金属材料成形与加工_锻压工艺之板料成形

第四讲锻压工艺之板料成形Sheetforming 锻压之概念与分类 锻压是指利用模具使具有塑性成形性能的金属材料被迫成形的一种工艺手段 根据原料来源的不同 锻压可分为锻造和冲压二大类 锻造件 冲压件 2 东南大学材料学院 锻造工艺的优点 由于锻造是强迫成形 所以锻件的力学性能和使用性能要比铸件更好 其主要原因如下 1 冲压时原料本身经过多道次大变形轧制 其内部晶粒细小 具有良好的变形能力 2 锻造时由于高温和力学作用 使铸坯内部微孔或缩松被焊合 降低出现裂纹的趋向 提高了其承载能力 3 锻造过程进行或后序退火处理时 由于再结晶作用 零件晶粒尺寸得到改善 3 东南大学材料学院 吊钩采用弯曲工序成形时 就能使流线方向与吊钩受力方向一致 下图a 从而可提高吊钩承受拉伸载荷的能力 图b所示锻压成形的曲轴中 其流线的分布是合理的 图c是切削成形的曲轴 由于流线不连续 所以流线分布不合理 4 东南大学材料学院 一冲压工艺概述 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 5 东南大学材料学院 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 一冲压工艺概述 6 东南大学材料学院 冲压件 汽车产品 一冲压工艺概述 7 东南大学材料学院 冲压件 家用产品 一冲压工艺概述 8 东南大学材料学院 冲压件 军工用品 一冲压工艺概述 9 东南大学材料学院 冲压件 其它工业产品 一冲压工艺概述 10 东南大学材料学院 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 一冲压工艺概述 11 东南大学材料学院 冲压工序分类 分离工序 冲裁 成形工序 落料冲孔切断等 弯曲拉深起伏等 一冲压工艺概述 4 工序分类 12 东南大学材料学院 一冲压工艺概述 13 东南大学材料学院 一冲压工艺概述 14 东南大学材料学院 5冲压设备 冲压设备分类 液压压力机 常用 速度慢 行程长 按冲床驱动滑块力的种类分 气动压力机 不常用 机械压力机 最常用 速度快 行程短 一冲压工艺概述 15 东南大学材料学院 双动压力机 由内 外两个滑块 外滑块用于压边 内滑块用于拉深 又称拉深压力机 按冲床滑块个数分 单动压力机 只有一个滑块的压力机 三动压力机 在双动拉深压力机的工作台上增加一个气垫 气垫可进行局部拉深 5冲压设备 16 东南大学材料学院 按驱动滑块机构的种类分为 曲柄式 电机通过带 齿轮带动曲轴旋转 曲轴通过连杆带动滑块沿导轨作上下往复运动 带动模具实施冲压 摩擦式 从电机到飞轮通过摩擦传动幅来传递运动和动力 肘杆式 5冲压设备 17 东南大学材料学院 摩擦压力机 肘杆式压力机 5冲压设备 18 东南大学材料学院 按床身结构形式可分为 开式压力机 床身为C型 工作台三面敞开 便于前后 左右送料 刚性较差 用于1000KN以下的小型压力机 闭式压力机 床身左右封闭 只有前后两面敞开 刚度好 精度高 1000KN以上的大 中型压力机多采用 5冲压设备 19 东南大学材料学院 曲柄压力机结构及工作原理 5冲压设备 20 东南大学材料学院 冲压设备型号编号 代号及意义 以使用最多的曲柄压力机为例 5冲压设备 21 东南大学材料学院 曲柄压力机基本技术参数 公称压力 KN 指滑块运动到离下死点前某一特定距离 p 即公称压力行程 一般为10mm左右 滑块上所允许承受的最大作用力 5冲压设备 22 东南大学材料学院 滑块行程 S 5冲压设备 指当滑块从上死点运动到下死点时所走过的距离 指滑块空载时 每分钟往复运动的次数 它决定了压力机生产效率的高低 n大 次数多 效率高 行程次数 n m 23 东南大学材料学院 压力机装模高度 压力机装模高度指滑块在下死点位置时 滑块下端面到下工作台上表面的距离 5冲压设备 24 东南大学材料学院 5冲压设备 25 东南大学材料学院 最大装模 闭合 高度 Hmax 当滑块在下死点位置时 将压力机的调节螺杆向上调节 将滑块调整到最上位置时 滑块底面到下工作台的距离 称为压力机的最大装模高度 最小装模 闭合 高度 Hmin 当滑块在下死点位置时 将压力机的调节螺杆向下调节 将滑块调整到最下位置时 滑块底面到下工作台的距离 称为压力机的最小装模高度 模具闭合高度 max 模具闭合 min 5冲压设备 26 东南大学材料学院 模柄孔尺寸 决定了安装模具的模柄尺寸大小 模柄凸出上模座的高度L L1 1 5 模柄高出上模座的直径d D 0 1 0 2 5冲压设备 27 东南大学材料学院 设备类型的选择 冲压设备的选择 中 小型冲压件生产主要选用开式压力机 大型件应选择刚性好的闭式压力机或液压压力机 较薄材料的冲裁 最好选用导向准确的精密压力机 对于大型拉深的冲压工序 最好选用双动拉深压力机 在大量生产时应选用高速压力机 5冲压设备 28 东南大学材料学院 设备规格的选择 对于施力行程很小 如冲孔 落料等 的冲压工序 可直接选用公称压力 冲压所需工艺力总和的1 3的倍压力机 对于施力行程较大的 如深拉深 深弯曲等 冲压工序 应按照冲压所需工艺力总和 公称压力的 的条件选择压力机 并须对压力机的电机功率进行校核 使压力机电机功率 冲压所需的功率 5冲压设备 29 东南大学材料学院 设备规格的选择 模具闭合高度满足 max min 压力机工作台面尺寸 模具座板各边50 70mm 其孔眼尺寸 工件或废料尺寸 以便漏料 压力机开模行程应满足冲压件高度尺寸要求 保证冲压后深度拉深件 弯曲件能顺利从模具中取出 5冲压设备 30 东南大学材料学院 6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 31 东南大学材料学院 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 面临的挑战 32 东南大学材料学院 2 1金属材料的塑性与变形抗力 1 塑性塑性是指固体材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力 常用的塑性指标 伸长率 和断面收缩率 材料的塑性是塑性加工的依据 冲压成形时总希望被冲压的材料具有良好的塑性 同一变形条件下不同的材料具有不同的塑性 同一种材料在不同的变形条件下又会出现不同的塑性 二冲压工艺力学基础 影响金属材料塑性变形的因素金属材料本身的性质 化学成分 金相组织 外部条件 如变形温度 变形速度和应力状态等 33 东南大学材料学院 2 变形抗力塑性变形时 