拉深系數進行一次拉深工序之后，如不退火，仍然可以繼續(xù)進行下次變形程度較小的拉深工序；但以極限脹形系數進行一次脹形加工后，如不經恢復塑性的退火，再繼續(xù)進行脹形是不可能的。1.3.3沖壓成形過程中的變形趨向性及其控制

在沖壓過程中，成形毛坯的各個部分在同一個模具的作用下，有可能發(fā)生不同形式的變形，即具有不同的變形趨向性。保證在毛坯需要變形的部位產生需要的變形，排除其他一切不必要的和有害的變形，是合理地制定沖壓工藝及合理地設計模具的目的?？梢姡瑢Ω鞣N沖壓成形工藝所進行的變形趨向性及其控制的研究，可以作為確定成形方式的各種工藝參數、制定工藝過程、設計沖模和分析沖壓過程中出現的某些產品質量問題的依據，所以它是個十分重要的問題之一。

(一)沖壓變形的趨向性

1.沖壓毛坯的多個部位都有變形的可能時，變形在阻力最小的部位進行。

下面以縮口為例加以分析（見圖1.3.3）。穩(wěn)定縮口時坯料可分為圖示的三個區(qū)域。在外力作用下，A、B兩區(qū)都有可能發(fā)生變形，A區(qū)可能會發(fā)生縮口塑性變形；B區(qū)也可能會發(fā)生鐓粗變形。但是由于它們可能產生的塑性變形的方式不同，而且也由于變形區(qū)和傳力區(qū)之間的尺寸關系不同，總是有一個區(qū)需要比較小的塑性變形力，并首先進人塑性狀態(tài)，產生塑性變形。因此，可以認為這個區(qū)是個相對的弱區(qū)。為了保證沖壓過程的順利進行，必須保證在該道沖壓工序應該變形的部分——變形區(qū)成為弱區(qū)以便在把塑性變形局限于變形區(qū)的同時，排除傳力區(qū)產生任何不必要的塑性變形的可能。A〕變形區(qū)B〕傳力區(qū)C〕已變形區(qū)圖1.3.3變形趨向性對沖壓工藝的影響

“弱區(qū)必先變形，變形區(qū)應為弱區(qū)”的結論，在沖壓生產中具有很重要的實用意義，例如有些沖壓工藝的極限變形參數（拉深系數、縮口系數等）的確定，復雜形狀零件的沖壓工藝過程設計等等，都是以這個道理做為分析和計算的依據。下面仍以縮口為例來說明這個道理。在圖1.3.3所示的縮口過程中，變形區(qū)A和傳力區(qū)B的交界面上作用有數值相等的壓應力s，傳力區(qū)B產生塑性變形的方式是鐓粗，其變形所需要的壓應力為sS，所以傳力區(qū)不致產生鐓粗變形的條件是：s＜ss（1.3.1）變形區(qū)A產生的塑性變形方式為切向收縮的縮口，所需要的軸向壓應力為sk，所以變形區(qū)產生縮口變形的條件是：s≥sk(1.3.2)由上面兩式可以得出在保證傳力區(qū)不致產生塑性變形下能夠進行縮口的條件為：sk＜ss（1.3.3）

因為sk的數值決定于縮口系數d/D，所以式（1.3.3）就成為確定極限縮口系數的依據。極限拉深系數的確定方法，也與此相類似。

此外，在設計工藝過程、選定工藝方案、確定工序和工序間尺寸時，也必須遵循“弱區(qū)必先變形，變形區(qū)應為弱區(qū)”的道理。

2.當變形區(qū)有兩個以上的變形方式時，需要最小變形力的變形方式首先實現。

在工藝過程設計和模具設計時，除要保證變形區(qū)為弱區(qū)外，同時還要保證變形區(qū)必須實現的變形方式要求最小的變形力。例如在縮口時，變形區(qū)A可能產生的塑性變形是切向收縮的縮口變形和變形區(qū)在切向壓應力作用下的失穩(wěn)起皺；傳力區(qū)B可能產生的塑性變形是直筒部分的鐓粗和失穩(wěn)。這時，為了使縮口成形工藝能夠正常地進行，就要求在傳力區(qū)不產生上述兩種之一的任何變形的同時，變形區(qū)也不要發(fā)生失穩(wěn)起皺，而僅僅產生所要求的切向收縮的縮口變形。在這四種變形趨向中，只能實現縮口變形的必要條件是與其他所有變形方式相比，縮口變形所需的變形力最小。

(二)變形趨向性的控制

在沖壓生產當中，對毛坯變形趨向性的控制，是保證沖壓過程順利進行和獲得高質量沖壓件的根本保證，毛坯的變形區(qū)和傳力區(qū)并不是固定不變，而是在一定的條件下可以互相轉化的。因此改變這些條件，就可以實現對變形趨向性的控制。

在實際生產當中，用來控制毛坯的變形趨向性的措施有下列幾個方面。

1.變形毛坯各部分的相對尺寸關系是決定變形趨向性的最重要的因素，所以在設計工藝過程時一定要合理地確定初始毛坯的尺寸和中間毛坯的尺寸，保證變形的趨向符合工藝的要求。

