冷冲压工艺及模具.ppt

冷冲压工艺及模具设计 第一章冲压加工概述与冲压设备 1 1冲压加工概述1 1 1冷冲压的概念冷冲压是在常温下利用冲模在冲压设备上对材料 板料 施加压力 使其产生分离或变形 以获得所需要的零件形状和尺寸 冷冲压工艺建立在金属塑性变形的基础上 是一种先进的金属加工方法 1 1 2冷冲压工序的分类1 1 2 1分离工序分离工序是将冲压件或毛坯沿一定的轮廓进行断裂分离加工 以获得所需要的零件形状和尺寸 又称为冲裁工序 分离工序种类 落料 冲孔 切断 切边 剖切 切舌等 1 1 2 2成形工序成形工序是在材料不发生破坏的前提下使毛坯发生塑性变形 以获得所需要的零件形状和尺寸 成形工序种类 弯曲 拉深 翻边 胀形 起伏成形 缩口 扩口 旋压 校形等 1 1 2 3冲压工艺方案冲压工艺方案是在分析冲压件工艺性的基础上 确定冲压工序性质 工序数目 工序顺序 工序组合及其它辅助工序 即确定冲压件的工艺路线 正确的工艺路线对于冲压件质量 生产效率 模具设计制造和经济成本具有重大意义 1 1 3冷冲压工艺的特点及应用1 1 3 1冷冲压工艺的特点1 优点 1 冷冲压是金属薄板成形的重要工艺方法 2 冷冲压件质量稳定 互换性好 3 材料利用率高 成本较低 4 工艺操作简单 生产率高 5 适合于成批 大量零件生产 2 缺点 1 模具结构复杂 生产成本较高 2 一般不适于单件 小批量零件生 3 工作环境有待改善提高 1 1 3 2冷冲压工艺的应用冷冲压工艺具有许多突出的优点 在机械制造 电子电器等各行各业中都得到了广泛的应用 尤其在汽车 拖拉机 电机 电器 仪器 仪表 电子产品和日用品的生产中占据十分重要的地位 有的产品其冲压件的数量约占工件总数的70 80 以上 随着国民经济的发展 对由金属薄板制成的冲压产品的需求量将会越来越大 因此 学习 研究和发展冷冲压技术 对我国制造业的发展和民族振兴具有极大的意义 1 1 4冷冲压工艺的发展1 工艺分析计算方法现代化采用有限变形的弹塑性有限元等先进的算法 对复杂成形件的成形过程进行应力应变分析和计算机仿真模拟 以预测某一工艺方案对零件成形的可行性及可能发生的问题 从根本上改变了传统的依赖经验和反复试验及修改 才能转入批量生产的模式 2 模具设计制造现代化大力开展模具CAD CAM技术的研究和应用 已有许多成熟的模具CAD CAM一体化软件应用于模具的设计及制造 使设计者尽可能将时间和精力用于创新开发 3 冷冲压生产的机械化和自动化大力推进冲压工艺中的送料 冲压 取件甚至装配等生产环节的机械化和自动化研究和应用 使生产率得到极大的提高 4 适应多品种 小批量的市场需求研究和发展新的成形工艺 简易模具 通用组合模具 数控冲压设备和冲压柔性制造系统 使冲压工艺适应产品更新换代快和生产批量小的现代市场的特点 5 不断改进板料的冲压成形性能实践证明 研制和生产高性能的冲压钢板比改进冲压工艺和模具结构更具有现实意义 随着现代冲压技术的发展 成形钢板的工艺性能和表面质量将会成为制约冲压工艺进步的瓶颈 1 2冲压设备1 2 1曲柄压力机的基本组成1 工作机构即为曲柄连杆机构 由曲轴 连杆 滑块组成 是压力机完成工作的主要机构 冲模的上模固定在滑块上 2 传动系统包括电动机 带轮传动和齿轮传动等机构 其作用是将电动机的运动和能量按照一定要求传给工作机构 其中带轮又称飞轮 能够使压力机在整个工作周期里负荷均匀 能量得以充分利用 3 操纵系统由空气分配系统 制动器 离合器和电气控制箱等组成 压力机的工作是通过操纵机构进行控制的 4 支承部件包括床身 工作台 拉紧螺栓等部分 床身是压力机的基础 保证设备所要求的精度 强度和刚度 床身上固定有工作台 用于安装冲模的下模 5 辅助系统包括气路系统和润滑系统 6 附属装置包括过载保护 气垫 滑块平衡装置 移动工作台 快速换模和监控装置等 1 2 2曲柄压力机的主要结构类型1 按床身结构分分为开式压力机和闭式压力机两种 开式压力机床身前 左和右三个方向是敞开的 操作和安装模具很方便 便于自动送料 但由于床身呈C字型 刚性较差 当冲压力较大时 床身易变形 影响模具寿命 因此只适用于中 小型压力机 闭式压力机床身两侧封闭 只能前后送料 操作不如开式的方便 但机床刚性较好 能承受较大的冲压力 适用于一般要求的大 中型压力机和精度要求较高的轻型压力机 2 按滑块行程是否可调分分为曲轴压力机和偏心压力机两种 曲轴压力机压力机行程较大且不能调节 但曲轴受力结构合理 负荷均匀 可制造大行程和大吨位压力机 偏心压力机压力机行程较小且能适当调节 但由于偏心轴受力结构的关系 因此只适用于中 小型压力机 3 按连杆的数目分可分为单点 双点和四点压力机 4 按滑块数目分可分为单动 双动和三动压力机 5 按传动方式分可分为上传动和下传动压力机 6 按工作台结构分可分为可倾式 固定式和升降台式 1 2 3曲柄压力机工作部分的结构及调整1 2 3 1压力机工作部分的结构J23 40B压力机工作部分的结构如左图所示 1 连杆滑块机构由曲轴 连杆 调节螺杆 滑块组成 是压力机完成工作的主要机构 其中滑块用来安装上模 2 工作台是压力机的工作平台 用来安装下模3 工作空间位于滑块下底面和工作台上表面之间 是安装模具和进行工作的主要空间 4 打料机构由横杆和止动杆组成 是冲压的辅助机构 和模具配合进行工作 1 