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 变形抗力反映了使材料产生塑性变形的难易程度 在冲压生产中常用真实应力 应变曲线来表示材料变形抗力与变形程度的关系 式中 C 与材料性能有关的系数 MPa n 硬化指数 2 1金属材料的塑性与变形抗力 34 东南大学材料学院 变形抗力的大小取决于该材料在一定变形温度 变形速度和变形程度下的真实应力 塑性加工时的应力状态 接触摩擦及相对尺寸因素等 化学成分及组织对变形抗力的影响变形温度对变形抗力的影响变形速度对变形抗力的影响变形程度对变形抗力的影响应力状态对变形抗力的影响 2 1金属材料的塑性与变形抗力 35 东南大学材料学院 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 2 2冲压成形工艺的分类 36 东南大学材料学院 伸长类变形成形主要是靠材料的伸长和厚度的减薄来实现如胀形 翻边与弯曲外侧变形等作用于毛坯变形区内的最大应力 应变为正值压缩类变形成形主要是靠材料的压缩与增厚来实现的如拉深凸缘变形区和弯曲内侧变形等作用于毛坯变形区内的最大应力 应变为负值 2 2冲压成形工艺的分类 37 东南大学材料学院 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 2 3拉伸试验 38 东南大学材料学院 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 2 3拉伸试验 39 东南大学材料学院 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 2 3拉伸试验 40 东南大学材料学院 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 2 3拉伸试验 41 东南大学材料学院 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 2 3拉伸试验 42 东南大学材料学院 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值大利于拉深变形 大不利于拉深变形 故选材时 对r值的影响要综合考虑 2 3拉伸试验 43 东南大学材料学院 2 3拉伸试验 44 东南大学材料学院 2 4体积不变原理 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 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 45 东南大学材料学院 三冲裁 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 46 东南大学材料学院 三冲裁 3 1冲裁过程 3 1 1下料 47 东南大学材料学院 3 1冲裁过程 3 1 2排样 排样 冲裁件在条料或板料上的布置方法 它直接影响到材料利用率 废料分为工艺废料和结构废料两种 搭边和余料属于工艺废料 冲孔废料属于结构废料 一般由工件的形状特点决定 不能改变 排样有三种 1 有废料排样 目前的落料件基本都属于此种排样 例如 汽车车身的A柱本体 B柱本体 内顶梁 外顶梁 前边板 前地板 2 少废料排样 沿工件部分外形冲裁 只局部有搭边和余料 3 无废料排样 无任何搭边 搭边 排样时工件之间以及工件与条料侧边之间留下的余料称为搭边 作用是补偿定位误差 保证冲出合格的样件 搭边还可以使条料具有一定的刚度 便于送料 48 东南大学材料学院 3 1冲裁过程 49 东南大学材料学院 3 1 3冲裁模示意图 3 1冲裁过程 50 东南大学材料学院 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 3 2冲裁过程分析 51 东南大学材料学院 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 3 2冲裁过程分析 52 东南大学材料学院 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 3 2冲裁过程分析 53 东南大学材料学院 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 3 2冲裁过程分析 54 东南大学材料学院 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 3 2冲裁模间隙 55 东南大学材料学院 3 2冲裁模间隙 查表 56 东南大学材料学院 I II III分指冲裁件断面质量 尺寸精度要求级别高 中 低 3 2冲裁模间隙 57 东南大学材料学院 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 3 3 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 58 东南大学材料学院 3 3 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 3 3凸凹模刃口尺寸确定 59 东南大学材料学院 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 3 3凸凹模刃口尺寸确定 60 东南大学材料学院 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 61 东南大学材料学院 3 4 工艺力及冲裁功 62 东南大学材料学院 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 3 4工艺力及冲裁功 63 东南大学材料学院 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 3 4工艺力及冲裁功 64 东南大学材料学院 3 5精密冲裁 3 5 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 65 东南大学材料学院 精密冲裁特点 3 5精密冲裁 66 东南大学材料学院 工艺力计算 冲裁力 压边力 反压力 卸料力 顶件力 3 5精密冲裁 67 东南大学材料学院 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 3 5精密冲裁 68 东南大学材料学院 