2.改變模具工作部分的幾何形狀和尺寸也能對毛坯變形的趨向性進行控制。

3.改變毛坯與模具接觸表面之間的摩擦阻力，借以控制毛坯變形的趨向，這也是生產中時常采用的一個方法。

4.采用局部加熱或局部深冷的辦法，降低變形區(qū)的變形抗力或提高傳力區(qū)的強度，都能達到控制變形趨向性的目的，可使一次成形的極限變形程度加大，提高生產效率例如，在拉深和縮口時采用局部加熱變形區(qū)的工藝方法，就是基于這個道理。返回章目錄

第一章沖壓變形的基本原理

1.4

板料沖壓成形性能及沖壓材料1.4.1板料的沖壓成形性能

板料對各種沖壓成形加工的適應能力稱為板料的沖壓成形性能。具體地說，就是指能否用簡便地工藝方法，高效率地用坯料生產出優(yōu)質沖壓件。沖壓成形性能是個綜合性的概念，它涉及到的因素很多，其中有兩個主要方面：一方面是成形極限，希望盡可能減少成形工序；另一方面是要保證沖壓件質量符合設計要求。下面分別討論。(一)成形極限

在沖壓成形中，材料的最大變形極限稱為成形極限。對不同的成形工序，成形極限應采用不同的極限變形系數來表示。例如彎曲工序的最小相對彎曲半徑、拉深工序的極限拉深系數等等。這些極限變形系數可以在各種沖壓手冊中查到，也可通過實驗求得。

依據什么來確定極限變形系數呢？這要看影響成形過程正常進行的因素是哪些。沖壓成形時外力可以直接作用在毛坯的變形區(qū)（例如脹形），也可以通過非變形區(qū)，包括已變形區(qū)（例如拉深）和待變形區(qū)（例如縮口、擴口等），將變形力傳給變形區(qū)。因此，影響成形過程正常進行的因素，可能發(fā)生在變形區(qū)，也可能發(fā)生在非變形區(qū)。歸納起來，大致有下述幾種情況：

1.屬于變形區(qū)的問題

伸長類變形一般是因為拉應力過大，材料過度變薄，局部失穩(wěn)而產生斷裂，如脹形、翻孔、擴口和彎曲外區(qū)等的拉裂。壓縮類變形一般是因為壓應力過大，超過了板材的臨界應力，使板材喪失穩(wěn)定性而產生起皺，如縮口、無壓邊圈拉深等的起皺。

2.屬于非變形區(qū)的問題

傳力區(qū)承載能力不夠：非變形區(qū)作為傳力區(qū)時，往往由于變形力超過了該傳力區(qū)的承載能力而使變形過程無法繼續(xù)進行。也分為兩種情況：

1)拉裂或過度變??；例如拉深是利用已變形區(qū)作為拉力的傳為區(qū)，若變形力超過已變形區(qū)的抗拉能力，就會在該區(qū)內發(fā)生拉裂或局部嚴重變薄而使工件報廢。

2)失穩(wěn)或塑性鐓粗：例如擴口和縮口工序是利用待變形區(qū)作為壓力的傳力區(qū)，若變形力超過了管坯的承載能力，待變形區(qū)就會因失穩(wěn)而壓屈，或者發(fā)生塑性鐓粗變形。

非傳力區(qū)在內應力作用下破壞：非變形區(qū)不是傳力區(qū)時，由于變形過程中金屬流動的不均勻性，也可能產生過大的內應力而使之破壞。根據發(fā)生問題的部位不同，可分為：

1)待變形區(qū)拉裂或起皺：例如在盒形件的后續(xù)拉深工序中，待變形區(qū)金屬流入變形區(qū)的速度不一致，靠直邊部分流入速度快，角部金屬流入速度慢。在這兩部分金屬的相互影響下，直邊部分容易發(fā)生拉裂，角部則容易沿高度方向壓屈起皺。

2)已變形區(qū)拉裂或起皺：如薄壁件反擠時，若金屬從變形區(qū)流到已變形區(qū)的速度不均勻，則速度快的部位易因受附加壓應力而起皺，速度慢的部位易受附加拉應力的作用而開裂。

綜上所述，不論是伸長類還是壓縮類變形，不論問題發(fā)生在變形區(qū)還是非變形區(qū)，其失穩(wěn)形式無非兩種類型：受拉部位發(fā)生縮頸斷裂，受壓部位發(fā)生壓屈起皺。為了提高沖壓成形極限，從材料方面來看，就必須提高板材的塑性指標和增強抗拉、抗壓的能力。(二)成形質量

沖壓零件不但要求具有所需形狀，還必須保證產品質量。沖壓件的質量指標主要是厚度變薄率、尺寸精度、表面質量以及成形后材料的物理力學性能等。

金屬在塑性變形中體積不變。因此，在伸長類變形時，板厚都要變薄，它會直接影響到沖壓件的強度，故對強度有要求的沖壓件往往要限制其最大變薄率。

影響沖壓件尺寸和形狀精度的主要原因是回彈與畸變。由于在塑性變形的同時總伴隨著彈性變形，卸載后會出現回彈現象，導致尺寸及形狀精度的降低。沖壓件的表面質量主要是指成形過程中引起的擦傷。產生擦傷的原因除沖模間隙不合理或不均勻、模具表面粗糙外，往往還由于材料粘附模具所致。例如不銹鋼拉深就很容易有此問題。1.4.2板料沖壓成形性能試驗(一)板料沖壓成形性能試驗方法

