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第一章 冲压变形的基本原理 本章学习要点： 1.掌握金属塑性变形的基本概念； 2. 了解塑性变形的力学基础和冲压成形方法的力学特点。3. 掌握板料冲压性能；1.1 金属塑性变形的基本概念在外力作用下，金属产生形状与尺寸的变化称为变形，它分为弹性变形和塑性变形。 1.塑性及塑性指标(1)塑性 是指金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。它反映了金属的变形能力，是金属的 一种重要的加工性能。 (2)塑性指标 塑性一般以材料开始破坏时的塑性变形量来表示。常用的塑性指标有： 。2.变形抗力及指标 塑性变形时，使金属产生塑性变形的外力称为变形力，金属抵抗变形的力称为变形抗力。因此，变形抗力反映了使材料产生塑性变形的难易程度。变形抗力和变形力数值相等，方向相反，一般用作用在金属和工具接触面上的平均单位面积变形力表示其大小。压缩变形时的变形抗力即是作用于施压工具表面的单位面积压力，亦称单位流动压力。 1.2 各种冲压成形方法的力学特点与分类 正确的板料冲压成形工艺的分类方法，应该能够明确地反映出每一种类型成形工艺的共性，并在此基础上提供可能用共同的观点和方法分析、研究和解决每一类成形工艺中的各种实际问题的条件。在各种冲压成形工艺中毛坯变形区的应力状态和变形特点是制订工艺过程、设计模具和确定极限变形参数的主要依据，所以只有能够充分地反映出变形毛坯的受力与变形特点的分类方法，才可能真正具有实用的意义。 1.2.1变形毛坯的分区 在冲压成形时，可以把变形毛坯分成变形区和不变形区。不变形区可能是已经经历过变形的已变形区或是尚未参与变形的待变形区，也可能是在全部冲压过程中都不参与变形的不变形区。当不变形区受力的作用时， 叫作传力区 。表 1.2.1列出 拉探、翻孔 与缩口时毛坯的变形区与不变形区的分布情况。图1.2.1 冲压变形毛坯各区划分举例a拉伸 b翻孔 c缩口1.2.2 变形区的应力与应变特点 从本质上看各种冲压成形过程就是毛坯变形区在力的作用下产生变形的过程，所以毛坯变形区的受力情况和变形特点是决定各种冲压变形性质的主要依据。绝大多数冲压变形都是平面应力状态。一般在板料表面上不受力或受数值不大的力，所以可以认为在板厚方向上的应力数值为零。使毛坯变形区产生塑性变形均是在板料平面内相互垂直的两个主应力。除弯曲变形外，大多数情况下都可认为这两个主应力在厚度方向上的数值是不变的。因此，可以把所有冲压变形方式按毛坯变形区的受力情况和变形特点从变形力学理论的角度归纳为以下四种情况，并分别研究它们的变形特点。 ( 一 )冲压毛坯两向受拉应力的作用 可以分为以下三种情祝srsq0，st=0 r0 ,q0，t0 （胀形）伸长类成形；开裂sqsr0，st=0 q0 ,r0，t0（内孔翻边，胀形）伸长类成形；开裂sq=sr0， st=0 eq=er0，et=-2eq=-2er，（平板材料胀形时的中心部位）伸长类成形；开裂（图1.2.2 I 象限）16页。 (二)冲压毛坯变形区受两向压应力的作用 可以分为下边两种情况：srsq 0，且st=0 r0 ,q0，t0 压缩类变形；起皱sqsr 0，且st=0 q0 ,r0，t0（缩口）压缩类变形；起皱（见图1.2.2 III 象限）。