文献翻译-冲压成形的特点与板材冲压成形性能

毕业设计文献翻译院（系）名称工学院机械系专业名称材料成型及控制工程2012年03月10日冲压成形的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。冲压加工的原材料一般为板材或带材，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、设备和模具三大类基本问题。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，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，常采用简易模具，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、钢、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。11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，但其塑性变形的本质是相同的。冲压成形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的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）由于冲压成形的板材毛坯的相对厚度很小，在呀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，板材毛坯内应离的数值等于或小于材料的屈服应力。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平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，球面和锥面成形时的悬空部分和管端部的卷边成形等都属于这种情况。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），当前对冲压成形中的毛坯的变形与力能参数方面的研究较为深入，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发展。3）在对冲压成形过程有了较为深入的了解之后，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，为提高板材的质量提供了一个可靠的基础与依据。12冲压变形的分类冲压成形工艺可完成多种工序，其基本工序可分为分离和变形工序两大类。分离工序是使毛坯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。其中又以冲孔、落料应用最广。变形工序是使毛坯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一个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，所以可以认为垂直与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的特点，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作用时，可以分为两种情况即0,TR和。在这种情况下，绝对值最大的应力都是拉应力。以下对这两种0,TR情况分别进行分析。1）当时，按全量理论可以写出如下应力与应变的关系式,TR且（11）KMTMR式中和分别是轴对称冲压成形时的径向主应变，切向主应变和厚度方,RT向上的主应变；和分别是轴对称冲压成形时的径向主应力，切向主应力与厚度,RT方向上的主应力；平均应力，；M3TRM常数。K在平面应力状态时，见式（11）具有如下形式（12）KRTTR323因为，所以必定有与。这个结果表明在两0R02RR向拉应力的平面应力状态时，如果绝对值最大的拉应力是，则在这个方向上的主应R变一定是正应变，即是伸长变形。又因为，所以必定有与，即在板材厚度方向上的0R0RT应变是负的，即为压缩变形，厚度变薄。在方向上的变形取决于与的数值当时，；当R2R0时，；当时,。2R02R0的变化范围是。在双向等拉力状态时，由式（12）得RR及；在单向拉应力状态作用时，由式（12）可得，0RT0。2R根据上面的分析可知，这种变形情况处于冲压应变图中的AON范围内（见图11）；而在冲压应力图中则处于GOH范围内（见图12）。2）当时，由式（12）可知因为，所以一定有0,TR且0R与。这个结果表明对于两向拉应力的平面应力状态，当的绝0R对值最大时，则在这个方向上的应变一定是正的，即一定是伸长变形。又因为，所以一定有与，即在板厚方向上的应R0RT变是负的，是压缩变形，厚度变薄。在方向上的变形取决于与的数值，当时，；当RRR20R时，。20R这时的变化范围是。当时，也就是在双向等拉R0RR0R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；当时，R，也就是说，在单向应力状态下，其变形性质与一般的简单拉伸是完全02R一样的。