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冲压工艺学 1 目录 第一章概述第二章冲压变形基础第三章冲裁第四章弯曲第五章胀形第六章直壁形状零件的拉深第七章曲面形状零件的拉深第八章翻边 2 第一章概述 1 定义 冲压是在室温下 利用安装在压力机上的模具对板料施加压力 使其产生分离或塑性变形 从而获得所需零件的一种压力加工方法 又称为冷冲压或板料冲压 冲压零件 3 第一章概述 2 应用 冷冲压广泛用于汽车 电机 电器 仪表及日常生活用品中 在国防工业中占有重要地位 冲压件比例 精密机械中80 85 仪器 仪表 电机60 70 汽车60 75 自行车 缝纫机 手表80 电视机 收录机 摄像机90 4 第一章概述 冲压件 汽车产品 5 第一章概述 冲压件 家用产品 6 第一章概述 冲压件 军工用品 7 第一章概述 冲压件 其它工业产品 8 第一章概述 3 特点 应用范围广金属材料 非金属材料 胶木 有机玻璃 纸板 皮革 仪表零件 百分之几克 汽车覆盖件 飞机蒙皮 锅炉封头生产率高 材料利用率高一般可达几 几十件 分 高速冲床几百 几千件 分 一般不需加热 材料利用率可达70 85 以上 产品质量稳定加工精度高 互换性好 一般不需进一步加工 便于操作 易于实现机械化 自动化缺点模具要求高 制造复杂 周期长 制造费昂贵 因而在小批量生产中受到限制 生产中有噪音 9 第一章概述 4 工序分类分离工序 成形工序 冲压件与板料沿一定轮廓线相互分离 同时冲压件分离断面也要满足一定要求 如落料 冲孔 裁剪 切边 剖切等 冲压毛坯在不破坏的情况下发生塑性变形 并转化成所要求的成品形状 同时 应满足尺寸精度方面的要求 如弯曲 拉深 胀形 翻边 扩口 缩口 拉弯及旋压等 10 第一章概述 分离工序 11 第一章概述 成形工序 12 第一章概述 5 冲压技术的现状与发展 现状 我国是冲压加工的大国 2004年 仅汽车 冰箱和空调的冲压件消耗的钢材就超过七百万吨 占全国消耗钢材的1 10以上 占全国冷轧板材的70 可见我国的冲压有很大的市场需求和商机 发展前景广阔 冲压产能有很大发展 但冲压行业的基础仍然薄弱 仍以传统型为主 国际竞争力不足 主要表现在 1 工艺原始创新能力不足 2 轿车覆盖件冲压模具设计等关键代表性技术的自主开发能力薄弱 3 材料和能源利用率偏低 耗材耗能较严重 4 冲压企业集中度不足 设备陈旧 数字化水平低等 13 第一章概述 面临的挑战 1 产品集约化生产 个性化发展 节能性与环保性要求 将促使冲压行业出现新一轮的技术革新和改造 2 仿真技术的发展和应用是冲压发展必须借助的手段 3 自动化和灵活性要求是冲压发展必须考虑的因素 4 复合材料应用将推动冲压向前进步 5 新工艺的出现带动行业进步 这些新工艺是 A 复合材料成形工艺 B 多种厚度激光拼焊板坯的冲压技术 C 内高压胀管技术 D 轻合金成形技术 E 数字化成形技术 14 第一章概述 发展出路和特征 加强基础 提升技术和强化创新 1 突出 精 省和净 2 冲压成形更加 科学化 数字化和可控化 3 冲压成形可以实现全过程控制 4 产品从设计开始即进入控制 考虑工艺 5 冲压生产的灵活性和柔性 6 复合技术的应用 15 第二章冲压变形基础 2 1冲压变形中的应力与变形特点 冲压过程中 板料毛坯的塑性变形 都是模具对毛坯施加的外力所引起的内力或内力直接作用的结果作用的结果 一定的力的作用方式和力的大小都对应着一定的变形 因此 为了研究和分析金属的塑性变形过程 首先必须了解毛坯内的作用力与塑性变形间的关系 16 第二章冲压变形基础 1 应力 若 P是表示作用在物体某一微元面积 F上的内力 则应力S是内力 p与面积 F 当 F趋于零时 比值的极限 全应力S可分解为三个应力 一个正应力 与平面垂直 两个剪切力 与平面相切 17 第二章冲压变形基础 毛坯内的每一个点的应力状态可由九个应力分量确定 由于剪应力是互等的 即 所以只需六个应力分量即可确定一点的应力状态 18 第二章冲压变形基础 总可以找到三个互相垂直的平面 其上仅有正应力而无剪应力 这三个应力叫主应力 在冲压变形中 用主应力来表示应力状态很方便 一般取其变形坯料的经向 径向 板厚方向及纬向 切向 周向 作主轴方向 常用来表示主应力状态 应力状态的简化 因为板料变形时 厚度方向应力与其它两个方向应力相比很小或为零 即 故通常按平面应力状态 两向应力状态 处理 平面应力状态的分析比三向应力问题要简单一些 为了研究方便 把板料平面内相互垂直的两个应力看作主应力 二者即为使毛坯变形区产生塑性变形的应力 19 第二章冲压变形基础 2 应变冲压过程中 毛坯的形状和尺寸都发生变化 变化的大小可用应变表示 线应变与切应变 1 相对应变相对应变为变形长度与原始长度之比这种变形表示方法没有考虑材料的变形是一个逐渐积累的过程 因此其计算结果与实际情况比较是有误差的 且变形量越大 误差越大 因此只能用于小变形中 10 20 第二章冲压变形基础 2 真实应变 对数应变 真实应变为为变形后长度与变形前长度之比取对数3 相对应变与真实应变关系真实应变能反映变形的连续过程 而相对应变只与变形的始末尺寸有关 不反映变形的连续过程 举例说明 21 第二章冲压变形基础 3 应力应变关系弹性变形时 应力应变关系遵循虎克定律 