图1.2.2 冲压应力图(三)冲压毛坯变形区受异号应力的作用，且拉应力的绝对值大于压应力的绝对值可以分为下边两种情况：sr0sq，st=0 且srsqr0 ,q0，t0 （拉深0.61Rt以内）伸长类成形；危险断面开裂sq0sr，st=0 且sqsrq0 ,r0，t0 （扩口）伸长类成形；开裂(四)冲压毛坯变形区受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 可以分为以下两种情况：sr0sq，st=0 且sqsrq0，r0 ,t0（拉深0.61Rt以外）压缩类变形；起皱sq0sr，st=0 且srsqr0 ,q0，t0 压缩类变形；起皱 综上所述，可以把冲压变形概括为两大类：伸长类变形与压缩类变形。当作用于毛坯变形区内的绝对值最大应力、应变为正值时，称这种冲压变形为伸长类变形，如胀形翻孔与弯曲外侧变形等。成形主要是靠材料的伸长和厚度的减薄来实现。这时，拉应力的成分越多，数值越大，材料的伸长与厚度减薄越严重。当作用于毛坯变形区内的绝对值最大应力、应变为负值时，称这种冲压变形为压缩类变形，如 拉深较外区 和弯曲内侧变形等。成形主要是 靠材料 的压缩与增厚来实现，压应力的成分越多，数值越大，板料的缩短与增厚就越严重。 31页1.2.3 冲压成形过程中的变形趋向性及其控制 在冲压过程中，成形毛坯的各个部分在同一个模具的作用下，有可能发生不同形式的变形，即具有不同的变形趋向性。保证在毛坯需要变形的部位产生需要的变形，排除其他一切不必要的和有害的变形，是合理地制定冲压工艺及合理地设计模具的目的。可见，对各种冲压成形工艺所进行的变形趋向性及其控制的研究，可以作为确定成形方式的各种工艺参数、制定工艺过程、设计冲模和分析冲压过程中出现的某些产品质量问题的依据，所以它是个十分重要的问题之一。 ( 一 )冲压变形的趋向性 冲压毛坯的多个部位都有变形的可能时，变形在阻力最小的部位进行。 下面以缩口为例加以分析（见图 1.2.3）。稳定缩口时坯料可分为图示的三个区域。在外力作用下，A、B两区都有可能发生变形，A区可能会发生缩口塑性变形；B区也可能会 发生镦粗变形 。但是由于它们可能产生的塑性变形的方式不同，而且也由于变形区和传力区之间的尺寸关系不同，总是有一个区需要比较小的塑性变形力，并首先进人塑性状态，产生塑性变形。因此，可以认为这个区是个相对的弱区。为了保证冲压过程的顺利进行，必须保证在该道冲压工序应该变形的部分变形区成为弱区以便在把塑性变形局限于变形区的同时，排除传力区 产生任何不必要的塑性变形的可能。A变形区 B传力区 C已变形区图1.2.3 变形趋向性对冲压工艺的影响 “弱区必先变形，变形区应为弱区”的结论，在冲压生产中具有很重要的实用意义，例如有些冲压工艺的极限变形参数（拉深系数、缩口系数等）的确定，复杂形状零件的冲压工艺过程设计等等，都是以这个道理做为分析和计算的依据。 (二)变形趋向性的控制 在冲压生产当中，对毛坯变形趋向性的控制，是保证冲压过程顺利进行和获得高质量冲压件的根本保证，毛坯的变形区和传力区并不是固定不变，而是在一定的条件下可以互相转化的。因此改变这些条件，就可以实现对变形趋向性的控制。 在实际生产当中，用来控制毛坯的变形趋向性的措施有下列几个方面。 1.变形毛坯各部分的相对尺寸关系是决定变形趋向性的最重要的因素，所以在设计工艺过程时一定要合理地确定初始毛坯的尺寸和中间毛坯的尺寸，保证变形的趋向符合工艺的要求。 2.改变模具工作部分的几何形状和尺寸也能对毛坯变形的趋向性进行控制。 3.改变毛坯与模具接触表面之间的摩擦阻力，借以控制毛坯变形的趋向，这也是生产中时常采用的一个方法。 4.