板料沖壓性能試驗方法通常分為三種類型：力學試驗、金屬學試驗（統(tǒng)稱間接試驗）和工藝試驗（直接試驗）。其中常用的力學試驗有簡單拉伸試驗和雙向拉伸試驗，用以測定板料的力學性能指標；金屬學試驗用以確定金屬材料的硬度、表面粗糙度、化學成分、結晶方位與晶粒度等；工藝試驗也稱模擬試驗，它是用模擬生產實際中的某種沖壓成形工藝的方法測量出相應的工藝參數。例如Swift的拉深試驗測出極限拉深比LDR；TZP試驗測出對比拉深力的T值；Erichsen試驗測出極限脹形深度Er值；K.W.I擴孔試驗測出極限擴孔率λ等。下面僅對板材簡單拉伸實驗進行介紹。(二)板材拉伸試驗

板材的拉伸試驗也叫做單向拉伸試驗或簡單拉伸試驗。應用拉伸試驗方法，可以得到許多評定板材沖壓性能的試驗值，所以應用十分普遍。

由于試驗目的不同，板材沖壓性能評價用的拉伸試驗方法和所得到的試驗值均與為評定材料強度性能的拉伸試驗有所不同。簡單介紹如下：圖1.4.1拉伸實驗試樣

試驗設備：拉力試驗機（機械式或液壓式）。

試驗時，利用測量裝置測量拉伸力P與拉伸行程（試樣伸長值）ΔL，根據這些數值作出s－d曲線。（圖1.4.2）。試驗可以得到下列力學性能指標：圖1.4.2拉伸曲線

1）屈服極限ss或s0.2；2)強度極限sb；3）屈強比ss/sb；4）均勻伸長率du；5）總伸長率d；6）彈性模數E；7）硬化指數n；8）厚向異性指數g1.4.3板料力學性能與沖壓成形性能的關系板料力學性能與板料沖壓性能有密切關系。一般來說，板料的強度指標越高，產生相同變形量所需的力就越大；塑性指標越高，成形時所能承受的極限變形量就越大；剛性指標越高，成形時抗失穩(wěn)起皺的能力就越大。對板料沖壓成形性能影響較大的力學性能指標有以下幾項：1)屈服極限ss屈服極限ss小，材料容易屈服,則變形抗力小，產生相同變形所需變形力就小，并且屈服極限小，當壓縮變形時，屈服極限小的材料因易于變形而不易出現起皺，對彎曲變形則回彈小。2)屈強比ss／sb屈強比小，說明σs值小而σb值大，即容易產生塑性變形而不易產生拉裂，也就是說，從產生屈服至拉裂有較大的塑性變形區(qū)間。尤其是對壓縮類變形中的拉深變形而言，具有重大影響，當變形抗力小而強度高時，變形區(qū)的材料易于變形不易起皺，傳力區(qū)的材料又有較高強度而不易拉裂，有利于提高拉深變形的變形程度。3)伸長率拉伸試驗中，試樣拉斷時的伸長率稱總伸長率或簡稱伸長率d。而試樣開始產生局部集中變形（縮頸時）的伸長率稱均勻伸長率du。du表示板料產生均勻的或穩(wěn)定的塑性變形的能力，它直接決定板料在伸長類變形中的沖壓成形性能，從實驗中得到驗證，大多數材料的翻孔變形程度都與均勻伸長率成正比?？梢缘贸鼋Y論：即伸長率或均勻伸長率是影響翻孔或擴孔成形性能的最主要參數。4)硬化指數n單向拉伸硬化曲線可寫成s=Ken，其中指數n即為硬化指數，表示在塑性變形中材的硬化程度。n大時，說明在變形中材料加工硬化嚴重，真實應力增加大。板料拉伸時，整個變形過程是不均勻的，先是產生均勻變形，然后出現集中變形，形成縮頸，最后被拉斷。在拉伸過程中，一方面材料斷面尺寸不斷減小使承載能力降低，另一方面由于加工硬化使變形抗力提高，又提高了材料的承載能力。在變形的初始階段，硬化的作用是主要的，因此材料上某處的承載能力，在變形中得到加強。變形總是遵循阻力最小定律，既“弱區(qū)先變形”的原則，變形總是在的最弱面處進行，這樣變形區(qū)就不斷轉移。因而，變形不是集中在某一個局部斷面上進行，在宏觀上就表現為均勻變形，承載能力不斷提高。但是根據材料的特性，板料的硬化是隨變形程度的增加而逐漸減弱，當變形進行到一定時刻，硬化與斷面減小對承載能力的影響，兩者恰好相等，此時最弱斷面的承載能力不再得到提高，于是變形開始集中在這一局部地區(qū)地行，不能轉移出去、發(fā)展成為縮頸，直至拉斷?？梢钥闯?，當n值大時，材料加工硬化嚴重，硬化使材料強度的提高得到加強，于是增大了均勻變形的范圍。對伸長類變形如脹形，n值大的材料使變形均勻，變薄減小，厚度分布均勻，表面質量好，增大了極限變形程度，零件不易產生裂紋5)厚向異性指數g由于板料軋制時出現的纖維組織等因素，板料的塑性會因方向不同而出現差異，這種現象稱塑性各向異性。厚向異性系數是指單向拉伸試樣寬度應變和厚度應變之比,即：g=eb/et(1.4.1)式中eb、et——寬度方向、厚度方向的應變。厚向異性指數表示板料在厚度方向上的變形能力，g值越大，表示板料越不易在厚度方向上產生變形，即不易出現變薄或增厚,g值對壓縮類變形的拉深影響較大，當g值增大，板料易于在寬度方向變形，可減小起皺的可能性，而板料受拉處厚度不易變薄，又使拉深不易出現裂紋，因此g值大時，有助于提高拉深變形程度。6）板平面各向異性指數?g板料在不同方位上厚向異性指數不同，造成板平面內各向異性。用?g表示：?g=（g0+g90+2g45）/2（1.4.2）式中g0、g90、g45——縱向試樣、橫向試樣和與軋制方向成45°試樣厚向異性指數。?g越大，表示板平面內各向異性越嚴重，拉深時在零件端部出現不平整的凸耳現象，就是材料的各向異性造成的，它既浪費材料又要增加一道修邊工序。1.4.4