塑性变形区受单向应力作用时 应力应变关系可用硬化曲线或硬化曲线数学表达式表示 塑性变形区受二向以上的应力作用的复杂应力状态 应力应变关系可用全量理论或增量理论表示 全量理论 或 22 第二章冲压变形基础 增量理论 或 式中为平均应力 又称静水应力 23 第二章冲压变形基础 体积不变定律的三点推论 塑性变形时 只有形状的变化 而无体积的变化 不论什么应变状态 其中一个主应变的符号与另外两个主应变的符号相反 已知两个应变就可求第三个应变 4 体积不变定律 认为塑性变形体体积不变 只有形状发生变化 可用下式真实应变表示 当变形程度小于10 时 可用相对应变表示 24 第二章冲压变形基础 能量条件 金属产生塑性变形时 其单位体积变形位能为一定值 可写成 简化式为 式中 中间主应力影响系数 可近似取1 1 真实变形抗力 可由硬化曲线确定 5 塑性条件单向应力作用时 金属由弹性变形转化为塑性变形的条件是应力达到屈服极限 即在复杂应力状态下 金属进入并保持塑性变形的条件称为塑性条件 也称屈服准则 目前常用的有最大剪应力条件 屈雷斯加 和能量条件 米塞斯 最大剪应力条件 金属产生塑性变形时 最大主应力和最小主应力之差为一定数 与中间主应力无关 可写成 25 第二章冲压变形基础 2 2硬化与硬化曲线 1 硬化现象随着变形程度的增加 决定金属变形抗力的 硬度等指标提高 而塑性指标 等下降 金属的这种效应称之为加工硬化 其数学表达式为 加工硬化对冲压变形有着不同的影响 如利于伸长类变形 不利于翻边等 在冷变形中 材料的变形抗力随变形程度的变化用硬化曲线表示 26 第二章冲压变形基础 硬化曲线及表达式硬化曲线可通过拉伸 压缩 扭曲和液压胀形的方法获得 表示变形抗力与变形程度关系的曲线 特点 分类 第一类硬化曲线 第二类硬化曲线 第三类硬化曲线 第二章冲压变形基础 2 硬化曲线及表达式直线式 以硬化曲线上缩颈点处的切线表示 式中 截距F 硬化模数 为硬化直线斜率1 当应变用延伸率表示时 2 当应变用断面缩减率表示时 式中 直线式硬化曲线是近似的 仅在切点位置上两者的数值是一致的 在其它位置上均有差别 尤其在变形很大或很小时 28 第二章冲压变形基础 幂次式 用幂函数曲线表示式中c 材料常数 又称硬化系数n 加工硬化指数 也称n值常数c和n值均可在拉伸实验中得到 由于幂函数曲线与材料的实际硬化曲线比较接近 故冲压技术中常用它来代替硬化曲线 29 第二章冲压变形基础 小结冷冲压定义 工艺特点和分类冲压变形的应力特点和应力应变关系硬化曲线及数学表达形式 30 第二章冲压变形基础 2 3各种冲压成形方法力学特点与分类在冲压成形时 把变形毛坯分成变形区和不变形区 可以把冲压变形方式按毛坯变形区的受力情况 应力状态 和变形特点从变形力学理论的角度归纳为以下几种情况 并分别研究它们的变形特点 A 变形区B 已变形区 传力区C 待变形区 31 第二章冲压变形基础 1 冲压毛坯变形区受两向拉应力作用分为两种情况 1 再确定 的变化范围是 当时 为两向等拉 当时 为单拉 这种情况处于冲压应力图的GOH 处于冲压应变图的AON 1 变形分类 32 第二章冲压变形基础 2 再确定 当时 为两向等拉 当时 为单拉 这种情况处于冲压应力图的AOH 处于冲压应变图的AOC与这种变形情况对应的变形是胀形 内孔翻边 2 冲压变形区两向压应力作用 1 冲压应力图的COD 冲压应变图的GOE 2 冲压应力图的DOE 冲压应变图的GOL与该种情况相对的变形有缩口变形等 33 第二章冲压变形基础 3 变形区受异号应力作用 且拉应力绝对值大于压应力绝对值 1 且 处于冲压应力图的GOF 冲压应变图的MON 2 且 处于冲压应力图的AOB 冲压应变图的COD 与该种情况相对的变形有扩口等 4 变形区受异号应力作用 且压应力绝对值大于拉应力绝对值 1 且 处于冲压应力图的EOF 冲压应变图的MOL 2 且 处于冲压应力图的BOC 冲压应变图的DOE 与该种情况相对的变形有拉深等 34 第二章冲压变形基础 综合上面四种受力情况的分析结果 可以把全部变形概括为两大类 伸长类变形和压缩类变形 35 第二章冲压变形基础 伸长类变形 当作用于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 包括冲压变形图中的MON NOA AOB BOC COD等五个区 压缩类变形 当作用于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 称这种冲压变形为压缩类变形 包括冲压变形图中的MOL LOH HOG GOE EOD五个区 MOD是伸长类成形与压缩类成形在冲压变形图上的分界 FOB是冲压应力图上的分界 对于同一类变形中的各种冲压方法 可用相同的观点和方法解决冲压中各种问题 如极限成形参数确定 影响因素及提高的措施等 对这两类方法是不同的 36 第二章冲压变形基础 进一步分类第三类兼具两种特点的成形方法 不同变形区出现的问题都是不能忽视的 应同时从两方面出发 针对不同问题采取必要的措施同时解决两方面的问题 37 第二章冲压变形基础 2 冲压成形极限及影响因素提高伸长类成形极限的措施1 提高材料塑性 2 减小变形不均匀程度 提高塑性变形稳定性 3 清除引起局部应力集中的因素提高压缩类成形极限的措施1 提高传力区的承载能力 