冲压工艺学(全).ppt

冲压工艺学,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,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,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,第一章概述,冲压件汽车产品,第一章概述,冲压件家用产品,第一章概述,冲压件军工用品,第一章概述,冲压件其它工业产品,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。,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。,第一章概述,分离工序,第一章概述,成形工序,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。,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。,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。,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。,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）,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。,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。,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。（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,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。,第二章冲压变形基础,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01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。,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。,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。,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。,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：,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。,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。,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）,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,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。,第三章冲裁,动画：几种典型的冲裁模具结构,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0.20.4。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。,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,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,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。,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,第三章冲裁,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,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,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,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。”,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WW冲(W压力机所规定的每次行程总功),第三章冲裁,3.4工艺力及冲裁功,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。,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,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,第三章冲裁,精密冲裁特点：,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,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0.010.02mm，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,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(0.050.3)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,第三章冲裁,3）反复冲裁4）对向凹模冲裁,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,第四章弯曲,第四章弯曲,弯曲方法：压弯（U弯、V弯）、滚弯、辊弯、折弯、拉弯等,第四章弯曲,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）。,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/t3时，称为宽板；当b/t200）弯曲毛坯变形区内切向应变在厚度方向上的分布：,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,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,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,第四章弯曲,2.线性纯塑性弯曲（r/t3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。,第四章弯曲,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/t0.3）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，,第四章弯曲,2）圆角半径很小时的弯曲（r/t1时，工件直径按厚度中心线计算：,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：D0Kd式中K与拉深程度有关的系数，可查表,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,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；,第六章直壁形状零件拉深,b)极限拉深系数；,第六章直壁形状零件拉深,c)用h/d判断,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35，第二次多拉入13。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。,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。,第六章直壁形状零件拉深,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。,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。,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。,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,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,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,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,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。,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。,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。,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,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/Bh1,则：a.径向收缩量大,中间悬空部分易起皱；b.高度大毛坯直径大径向拉应力大，侧壁承载面积小易拉破。,锥形件形状和尺寸,第七章曲面形状零件的拉深,2）相对锥顶直径d1/d2d1/d2小，毛坯中间部分承载能力差，易破裂；悬空部分宽度大，易起皱。3）相对厚度t/d2t/d2小，悬空部分易起皱。,第七章曲面形状零件的拉深,2.拉深方法1）浅锥形件：h/d20.02用带底凹模不压边；t/d20.02，带底凹模不压边，一次拉深成形，行程终了校形。t/d20.5多次成形，常用阶梯过渡或逐步成形法。阶梯过渡法：表面残留有阶梯形中间毛坯痕迹，不常用。,第七章曲面形状零件的拉深,采用逐步成形法加工的锥形件,逐步成形法：每次底部直径变化可按圆筒形件拉深确定。,第八章翻边,翻边是在成形毛坯的平面部分或曲面部分上使板料沿一定的曲线翻成竖立边缘的冲压方法。按变形性质，可分为伸长类翻边和压缩类翻边。前者在变形区引起切向伸长变形，后者在变形区引起切向压缩变形。