常用沖壓材料及其力學性能沖壓最常用的材料是金屬板料，有時也用非金屬板料，金屬板料分黑色金屬和有色金屬兩種。黑色金屬板料按性質可分為：1)普通碳素鋼鋼板如Q195、Q235等。2)優(yōu)質碳素結構鋼鋼板這類鋼板的化學成分和力學性能都有保證。其中碳鋼以低碳鋼使用較多，常用牌號有：08、08F、10、20等，沖壓性能和焊接性能均較好，用以制造受力不大的沖壓件。3)低合金結構鋼板常用的如Q345（16Mn）、Q295（09Mn2）。用以制造有強度要求的重要沖壓件。4)電工硅鋼板如DT1、DT2。5)不銹鋼板如1Crl8Ni9Ti，1Cr13等，用以制造有防腐蝕防銹要求的零件。常用的有色金屬有銅及銅合金（如黃銅）等，牌號有T1、T2、H62、H68等，其塑性、導電性與導熱性均很好。還有鋁及鋁合金，常用的牌號有L2、L3、LF21、LY12等，有較好塑性，變形抗力小且輕。表1.4.1列出了部分常用金屬板料的力學性能。非金屬材料有膠木板、橡膠、塑料板等。沖壓用材料的形狀，最常用的是板料，常見規(guī)格如71031420和100032000等。對大量生產可采用專門規(guī)格的帶料（卷料）。特殊情況可采用塊料，它適用于單件小批生產和價值昂貴的有色金屬的沖壓。板料按厚度公差可分為A、B、C3種；按表面質量可分為I、II、III3種。用于拉深復雜零件的鋁鎮(zhèn)靜鋼板，其拉深性能可分為ZF、HF、F3種。一般深拉深低碳薄鋼板可分為Z、S、P3種。板料供應狀態(tài)可為：退火狀態(tài)M、淬火狀態(tài)C、硬態(tài)Y、半硬（1／2硬）Y2等。板料有冷軋和熱軋兩種軋制狀態(tài)。

表1.4.1部分常用沖壓材料的力學性能材料名稱牌號材料狀態(tài)抗剪強度t/Mpa抗拉強度sb/MPa伸長率d10/%屈服強度ss/MPa電工用純鐵C<0.025DT1、DT2、DT3已退火18023026—普通碳素鋼Q195未退火260～320320～40028～33200Q235310～380380～47021～25240Q275400～500500～62015～19280優(yōu)質碳素結構鋼08F已退火220～310280～3903218008260～360330～4503220010260～340300～4402921020280～400360～5102525045440～560550～7001636065Mn已退火60075012400不銹鋼1Cr13已退火320～380400～47021—1Cr18Ni9Ti熱處理退軟430～550540～70040200鋁L2、L3、L5已退火8075～1102550～80冷作硬化100120～1504—鋁錳合金LF21已退火70～110110～1451950硬鋁LY12已退火105～150150～21512—淬硬后冷作硬化280～320400～60010340純銅T1、T2、T3軟態(tài)160200307硬態(tài)2403003

黃銅H62軟態(tài)26030035—半硬態(tài)30038020200H68軟態(tài)24030040100半硬態(tài)28035025—

復習思考題11-1

簡述變形溫度、應力狀態(tài)對塑性和變形抗力的影響。1-2塑性變形的應力應變關系有什么特點？1-3

板料的拉伸試驗所測得的力學性能指標有哪些？這些指標對沖壓成形性能有什么影響？1-4什么是伸長類變形？什么是壓縮類變形？板料成形中哪些是伸長類變形？哪些是壓縮類變形？如何劃分？1-5

材料的哪些力學性能對伸長類變形有重大影響？哪些對壓縮類變形有重大影響？為什么？1-6．

當s1>s2>s3時，利用全量理論和體積不變定律進行分析：（1）當s1是拉應力時，e1是否是拉應變？（2）當s1是壓應力時，e1是否是壓應變？

(3)每個主應力方向與所對應的主應變方向是否一定一致？返回章目錄第二章沖裁工藝及沖裁模設計2.1沖裁變形分析2.2沖裁模具間隙2.3凸模與凹模刃口尺寸的計算2.4沖裁力和壓力中心的計算2.5排樣設計2.6沖裁工藝設計2.7沖裁模的結構設計2.8沖裁模主要零部件的結構設計與標準選用2.9精密沖裁工藝與模具簡介2.10硬質合金沖裁模

第二章沖裁工藝及沖裁模設計第二章沖裁工藝及沖裁模設計本章學習要求：1.