降低变形区的变形抗力及摩擦阻力 2 阻止毛坯变形区失稳起皱 3 以降低变形区的变形抗力为主要目的的退火 38 第二章冲压变形基础 两类冲压成形对比 39 第二章冲压变形基础 2 4板料冲压性能及试验方法 定义 板料的冲压性能是指板料对各种冲压加工方法的适应能力 包括成形极限 抗破裂性 形状与尺寸精度 贴模性和冻结性 模具寿命 变形力等 40 第二章冲压变形基础 试验方法可分为间接试验和直接试验 模拟试验 两类 间接试验 板材的应力状态与受力情况与真实冲压时有一定差别 所以结果只能间接反映板材冲压性能 有时还需要一定的分析方法 如拉伸试验 成形极限线 金相试验 硬度试验 直接试验 模拟试验 板材的应力状态及受力情况与真实冲压时基本相同 所得结果也比较准确 如杯突试验 极限拉深比试验 拉深力对比试验 锥形件复合性能试验 扩孔试验 吉田拉皱试验 液压胀形试验等 41 第二章冲压变形基础 42 第二章冲压变形基础 1 拉伸试验拉伸试件从待试验板材截取 试样长度按标准确定 如GB228 87 宽度可根据材料厚度不同取10mm 15mm 20mm 及30mm四种 尺寸偏差不大于0 02 试验在拉伸试验机上进行 可得拉伸力与行程 试件伸长 的拉伸曲线 由式 可得到名义应力与延伸率表示的拉伸曲线 43 第二章冲压变形基础 由拉伸曲线得到的几个重要的参数 1 屈服极限 开始发生塑性变形 2 强度极限 开始产生不均匀变形 即塑性拉伸失稳 3 屈强比 屈强比小 进行冲压变形的范围大 几乎对所有冲压变形都有利 对压缩类成形 变形区切向应力小 起皱趋势小 压边力 摩擦损失小 侧壁载荷低 提高变形程度对伸长类成形 使零件冻结的拉力小 工艺稳定性高对弯曲成形 回弹低 利于提高精度 44 第二章冲压变形基础 4 均匀延伸率与总延伸率冲压成形一般都在板材的均匀变形范围内进行 所以对冲压变形有较为直接的影响 它表示板材稳定的塑性变形能力 直接决定板材在伸长类成形中的冲压性能 一般情况下成正的相关关系 5 n值 硬化指数 大多数金属的硬化规律可用下式表示 n值表示塑性变形材料硬化的强度 n大 可使伸长类变形均匀化 具有扩展变形区 减小毛坯局部变薄和增大极限变形程度等作用 考虑到板材方向性 可取 45 第二章冲压变形基础 n值确定方法 1 两点法硬化曲线满足对上式两边取对数 为直线方程 n为斜率 n值可根据下式计算 46 第二章冲压变形基础 解析推导两点的取法 于屈服点后取一点 接近最大力取一点 47 第二章冲压变形基础 2 阶梯试件法阶梯试件如图拉断时记下 则 则上两式相减得 48 第二章冲压变形基础 3 一点法幂次式过细颈点 切线的斜率为 实验曲线过细颈点的斜率可由以下分析求得 拉伸试验中 拉力P等于实际应力与试件实际剖面面积的乘积 则由体积不变条件 49 第二章冲压变形基础 则出现细颈时 拉力P达到最大值Pmax 这时而此时于是 50 第二章冲压变形基础 因实验曲线过细颈点切线的斜率应与幂次式过细颈点的斜率相等 所以解方程组n值等于拉伸试件中出现细颈时的对数应变值 51 第二章冲压变形基础 6 r值 是拉伸试验中宽度应变与厚度应变之比 一般取变形量20 一般又称 板厚方向性系数 塑性应变比 52 第二章冲压变形基础 r值的大小 表明板材在单向拉应力作用下 板平面方向和板厚方向上变形难易程度的比较 当r 1时 板材厚度方向上的变形比宽度方向上的变形困难 起皱趋向性降低 利于拉深成形 r值与拉深系数密切相关 如图 考虑到板材方向性 可取 53 第二章冲压变形基础 7 板平面方向性系数 大 板材方向性强 引起塑性变形分布不均 拉深件出现突耳 因此 大对冲压成形不利 可用下式表示 r值大 亦大 而r值大利用拉深变形 大不利于拉深变形 故选材时 对r值的影响要综合考虑 54 第二章冲压变形基础 55 第二章冲压变形基础 2 成形极限图 FLD 成形极限线 FLC 胀形变形区各个部位上受到的拉应力比值可能在0 1之间变化 即 而大多数常用冲压板材都存在统一的成形极限图 56 第二章冲压变形基础 1 图形胀形成形极限线仅为图形上半部分 由keeler提出 下半部分由Goodwin补充 统称为成形极限图 OA线 双向等拉 OB线 单向拉伸 考虑各向异性有横轴 平面应变应变点在安全区 表示零件冲压成功 在破裂区表示零件破裂 在临界区 成品率降低 57 第二章冲压变形基础 2 绘制方法成形极限线的绘制以工艺试验为基础 可用拉伸试验 胀形试验等 首先在毛坯上制好网格 再改变润滑条件 毛坯尺寸 成形力等 以建立不同双向拉应力比值下的实验变形条件 以获得不同的极限变形时的值 测量成形后的网格尺寸 以确定的极限值 得到一系列 便可作出成形极限线 网格的印制方法 光化学法 电化学法和混合法 58 第二章冲压变形基础 3 用途成形极限线为提高冲压成形极限和产品质量提供了理论依据和工艺方向 如某胀形件某点的应变为u 通过制订合理冲压工艺 修改冲模 毛坯及产品形状 使u变到u1或u2等临界线以内的位置就安全了 从而提高成形极限 59 第二章冲压变形基础 3 几种直接试验方法1 杯突试验 Erichsen试验 胀形试验 当试件发生破裂时 凸模压入深度称爱利克辛值 可直接反映板材胀形性能 试验模具有标准尺寸 其它参数如表 60 第二章冲压变形基础 2 极限拉深比试验 LDR试验 swift试验 