2 3 2连杆滑块结构的调整连杆滑块机构剖面如下图所示 1 连杆由连杆体和调节螺杆组成 通过调整调节螺杆可改变连杆的长度 进而改变压力机的工作空间 2 滑块上设置模柄夹持机构用来安装上模 通过锁紧螺钉将上模锁紧固定 3 连杆和滑块体通过保险块连接 可预防因冲压过程中意外的负荷过载而导致设备或模具的损坏 3模具在压力机上的工作过程模具在压力机上的工作过程大致分为 1 条料送进和定位2 冲压过程3 卸料 推件过程4 取出制件为了从上模中打下工件或废料 压力机的滑块中装有打料装置 在滑块的矩形横向孔中 放有横杆 当滑块回程 横杆与床身上的止动杆相碰时 即可通过上模中的推杆和推件块将工件或废料从上模中推下 调节止动杆的长度 便可控制打料行程 1 2 4曲柄压力机的主要技术参数压力机的主要技术参数是反映一台压力机的工艺能力 所能加工零件的尺寸范围和生产率等指标 也是模具设计中选择冲压设备 确定模具结构的重要依据 1 1 公称压力公称压力是指压力机曲柄旋转到离下止点前某一特定角度 a 称为公称压力角 一般小于300 时 滑块上所容许的最大工作压力 在冲压生产中 必须使冲压工序工艺力 行程曲线不超出压力机的许用压力曲线 如左图所示 2 滑块行程滑块行程是指滑块从上死点到下死点所经过的距离 对于曲柄压力机 其值即为曲柄半径的两倍 在冲压生产中 应根据模具结构 零件高度尺寸和生产率等因素来选择所需行程的压力机 3 滑块每分钟行程次数是指滑块每分钟往复的次数 滑决每分钟行程次数的多少 关系到生产率的高低 一般压力机行程次数都是固定的 4 闭合高度压力机的闭合高度是指滑块在下止点时 滑块底面到工作台面的高度 模具的闭合高度应小于压力机的最大闭合高度 5 压力机工作台面尺寸压力机工作台面尺寸应大于冲模的最大平面尺寸 一般工作台面尺寸每边应大于模具下模座尺寸50 70mm 以便于安装固定模具用的螺钉和压板 1 2 5曲柄压力机的型号与规格压力机的型号是按锻压机械标准的类 列 组编制的 如 JB23 100A其中J 表示锻压机械的类别 J为机械式压力机 B 表示压力机的变型次数 次要参数与基本型号不同 2 表示列别 3 表示组别 100 表示压力机的公称压力 1000千牛 A 表示压力机的改进次数 结构 性能等的改进 本节中的JB23 40B型是机械式曲柄压力机 属于第2列第3组 为开式双柱可倾式压力机 公称压力400千牛 经过第2次变形和第2次改进 各种压力机的规格参数可参照有关冲压设备的标准 1 3练习思考题1 谈一谈冷冲压的概念及其工艺特点 2 试绘制一实际冲压零件的形状简图 分析其由哪几道工序冲压制成 并叙述各工序的主要变形特点 3 结合具体事例谈一谈自己对冷冲压技术在国民经济中的地位及其发展的认识 4 比较开式偏心压力机和闭式曲轴压力机的特点和应用场合 5 解释JC23 63 J23 100B压力机规格的含义 第二章金属塑性成形的基本概念 2 1塑性变形的物理性质2 1 1塑性变形的概念2 1 1 1晶体结构1 晶体和多晶体从金属学的观点来看 所有的固态金属都是晶体 工业上常用的金属中 最常见的晶格结构有面心立方结构 体心立方结构和密排六方结构 晶体中由原子组成的平面称为晶面 由原子组成的直线称为晶向 每种晶格不同晶面上的原子密度和不同晶向上的原子间距是不同的 这就导致了金属晶体不同方向上的性质差异 这是结晶物质的特点 也是金属各向异性的根源 工业上用于塑性成形的金属和合金都是多晶体 多晶体中每个晶粒都是各向异性的 但大量结晶方位互不相同的晶粒聚集在一起 在宏观上使金属各个方向呈现出大体相同的性质 称为伪同向性 了解晶体结构及其特点是了解金属及合金塑性变形的基础 2 晶体的缺陷晶体缺陷是指实际晶体结构中和理想的晶体点阵结构发生偏差的区域 根据晶体缺陷的几何形态特征 一般将之分成三大类 a 点缺陷如空位 间隙原子 溶质原子 b 线缺陷如位错 c 面缺陷如晶界 相界 孪晶界 堆垛层错 在晶体中 缺陷随着各种条件的改变而不断变化 它们可以产生 发展 运动和交互作用 而且能合并和消失 晶体缺陷对金属的许多性能有很大的影响 特别是对塑性 强度 扩散等有着决定性的作用 2 1 1 2塑性变形1 塑性变形金属受外力作用就会发生变形 表现为形状 尺寸 体积等的变化 变形力去除后 能恢复原状的变形称为弹性变形 不能恢复原状的永久变形称为塑性变形 除脆性材料外 大部分固体材料变形时都呈现出明显的弹性变形阶段和塑性变形阶段 弹性变形时 金属内原子的位置发生变化 表现为原子间距有微小的改变 从而引起了体积的变化 此时 原子的稳定平衡状态遭到破坏 作用在物体上的外力和企图使原子恢复到最小势能位置的原子间反作用力相平衡 这种反作用力称为内力 单位面积上的内力就称为应力 当金属所受外力较大时 使原子偏离其稳定平衡位置超过某一数值 外力去除后原子就不会再回到其原来位置 而是停留在邻近的稳定平衡位置上 发生了永久性变形 这种变形称为塑性变形 作用在变形体上的外力去除后 原子也可能既未回到原来的稳定平衡位置 也未转移到新的稳定平衡位置上去 则原子仍处于受力状态 此时原子所受的内力称为残余应力 残余应力经常带来不利影响 但在清除残余应力的过程中 金属也要发生一定的变形 2 塑性变形的主要方式研究表明 再结晶温度以下晶体的塑性变形主要通过晶内滑移和孪动两种方式进行 其中以晶内滑移变形为主 