掌握沖裁模刃口尺寸計算方法和排樣設計；2.

掌握沖裁工藝性分析、工藝設計和工藝計算；3.

掌握沖裁模典型結構的特點和模具主要零部件的設計；4.

熟悉沖裁工藝與沖裁模設計的方法和步驟；5.

了解沖裁變形規(guī)律和沖裁件質量的影響因素；6.

了解沖壓模具標準。

沖裁是利用模具使板料沿著一定的輪廓形狀產生分離的一種沖壓工序。根據變形機理的差異，沖裁可分為普通沖裁和精密沖裁。通常我們說的沖裁是指普通沖裁，它包括落料、沖孔、切口、剖切、修邊等。沖裁所使用的模具稱為沖裁模，如落料模、沖孔模、切邊模、沖切模等。

沖裁工藝與沖裁模在生產中使用廣泛，它可為彎曲、拉深、成形、冷擠壓等工序準備毛坯，也可直接制作零件圖2.0.1所示的模具是沖壓一板狀零件的沖裁模。1—下模座；2、15—銷釘；3—凹模；4—套；5—導柱；6—導套；7—上模座；8—卸料板9—橡膠；10—凸模固定板；11—墊板；12—卸料螺釘；13—凸模；14—模柄；16、17—螺釘圖2.01沖裁模典型結構與模具總體設計尺寸關系圖2.1沖裁變形分析

沖裁變形分析對了解沖裁變形機理和變形過程，掌握沖裁時作用于板材上的力態(tài)，應用沖裁工藝，正確設計模具，控制沖裁件質量有著重要意義。2.1.1沖裁變形時板料變形區(qū)力態(tài)分析

圖2.1.1是模具對板料進行沖裁時的情形，當凸模下降至與板料接觸時，板料就受凸、凹模端面的作用力。由于凸、凹模之間存在間隙，使凸、凹模施加于板料的力產生一個力矩M，其值等于凸、凹模作用的合力與稍大于間隙的力臂a的乘積。在無壓料板壓緊裝置沖裁時，力矩使材料產生彎曲，故模具與板料僅在刃口附近的狹小區(qū)域內保持接觸，接觸寬度約為板厚的02～04。并且，凸、凹模作用于板料垂直壓力呈不均勻分布，隨著向模具刃口靠近而急劇增大(見圖2.1.1)。1-凸模；2-材料；3-凹模圖2.1.1沖裁是作用于材料上的力其中：P１、Ｐ２——凸、凹模對板料的垂直作用力；Ｆ１、Ｆ２——凸、凹模對板料的側壓力；μP１、μＰ２——凸模端面與板料間摩擦力，其方向與間隙大小有關，但一般指向模具刃口；μＦ１、μＦ２——凸、凹模側面與板料間的摩擦力。圖2.1.2沖裁時板料的應力狀態(tài)圖

沖裁時，由于板料彎曲的影響，其變形區(qū)的應力狀態(tài)是復雜的，且與變形過程有關。對于無壓料板壓緊材料的沖裁，其變形區(qū)應力狀態(tài)如圖2.1.2所示，其中：

A點(凸模側面)：凸模下壓引起軸向拉應力σ３，板料彎曲與凸模側壓力引起徑向壓應力σ1，而切向應力σ２為板料彎曲引起的壓應力與側壓力引起的拉應力的合成應力。

B點(凸模端面)：凸模下壓及板料彎曲引起的三向壓縮應力。

C點(斷裂區(qū)中部)：沿徑向為拉應力σ１，垂直于板平面方向為壓應力σ3。

D點(凹模端面)：凹模擠壓板料產生軸向壓應力σ３，板料彎曲引起徑向拉應力σ1和切向拉應力σ2。

E點(凹模側面)：凸模下壓引起軸向拉應力σ３，由板料彎曲引起的拉應力與凹模側壓力引起壓應力合成產生應力σ1與σ2，該合成應力可能是拉應力，也可能是壓應力，與間隙大小有關。一般情況下，該處以拉應力為主。二、沖裁時板料的變形過程

沖裁是分離變形的沖壓工序。當凸模、凹模之間的間隙正常時，工件受力后必然從彈性變形開始，進入塑性變形，最后以斷裂分離告終，如圖2.1.3所示。圖2.1.3沖裁變形過程(一)彈性變形階段

由于凸模加壓于板料，使板料產生彈性壓縮、彎曲和拉伸(AB′＞AB)等變形，板料底面相應部分材料略擠入凹模洞口內。此時，凸模下的板料略有拱彎(鍋底形)，凹模上的板料略有上翹。間隙越大，拱彎和上翹越嚴重。在這一階段中，若板料內部的應力沒有超過彈性極限時，當凸模卸載后，板料立即恢復原狀。(二)塑性變形階段

當凸模繼續(xù)壓入，板料內的應力達到屈服極限時，板料開始產生塑性剪切變形。凸模切入板料并將下部板料擠入凹?？變?，形成光亮的剪切斷面。同時，因凸、凹模間存在間隙，故伴隨著彎曲與拉伸變形(間隙愈大，變形亦愈大)。隨著凸模的不斷壓入，材料的變形程度便不斷增加，同時硬化加劇，變形抗力也不斷上升，最后在凸模和凹模的刃口附近，達到極限應變與應力值時，材料就產生微小裂紋，這就意味著破壞開始，塑性變形結束。(三)斷裂分離階段