采用不同直径的圆形毛坯 取侧壁不破坏的最大毛坯直径D0max与冲头直径之比表示板材拉深性能 试验繁琐 影响因素多 61 第二章冲压变形基础 3 拉深力对比试验 TZP法 在一定的拉深变形程度下 取毛坯与凸模直径之比D0 dp 52 30 的最大拉深力与在实验中已经获得的成形试样侧壁拉断力的比值表示板材拉深性能 TZP值越大 表示板材拉深性能越好 62 第二章冲压变形基础 4 锥形件复合性能试验 Fukui试验 是拉深性能与胀形性能综合试验 用球形凸模和60度角的凹模在无压边情况下对圆形毛坯拉深 底部破裂时上口直径称CCV值 CCV值越小 板材冲压性能越好 5 液压胀形试验 6 扩孔试验 7 弯曲性能试验 8 拉皱试验 YBT试验 63 第二章冲压变形基础 小结掌握冲压成型方法分类能够由各种成形方法的应力特点分析变形特点掌握拉伸试验结果对冲压性能的影响掌握冲压性能的直接试验方法及性能指标 64 第三章冲裁 冲裁是利用冲模使材料分离的一种冲压工序 它包括切断 修边 落料 冲孔等 主要指落料 冲孔 落料 制取一定外形的冲落部分冲孔 制取内孔冲裁可以制毛坯 也可以生产零件 65 第三章冲裁 动画 几种典型的冲裁模具结构 66 第三章冲裁 3 1冲裁过程分析1 受力情况分析Fp1 Fp2 凸 凹模对板料的垂直作用力 F1 F2 凸 凹模对板料的侧压力 Fp1 Fp2 凸 凹模端面与板料间的摩擦力 其方向与间隙大小有关 一般从模具刃口指向外 F1 F2 凸 凹模侧面与板料间的摩擦力 由于M使板料弯曲并从模具表面上翘起 使模具表面和板料的接触面仅限在刃口附近的狭小区域 其接触面宽度约为板厚的0 2 0 4 接触面间相互作用的垂直压力并不均匀 随着向模具刃口的逼近而急剧增大 67 第三章冲裁 2 变形过程模具间隙正常时 金属材料的冲裁过程可分三个阶段 弹性变形阶段板料产生弹性压缩 弯曲和拉伸等变形 塑性变形阶段板料的应力达到屈服极限 板料开始产生塑性剪切变形 断裂分离阶段已成形的裂纹沿最大剪应变速度方向向材料内延伸 呈楔形状发展 68 第三章冲裁 分离过程的三个阶段 使冲裁件断面明显分为四个部分 a 塌角 b 光亮带 c 剪裂带 d 毛刺 69 第三章冲裁 3 冲裁件质量及影响因素主要指断面质量 表面质量 形状误差和尺寸精度主要影响因素 1 间隙对切断面质量的影响 2 间隙对尺寸精度的影响 3 刃口状态对断面质量的影响 4 材料性能的影响 70 第三章冲裁 3 2冲裁模间隙冲裁模间隙对冲压工艺有重要影响 是个重要参数 对冲裁件的影响 见3 1节 对模具寿命的影响对工艺力的影响由于间隙的大小对冲裁件质量 模具寿命 工艺力有不同的影响 因此不能存在一个绝对合理的间隙值 只能给出一个合理的间隙范围供选择 合理间隙的确定方法 理论确定经验确定参数与材料相关 可查表 一般0 1左右 查表 71 第三章冲裁 72 第三章冲裁 I II III分指冲裁件断面质量 尺寸精度要求级别高 中 低 73 第三章冲裁 3 3凸凹模刃口尺寸确定 凸凹模刃口尺寸精度是影响冲裁件尺寸精度的首要因素 必须考虑到光亮带尺寸决定制件尺寸和模具在使用中的磨损 1 决定模具刃口尺寸及制造公差应遵循的依据和原则1 落料件尺寸决定凹模尺寸 设计落料模时应以凹模为基准 间隙取在凸模上 2 冲孔件尺寸决定于凸模尺寸 设计冲孔模时应以凸模为基准 间隙取在凸模上 3 考虑到冲模的磨损 落料凹模刃口尺寸应靠近落料件公差范围内的最小尺寸 冲孔凸模刃口尺寸应靠近孔的公差范围内的最大尺寸 4 凸凹模间隙取最小合理间隙 74 第三章冲裁 2 凸凹模刃口尺寸计算方法1 分开加工 分别标注凸凹模刃口尺寸及公差 适于圆形及简单形状 若落料件尺寸 冲孔件尺寸 则落料模 冲孔模 要满足或式中 制造公差 可查表 x 系数 可查表 75 第三章冲裁 2 凸模与凹模配合加工是先按尺寸和公差制造出凹模或凸模其中一个 基准件 然后依此为基准再按最小合理间隙配做另一件 优点 不仅容易保证凸 凹模间隙很小 而且制造还可以放大基准件的制造公差 使制造容易 适用于 异形或复杂刃口 设计时 基准件的刃口尺寸及制造公差应详细标注 非基准件上只标注公称尺寸 但在图样上注明 凸 凹 模刃口按凹 凸 模实际刃口尺寸配作 保证最小双面合理间隙值 76 第三章冲裁 3 4工艺力及冲裁功 1 冲裁力冲裁力是选择冲压设备吨位和检验模具强度的重要依据 平刃冲模的冲裁力 k 1 3 还可由表示 其中p表示单位冲裁力 可查下表 2 冲裁功平刃冲裁时 冲裁功在选用压力机时 必须满足W W冲 W 压力机所规定的每次行程总功 77 第三章冲裁 3 4工艺力及冲裁功 78 第三章冲裁 3 卸料力 推料力 顶件力卸料力 从凸模将零件或废料卸下的力推件力 从凹模内顺冲裁方向将零件或废料推出的力顶件力 从凹模内逆冲裁方向将零件或废料推出的力为系数 可查表 n为卡在凹模中工件或废料数 79 第三章冲裁 4 降低冲裁力的方法1 材料加热红冲由于氧化 只适用于厚板或表面质量要求不高的零件 2 多凸模阶梯布置3 斜刃冲裁 a 斜刃落料 b 斜刃冲孔 c 阶梯形凸模 80 第三章冲裁 3 5精密冲裁 1 精密冲裁它能在一次冲压行程中获得比普通冲裁零件尺寸精度高 冲裁面光洁 翘曲小且互换性好的优质精冲零件 并以较低的成本达到产品质量的改善 精密冲裁实现的必要条件 1 强力的齿圈压边圈2 很小的冲裁间隙3 