采用局部加热或局部深冷的办法，降低变形区的变形抗力或提高传力区的强度，都能达到控制变形趋向性的目的，可使一次成形的极限变形程度加大，提高生产效率例如，在拉深和缩口时采用局部加热变形区的工艺方法，就是基于这个道理图示为直径dp的凸模，毛坯直径 dp为D0，对带有中孔d0的板料进行 Q F Q冲压成型，当D0 / dp, d0 / dp, ,Q不同 时，会得到三种不同的成形结果。分析D0 / dp, d0 / dp, ,Q对变形区的影响，并按变形趋向性说明原因， d0画出三种不同的成形零件。 D0 根据变形趋向性控制，变形区为弱区，弱区先变形，所需变形抗力最小的结论：1、D0 / dp较大, d0 / dp, 较小, Q较大时，变形区（弱区）为dp底部，得涨形件如图；2、D0 / dp较大, d0 / dp, 较大, Q较大时，变形区（弱区）为dp- d0部分，得冲孔翻边件如图；3、D0 / dp较小, d0 / dp, 较小, Q合适时，变形区（弱区）为D0 -dp部分，得拉深件如图；涨形件冲孔翻边件拉深件1.3 板料冲压成形性能1.3.1 板料的冲压成形性能 板料对各种冲压成形加工的适应能力称为板料的冲压成形性能。具体地说，就是指能否用简便地工艺方法，高效率地用坯料生产出优质冲压件。冲压成形性能是个综合性的概念，它涉及到的因素很多，其中有两个主要方面：一方面是成形极限，希望尽可能减少成形工序；另一方面是要保证冲压件质量 符合设计要求。 成形极限 在冲压成形中，材料的最大变形极限称为成形极限，即材料不发生塑性失稳破坏时的极限应变值。对不同的成形工序，成形极限应采用不同的极限变形系数来表示。例如弯曲工序的最小相对弯曲半径、拉深工序的极限拉深系数等等。这些极限变形系数可以在各种冲压手册中查到，也可通过实验求得。 1.3.2 板料力学性能与冲压成形性能的关系 板料力学性能与板料冲压性能有密切关系。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)屈服极限ss 屈服极限ss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，并且屈服极限小，当压缩变形时，屈服极限小的材料因易于变形而不易出现起皱，对弯曲变形则回弹小。2)屈强比sssb 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。变形区的材料易于变形不易起皱，传力区的材料又有较高强度而不易拉裂，有利于提高拉深变形的变形程度。3)伸长率 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 当n值大时，材料加工硬化严重，硬化使材料强度的提高得到加强，于是增大了均匀变形的范围。对伸长类变形如胀形，n值大的材料使变形均匀，变薄减小，厚度分布均匀，表面质量好，增大了极限变形程度，零件不易产生裂纹5)厚向异性指数g 由于板料轧制时出现的纤维组织等因素，板料的塑性会因方向不同而出现差异，这种现象称塑性各向异性。厚向异性系数是指单向拉伸试样宽度应变和厚度应变之比,即：g=eb/et g 值越大，表示板料越不易在厚度方向上产生变形，即不易出现变薄或增厚,g 值对压缩类变形的拉深影响较大，当g值增大，板料易于在宽度方向变形，可减小起皱的可能性，而板料受拉处厚度不易变薄，又使拉深不易出现裂纹，因此g值大时，有助于提高拉深变形程度。6）板平面各向异性指数g板料在不同方位上厚向异性指数不同，造成板平面内各向异性。用g表示：g=（g0+g90+2g45）/2 式中 g0、 g90、g45纵向试样、横向试样和与轧制方向成45试样厚向异性指数。