在晶体内部 一定的晶面和一定的晶向组成一个滑移系 当其它条件相同时 晶体的滑移系愈多 则滑移时可能出现的滑移空间位向愈多 金属的塑性就愈好 实际观察表明 晶体的滑移变形就是在切应力的作用下通过滑移面上的位错运动进行的 一个位错移到晶体表面形成一个原子间距的滑移量 同一个滑移面上许多位错移到晶体表面便形成明显的滑移线 许多滑移线聚集在一起便形成滑移带 这种滑移带一般可在光滑的拉伸变形金属试样表面上观察到 如上图所示 多晶体的变形 由于还存在着晶粒之间的相对滑动和转动 这种晶粒之间的变形称为晶间变形 所以多晶体的变形实质上是晶内变形和晶间变形综合作用的结果 2 1 1 3塑性变形对塑性成形工艺的影响在金属塑性变形的过程中 材料的性能和组织状态都会发生变化 对冲压成形工艺和制件质量有相当大的影响 常见问题如下 1 制件表面质量的下降粗晶粒的板料在冲压变形的过程中 由于晶粒之间的相对转动 会使制件表面呈现出凹凸不平的所谓 桔皮 现象 对于光亮表面的细晶粒板料 亦会因表面出现大量的滑移线和滑移带而导致表面质量明显下降 2 应变硬化现象在冲压成形的过程中 随着变形程度的提高 材料的变形阻力增大 强度和硬度升高 而塑性 韧性下降 这种现象称为应变硬化 又称为加工硬化 金属应变硬化的原因目前还不能妥善解释 一般是认为由于塑性变形使位错大量增殖 位错之间以及位错与其它缺陷间的交互作用导致进一步滑移的临界应力提高 而出现 硬化 现象 硬化会阻碍进一步的塑性变形 不利于工序的进行 但也有有利的一面 如在大变形工序中能阻止板料局部过分变薄而提早破坏 另外如拉丝等一些工艺正是利用了硬化的现象 3 残余应力的影响由于变形不均匀 晶粒内部和晶粒之间的原子未能到达稳定平衡位置 变形结束后 原子仍处于受力状态 作为残余应力 保留在材料或制件内部 在使用的过程中 会导致自动发生变形甚至开裂 带来了有害的影响 4 板料性能的各向异性板材轧制时 材料内的各晶粒沿其变形最大的方向伸长 另外材料中的夹杂物 区域偏析及第二相等也沿着变形方向被拉长 当变形程度很大时 则显著伸长 形成所谓的纤维组织 如果变形程度大到一定的数值 多晶体内各个晶粒的位向会因滑移面的转向而逐渐趋向一致 形成变形织构 一般地 当金属的变形量达到10 20 时 材料性能的取向现象便可以达到可以察觉的程度 当变形量达到80 90 时 板材的性能 尤其是机械性能将呈现明显方向性 称为各向异性 如不经处理 用这样的板材生产冲压制件 会给制件的形状和尺寸精度带来较大的不利影响 如拉深制件在加工中会出现沿口不齐的 突耳 现象 如左图所示 2 1 2影响塑性变形的主要因素2 1 2 1塑性与变形抗力的概念塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力 塑性可用材料在不破坏条件下能获得的塑性变形的最大值来评定 其值与变形条件有关 变形抗力 强度 是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形的能力 其大小也与变形的条件有关 塑性和变形抗力是两个不同的概念 塑性是从变形量的角度反映了材料塑性变形能力的大小 而变形抗力则是从变形力的角度反映了材料塑性变形的难易程度 金属材料的变形抗力和塑性是两个很重要的力学性能 决定了材料冲压成形的工艺性能 同时又是材料的重要使用性能 在不同的条件下 其影响因素以及控制机理构成了塑性成形工艺的重要理论基础 2 1 2 2影响塑性变形的主要因素1 金属成份与组织的影响通常工业用金属都是合金 合金元素与基体金属的结合有固溶体 化合物和中间相 化合物和中间相是属电子键结合 原子间结合力强 表现出的变形抗力大而塑性差 固溶体 特别是置换式固溶体 并不改变基体金属的晶格型式 只是使晶格略有畸变 因而变形抗力和塑性与基体金属并无显著差别 因此 从塑性成形工艺的要求来说 加入的元素应能和基体金属形成固溶体 且数量要控制在形成固溶体所能容纳的溶解度以下 以避免生成化合物 另外杂质的数量和分布形态对金属材料的塑性成形性能的影响也是极大的 一般冲压钢板的碳含量小于0 1 常用的冲压钢板C 0 08 优质冲压钢板C 0 04 超深冲钢板 IF钢 则达到C 0 005 另外优质板材需脱硫到0 01 左右以控制夹杂物的含量 磷的含量一般控制很严 但在脱碳 脱氮的薄钢板中加入0 05 0 08 的磷 反而能生产出成形性能优良的深冲高强钢板 目前发达国家广泛应用氧气顶吹转炉及真空脱气技术以提高钢板的纯净度 严格控制成份和减少夹杂物 全面提升钢板的冲压成形性能 金属材料的组织情况除了它的晶格结构形式外 还包括晶粒的形状 大小以及差异程度 合金元素和杂质的含量以及分布均匀程度 组织状态的齐性程度 晶粒空间方位的一致程度 还有其它一些可能存在的缺陷 它们都在一定程度上影响着合金的塑性 而这些情况都与合金的生产变形历史以及热处理过程有关 从塑性成形工艺的要求来说 应使板材的组织为单相组织 另外 晶粒的细化有利于提高金属的塑性 但也使其变形抗力提高 优质的冲压板材应从金属冶炼 板材轧制和热处理等方面进行综合控制 最后的组织通常由带有择优取向的无应变晶粒组成 关于晶粒择优取向变化的机制有多种解释 但有一点明确的是适当的退火工艺有助于平行于板法向织构 111 的形成 2 变形温度的影响变形温度是影响金属塑性和变形抗力的重要因素 