凹模刃口带有小圆角4 强力的反顶装置 81 第三章冲裁 精密冲裁特点 82 第三章冲裁 工艺力计算 冲裁力 压边力 反压力 卸料力 顶件力 83 第三章冲裁 2 半精冲 分离机理与普通冲裁相同 但是由于加强了冲裁区的静水压效果 推迟了剪裂纹的发生 使光亮带比例增加 断面质量明显提高 1 小间隙圆角刃口冲裁 光洁冲裁 落料时凹模刃口带小圆角 冲孔时凸模刃口带小圆角 冲裁间隙为0 01 0 02mm 适于塑性好的材料 凹模圆角半径见表3 7或0 1t 冲裁力 P 1 3 1 5 P普 84 第三章冲裁 2 负间隙冲裁 挤压冲裁 凸模直径大于凹模直径 一般为 0 05 0 3 t 冲裁时先形成一倒锥毛坯 再将其挤过凹模洞口 适于塑性好的材料 冲裁力 P CP普C 系数 铝C 1 3 1 6黄铜 软钢C 2 25 2 8 85 第三章冲裁 3 反复冲裁4 对向凹模冲裁 86 第四章弯曲 4 1概述 把平板毛坯 型材或管材弯成一定曲率 一定角度 形成一定形状零件的成形工序称为弯曲 加工形式 模具弯曲 滚弯和折弯等 弯曲材料 板料 棒料 型材 管材 87 第四章弯曲 88 第四章弯曲 弯曲方法 压弯 U弯 V弯 滚弯 辊弯 折弯 拉弯等 89 第四章弯曲 90 第四章弯曲 1 弯曲过程分析弯曲变形区是毛坯上曲率发生变化的部分 即圆角部分 如图ABCD 91 第四章弯曲 2 应力应变分析毛坯断面上的切向应力由外层的拉应力过渡到内层的压应力 中间必有一层金属切向应力为零 称为应力中性层 其曲率半径用表示 同样 有一层金属的切向应变为零 称之为应变中性层 用表示其曲率半径 两个中性层存在内移现象 弯曲变形分区 变形区减薄 弯曲变形区的应力应变状态取决于变形程度和板材的相对宽度 当b t 3时 称为宽板 当b t 3时 称为窄板 92 93 第四章弯曲 窄板为平面应力状态 立体应变状态 宽板为立体应力状态 平面应变状态 94 第四章弯曲 3 弯曲半径弯曲变形区内切向应变分布如图 在板厚方向不同位置上切向应变按线性规律分布 其值 95 第四章弯曲 可见 弯曲毛坯外表面的变形程度与相对弯曲半径r t大致成反比关系 生产中常用弯曲半径表示弯曲变形程度的大小 由于弯曲变形程度不同 r t不同 毛坯变形区内的应力状态和应力分布都有性质上的差别 当r t200时 近似认为弹 塑性弯曲 内外表面切向应变相等 且为最大值将代入上式得 96 第四章弯曲 4 2弯曲变形分析与弯距计算 假设1 弯曲过程中毛坯变形区任意位置上的横截面始终保持为平面 2 弯曲过程中毛坯变形区的横截面形状和尺寸不发生变化 3 变形区受拉部分和受压部分的硬化规律相同 即应力应变关系相同 1 线性 弹塑性弯曲 r t 200 弯曲毛坯变形区内切向应变在厚度方向上的分布 97 第四章弯曲 切向应力计算 弹性变形范围内 OA部分 切向应力值为 5 4 塑性变形范围内 AB部分 切向应力值为 5 5 式中 E 弹性模量 屈服极限F 硬化模数 与屈服极限相对应的切向应变 98 第四章弯曲 弯矩计算 切向应力形成的力矩为 5 6 微元面积而 所以 即有将y 的值代入式 5 6 得利用式 5 4 5 5 得 5 7 式中 弹性变形区与塑性变形区分界点的切向应变 毛坯内外表面的切向应变 99 第四章弯曲 积分 5 7 式中 内外表面切向应变与屈服极限对应的切向应变所以 式中 弯曲毛坯断面系数 截面模量 m 相对弯距 表示塑性弯距与弹性弯距的比值 100 第四章弯曲 2 线性纯塑性弯曲 r t 200 随着变形程度增大 弹性变形减小 以至毛坯断面全部进入塑性变形状态 即纯塑性弯曲 此时毛坯断面内应力分布与硬化曲线如图 由式 5 7 可得线性纯塑性弯曲时的弯距 式中第一项为零 为零 101 第四章弯曲 式中s 弯曲毛坯断面静矩m 相对弯距k1 反映毛坯断面形状特点系数是反映弯曲毛坯材料性能特点系数 102 第四章弯曲 3 无硬化线性纯塑性弯曲毛坯断面内切向应力为常数 如图由式 5 11 令F 0 103 第四章弯曲 4 3弯曲时的弹复 回弹 1 弹复塑性弯曲与任何塑性变形一样 在外载荷作用下 毛坯产生的变形由塑性变形和弹性变形两部分组成 外载荷除去后 塑性变形保留 弹性变形消失 使其形状和尺寸都发生与加载时变形方向相反的变化 这种现象称为弹复 弯曲后卸载过程中的弹复现象表现为弯曲件的曲率变化及角度变化 在弯曲加载过程中变形区的内层和外层的应力和应变性质相反 卸载时这两部分的弹复变形方向也相反 而总弹复量是内层和外层弹复的叠加 因此 弹复尤其严重 104 第四章弯曲 研究回弹的意义 掌握弯曲件的回弹趋向 初定回弹量的大小 修正模具工作部分的形状及尺寸 减小模具在试模调整阶段的工作量 保证弯曲件的质量 105 第四章弯曲 2 弹复计算 设分别为弹复前及弹复后的中性层曲率半径 弯曲中心角及内表面圆角半径 弹复现象如图 1 曲率弹复由拉伸曲线可知即金属塑性变形过程中的卸载弹复量等于加载时同一载荷所产生的弹性变形 所以塑性弯曲的弹复量即为加载弯距所产生的弹性曲率变化 106 第四章弯曲 由材力有 5 14 式中M 卸载弯距 其值等于加载弯距 I 惯性矩 E 弹性模量整理 5 14 得 将代入 可得 107 第四章弯曲 式中 为卸载弯距引起的卸载应力 比较式及可得 m可查表 材料相对厚度较小时 令 可得简化式 