g越大，表示板平面内各向异性越严重，拉深时在零件端部出现不平整的凸耳现象，就是材料的各向异性造成的，它既浪费材料又要增加一道修边工序。第二章冲裁工艺及冲裁模设计本章学习要点： 1. 了解冲裁变形规律和冲裁件质量的影响因素； 2. 了解冲裁间隙对模具寿命及冲裁力的影响；3. 掌握冲裁模刃口尺寸计算方法和排样设计； 4掌握精密冲裁与普通冲裁的区别； 2.1.1冲裁变形规律 变形区、应力、应变、冲裁变形障碍冲裁时板料的变形过程 冲裁是分离变形的冲压工序。当 凸 模、凹模之间的间隙正常时，工件受力后必然从弹性变形开始，进入塑性变形，最后以断裂分离告终，如图 2.1.3所示。 图 2.1.3 冲裁变形过程2.1.2冲裁件断面质量及其影响因素 ( 一 )断面特征 冲裁件正常的断面特征如图 26所示。它由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四个特征区组成。冲裁件的断面特征(二)材料的性能对断面质量的影响 对于塑性较好的材料，冲裁时裂纹出现得较迟，因而材料剪切的深度较大。所以得到的光亮带所占比例大，圆角大， 穹弯大 ，断裂带较窄。 (三)模具冲裁间隙大小对断面质量的影响 间隙值的大小，影响上、下裂纹的会合；影响变形应力的性质和大小。 当间隙过小时，如图 2.1.6a所示，上、下裂纹互不重合。两裂纹之间的材料，随着冲裁的进行将被第二次剪切在断面上形成第二光亮带，该光亮带中部有残留的断裂带 (夹层)。小间隙会使应力状态中的拉应力成分减小，挤压作用增大，使材料塑性得到充分发挥，裂纹的产生受到抑制而推迟。所以，光亮带宽度增加，圆角、毛刺、斜度翘曲、 拱弯等 弊病都有所减小，工件质量较好，但断面的质量也有缺陷，像中部的夹层等。 当间隙过大时，如图 2.1.6c所示，上、下裂纹仍然不重合。因变形材料应力状态中的拉应力成分增大、材料的弯曲和拉伸也增大，材料容易产生微裂纹，使塑性变形较早结束。所以，光亮带变窄，剪裂带、圆角带增宽、毛刺和斜度较大， 拱弯 翘曲现象显著，冲裁件质量下降。并且拉裂产生的斜度增大，断面出现二个斜度，断面质量也是不理想的。 当间隙合适时，如图 2.1.6b所示，上、下裂纹能会合成条线。尽管断面有斜度，但零件比较平直，圆角、毛刺斜度均不大。有较好的综合断面质量。当模具间隙不均匀时， 冲裁件会出现 部分间隙过大，部分间隙过小的断面情况。这对冲裁件断面质量也是有影响的，要求模具制造和安装时必须保持间隙均匀。图 2.1.6 间隙大小对冲裁件断面质量的影响 a)间隙过小；b)间隙合适；c)间隙过大(四)模具刃口状态对断面质量的影响 刃口状态对冲裁过程中的应力状态有较大影响。当模具刃口磨损成圆角时，挤压作用增大，则冲裁件圆角和光亮带增大。钝的刃口，即使间隙选择合理，在冲裁件上将产生较大毛刺。凸模钝时 ，落料件产生毛刺；凹模钝时，冲孔件产生毛刺。 2.2.1 间隙对模具寿命的影响 模具寿命受各种因素的综合影响，间隙是影响模具寿命诸因素中最主要的因素之一。冲裁过程中，凸模与被冲的孔之间 ，凹模与落料件之间均有摩擦，而且间隙越小，模具作用的压应力越大，摩擦也越严重。所以过小的间隙对模具寿命极为不利。 而较大的间隙可使凸模侧面及材料间的摩擦减小，并减缓间隙由于受到制造和装配精度的限制，出现间隙不均匀的不利影响，从而提高模具寿命。 2.2.2 间隙对冲裁工艺力的影响 随着间隙的增大，材料所受的拉应力增大，材料容易断裂分离，因此冲裁力减小。