这种变形与受力情况，处于冲压应变图中的AOC范围内（见图11），处于冲压应力图中的AOH范围内（见图12）。上述两种冲压变形情况，仅在最大应力的方向上不同，而两个应力的性质以及它们引起的变形都是一样的。因此，对于各向同性的均质材料，这两种变形是完全相同的。2、冲压毛坯变形区受两向压应力的作用，这种变形也分两种情况分析，即和。0,TR0,TR1）当且时，由式（12）可知因为，所以一定有RT0R与。这个结果表明，在两向压应力作用的平面应力状态时，如果绝02RR对值最大的应力是，则在这个方向上的应变一定是负的，即压缩应变。0R又因为，所以必定有与，即在板厚方向上的应变R0RT是正的，板料增厚。在方向上的变形取决于与的数值当时，；当R2R0时，；当时,。2R02R0这时的变化范围是与0之间。时，是双向等压的平面应力状态，故RR有；当时，是单向受压的应力状态，所以。这种变形情况0R2R处于冲压应变图的EOG范围内（见图11），而在冲压应力图中则处于COD范围内（见图12）。2）当且时，由式（12）可知因为，所以一定有0RT0R及。这个结果表明对于两向压应力作用的平面应力状态，如果绝R对值最大的应力是，则在这个方向上的应变一定是负的，一定是压缩应变。又因为，必定有及，即在板厚方向上的应变是正0R0RT的，板厚增大。方向上的变形取决于应力和的数值当时，；当RRR20R时，；当时，。R20RR20R这时的数值只能在之间变化。当时，是双向等压力的应力状态，RRR所以；当时，是单向受压的应力状态，所以有。这种0RR02R变形情况，在冲压应变图中处于GOL的范围内（见图11），而在冲压应变图中处于图11冲压应边图图12冲压应力图DOE范围内（见图12）。3、冲压毛坯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，及|时，由式（12）可知因为，及|0RR0R|，所以一定有及。这个结果表明，在异号的平面应力状态R02RR时，如果绝对值最大的应力是拉应力，则在这个绝对值最大的拉应力方向上的应变是正的，即为伸长变形。又因为，及|，所以必定有，即在厚度方向上的应变是0RR0负的，是压缩变形。这时，的数值只能在和的范围内。当时，RR0R，而且|；当时，而且，这时单向受0R0R02R拉的应力状态。这种变形状态处于应变图中的MON范围内（见图11），而在冲压应力图中处于FOG范围内（见图12）。2）当,，及|时，利用式（12），用与前项相同的方法0R0TR分析可得。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是拉应力，则在这个方向上的应变是正的，是伸长变形；而在压应力方向上的应变是R负的（），是压缩变形。0R这时的数值只能介于与之间。当时，,，RR0RR0R而且有|；当时，,，而且。这种变形处于冲压应R0RR2R变图中的COD范围内（见图11），而在冲压应力图中则处于AOB范围内（见图12）。虽然这两种情况的表示方法不同，但从变形的本质上看是一样的。4、冲压毛坯变形区受两个方向上异号应力的作用，而且压应力的绝对值大于拉应力的绝对值。以下对这种变形的两种情况分别进行分析。1）当，而且|时，由式（12）可知因为，0RR0R与|，必定有及。这个结果表明在异号应力的平面R02R应力状态下，如果绝对值最大的应力是压应力，则在这个方向上的应变是负的，是压缩变形。又因为，必定有及，即在拉应力方向上的应0R02RR变是正的，是伸长变形。这时的数值只能介于与之间。当时，,，RRRR0R而且；当时，,，而且。这种变形处于冲压应变R0RR02R图中的MOL范围内（见图11），而在冲压应力图中则处于EOF范围内（见图12）。2）当，而且|时，利用式（12）的关系，并用与前项相同RR的分析方法可得。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0R是压应力，则在这个方向上的应变是负的，是压缩变形；而在拉应力作用方向上的R应变是正的，是伸长变形。这时的数值只能介于与之间。当时，,，R0R0R而且；当，而且。这种变形处于冲压应变图中的DOF范围R02R内（见图11），而在冲压应力图中则处于BOC范围内（见图12）。这四种变形与相应的冲压成形方法之间是相对应的，它们之间的对应关系，用文字标注在图11与图12上。上述分析的四种变形情况，相当于所有的平面应力状态，也就是说这四种变形情况可以把全部的冲压变形毫无遗漏地概括为两大类别即伸长类与压缩类。当作用于冲压毛坯变形区内的拉应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是伸长变形，称这种冲压变形为伸长类变形。根据上述分析，伸长类变形在冲压应变图中占有五个区间，即MON、AON、AOB、BOC、及COD；而在冲压应力图中则占有四个区间EOF、GOH、AOH、及AOB。当作用于冲压毛坯变形区的压应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是压缩变形，称这种变形为压缩类变形。根据上述分析，压缩类变形在冲压应变图中占有五个区间，即LOM、HOL、GOH、FOG与DOF；而在冲压应力图中则占有四个区间即EOF、DOE、COD、BOC。