利用该公式可计算纯塑性弯曲时曲率弹复的数值 并根据弹复值的计算结果对模具工作部分的曲率半径作相应的修正 108 第四章弯曲 2 角度弹复用表示角度弹复 则根据卸载前后中性层长度不变 有 故而所以将 109 第四章弯曲 代入上式可得 由于则 110 第四章弯曲 3 弹复值的影响因素1 材料机械性能 s n E 则 2 相对弯曲半径 弹性变形所占比例越大 弹复 3 弯曲角 弯曲变形区长度越大 弹复角越大4 摩擦 可以增大变形区的拉应力 减小回弹值 5 弯曲方式 在无底凹模内做自由弯曲的回弹量最大 校正弯曲时 力大则回弹值小 过大时出现负回弹 U型件的回弹小于V型件 校正弯曲可使毛坯的全部断面或大部分断面在切向出现压应力 使弹复值减小 111 第四章弯曲 4 4提高弯曲件精度的方法 1 利用弹复规律1 理论计算 在接近纯弯曲 只受弯距作用 的条件下 可根据弹复值计算公式的计算结果修正模具 2 补偿法 利用毛坯不同部位上变形方向相反的特点 适当调整各种影响因素 模具圆角半径 间隙 开口宽度 背压和校正压力等 3 软凹模 可排除毛坯不变形区的变形和弹复 通过调整刚性凸模压入软凹模的深度控制弯曲角度 112 第四章弯曲 2 改变应力状态1 校正法2 拉弯主要用于曲率半径较大的弯曲件 把凸模做成局部凸起的形状 使凸模作用力集中作用在弯曲变形区 使之处于三向压应力状态 使内层金属沿切向也产生伸长变形 113 第四章弯曲 4 5最小弯曲半径 弯曲时 毛坯变形区外表面的金属在切向拉应力作用下 产生切向伸长变形 在保证毛坯外层纤维不发生破坏的条件下 所能弯成零件内表面的最小圆角半径称最小弯曲半径 生产中 用它表示弯曲时的成形极限 114 第四章弯曲 最小弯曲半径的影响因素 1 材料的机械性能2 板材的方向性3 弯曲件的宽度4 板材表面质量与断面质量 115 第四章弯曲 5 弯曲角的影响6 板厚 116 第四章弯曲 117 第四章弯曲 4 6弯曲毛坯长度确定 依据 变形前后应变中性层长度不变1 应变中性层的位置根据体积不变条件 弯曲前体积弯曲后体积 118 第四章弯曲 将代入上式并整理得 式中变薄系数 可查表 展宽系数 当b t 3时 分别为弯曲前后的板宽及板厚 冲压生产中 常用经验公式式中x 与变形程度有关的系数 可查表 119 第四章弯曲 120 第四章弯曲 2 弯曲件毛坯长度确定1 圆角半径较大的弯曲 r t 0 3 这类零件变薄不严重且断面畸变较小 可按中性层展开长度等于毛坯长度的原则计算毛坯尺寸 当时 121 第四章弯曲 2 圆角半径很小时的弯曲 r t 0 3 按体积不变计算毛坯尺寸 弯曲前弯曲后因此考虑到弯曲时材料的变薄 做如下修正 122 第四章弯曲 对于右图零件的弯曲3 铰链弯曲式中 K1为中性层位移系数 可查表 4 7弯曲力的计算由于影响因素较多 生产中多用经验公式 可查表 123 第五章胀形 5 1胀形变形特点 胀形主要用于平板毛坯的局部胀形 压凸起 凹坑 加强筋 花纹 图形及标记等 圆柱空心毛坯胀形及拉形等 124 第五章胀形 根据模具类型 胀形可分为刚模胀形和软模胀形 气体 液体 橡胶等 以及非接触胀形 磁脉冲胀形 125 第五章胀形 胀形变形特点1 毛坯的塑性变形局限于一个固定的变形区范围内 板料不向变形区外转移 也不从外部进入变形区 变形区内板料变形主要靠表面局部增大实现 因此 胀形变形中板厚变薄是不可避免的 126 第五章胀形 2 变形区受两向拉应力作用 属伸长类变形 其成形极限与材料塑性及塑性成形稳定性有关 破坏特点主要是拉裂 3 由于受双向拉应力 而且沿厚度分布均匀 因此不易失稳起皱 弹复小 尺寸精度高 表面质量好 127 第五章胀形 5 2平板毛坯局部胀形 1 变形程度这类成形工艺的目的是提高零件的刚性以及使零件美观 用胀形深度表示 主要与材料机械性能 值 凸模几何形状及润滑条件等有关 压凹坑 用球形冲头对低碳钢及软铝局部胀形h d 3用平端面冲头 见下表压加强筋 对软钢板 当具有圆滑过渡时生产中 常用变形区材料的平均延伸率估算 128 第五章胀形 2 变形力刚模胀形 式中K 系数 一般取0 7 1 0L 胀形区周边长软模胀形 局部成形条形筋 129 第五章胀形 5 3圆柱空心毛坯胀形 2 变形力1 刚模胀形式中 H 圆柱空心毛坯高度 摩擦系数 一般为0 15 0 20 中轴锥角 一般为 1 变形程度胀形系数 130 第五章胀形 2 软模胀形1 毛坯两端不固定 允许轴向收缩2 毛坯两端固定 不产生轴向收缩 131 第五章胀形 3 毛坯计算一般情况下毛坯两端不固定 以减轻材料变薄 式中L 工件母线长 工件切向最大延伸率 b 切边余量 一般取10 20mm c 系数 一般取0 3 0 4 132 第六章直壁形状零件拉深 6 1概述 拉深 也称拉延 利用模具使平面毛坯成为开口空心零件的冲压工艺方法 133 第六章直壁形状零件拉深 对于各种拉深件 由于变形区位置 变形性质 变形分布 应力状态及分布规律都有很大的区别 因此确定工艺参数 工序数目及顺序 模具设计均有差别 按变形特点可分为 直壁旋转体 圆筒形零件 如不锈钢的水杯 曲面旋转体 球面 锥面零件 如钢笔 直壁非旋转体 盒形件 如饭盒 曲面非旋转体 复杂形状零件 如汽车覆盖件等 134 第六章直壁形状零件拉深 a 轴对称旋转体拉深件b 盒形件c 不对称拉深件 135 第六章直壁形状零件拉深 