对于多数金属而言 随着温度的提高 塑性增加 变形抗力降低 另外金属塑性变形的方式 物理化学性质等都会受到温度变化的影响 主要表现如下a 软化作用随着温度的升高 发生了回复和再结晶 回复使变形金属得到一定程度的软化 再结晶则完全消除了加工硬化效应 软化作用能否在变形过程中完成 与变形温度和变形速率有关 按其完成程度 可将变形分为冷变形 温热变形和热成形等几种 b 滑移体系的增加变形温度增加时 金属内会出现新的滑移体系 多晶体滑移体系的增加 能够部分解除变形时由各种因素引起的晶粒间的相互牵制 提高了金属的塑性 c 新的塑性变形方式变形温度增加时 金属塑性变形方式除晶内滑移和孪动外 还有晶间滑移 扩散 相变变形等 随着温度的升高 这些变形方式所起的作用也就愈大 甚至在某些场合下会成为塑性变形的主要方式 又称为热塑性 当温度低于回复温度时 热塑性的作用不显著 d 物理化学的变化当合金的温度到达一定程度时 内部就会发生物理 化学变化 如析出异相 溶解自由相 易溶杂质沿晶界溶解等 合金表面也会发生氧化 脱碳等现象 这些变化对塑性影响的程度视具体合金的特性而定 由于两相以上的组织在变形时会相互制约 从而降低金属的塑性 因此要注意避免在析出异相的温度下进行塑性成形 合理的变形温度决定于温度对材料机械性质的影响 一般可由材料的温度 力学性能曲线以及加热对于材料产生的不利影响 如晶间腐蚀 氢脆 氧化 脱碳等 进行合理选用 3 变形速度的影响变形速度是指单位时间内应变的变化量 其对金属塑性变形的影响是多方面的 其中热效应和变形过程延续时间是影响的两个主要方面 金属塑性变形时施加的外力要对变形体作功 称为变形功 变形功将转化为热能 并根据变形条件 一部分热量散失于周围介质中 另一部分则保留在物体内部 提高了变形体的温度 通常将因塑性变形导致变形体温度升高的作用称为热效应 变形速度愈高 则热效应愈显著 从而提高了金属的塑性 此时应注意避免使变形体温度处于析出脆性化合物的温度附近 另一方面 变形速度决定了物体变形过程延续时间的长短 因而限制了变形体的软化作用或析出异相过程的完成程度 影响了金属的塑性和变形抗力 金属在回复与再结晶温度附近变形时 变形速度的影响比较显著 其原因是此时变形速度直接关系到变形过程中软化作用完成的程度 此外 变形速度还从金属塑性变形方式和变形分布均匀程度等方面影响金属的塑性 金属塑性变形的方式有晶内滑移 孪动 扩散 晶间滑移等 变形过程中究竟何种方式起主要作用 除与变形温度有关外 还与变形速度有关 如变形速度高时 容易发生孪动变形 塑性降低 高温时虽然会发生扩散和晶间滑移 但当变形速度高于某一数值时 这两种现象就不会出现 因而不能改善金属的塑性 变形速度从变形分布均匀程度来影响金属塑性的问题 是从动力学角度考虑的 变形体的变形是以一定的波速在变形体内传播的 塑性波的传播速度与该材料硬化曲线的切线 斜率 的平方根成正比 塑性变形大时 由于热效应大 因而应变硬化较小 波速也较低 可能妨碍变形的扩展 这种交互影响的结果就使变形大的局部区域变形发展的比其它区域更快 使金属的变形更加不均匀 从而降低了整个物体的塑性 综上所述 变形速度对金属塑性的影响是比较复杂的 必须结合变形温度等因素进行综合考虑 目前对变形速度影响的研究还很不够 合理的变形速度范围还只能靠试验确定 常规冲压使用的压力机工作速度较低 0 1 1 5米 秒 对金属塑性变形性能的影响较小 考虑成形速度的影响主要基于零件的尺寸和形状 对于小尺寸零件的冲压工序一般不必考虑变形速度因素 而大型复杂零件的成形 由于各部分的变形极不均匀 易于拉裂和起皱 为了便于金属的塑性流动 采用低速压力机或液压机 0 006 0 02米 秒 比较适宜 另外 对于不锈钢 耐热合金 钛合金等对变形速度比较敏感的材料 加载速度宜控制在0 25米 秒以下 4 应力应变状态的影响 在压力加工过程中 外力作用方式不同 则变形体内部的应力状态也不同 变形体内任何一点 单元体 的应力状态可以用主应力表示 称为主应力状态 如果三个主应力的大小相等 即 1 2 3 则称为球应力状态 这种应力状态不能产生切应力 习惯上又将三向等压应力称为静水压力 单元体上三个正应力的平均值称为平均应力 用 m表示 其大小取决于该点的应力状态 而于坐标轴的选取无关 即任何一种主应力状态都可以分解为两部分 如右图所示 第一种是大小等于平均应力 m的球应力状态 称为应力球张量 第二种称为应力偏张量 它的主轴方向和原应力方向相同 主轴方向的三个分量叫做应力偏量 应力球张量不产生切应力 因此不能改变物体的形状 只能使物体的体积发生微小的变化 应力偏张量却相反 其所产生的切应力与原应力张量所产生的切应力完全相同 且平均应力为零 故能使物体发生形状的改变 而体积不会产生变化 许多实践证实 在很多情况下 变形体的塑性和变形抗力在很大程度上取决于静水压力的大小 静水压力愈大 则变形体呈现的塑性就愈好 金属塑性所以会随着静水压力的增加而提高 一般认为是由于等向压力会使变形体的组织在变形过程中变得更致密 使晶界变形难以进行 从而封闭了晶粒和晶界的裂纹和缺陷 材料不会像拉应力那样使裂纹容易扩展而导致金属的破裂 对于塑性材料 因其本来以晶内变形为主 所以变形抗力随静水压力增加不多 这一点已为实验证实 在某些温度 速度条件下 扩散对塑性变形起着极其重要的作用 