金属材料成形与加工_锻压工艺之板料成形ppt课件

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,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,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。,4,一冲压工艺概述,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,5,2.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8085；仪器、仪表、电机6070汽车6075%；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,冲压件汽车产品,一冲压工艺概述,7,冲压件家用产品,一冲压工艺概述,8,冲压件军工用品,一冲压工艺概述,9,冲压件其它工业产品,一冲压工艺概述,10,3.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7085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,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,12,一冲压工艺概述,13,一冲压工艺概述,14,5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,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,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,摩擦压力机,肘杆式压力机,5冲压设备,18,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,曲柄压力机结构及工作原理,5冲压设备,20,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,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,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,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,24,5冲压设备,25,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,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（15）,模柄高出上模座的直径d=D-0.1-0.2,5冲压设备,27,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,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,设备规格的选择,模具闭合高度满足：maxmin压力机工作台面尺寸模具座板各边5070mm；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,30,6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,（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：,32,2.1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。,33,2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,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,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,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,拉伸试件从待试验板材截取，试样长度按标准确定（如GB22887），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,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,39,4）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,（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,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r1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,（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,43,2.3拉伸试验,44,2.4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。,45,三冲裁,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。,46,三冲裁,3.1冲裁过程,3.1.1下料,47,3.1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。,48,3.1冲裁过程,49,3.1.3冲裁模示意图,3.1冲裁过程,50,1.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0.20.4。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,51,2.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,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,53,3.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,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,55,3.2冲裁模间隙,查表,56,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,57,3.3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,58,3.3.2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,59,2）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,60,3.4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WW冲(W压力机所规定的每次行程总功),61,3.4,工艺力及冲裁功,62,3.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,63,4.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,64,3.5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,精密冲裁特点：,3.5精密冲裁,66,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,67,2.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0.010.02mm，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（1.31.5）P普,3.5精密冲裁,68,2）负间隙冲裁（挤压冲裁）凸模直径大于凹模直径，一般为(0.050.3)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：PCP普C系数：铝C=1.31.6黄铜，软钢C=2.252.8,3.5精密冲裁,69,3）反复冲裁4）对向凹模冲裁,3.5精密冲裁,70,3.6冲裁模具(连续模),冲孔落料连续模,71,3.6冲裁模具(复合模),冲孔落料复合模,72,四弯曲,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,73,4.1概述,74,弯曲方法：压弯（U弯、V弯）、滚弯、辊弯、折弯、拉弯等,4.1概述,75,4.1概述,76,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,77,2.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