裂紋產生后，此時凸模仍然不斷地壓入材料，已形成的微裂紋沿最大剪應變速度方向向材料內延伸，向楔形那樣發(fā)展，若間隙合理，上下裂紋則相遇重合，板料就被拉斷分離。由于拉斷的結果，斷面上形成一個粗糙的區(qū)域。當凸模再下行，凸模將沖落部分全部擠入凹模洞口，沖裁過程到此結束。2.1.3沖裁力與凸模行程曲線圖2.1.4沖裁力與凸模行程曲線

圖2.1.4為沖裁時沖裁力與凸模行程曲線。圖中AB段相當于沖裁的彈性變形階段，凸模接觸材料后，載何急劇上升，當凸模刃口一旦擠入材料，即進入塑性變形階段后，載荷的上升就緩慢下來，如BC段所示。雖然由于凸模擠入材料使承受沖裁力的材料面積減小，但只要材料加工硬化的影響超過受剪面積減小的影響，沖裁力就繼續(xù)上升，當兩者達到相等影響的瞬間，沖裁力達最大值，即圖中的C點。此后，受剪面積的減少超過了加工硬化的影響，于是沖裁力下降。凸模繼續(xù)下壓，材料內部的微裂紋迅速擴張，沖裁力急劇下降，如圖CD段所示，此為沖裁的斷裂階段。2.1.4沖裁件斷面質量及其影響因素(一)斷面特征

沖裁件正常的斷面特征如圖2—6所示。它由圓角帶、光亮帶、斷裂帶和毛刺四個特征區(qū)組成。圖2.1.5沖裁件的斷面特征

１．圓角帶-該區(qū)域的形成主要是當凸模刃口剛壓入板料時，刃口附近的材料產生彎曲和伸長變形，材料被帶進模具間隙的結果。

２．光亮帶-該區(qū)域發(fā)生在塑性變形階段，當刃口切入金屬板料后，板料與模具側面擠壓而形成的光亮垂直的斷面。通常占全斷面的1／２～１／３。

３．斷裂帶-該區(qū)域是在斷裂階段形成。是由刃口處產生的微裂紋在拉應力的作用下，不斷擴展而形成的撕裂面其斷面粗糙，具有金屬本色，且?guī)в行倍取?/p>

４．毛刺毛刺的形成是由于在塑性變形階段后期，凸模和凹模的刃口切入被加工板料一定深度時，刃口正面材料被壓縮，刃尖部分是高靜水壓應力狀態(tài)，使微裂紋的起點不會在刃尖處發(fā)生，而是在模具側面距刃尖不遠的地方發(fā)生，在拉應力的作用下，裂紋加長，材料斷裂而產生毛刺。在普通沖裁中毛刺是不可避免的。在四個特征區(qū)中，光亮帶剪切面的質量最佳。各個部分，在整個斷面上所占的比例，隨材料的性能、厚度、模具沖裁間隙、刃口狀態(tài)及摩擦等條件的不同而變化。(二)材料的性能對斷面質量的影響

對于塑性較好的材料，沖裁時裂紋出現得較遲，因而材料剪切的深度較大。所以得到的光亮帶所占比例大，圓角大，穹彎大，斷裂帶較窄。而塑性差的材料，當剪切開始不久材料便被拉裂，光亮帶所占比例小，圓角小，穹彎小，而大部分是有斜度的粗糙斷裂帶。(三)模具沖裁間隙大小對斷面質量的影響

沖裁單面間隙是指凸模和凹模刃口橫向尺寸的差值的一半，常稱間隙用C表示。間隙值的大小，影響上、下裂紋的會合；影響變形應力的性質和大小。

當間隙過小時，如圖2.1.6a所示，上、下裂紋互不重合。兩裂紋之間的材料，隨著沖裁的進行將被第二次剪切在斷面上形成第二光亮帶，該光亮帶中部有殘留的斷裂帶(夾層)。小間隙會使應力狀態(tài)中的拉應力成分減小，擠壓作用增大，使材料塑性得到充分發(fā)揮，裂紋的產生受到抑制而推遲。所以，光亮帶寬度增加，圓角、毛刺、斜度翹曲、拱彎等弊病都有所減小，工件質量較好，但斷面的質量也有缺陷，像中部的夾層等。

當間隙過大時，如圖2.1.6c所示，上、下裂紋仍然不重合。因變形材料應力狀態(tài)中的拉應力成分增大、材料的彎曲和拉伸也增大，材料容易產生微裂紋，使塑性變形較早結束。所以，光亮帶變窄，剪裂帶、圓角帶增寬、毛刺和斜度較大，拱彎翹曲現象顯著，沖裁件質量下降。并且拉裂產生的斜度增大，斷面出現二個斜度，斷面質量也是不理想的。

當間隙合適時，如圖2.1.6b所示，上、下裂紋能會合成條線。盡管斷面有斜度，但零件比較平直，圓角、毛刺斜度均不大。有較好的綜合斷面質量。當模具間隙不均勻時，沖裁件會出現部分間隙過大，部分間隙過小的斷面情況。這對沖裁件斷面質量也是有影響的，要求模具制造和安裝時必須保持間隙均勻。圖2.1.6間隙大小對沖裁件斷面質量的影響a)間隙過?。籦)間隙合適；c)間隙過大(四)模具刃口狀態(tài)對斷面質量的影響