此时 在静水压力的作用下 空位数目将会减少 塑性变形将要遇到困难 如果完成变形的时间又很少 则情况会更加严重 为了在实际工作中评价加工方式对发挥材料塑性的合宜程度 原苏联学者古布金对应力状态进行了分类和排队 提出了主应力图的概念 如右图所示 图中同时标出了各种应力状态塑性好坏的顺序 按照主应力状态图 可以适当地选择加工方式 以利于材料塑性的发挥 与主应力图类似 也可作出主应变图 考虑到塑性变形体积不变条件 其数学表达式为 主应变图共有三种 如下图所示 最有利于发挥材料塑性的是有两个压缩应变的立体应变图 最不利于发挥材料塑性的是有两个伸长应变的立体应变图 其原因是前者使物体内部存在的空隙 裂纹 杂质等缺陷只能在一个伸长方向暴露 因而危害较小 而后者却有可能在两个伸长方向上暴露 因而危害较大 2 2塑性变形的力学基础金属塑性变形力学的基本理论在有关塑性加工力学的著作中已有详尽 系统的论述 为了便于对以后章节中关于塑性成形方法力学分析的理解和掌握 本节中对塑性变形的基本理论和公式进行简要的叙述 但不作细致的讨论 金属在外力作用下田弹性状态进入塑性状态 研究金属在塑性状态下的力学行为称为塑性理论或塑性力学 它是连续介质力学的一个分支 为了简化研究过程 塑性理论通常采用以下假设 1 变形体是连续的 即整个变形体内不存在任何空隙 这样 应力 应变 位移等物理量也都是连续的 并可用坐标的连续函数来表示 2 变形体是均质的和各向同性的 这样 从变形体上切取的任一微元体都能保持原变形体所具有的物理性质 且不随坐标的改变而变化 3 在变形团任意瞬间 力的作用是平衡的 4 在一般情况下 忽略体积力的影响 5 在变形的任意瞬间 体积不变 在塑性理论中 分析问题需要从静力学 几何学和物理学等角度来考虑 静力学角度是从变形体中质点的应力分析出发 根据静力学平衡条件导出该点附近各应力分量之间的关系式 即平衡微分万程 几何学角度是根据变形体的连续性和均匀性 用几句的方法导出应变分量与位移分量之间的关系式 即几何方程 物理学角度是根据实验与假设导出应变分量与应力分量之间的关系式 此外 还要建立变形体从弹性状态进入塑性状态并使塑性变形继续进行时 其应力分量与材料性能之间的关系 即屈服准则或塑性条件 以上是塑性变形的力学基础 它为研究塑性成形力学问题提供理论基础 2 2 1变形体的应力应变状态2 2 1 1应力应变的表示金属塑性变形时的应力 应变状态 可用三个主应力和三个主应变来表示 记作 1 2 3和 1 2 3 将它们按代数值的大小次序排列 即 1 2 3和 1 2 3 由上节叙述可知 应力偏张量所产生的切应力能使物体发生形状的改变 对于变形体内的质点 除主平面不存在切应力外 单元体其他方向截面上都有切应力 且在与主平面成450角的截面上 切应力达到最大值 称为主切应力 主切应力的作用面称为主切应面 在主切应力中 绝对值最大的称为该点的最大切应力 其数学表达式为 最大切应力在金属塑性变形中有重要意义 2 2 1 2应力强度与应变强度为了使复杂应力状态与单向拉伸应力状态等效 以衡量变形体内任一质点的受载及变形的程度 定义了应力强度 等效应力 和应变强度 等效应变 的概念 它们的数学表达式为 必须指出 等效应力和等效应变并不是真正作用在变形体内某个质点上的实际应力和实际应变 而只是衡量该点受载及变形程度的指标 是各个应力分量和各个应变分量作用效果的集中表现 它们之间存在着统一单值的关系 这种关系适用于任何复杂的变形状态 2 2 2真实应力应变曲线2 2 2 1弹塑性共存规律低碳钢试样在单向拉伸时 可由记录器直接记录外力F和试样的绝对长度l 得到拉伸试验曲线图 如左图所示 由拉深曲线图可知 在弹性变形阶段OA 应力与应变成正比关系 如果在此阶段卸载 则外力和形变都将按原路退回原点 不产生任何塑性变形 在A点以后继续拉伸 材料进入均匀塑性变形阶段 如果在某一点B卸载 则外力将沿着与OA平行的直线退回到C点 此时 lC即为加载到B点时的塑性变形量 而 lb与 lC之差则为回复的弹性变形量 由此可知 在金属塑性变形的过程中会同时伴随着弹性变形 当外力卸载后 弹性变形回复 而塑性变形得以保留下来 变形体变形时的这种现象称为弹塑性共存规律 在薄板的冲压成形过程中 由于弹性变形的存在 使得分离或成形后的制件形状和尺寸与模具的形状和尺寸与不尽相同 是影响冲压件精度的重要原因之一 2 2 2 2真实应力应变的概念材料开始塑性变形时的应力称为屈服应力 一般金属材料在变形的过程中 随着变形程度的增加 其每一瞬时的屈服应力不断提高 而塑性不断下降 这种变化着的实际屈服应力称为真实应力 又称为变形抗力 在室温下 低速拉伸金属试样 使之均匀变形 真实应力即为作用于试样瞬时断面积上的应力 表示为 式中F 载荷 A 试样瞬时断面积 真实应力也可在其它变形条件下测定 视实际需要而定 另外在拉伸试验时 应变常以试样的相对伸长表示 式中l0 试样原始标距长度 l1 试样拉伸后标距长度 由于 不能反映试样大变形过程中瞬时变形和真实情况 于是引入真实应变的概念 表示为 式中dl 试样瞬时的长度改变量 l 试样的瞬时长度 当试样从l0拉伸l1至时 总的真实应变为 真实应变在正确反映瞬态变形的基础上 真实地反映了塑性变形的积累过程 因而得到广泛的应用 由于它具有对数形式 因此又称为对数应变 在均匀变形阶段 