6 2圆筒形件拉深时的变形特点 1 变形特点1 变形分析 根据应力应变状态不同 可将拉深过程的毛坯分成五个部分 136 第六章直壁形状零件拉深 法兰部分 变形区 径向拉应力 切向压应力 凹模圆角部位 传力区 侧壁部分 已变形区 传力区 受单向拉应力作用 凸模圆角部位 传力区 危险断面 直接影响极限变形程度 底部 不变形区 传力区 材料受两向拉应力作用 厚度略有变薄 137 第六章直壁形状零件拉深 2 厚度变化底部略有变薄 壁部上段增厚 下部变薄 侧壁靠近底部圆角处最严重 甚至断裂 为危险断面 另外 拉深件侧壁硬度由底部向口部增大 硬度变化 138 第六章直壁形状零件拉深 3 变形特点法兰部分是变形区 受切向压应力 径向拉应力 产生切向压缩变形 径向伸长变形 极限变形程度主要受传力区承载能力限制 同时受变形区失稳起皱的限制 厚度发生变化 侧壁上部变厚 下部靠近圆角处变薄最严重 为危险断面 139 第六章直壁形状零件拉深 4 平板毛坯胀形与直壁圆筒形件拉伸变形特点对比 140 第六章直壁形状零件拉深 4 平板毛坯胀形与直壁圆筒形件拉伸变形特点对比 141 第六章直壁形状零件拉深 2 力学分析 由凸模作用力P引起的毛坯侧壁内的拉应力p沿圆周均匀分布 其大小应能引起法兰部分产生变形 应包括如下各项 使变形区产生塑性变形所必须的拉应力 克服变形区上下两个表面的摩擦阻力所必须的力 其值为 克服毛坯沿凹模圆角运动必须克服的弯曲阻力 近似取为 142 第六章直壁形状零件拉深 考虑到毛坯在凹模圆角表面滑动必须克服的摩擦阻力取的摩擦系数 综上 p值应为 而代入上式得 1 其中在拉应力中约占65 75 143 第六章直壁形状零件拉深 计算1 平衡条件 2 2 塑性条件 3 将 3 代入 2 中得 取 变形区变形抗力的平均值 故 4 144 第六章直壁形状零件拉深 将 4 代入 3 得 5 由 4 5 式可得毛坯变形区内与的应力分布曲线 在变形区外边缘最大 绝对值 内边缘最大 当R r时 6 最后得拉深时必须的拉应力 145 第六章直壁形状零件拉深 分析上式可知 拉深力决定于拉深变形程度 材料机械性能 零件尺寸 凹模圆角半径 润滑等 此时可得拉深力生产中常用经验公式 第一次拉深 第二次及以后的各次拉深 式中 K1 K2 系数 可查表 因此 选择压力及时 总压力 146 第六章直壁形状零件拉深 147 第六章直壁形状零件拉深 6 3圆筒形零件拉深系数及拉深次数确定 1 拉深系数拉深系数 每次拉深后圆筒工件的直径与拉深前毛坯 或半成品 的直径之比 对于第一次拉深 以后各次拉深拉深比 拉深系数的倒数K 1 m拉深系数 拉深比均为拉深变形程度的一种表示方法 任一瞬间内边缘的径向拉应力为当拉深开始时 则 148 第六章直壁形状零件拉深 可见 m越小 径向拉应力越大 在保证侧壁不破坏的情况下所能得到的最小拉深系数称为极限拉深系数 2 极限拉深系数影响因素1 材料机械性能参数材料的塑性越好 组织均匀 屈强比越小 r值大而小 E越大 拉深性能越好 可采用较小的极限拉深系数 149 第六章直壁形状零件拉深 2 材料相对厚度越大 抵抗失稳起皱能力越强 压比力减小或不用压边 减小摩擦损耗 变形力减小 拉深系数减小 3 模具结构 1 凹模圆角半径 2 凸模圆角半径 3 间隙4 润滑条件 150 第六章直壁形状零件拉深 3 拉深次数当拉深系数过小时 由于拉深力超过侧壁承载能力而使拉深失败 此时可采用多次拉深 拉深次数确定法1 公式法2 估算法只要求得总拉深系数 再查得各次拉深系数 即可由下式估算出所需拉深次数 151 第六章直壁形状零件拉深 3 查表法由生产实践总结的拉深次数表 可直接查找 152 第六章直壁形状零件拉深 6 4圆筒形零件拉深起皱及防治措施 1 起皱起皱是毛坯变形区在切向压应力的作用下失稳所造成的 起皱不利于拉深变形 1 由于起皱 毛坯不能被拉过凸凹模间隙面而拉断 2 即使拉过凸凹模间隙 也会留下起皱痕迹而影响质量 153 第六章直壁形状零件拉深 2 起皱影响因素1 毛坯相对厚度t Dt D 抗失稳能力下降 易起皱 2 拉深系数mm 3 材料机械性能E r 屈强比等等4 凹模工作部分形状锥形凹模的作用 毛坯过渡形状抗失稳能力强 凹模圆角半径摩擦阻力和弯曲阻力降低 凹模锥面有助于产生切向压缩变形 拉深力减小 154 第六章直壁形状零件拉深 3 起皱的判断用下式概略估算毛坯是否起皱 1 锥形凹模拉深不起皱条件2 平端面凹模拉深不起皱条件3 利用经验表格进行判断 155 第六章直壁形状零件拉深 4 防皱措施 主要采用压边圈防皱1 用于单动冲床的弹性压边圈常用动源为橡胶 弹簧 气垫 压边力 中 q 单位压边力 可查表 156 第六章直壁形状零件拉深 157 158 第六章直壁形状零件拉深 2 用于双动冲床的刚性压边圈主要靠调整压边圈与凹模表面间隙保证防皱 1 压边圈装在外滑块上 159 160 2 锥面压边圈 3 凹模和压边圈均做成锥面 161 第六章直壁形状零件拉深 6 5毛坯尺寸确定 忽略毛坯厚度变化 按拉深前后面积相等的原则进行毛坯计算 并注意修边余量 一 按面积相等 162 第六章直壁形状零件拉深 当t 1时 工件直径按厚度中心线计算 163 164 第六章直壁形状零件拉深 二 毛坯直径的近似计算对于平底筒形件的毛坯直径 用下式进行近似计算 D0 Kd式中K 