刃口狀態(tài)對沖裁過程中的應力狀態(tài)有較大影響。當模具刃口磨損成圓角時，擠壓作用增大，則沖裁件圓角和光亮帶增大。鈍的刃口，即使間隙選擇合理，在沖裁件上將產生較大毛刺。凸模鈍時，落料件產生毛刺；凹模鈍時，沖孔件產生毛刺。返回章目錄

第二章沖裁工藝及沖裁模設計2.2沖裁模具間隙

上述的分析可知，沖裁凸模和凹模間的間隙，對沖裁件斷面質量有極其重要的影響。此外，沖裁間隙還影響著模具壽命、卸料力、推件力、沖裁力和沖裁件的尺寸精度。因此，沖裁間隙是沖裁工藝與沖裁模設計中的一個非常重要的工藝參數。2.2.1間隙對沖裁件尺寸精度的影響

沖裁件的尺寸精度是指沖裁件的實際尺寸與基本尺寸的差值，差值越小，則精度越高，這個差值包括兩方面的偏差，一是沖裁件相對于凸?；虬寄３叽绲钠睿悄＞弑旧淼闹圃炱?。圖2.2.1間隙對沖裁件精度的影響a)黃銅t＝4mm；b)15鋼t=3.5mmc)45鋼t＝２mm；τ＝2c

沖裁件相對于凸、凹模尺寸的偏差，主要是制件從凹模推出(落料件)或從凸模上卸下(沖孔件)時，因材料所受的擠壓變形、纖維伸長、穹彎等產生彈性恢復而造成的。偏差值可能是正的，也可能是負的。影響這個偏差值的因素有：凸、凹模間隙，材料性質，工件形狀與尺寸。其中主要因素是凸、凹模間隙值。當凸凹模間隙較大時，材料所受拉伸作用增大，沖裁結束后，因材料的彈性恢復使沖裁件尺寸向實體方向收縮，落料件尺寸小于凹模尺寸，沖孔孔徑大于凸模直徑(圖2.2.1)。圖中曲線與δ＝０的橫軸交點表明制件

尺寸與模具尺寸完全一樣。當間隙較小時，由于材料受凸、凹模擠壓力大，故沖裁完后，材料的彈性恢復使落料件尺寸增大，沖孔孔徑變小。尺寸變化量的大小與材料性質、厚度、軋制方向等因素有關。材料性質直接決定了材料在沖裁過程中的彈性變形量。軟鋼的彈性變形量較小，沖裁后的彈性恢復也就小；硬鋼的彈性恢復量較大。上述因素的影響是在一定的模具制造精度這個前提下討論的。若模具刃口制造精度低，則沖裁件的制造精度也就無法保證。所以，凸、凹模刃口的制造公差一定要按工件的尺寸要求來決定。此外，模具的結構形式及定位方式對孔的定位尺寸精度也有較大的影響，這將在模具結構中闡述。沖模制造精度與沖裁件精度之間的關系見表2.2.1。表2.2.1模具精度與沖裁件精度的關系2.2.2間隙對模具壽命的影響

模具壽命受各種因素的綜合影響，間隙是影響模具壽命諸因素中最主要的因素之一。沖裁過程中，凸模與被沖的孔之間，凹模與落料件之間均有摩擦，而且間隙越小，模具作用的壓應力越大，摩擦也越嚴重。所以過小的間隙對模具壽命極為不利。而較大的間隙可使凸模側面及材料間的摩擦減小，并減緩間隙由于受到制造和裝配精度的限制，出現間隙不均勻的不利影響，從而提高模具壽命。2.2.3間隙對沖裁工藝力的影響

隨著間隙的增大，材料所受的拉應力增大，材料容易斷裂分離，因此沖裁力減小。通常沖裁力的降低并不顯著，當單邊間隙在材料厚度的5～２０％左右時，沖裁力的降低不超過5～１０％。間隙對卸料力、推件力的影響比較顯著。間隙增大后，從凸模上卸料和從凹模里推出零件都省力，當單邊間隙達到材料厚度的15～25%左右時卸料力幾乎為零。但間隙繼續(xù)增大，因為毛刺增大，又將引起卸料力、頂件力迅速增大。2.2.4間隙值的確定

由以上分析可見，凸、凹模間隙對沖裁件質量、沖裁工藝力、模具壽命都有很大的影響。因此，設計模具時一定要選擇一個合理的間隙，以保證沖裁件的斷面質量、尺寸精度滿足產品的要求、所需沖裁力小、模具壽命高。但分別從質量、沖裁力、模具壽命等方面的要求確定的合理間隙并不是同一個數值，只是彼此接近?？紤]到模具制造中的偏差及使用中的磨損、生產中通常只選擇一個適當的范圍作為合理間隙，只要間隙在這個范圍內，就可沖出良好的制件，這個范圍的最小值稱為最小合理間隙cmin，最大值稱為最大合理間隙cmax。考慮到模具在使用過程中的磨損使間隙增大，故設計與制造新模具時要采用最小合理間隙值cmin。確定合理間隙的方法有理論確定法與經驗確定法。(一)理論確定法