真实应变和相对伸长存在以下关系 将上式按泰勒级数展开 得 由上式可知 在变形小时 如果 则仅比小0 5 2 2 2 3真实应力应变曲线材料力学所讨论的低碳钢拉伸曲线图表达了拉伸时应力与应变的关系 图中应力与应变的计算采用的是变形前试样的原始截面积A0和试样的相对伸长 亦称条件应变 由于材料力学研究的弹性变形属小变形 应力与应变采用上述的表达方式不会引起太大的误差 但是对于塑性变形中的大变形阶段来说就不够准确 在金属塑性成形理论中 普遍采用真实应力和对数应变表示的真实应力 应变曲线 能够更加真实地反映金属材料塑性变形的硬化现象及规律 因此又称为硬化曲线 如右图所示 在对变形体进行力学分析 确定各种工艺参数和处理生产实际问题时 研究和掌握材料的硬化现象及规律对指导冲压实践具有重要意义 如左图所示为金属材料在拉伸时的真实应力 应变曲线 从图中可以看出 在产生颈缩b处 真实应力 并不出现最大值 这是由于继续变形时 虽然外载荷P下降 但试样的截面积也在减小 且减小更快 导致真实应力不断上升 直至K处断裂为止 硬化曲线可在拉伸 压缩等实验中获得 而且基本上是一致的 但实验工作要求十分精细 一般来说 不同材料的硬化曲线差别很大 很难用一个统一的函数形式将它们精确地表达出来 这给求解塑性变形问题带来了困难 实验研究表明 很多金属的硬化曲线近似于抛物线形状 对于立方晶格的退火金属 如Fe Cu Al等 其硬化曲线可相当精确地用幂函数曲线来表示 其数学表达式为 式中A 与材料有关的系数 MPa n 硬化指数 A与n的值与材料的种类和性能有关 都可通过拉伸试验求得 硬化指数n是表明材料冷变形硬化的重要参数 对板料的冲压性能及冲压件质量都有较大的影响 如左图所示为不同n值材料的硬化曲线 n值大 表示变形时硬化显著 对后续变形工序不利 但n值大时对以伸长变形为特点的成形工艺 如胀形 翻边等 却是有利的 这是由于硬化带来变形抗力的显著增加 可以抵消毛坯变形处局部变薄而引起的承载能力的减弱 因而可以制止变薄处变形的进一步发展 使变形转移到别的尚未变形的部位 提高了板料变形的均匀性 2 2 3屈服准则金属塑性变形是各种压力加工方法得以实现的基础 金属塑性成形理论所研究的对象已超出弹性变形而进入塑性变形的范畴 屈服准则正是研究材料进入塑性状态的力学条件 因而它从形式上来讲和材料力学中的第三 第四强度理论是一致的 当物体中某点处于单向应力状态时 只要该向应力达到材料的屈服点 该点就开始屈服 由弹性状态进入塑性状态 对于复杂的应力状态 则应同时考虑各个应力分量的综合作用 即只有当各个应力分量之间符合一定的关系时 该点才开始屈服 这种关系就称为屈服准则 或屈服条件 塑性条件 2 2 3 1屈雷斯加 H Tresca 准则法国工程师屈雷斯加 H Tresca 通过对铅的一系列挤压试验研究 于1864年提出 当作用于塑性金属体上的最大剪应力达到一定数值时 金属的变形就由弹性状态进入塑性状态 而不管应力状态的复杂情况如何 其数学表达式为 或屈雷斯加准则 又称为最大剪应力塑性条件 形式简单 概念明确 较为满意地指出了材料塑性变形的力学条件 但是该准则显然忽略了中间主应力的影响 且在不知道主应力大小次序的情况下 表达形式较为复杂 2 2 3 2米塞斯 Von Mises 准则德国力学家米塞斯 Von Mises 于1913年提出常数形变能塑性条件来代替最大剪应力塑性条件 该准则可以表述为 不管应力状态如何 只要该材料质点中的等效应力达到某一定值时 材料就开始屈服 其数学表达式为 或 大量试验表明 对于绝大多数金属材料 米塞斯准则比屈雷斯加准则更接近于实验数据 由于两者比较接近 在有两个主应力相等的情况下还是一致的 为了使用上的方便 米塞斯准则可改写为 式中的值的变化范围为1 1 155 体现了中间主应力的影响 在平面应变状态时值为1 155 两者相差最大 冲压生产中使用的一般都是硬化材料 往往借助于上述米塞斯准则公式来表达硬化材料的屈服条件 此时式中的应为材料产生加工硬化的实际变形抗力 即真实应力 2 2 4塑性变形时的应力应变关系2 2 4 1增量理论为了揭示塑性变形时的应力应变关系 消除因加载历史不同而导致应力和应变之间的不确定关系 必须规定简单加载的条件 如图所示 简单加载是指在加载过程中 只能加载 不能卸载 各应力分量按同一比例增加 显然 前述的真实应力 应变曲线及幂函数的表达形式 是在简单加载条件下获得的 表达的是单向应力和应变的关系 然而在绝大多数冲压成形过程中 毛坯的变形区往往受到两向甚至三向的应力作用 此时 变形区的应力应变关系相当复杂 不易确定 一般情况下可以建立起应力和应变增量之间的关系 这种关系称为增量理论 其数学表达式为 上式可改写成2 2 4 2全量理论在简单加载条件下 应变主轴方向不变 并与应力主轴重合 对上式进行积分 从而可得全量理论的表达式 上式可改写成 由上式可见 全量理论表达的应力应变关系为主应力差与主应变差成比例 比值为正 增量理论着眼于每一加载瞬间 具有普遍性 但其在实用上不够方便 尤其材料产生应变硬化时 计算引起的困难很大 全量理论是在增量理论的基础上得到的 使用上比较方便 适用于简单加载情况 如果是非简单加载的大变形问题 只要变形过程中主轴方向的变化不是太大 应用全量理论也不会引起太大的误差 因此 在冲压工艺中就常常应用全量理论 2 2 4 