MD与FB分别是冲压应变图与冲压应力图中两类变形的分界线。分界线的右上方是伸长类变形，而分界线的左下方是压缩类变形。由于塑性变形过程中材料所受的应力和由此应力所引起的应变之间存在着相互对应的关系，所以冲压应力图与冲压应变图也一定存在着一定的对应的关系。每一个冲压变形都可以在冲压应力图上和冲压应变图上找到它固定的位置。根据冲压毛坯变形区内的应力状态或变形情况，利用冲压应变图或冲压应力图中的分界（MD或FB）就可以容易地判断该冲压变形的性质与特点。概括以上分析结果，把各种应力状态在冲压应变图和冲压应力图中所处的位置以及两个图的对应关系列于表11。从表11中的关系可知，冲压应力图与冲压应变图中各区间所处的几何位置并不一样，但从它们在两个图中的顺序是相同的。最重要的一点是伸长类与压缩类的分界线，在两个图里都是与坐标轴成45角的一条斜线。表12中列出了伸长类与压缩类变形在冲压成形工艺方面的特点。表11冲压应力状态与冲压变形状态的对照在最大值最大的应力方向上应力状态冲压应变图中位置冲压应力图中位置应力应变变形类别RAONGOH伸长类双向受拉0,RRAOCAOH伸长类REOGCOD压缩类双向受压,RRGOLDOE压缩类|RMONFOG伸长类异号应力0,R|RLOMEOF压缩类|RCODAOB伸长类异号应力0,R|RDOEBOC压缩类表12伸长类成形与压缩类成形的对比项目伸长类变形压缩类变形变形区质量问题的表现形式变形程度过大引起变形区产生破裂现象压应力作用下失稳起皱成形极限1主要取决于板材的塑性，与厚度无关2可用伸长率及成形极限线DLF判断1主要取决于传力区的承载能力2取决于抗失稳能力3与板材厚度有关变形区板厚的变化减薄增厚提高成形极限的方法1改善板材塑性2使变形均匀化，降低局部变形程度3工序间热处理1采用多道工序成形2改变成形区的力学关系3采用防起皱措施从表12可以清楚地看出，由于每一类别的冲压成形方法，其毛坯变形区的受力与变形特点相同。而与变形有关的一些规律也都是一样的，所以有可能在对各种具体的冲压成形方法进行研究之外，开展综合性的体系化研究工作。体系化研究方法的特点是对每一类别冲压成形方法的共性规律进行研究，体系化研究工作的结果对每一个属于该类别的成形方法都是适用的。这种体系化的研究工作，在板材冲压性能、冲压成形极限等方面，已有一定程度的开展。应用体系化方法研究冲压成形极限的内容可用图13予以说明。冲压成形传力区的成形极限变形区的成形极限压缩类变形伸长类变形抗拉与抗压缩失稳能力强度变形均化与扩展能力抗颈缩能力塑性变形力及其变化塑性抗起皱能力各向异性R值硬化能力变形能力变形条件组织化学成分相对厚度N值与R值力学性能模具形状硬化性能应变梯度应变状态硬化性能变形条件组织化学成分图13体系化研究方法举例13冲压成形的研究方法冲压成形的研究工作，就是在正确而深入地了解冲压成形过程的基础上，认识冲压成形过程中的各种规律性的内容，并把它运用于解决冲压生产中出现的各种实际问题。目前在冲压成形方面开展的研究工作领域十分广泛，而采用的研究方法也各有特点。但是，从本质上可以把所用的冲压研究工作概括成以下几种类型。图14冲压成形研究方法剖析图14中双箭头表示正规的规范化类型的理论研究工作。在这种理论研究工作中把设备与模具的作用，根据变形金属多晶体微观结构的实际情况，分解成作用力的微观成分，使其作用在金属的微观结构上，研究金属微观结构的变形行为，最终将这些微设备与模具力学理想化均匀性固体真实金属冲压成形观的变形结果汇总成为板材毛坯的宏观变形。当然，这种理论研究方法是十分科学的，无可挑剔的。但是，由于当前的金属学与力学的发展还不能满足这样的需求，所以这种规范性很强的理论研究工作还处于理想和期望的状态，在实践中是不存在的。由于规范化的纯理论研究方法遇到了不可克服的困难，于是在冲压成形的研究领域里出现了经过某种简化了的理论研究工作。这种理论研究工作的特点在图14中用单实线箭头表示，它是当前理论研究工作的主流。这种理论研究方法，首先把金属材料简化成为理想的均匀固体，在进一步简化金属材料性能参数、边界条件、毛坯的几何参数的条件下，利用数学分析的方法研究冲压成形过程，并用数学的方法描述冲压成形的各种规律性的内容。由于进行了前述的各种简化，必然使数学运算和分析过程与真实的冲压变形过程有某种程度的偏离，所以这种研究结果也必然是近似的，不能完全真实地反映冲压变形过程，尤其是在较为复杂的冲压成形时，这种理论研究工作就显的不够有力了。近年来，由于有限元方法与计算机技术的发展，使这种理论研究工作有了很大的进展，即使在复杂形状冲压件成形中也显示出教好的应用前景。目前这种理论研究方法多用于某些较为具体的冲压变形的研究，可以期望这种研究方法在冲压成形基本规律的研究方面取得更多的成就。另一方面，由于这种理论中存在简化与假设，为了证明这种理论研究结果的可信程度，试验验证工作是必需的。第三种冲压成形研究方法，如图14中点画线箭头所示。这种研究方法的特点是无视冲压成形时毛坯金属在受力作用下产生变形的过程，而是仅仅把模具的结构与工作部分的几何参数、冲压设备的作用特点等初始条件，与成形结果直接联系起来，用以处理冲压成形中的实际问题。可以说，这时一种比较合理的经验方法，也是目前在冲压成形技术领域中应用较多的方法。虽然这种方法具有直观、简单使用、易为生产技术人员接受等优点，但是，由于