通常冲裁力的降低并不显著，当单边间隙在材料厚度的 5左右时，冲裁力的降低不超过5。间隙对卸料力、 推件力 的影响比较显著。间隙增大后，从凸模上卸料和从凹模里推出零件都省力，当单边间隙达到材料厚度的 1525%左右时卸料力几乎为零。但间隙继续增大，因为毛刺增大，又将引起卸料力、 顶件力 迅速增大。 2.2.3 间隙值的确定 ( 一 )理论确定法理论确定法的主要依据是保证上下裂纹会合，以便获得良好的断面。( 二)查表法汽车拖拉机行业和电子、仪器仪表行业，机电行业。2.3 凸模与凹模刃口尺寸的计算 2.3.1 刃口尺寸计算的基本原则 冲裁件的尺寸精度主要决定于模具刃口的尺寸精度，模具的合理间隙值也要靠模具刃口尺寸及制造精度来保证。正确确定模具刃口尺寸及其制造公差，是设计冲裁模主要任务之一。从生产实践中可以发现： 1由于凸 、凹模之间存在间隙，使落下的料或冲出 的孔都带有锥度，且落料件的大端尺寸等于凹模尺寸，冲孔件的小端尺寸等于凸 模尺寸。 2在测量与使用中，落料件是以大端尺寸为基准，冲孔孔径是 以小端尺寸 为基准。 3冲裁时， 凸 、凹模要与冲裁件或废料发生摩擦， 凸模愈磨愈小，凹模愈磨愈大，结果使间隙愈用愈大。 由此在决定模具刃口尺寸及其制造公差时需考虑下述原则： 1落料件尺寸由凹模尺寸决定， 冲孔时孔的 尺寸由凸模尺寸决定。 故设计落料模时 ，以 凹模为基准 ，间隙取在凸模上 ；设计冲孔模时 ，以凸模为 基准，间隙取在凹模上。 2考虑到冲裁中凸 、凹模的磨损，设计落料模时 ，凹模基本尺寸应取尺寸公差范围的较小尺寸；设计冲孔模时，凸模基本尺寸则应取工件孔尺寸公差范围内的较大尺寸。这样在凸 、凹模磨损到一定程度的情况下，仍能冲出合格制件。 凸 、凹模间隙则取最小合理间隙值。 3确定冲模刃口制造公差时，应考虑制件的公差要求。如果对刃口精度要求过高( 即制造公差过小 )，会使模具制造困难，增加成本，延长生产周期；如果对刃口精度要求过低(即制造公差过大 )，则生产出来的制件可能不合格，会使模具的寿命降低。若制件没有标注公差， 则对于非圆形件按国家标准 “非配合尺寸的公差数值”IT14级处理，冲模则可按IT11级制造；对于圆形件，一般可按IT7 级制造 模具。冲压件的尺寸公差应按“入体”原则标注为单向公差，落料件上偏差为零，下偏差为负；冲孔件上偏差为正，下偏差为零。 2.3.2刃口尺寸的计算方法 ( 一 ) 凸模与凹模分开加工校核 pdcmax2cmin1落料： 设工件的尺寸为D，根据计算原则，落料时以凹模为设计基准。首先确定凹模尺寸，使凹模基本尺寸接近或等于制件轮廓的最小极限尺寸，再减小 凸 模尺寸以保证最小合理间隙值。其计算公式如下： Dd（maxx）d Dp （d2cmin)p 2.冲孔：63页( 二) 凸模与凹模配合加工如果 pdcmax2cmin只计算基准模，另一件配作间隙。 2.4.1掌握精密冲裁与普通冲裁的区别； 1)采用带齿圈的压板起强烈的压边作用，使之造成三向压应 状态，增加变形区及其邻域的静水压。 2)凹模(或 凸 模)刃尖处制造出0.020.2mm左右的小圆角，抑制剪裂纹的发生，限制断裂面的形成，有利工件断面 的挤光作用 。 3)采用较小的间隙，甚至为零间隙。使变形区的拉应力尽量小，压应力增大。 4)施加较大的 反顶力 ，减小材料的弯曲，同时起到增加压应力的作用。 第三章 弯曲工艺与弯曲模具设计本章学习要点1. 掌握弯曲工艺计算方法； 2. 掌熟悉弯曲工艺与弯曲模设计的方法和步骤；3. 了解弯曲变形规律及弯曲件质量的影响因素。