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 3 5精密冲裁 69 东南大学材料学院 3 反复冲裁4 对向凹模冲裁 3 5精密冲裁 70 东南大学材料学院 3 6冲裁模具 连续模 冲孔落料连续模 71 东南大学材料学院 3 6冲裁模具 复合模 冲孔落料复合模 72 东南大学材料学院 四弯曲 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 73 东南大学材料学院 4 1概述 74 东南大学材料学院 弯曲方法 压弯 U弯 V弯 滚弯 辊弯 折弯 拉弯等 4 1概述 75 东南大学材料学院 4 1概述 76 东南大学材料学院 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 4 1概述 77 东南大学材料学院 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 4 1概述 78 东南大学材料学院 2 应力应变分析 79 东南大学材料学院 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 2 应力应变分析 80 东南大学材料学院 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 3 弯曲半径 81 东南大学材料学院 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 82 东南大学材料学院 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 83 东南大学材料学院 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 1 线性 弹塑性弯曲 r t 200 84 东南大学材料学院 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 1 线性 弹塑性弯曲 r t 200 85 东南大学材料学院 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 1 线性 弹塑性弯曲 r t 200 86 东南大学材料学院 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 2 线性纯塑性弯曲 r t 200 87 东南大学材料学院 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 2 线性纯塑性弯曲 r t 200 88 东南大学材料学院 毛坯断面内切向应力为常数 如图由式 5 11 令F 0 3 无硬化线性纯塑性弯曲 89 东南大学材料学院 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 90 东南大学材料学院 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 4 3弯曲时的弹复 回弹 91 东南大学材料学院 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 92 东南大学材料学院 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 2 弹复计算 93 东南大学材料学院 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 2 弹复计算 94 东南大学材料学院 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 2 角度弹复 95 东南大学材料学院 代入上式可得 由于则 2 角度弹复 96 东南大学材料学院 五胀形 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 97 东南大学材料学院 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 5 1胀形变形特点 98 东南大学材料学院 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 5 1胀形变形特点 99 东南大学材料学院 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 5 1胀形变形特点 100 东南大学材料学院 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 101 东南大学材料学院 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 5 2平板毛坯局部胀形 102 东南大学材料学院 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 103 东南大学材料学院 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 5 3圆柱空心毛坯胀形 104 东南大学材料学院 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 3 毛坯计算 105 东南大学材料学院 六直壁形状零件拉深 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 106 东南大学材料学院 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 6 1概述 107 东南大学材料学院 a 轴对称旋转体拉深件b 盒形件c 不对称拉深件 6 1概述 108 东南大学材料学院 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 109 东南大学材料学院 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 6 2圆筒形件拉深时的变形特点 110 东南大学材料学院 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 6 2圆筒形件拉深时的变形特点 111 东南大学材料学院 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 