与拉深程度有关的系数 可查表 165 第六章直壁形状零件拉深 6 6带法兰零件和阶梯零件的拉深 1 带法兰零件拉深1 拉深系数当底部与法兰根部半径相等且为R时 毛坯直径为 此时 166 第六章直壁形状零件拉深 2 判断能否一次拉深成功a 查图线 167 第六章直壁形状零件拉深 b 极限拉深系数 168 第六章直壁形状零件拉深 c 用h d判断 169 第六章直壁形状零件拉深 3 多次拉深原则a 先拉深成带法兰边的中间毛坯 法兰边外径等于成品零件尺寸 应考虑修边余量 b 以后各次拉深中 仅筒形部分参加变形 逐步减小其直径 而法兰部分不再变形 因其很小的变形都将引起传力区的过大拉力而发生破坏 c 模具设计时 通常将第一次拉入凹模的毛坯面积加大3 5 第二次多拉入1 3 这部分多余的金属逐步分配到以后各次拉深中 以补充计算误差及厚度的增加 同时便于试模调整 170 第六章直壁形状零件拉深 4 多次拉深工序计算a 在保证dF的情况下 合理确定第一次拉深时筒形部分直径d 使其尽可能小 其值可由图确定 b 以后各次拉深时 逐步减小筒形部分直径 可按一般筒形件拉深方法处理 如第n次拉深时 5 多次拉深方法a 圆角半径不变 缩小直径 增加高度 b 高度不变 减小圆角半径缩小直径 当时 可按一般筒形件拉深 只是在倒数第二次工序时才拉出锥形法兰 最后通过校正工序压成水平法兰 171 第六章直壁形状零件拉深 172 第六章直壁形状零件拉深 2 阶梯形件拉深应力状态和变形特点都和圆筒件相似 但工艺计算却有所不同 1 判断能否一次拉深成功工件总高度与最小直径之比小于直径为dn的圆筒形件的最大拉深高度与之比值 可一次拉深成功 即式中h 直径为dn的筒形件最大拉深高度 若上述条件不能满足 则需要多次拉深 173 第六章直壁形状零件拉深 2 多次拉深一般方法a 从大阶梯到小阶梯依次拉深 当每相邻阶梯的直径比dn dn 1均大于或等于圆筒形件极限拉深系数时用这种拉深方法 类似于圆筒形件拉深 拉深次数等于阶梯数目 174 第六章直壁形状零件拉深 b 从小阶梯到大阶梯依次拉深 当相邻两阶梯的直径比小于相应圆筒形件拉深系数时 应采用带法兰零件的拉深方法 由小阶梯到大阶梯拉深 175 第六章直壁形状零件拉深 6 7盒形件拉深方法 1 变形分析毛坯变形区 法兰部分 也是径向受拉 切向受压的应力状态 但由于沿周边分布不均匀 而使其具有特殊性 变形前横向尺寸变形后横向尺寸变形前纵向尺寸变形后纵向尺寸 176 第六章直壁形状零件拉深 盒形件的拉深变形特点 盒形件的拉深应力分布 177 第六章直壁形状零件拉深 带切缝的毛坯拉深 拉深盒形件破裂位置 盒形件拉伸时的突耳现象 178 第六章直壁形状零件拉深 2 变形特点 1 横向压缩 纵向伸长的拉深变形沿周边分布不均匀 直边中间部分最小 靠近圆角部分最大 2 变形沿高度方向分布不均匀 靠近底部最小 愈往口部愈大 3 圆角部分与圆筒形件拉深类似 但其变形程度小于同半径 同高度的圆筒形件 2 直边对圆角变形的减轻作用 1 直边部分的切向压缩变形减轻了圆角部分的拉深变形程度和硬化 圆角部分的金属得以向直边流动 因此圆角部分所需的拉应力也有所降低 2 直边对圆角的影响决定于相对圆角半径r B 其值越小 影响越显著 当等于0 5时 影响不复存在 1 变形的不均匀性 179 第六章直壁形状零件拉深 3 直边对圆角 在力的传递方面 的带动作用 4 变形稳定性高 由于直边部分的材料几乎是平行移动 因此能较快地流入到凹模洞口 而转角部分的材料必须积聚到狭窄的入口而流速慢 因此 变形区直边部分的位移速度大于圆角部分 这一材料流动的速度差引起变形区内直边部分对圆角部分的带动作用 结果是危险断面的拉应力数值有所降低 5 成形极限高于相应的圆筒形件 由于切向压应力由圆角部分向直边部分逐渐过渡并减小 与相应的圆筒形件比较 起皱趋势减小 一般 直边部分很少起皱 由于 2 3 的原因 第一次拉深得到的零件的最大相对高度H r常常超过半径为r的圆筒形件 180 第六章直壁形状零件拉深 3 毛坯形状和尺寸的确定正确确定毛坯的形状和尺寸 不仅能得到口部平齐的零件和节省材料 而且也利于毛坯的变形和保证零件质量 确定毛坯形状和尺寸的原则 保证变形前后面积相等 毛坯的形状保证零件形成等高的侧壁 181 第六章直壁形状零件拉深 1 可用一道工序拉深成功的低盒形件a 直边部分按弯曲变形展开b 圆角部分按四分之一圆筒拉深件展开c 再通过BC和DE中点G和H做圆弧R的切线 再用圆弧将切线与直线连接 以圆滑过渡 182 第六章直壁形状零件拉深 2 多工序拉深的高盒形件a 方盒 采用圆形毛坯 方盒形件的形状和尺寸 183 第六章直壁形状零件拉深 b 矩形盒当A B1 2时 若2H B A B 1 采用圆形毛坯 若2H B A B 1 采用长圆形毛坯 此时毛坯窄边曲率半径按半个方盒计算 R D 2 184 第六章直壁形状零件拉深 4 盒形件初次拉深的成形极限盒形初次拉深仍受圆角部分侧壁强度的限制 盒形件极限变形程度可用相对高度H r表示 其受r B t B及材料性能影响 盒形件初次拉深的最大相对高度 185 第六章直壁形状零件拉深 5 盒形件的多次拉深变形特点不仅与圆筒形件不同 而且与盒形件初次拉深变形也有很大差别 变形区 宽度为b的环形部分 不变形区 高度为h1的直立侧壁 待变形区 传力区 毛坯底部和已进