弯曲圆角部分是弯曲变形的主要变形区，弯曲时变形区的应力和应变 97页，成型障碍是外区最外层金属开裂，截面畸变、翘曲，回弹等。板材弯曲时，变形区外区切向金属受拉，当最外层金属受拉的程度大于材料的延伸力时，就会产生裂纹，而rmin/t与成反比关系，rmin/t= ，所以用rmin/t来表示弯曲变形时的成形极限。减少弯曲回弹的常用工艺措施有（1）合理设计产品 （2） 改变应力状态 （3）利用回弹规律进行补偿 。板材弯曲时其应力中性层, 应变中性层, 由起始中性层0向 内区 移动。使外区 扩大，使 内区 缩小。使材料厚度变薄 。应变中性层长度的确定是进行弯曲件毛坯展开尺寸计算的重要依据。第四章 拉深工艺及拉深模具的设计拉深过程中变形区，应力与应变状态，成型障碍。 122页在拉深时凸缘变形区，由可以导出，在0.61Rt以内，是占主导地位，危险断面的材料在刚变形时处于该位置，进入筒壁后又要传递凸模的拉深力，一直处于受拉状态，材料厚度变薄，另一方面，该部分的材料在拉深变形的初始阶段就从变形区进入到已变形区，加工硬化的作用不大，因此使该部分成为危险断面。调整压边力在QmaxQmin之间可防止拉裂与起皱，因为防拉裂必须使下降，防起皱必须使下降，而，增大一方可减小另一方，压边力增大，必使增大，而下降，可防止起皱，反之压边力减小，必使减小，而增加，可防止拉裂，因此压边力必须在适当的范围内，才能解决拉裂与起皱这一对矛盾。在拉深过程中刚性压边圈产生的压边力不变，对拉深变形有利。在一般冲压设备上使用弹性压边圈拉深时，应设置限位销。拉深系数是拉深工艺的重要参数，它表示拉深变形过程中坯料的变形程度，m值愈小，拉深时坯料的变形程度愈大。在工艺计算中，只要知道每次拉深工序的拉深系数值，就可以计算出各次拉深工序的半成品件的尺寸，并确定出该拉深件工序次数。从降低生产成本出发，希望拉深次数越少越好，即采用较小的拉深系数。但根据力学分析知，拉深系数的减少有一个限度，这个限度称为极限拉深系数，超过这一限度，会使变形区的危险断面产生破裂。因此，每次拉深应使mm，才能保证拉深工艺的顺利实现。直壁旋转体零件拉深工艺的设计盒形件拉深变形特点（1）凸缘变形区内，径向拉应力1的分布不均匀，圆角部分最大，直边部分最小。即使在角部，平均拉应力1m也远小于相应圆筒形件的拉应力。因此，就危险断面处的载荷来说，盒形件拉深要小得多。所以，对于相同材料，盒形件拉深的最大成形相对高度要大于相同半径的圆筒形零件。切向压应力3的分布也不均匀，圆角最大，直边最小。因此拉深变形时材料的稳定性较好，凸缘不易起皱。（2）由于直边和圆角变形区内材料的受力情况不同，直边处材料向凹模流动的阻力要远小于圆角处。并且直边处材料的径向伸长变形小，而圆角处材料的径向伸长变形大，从而使变形区内两处材料的位移量亦不同, 圆角处材料向直边转移。（3）直边部分和圆角部分相互影响的程度，随盒形件形状不同而异。当其相对圆角半径r/B越小，也就是直边部分所占的比例大，则直边部分对圆角部分的影响越显著。当r/B.5时，盒形件实际上已成为圆形件，上述变形差别也就不再存在了。当相对高度H/B越大，在相同的r下，圆角部分的拉深变形大，转移到直边部分的材料越多，则直边部分也必定会多变形，所以圆角部分的影响也就越大。多次拉深宽凸缘件多次拉深宽凸缘件必须遵循一个原则，即第一次拉深时已经成形的凸缘外径在后续拉深中不能参与变形，否则，就存在二个变形区，必使增大导致危险断面拉裂。第五章 胀形工艺及模具设计1、胀形与其它冲压成形工序的主要不同之处是，胀形时变形区在板面方向呈双向拉应力状态，在板厚方向上是减薄，即厚度减薄表面积增加。胀形主