6 2圆筒形件拉深时的变形特点 112 东南大学材料学院 4 平板毛坯胀形与直壁圆筒形件拉伸变形特点对比 6 2圆筒形件拉深时的变形特点 113 东南大学材料学院 4 平板毛坯胀形与直壁圆筒形件拉伸变形特点对比 114 东南大学材料学院 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 2 工艺力的计算 115 东南大学材料学院 6 2工艺力的计算 116 东南大学材料学院 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 117 东南大学材料学院 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 6 3圆筒形零件拉深系数及拉深次数确定 118 东南大学材料学院 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 2 极限拉深系数影响因素 119 东南大学材料学院 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 3 拉深次数 120 东南大学材料学院 3 查表法由生产实践总结的拉深次数表 可直接查找 3 拉深次数 121 东南大学材料学院 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 122 东南大学材料学院 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 6 4圆筒形零件拉深起皱及防治措施 123 东南大学材料学院 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 6 4圆筒形零件拉深起皱及防治措施 124 东南大学材料学院 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 6 4圆筒形零件拉深起皱及防治措施 125 东南大学材料学院 6 4圆筒形零件拉深起皱及防治措施 126 东南大学材料学院 6 4圆筒形零件拉深起皱及防治措施 127 东南大学材料学院 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 6 4圆筒形零件拉深起皱及防治措施 128 东南大学材料学院 6 4圆筒形零件拉深起皱及防治措施 129 东南大学材料学院 2 锥面压边圈3 凹模和压边圈均做成锥面 6 4圆筒形零件拉深起皱及防治措施 130 东南大学材料学院 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 131 东南大学材料学院 当t 1时 工件直径按厚度中心线计算 6 5毛坯尺寸确定 132 东南大学材料学院 6 5毛坯尺寸确定 133 东南大学材料学院 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 6 5毛坯尺寸确定 134 东南大学材料学院 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 135 东南大学材料学院 2 判断能否一次拉深成功a 查图线 6 6带法兰零件和阶梯零件的拉深 136 东南大学材料学院 b 极限拉深系数 6 6带法兰零件和阶梯零件的拉深 137 东南大学材料学院 c 用h d判断 6 6带法兰零件和阶梯零件的拉深 138 东南大学材料学院 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 6 6带法兰零件和阶梯零件的拉深 139 东南大学材料学院 6 6带法兰零件和阶梯零件的拉深 140 东南大学材料学院 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 2 阶梯形件拉深 141 东南大学材料学院 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 2 阶梯形件拉深 142 东南大学材料学院 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 2 阶梯形件拉深 143 东南大学材料学院 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 144 东南大学材料学院 盒形件的拉深变形特点 盒形件的拉深应力分布 6 7盒形件拉深方法 145 东南大学材料学院 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 6 7盒形件拉深方法 146 东南大学材料学院 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 6 7盒形件拉深方法 147 东南大学材料学院 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 6 7盒形件拉深方法 148 东南大学材料学院 在拉深力不超过侧壁承载能力的前提下 保证拉深变形区内各部分伸长变形均匀一致 不产生附加应力 因此不产生材料的局部堆聚和过度拉伸是确定过渡毛坯形状和尺寸的基础 也是模具设计 工序计算及其他工艺参数确定的主要依据 6 7盒形件拉深方法 149 东南大学材料学院 方盒形件多工序拉深半成品的形状和尺寸 6 7盒形件拉深方法 150 东南大学材料学院 高矩形盒形件多工序拉深半成品的形状和尺寸 6 7盒形件拉深方法 151 东南大学材料学院 七曲面形状零件的拉深 7 1曲面形状零件拉深特点 曲面形状的拉深件包括 球面零件 锥形零件 抛物面零件其它复杂曲面零件 152 东南大学材料学院 1 变形区 圆筒形件拉深时 仅压边圈下的环形部分为变形区 而球面零件拉深时 不仅法兰部分产生类似圆筒形件的变形 而且中心部分也要由平面变为曲面 因此 曲面形状零件拉深时 毛坯的法兰部与中间部分都是变形区 而且多数情况下中间部分是主要变形区 七曲面形状零件的拉深 153 东南大学材料学院 2 变形机理第一种变形机理 假如变形毛坯厚度不发生变化 按面积相等 变形前平板毛坯上一点D变形后于D1点贴模 而d1 d0 这时D点金属必产生一定的切向压缩变形 这种变形性质与圆筒拉深时一向受拉一向受压的变形特点相同 这是曲面零件第一种变形机理 拉深变形 七曲面形状零件的拉深 154 东南大学材料学院 第二种变形机理 由于成形的初始阶段冲头与毛