理論確定法的主要依據是保證上下裂紋會合，以便獲得良好的斷面。圖2.2.2所示為沖裁過程中開始產生裂紋的瞬時狀態(tài)。圖2.2.2沖裁過程中產生裂紋的瞬時狀態(tài)

根據圖中三角形ABC的關系可求得間隙值c為：c=(t-h0)tanβ=t(1-h0/t)tanβ

式中，h０——凸模切入深度；β——最大剪應力方向與垂線方向的夾角。從上式看出，間隙c與材料厚度t、相對切入深度h0／t以及裂紋方向β有關。而h０與β又與材料性質有關，材料愈硬，h0／t愈小。因此影響間隙值的主要因素是材料性質和厚度。材料愈硬愈厚，所需合理間隙值越大。表2.2.2為常用沖壓材料的h０／t與β的近似值。由于理論計算方法在生產中使用不方便，故目前間隙值的確定廣泛使用的是經驗公式與圖表。(二)經驗確定法

根據近年來的研究與使用經驗，在確定間隙值時要按要求分類選用。對于尺寸精度、斷面垂直度要求高的制件應選用較小間隙值，對于斷面垂直度與尺寸精度要求不高的制件，應以降低沖裁力、提高模具壽命為主，可采用較大間隙值。其值可按下列經驗公式和實用間隙表選用：軟材料：t＜1mm,c=〔3%~4%〕tt=1~3mm,c=(5%~8%)tt=3~5mm,c=(8%~10%)t硬材料：t＜1mm,c=(4%~5%)tt=1~3mm,c=(6%~8%)t=3~8mm,c=(8%~13%)

表2.2.3和表2.2.4是汽車拖拉機行業(yè)和電子、儀器儀表行業(yè)推薦的間隙值。表2.2.3沖裁模初始用間隙2c(mm)(汽車拖拉機行業(yè))返回章目錄第二章沖裁工藝及沖裁模設計

2.3凸模與凹模刃口尺寸的計算2.3.1刃口尺寸計算的基本原則

沖裁件的尺寸精度主要決定于模具刃口的尺寸精度，模具的合理間隙值也要靠模具刃口尺寸及制造精度來保證。正確確定模具刃口尺寸及其制造公差，是設計沖裁模主要任務之一。從生產實踐中可以發(fā)現：

1．由于凸、凹模之間存在間隙，使落下的料或沖出的孔都帶有錐度，且落料件的大端尺寸等于凹模尺寸，沖孔件的小端尺寸等于凸模尺寸。

2．在測量與使用中，落料件是以大端尺寸為基準，沖孔孔徑是以小端尺寸為基準。

3．沖裁時，凸、凹模要與沖裁件或廢料發(fā)生摩擦，凸模愈磨愈小，凹模愈磨愈大，結果使間隙愈用愈

由此在決定模具刃口尺寸及其制造公差時需考慮下述原則：

1．落料件尺寸由凹模尺寸決定，沖孔時孔的尺寸由凸模尺寸決定。故設計落料模時，以凹模為基準，間隙取在凸模上；設計沖孔模時，以凸模為基準，間隙取在凹模上。

2．考慮到沖裁中凸、凹模的磨損，設計落料模時，凹?；境叽鐟〕叽绻罘秶妮^小尺寸；設計沖孔模時，凸?；境叽鐒t應取工件孔尺寸公差范圍內的較大尺寸。這樣，在凸、凹模磨損到一定程度的情況下，仍能沖出合格制件。凸、凹模間隙則取最小合理間隙值。

3．確定沖模刃口制造公差時，應考慮制件的公差要求。如果對刃口精度要求過高(即制造公差過小)，會使模具制造困難，增加成本，延長生產周期；如果對刃口精度要求過低(即制造公差過大)，則生產出來的制件可能不合格，會使模具的壽命降低。制件精度與模具制造精度的關系見表2—1。若制件沒有標注公差，則對于非圓形件按國家標準“非配合尺寸的公差數值”IT14級處理，沖模則可按IT11級制造；對于圓形件，一般可按IT7～６級制造模具。沖壓件的尺寸公差應按“入體”原則標注為單向公差，落料件上偏差為零，下偏差為負；沖孔件上偏差為正，下偏差為零。

2.3.2刃口尺寸的計算方法

由于模具加工方法不同，凸模與凹模刃口部分尺寸的計算公式與制造公差的標注也不同，刃口尺寸的計算方法可分為二種情況。(一)凸模與凹模分開加工

采用這種方法，是指凸模和凹模分別按圖紙加工至尺寸。要分別標注凸模和凹模刃口尺寸與制造公差(凸模δp、凹模δd)，它適用于圓形或簡單形狀的制件。為了保證初始間隙值小于最大合理間隙2cmax，必須滿足下列條件：｜δp｜＋｜δd｜≤２cmax－2cmin或取δp＝0.4(2cmax－2cmin)δd＝0.6(2cmax－2cmin)

也就是說，新制造的模具應該是｜δp｜＋｜δd｜＋２cmin≤2cmax。否則制造的模具間隙已超過允許變動范圍2cmin～2cmax。

下面對落料和沖孔兩種情況分別進行討論。圖2.3.1凸、凹模刃口尺寸的確定a)落料b)沖孔

1．落料：

設工件的尺寸為D