3全量理论的应用分析全量理论的应力应变关系表达式是对压力加工中各种工艺参数进行计算的基础 除此之外 还可利用它们对某些冲压成形过程中毛坯的变形和应力的性质作出定性的分析和判断 例如 1 在球应力状态时 有 1 2 3 m 利用全量理论公式分析可得 1 2 3 0 这说明在球应力状态下 毛坯不产生塑性变形 仅有弹性变形存在 2 在平面变形时 如设 2 0 根据体积不变规律 则有 1 3 利用全量理论公式分析可得 2 m 0 即有 2 m 这说明在平面变形时 在主应力与平均应力相等的方向上不产生塑性变形 且这个方向上的主应力即为中间主应力 其值为 2 1 3 2 宽板弯曲时 宽度方向的变形为零 即属于这种情况 3 平板毛坯胀形时 在发生胀形的中心部位 其应力状态是两向等拉 厚度方向应力很小 可视为零 即有 1 2 0 3 0 属平面应力状态 利用全量理论公式分析可以判断变形区的变形情况 这时 1 2 3 2 在拉应力作用方向为伸长变形 而在厚度方向为压缩变形 由此可见 胀形变薄是比较显著的 4 当毛坯变形区三向受压时 利用全量理论公式分析可知在最大压应力 3方向上的变形一定是压缩变形 而在最小压应力 1方向上的变形必为伸长变形 由上述分析可知 判断毛坯变形区在哪个方向伸长 在哪个方向缩短 不能仅依据应力的性质来决定 而是要根据主应力的差值才能判定 当变形区内拉应力的绝对值最大时 此方向必为伸长变形 变形区板料会减薄 当变形内压应力的绝对值最大时 此方向必为压缩变形 变形区板料会增厚 2 2 5薄板成形问题分析方法 薄板成形问题分析是以金属塑性变形的基本规律 屈服准则和应力应变关系为基础的 分析的目的是通过对各种成形过程中薄板的应力应变状态 分布和变化规律的揭示 使我们更为深入地认识和掌握薄板成形问题的特点和规律 探求和发展更为经济 有效的成形方法 薄板成形的实际问题层出不穷 分析计算的方法也多种多样 而工程问题的求解 往往并不片面地强调方法的严谨 追求过高的精度 更重要的是简单便利 行之有效 但必须建立在科学的基础上 薄板成形问题的众多分析求解方法中 主应力法和塑性材料力学法运用得比较广泛 实际效果也很好 2 2 5 1主应力法主应力法也称为切取微体法 这种方法以求解薄板材料变形区各个主应力的分布规律为目标 并根据问题的需要 在已求得的主应力分布规律的基础上 再进一步求出主应变分布 成形力 变形能等其它问题 其解题方法的基本过程如下 1 针对薄板成形的特点 合理提出一些简化假设 常用假设如 薄板均匀连续各向同性 或在板面内为各向同性 只有厚向异性存在 变形过程近似为简单加载 采用应变全量理论 忽略薄板的厚向应力 认为薄板变形处于平面应力状态 忽略摩擦对应力 应变主轴方向的影响 薄板平面内应力沿板厚均匀分布 忽略其它一些次要因素对变形过程的影响等 2 为了简化计算 以应力 应变主轴作为坐标轴 薄板塑性变形问题的分析计算 目前能够取得明确答案的 即解析解 只有轴对称问题 这类问题的主轴方向极易确定 对于薄板成形的轴对称问题 主轴方向为 切向 径向和厚向 其次 根据各个成形工序薄板的变形特点 分析判断主轴方向应力 应变分量的性质及存在与否 确定各个分量代数值的大小顺序 3 从薄板变形区内切取任一微体 根据微体的静力平衡条件 建立未知主应力与点的坐标的函数关系 4 建立薄板变形区内任一微体的塑性变形方程 由变形的几何关系 应力 应变之间的物理关系以及最大主应变 max的几何特点 将未知主应力再表示为点的坐标的另一函数关系 通常这一函数关系的形式为 如假设材料为理想塑性体 则应力强度为一与变形程度无关的常数 这样求得了问题的结果后 可根据实际情况再加以修正 5 利用边界条件 联立求解以上诸方程 即可获得应力 应变的解析解 6 以此解析解为基础 可进而求得其它有关力 能 变形的结果 2 2 5 2塑性材料力学法 塑性材料力学法着眼于薄板材料变形区内的某一特定点 通过解析法或试验法求出此点的应变分量 再由应变分量得出各个应力分量 这种方法能够避免繁杂甚至不可解决的数学运算 在生产中便于推广运用 在非轴对称的 比较复杂的成形问题分析中 大都运用这一方法进行分析 研究工艺参数和变形条件对薄板成形过程的影响 其解题方法的基本过程如下 1 根据问题的需要 首先定出所要研究的点的部位 采用解析计算法或者试验测量法 求出此点的主应变分量 1 2 3 解析计算法为 分析变形过程中研究点所在部位的应力应变状态 确定该点变形主轴方向 由薄板变形前后的几何关系以及体积不变条件 分析计算出主应变分量 试验测量法为 在薄板坯料表面印刷坐标网格 一般为圆形网格 对薄板坯料进行变形试验 变形后 圆形网格成为椭圆形网格 测量椭圆形网格长 短轴的长度 椭圆的长 短轴方向即为主应变方向 按照实际应变的定义和体积不变条件 即可计算出研究点的三个主应变分量大小 2 根据三个主应变 按应变强度的定义确定研究点的应变强度 i 3 由材料的一般性应力应变关系 确定研究点的应力强度 i 4 利用薄板厚向应力为零的条件 并根据应力 应变关系式计算出板面内的主应力分量 5 在获得上述结果的基础上 即可根据问题的需要 求得其它有关力 能 变形的结果 2 3板料的冲压成形性能2 3 1冲压成形性能的概念板料对各种冲压成形方法的适应能力 称为板料的冲压成形性能 板料在成形过程中可能出现两种失稳现象 一种是板料在拉应力作用下局部出现缩颈或断裂 称为拉伸失稳 另一种是板料在压应力作用下出现起皱 称为压缩失稳 板料失稳之前可能达到的最大变形程度叫成形极限 成形极限分为总体成形极限和局部成形极限 总体成形极限反映板料失稳前总体尺寸可以达到的最大变形程度 而局部成形极限则反映板料失稳前局部尺寸可以达到的最大变形程度 如复杂制件成形时 局部的极限应变即属于局部成形极限 由于复杂制件变形的不均匀性 各处变形差异很大 因此用局部成形极限来描绘制件上各点的变形程度 总的来说 成形极限愈高 则板料的冲压成形性能愈好 这样的板料便于冲压加工 生产率高 成本低 容易得到高质量的冲压制件 板料的冲压成形性能是一个综合性的概念 它包括了材料的抗破裂性 贴模性和定形性等 抗破裂性可用板料在各种冲压成形工艺中的成形极限来衡量 如极限拉伸系数 极限胀形系数 极限翻边系数等都与材料的抗破裂性有关 板料的冲压成形性能愈好 板料的抗破裂性也愈好 其成形极限就愈高 板料的贴模性是指板料在冲压成形中取得与模具形状一致性的能力 由于各方面因素的影响 板料在冲压成形中会发生起皱 翘曲 塌陷和鼓起等缺陷 使贴模性降低 板料的定形性是指零件脱模后保持其在模具内既得形状的能力 影响定形性的诸因素中 由于弹塑性共存现象而带来的弹性回复 简称回弹 是主要因素 制件脱模后 常因回弹过大而产生较大的形状误差 板料的贴模性和定形性是决定制件形状尺寸精度的重要因素 研究和提高板料的贴模性和定形性 对提高冲压件质量尤其是汽车覆盖件等大而复杂制件的成形质量有较大的意义 这方面的研究及其试验方法在发达工业国家已经取得较好的进展 工艺应用比较成熟 汽车覆盖件等大而复杂制件的质量很高 我国亦在 七五 期间将 薄板成形性能研究 列为国家重点科技攻关项目 经过多年的攻关研究 在薄板成形性能的基础理论及检测评定方法 提高薄板成形性能的冶金生产工艺与技术 充分发挥和合理使用薄板成形性能的方法与途径等方面取得了一系列研究成果 但总体水平和发达工业国家相比仍有较大的差距 目前我国在冲压生产和板料生产中 仍然用抗破裂性作为评定板料冲压成形性能的主要指标 即除了制件形状 冲压工艺 模具 设备及操作等诸因素外 板料性能的影响十分重要 尤其对复杂和精密成形件的影响更为显著 很多事实表明 大力提高板材的冲压成形性能比单纯提高冲压工艺及模具技术更具有现实意义 2 3 2冲压成形性能的试验方法现在有很多种板料冲压成形性能的试验方法 概括起来 可以分为间接试验和直接试验两类 1 间接试验间接试验方法有拉伸试验 硬度试验 金相试验等 尤其是拉伸试验简单易行 虽然试验时试样的受力情况和变形特点与实际冲压变形有一定的差别 但研究表明 这种试验能从不同角度反映板材的冲压成形性能 因此板材的拉伸试验是一种很重要的试验方法 2 直接试验直接试验也称模拟试验 是直接模拟某一类实际成形方式来成形小尺寸的试样 由于应力应变状态基本相同 故试验结果能更确切的反映这类成形方式下板料的冲压成形性能 直接试验方法有多种 常用有以下两种 1 胀形成形性能试验2 拉深成形性能试验其它直接试验方法还有弯曲 扩孔 拉深一胀形复合成形性能试验等 具体试验方法可查阅有关标准 此外 生产中为了解决一些具体问题 例如为了分析材料的流动与变形方式 以便确定合理的毛坯形状和尺寸 修改模具 改进润滑或提出改进零件设计的建议等 常利用应变分析网格法来进行更为直接的工艺试验 这种方法的实质是 在毛坯表面预先作出一定尺寸的小圆圈或小方格的密集网格 压制成形后 观察测定网格的变形 以此作为分拆零件变形情况的根据 此法对于成形复杂的关键零件 有直接的实用价值 2 3 3板料的基本冲压性能拉伸试验所得到的表示材料力学性能的指标与冲压成形性能有密切的关系 一般来说 板料的强度指标越高 产生相同变形量所需的力就越大 塑性指标越高 成形时所能承受的极限变形量就越大 刚性指标越高 成形时抗失稳起皱的能力就越大 对板料冲压成形性能影响较大的力学性能指标有以下几项 1 屈服强度 s屈服强度 s小 材料容易屈服 则变形抗力小 产生相同变形所需变形力就小 并且屈服强度小 当压缩变形时 因易于变形而不易出现起皱 对弯曲变形则回弹小 即贴模性与定形性均好 2 屈强比 s b屈强比小说明 s值小而 b值大 即容易产生塑性变形而不易产生拉裂 也就是说 从产生屈服至拉裂有较大的塑性变形区间 尤其是对压缩类变形中的拉深变形而言 具有重大影响 当变形抗力小而强度高时 变形区的材料易于变形不易出现起皱 而传力区的材料又有较高强度而不易出现拉裂 有利于提高拉深变形程度 我国冶金标准规定 用于拉深最复杂零件的深拉深用ZF级钢板 其屈强比不大于0 66 3 伸长率拉伸实验中 试样拉断时的伸长率称总伸长率或简称伸长率 而试样开始产生局部集中变形 缩颈时 的伸长率称均匀伸长率 u u表示板料产生均匀的或稳定的塑性变形的能力 它直接决定板料在伸长类变形中的冲压成形性能 从实验中得到验证 大多数材料的翻孔变形程度都与均匀伸长率成正比 可以得出结论 即伸长率 或均匀伸长率 是影响翻孔或扩孔成形性能的最主要参数 4 硬化指数n单向拉伸硬化曲线可写成 其中指数n即为硬化指数 表示在塑性变形中材料的硬化程度 n大时 说明在变形中材料加工硬化严重 真实应力增加大 板料拉伸时 整个变形过程是不均匀的 先是产生均匀变形 然后出现集中变形 形成缩颈 最后被拉断 在拉伸过