冲压工艺与模具设计——冲压成形的基本理论

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,冲压工艺与模具设计,Stamping Technology and Mould Design,第1章 冲压成形的基本理论,2,【,主要内容,】,1.1 塑性变形与应力应变,1.2 加工硬化与硬化曲线,1.3 板料的力学性能与冲压性能的关系,1.4 冲压用材料,【,重点,】,塑性条件,塑性变形时应力与应变之间的关系,板料的机械性能与冲压性能的关系,第1章 冲压成形的基本理论,3,1.1 塑性变形与应力应变,物体受外力（面力或体力）作用后，其内各质点之间将产生相互作用的内力，单位面积上的内力叫做应力；应力作用必然引起物体质点间的相对位移，即使物体产生应变。,第1章 冲压成形的基本理论,一、一点的应力应变状态,1.概念,单元体的应力状态可用相互垂直表面上的应力来表示：,3,（回第,5,页）,4,1.1 塑性变形与应力应变,沿坐标方向可将这些应力分解为,九个,应力分量，包括,三个正应,力,和,六个剪应力,。根据,互相垂直平面上切应力互等定律,，有,。因此，若已知三个正应力和,三个剪应力，那么该点的应力状态就可以确定了。,主轴,各表面上只有正应力而无剪应,力时的坐标轴,主方向,主轴所在的方向,主应力,主轴坐标系下的正应力,主平面,主应力作用面,（,转,3,页,看图）,互相垂直平面上切应力互等定律：由于单元体处于静力平衡状态，,绕其各轴的合力矩等于零，因此切应力互等。,5,2.主剪应力,在与主平面成45,截面上的剪应力达到极值时称为主剪应力。,如果,则,最大剪应力与材料的塑性变形关系,很大。,3.应力状态的分类,三向应力状态,三个主方向上都有应力的状态,平面应力状态,三个主应力中有一个为零,单向应力状态,三个主应力中有两个为零,1.1 塑性变形与应力应变,一、一点的应力应变状态,6,4.应变状态,当采用主轴坐标系时，单元体六个面上只有三个主应变分量,，而没有剪应变分量。,实践证明：,塑性变形时，单元体主要是发生形状的改变，而,体积的变化很小，可以忽略不计,，即认为：,体积不变定律,，反映了三个主应变之间的相互关系。根,据体积不变定律，塑性变形时只可能有,三向应变状态,和,平面,应变状态,，而不可能有,单向应变状态,。,1.1 塑性变形与应力应变,7,1.1 塑性变形与应力应变,二、塑性条件,P15,塑性条件又称为屈服准则或屈服条件，是描述不同应力状态下变形体内质点,开始产生塑性变形并使塑性变形继续进行所必须遵循的条件。,当材料中某点处于单向应力状态时，只要该点的应力达到材料的屈服极限，,该点就进入塑性状态。可是对于复杂的多向应力状态，就不能仅根据某一个,应力分量来判断该点是否达到塑性状态，而要,同时考虑其他应力分量的作用。,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,是塑性条件。,目前所公认的塑性条件有下面两种：,屈雷斯卡(,HTresca),塑性条件（最大剪应力理论）,密塞斯(,von Mises),塑性条件,8,1. 屈雷斯卡塑性条件（最大剪应力理论）,屈雷斯卡提出：任意应力状态下，只要最大剪应力达到某临界值,（与应力状态无关）后，材料就开始屈服。通过单向拉伸试验可,得出，此临界值等于材料屈服极限的一半。,设 ，则最大剪应力理论可表示为：,或,这一理论形式简单，与试验结果基本相符，用于分析板料成形问,题有足够的精度。但其忽略了,中间应力的作用,，因此不够完善。,1,.1 塑性变形与应力应变,二、塑性条件,9,2. 密塞斯塑性条件,密塞斯提出：任意应力状态下，当某点的等效应力 达到某,一临界值（与应力状态无关）时，材料就开始屈服。通过单向,拉伸试验可得出，此临界值等于材料的屈服极限 。,等效应力：,则密塞斯塑性条件可表达为：,1.1 塑性变形与应力应变,二、塑性条件,10,经过计算可知，两个条件之间差别很小。若把上式进行简化，,消去 ，可得下式：,是与应力状态有关的参数，它反映了,中间主应力,的影响，,其取值范围为 。在应力分量未知的情况下，,可取近似平均值1.1。,1.1 塑性变形与应力应变,二、塑性条件,11,1.1 塑性变形与应力应变,三、塑性变形时应力与应变之间的关系,物体受力产生变形，所以应力与应变之间一定存在着某种关系。图示为材料单向拉伸加,载曲线：,由该曲线可以发现：,材料屈服后，应力应变不再是线性关系；,变形过程是不可逆的；,在同一个应力下，加载历史不同，应变也不同。,即在塑性变形时，应变不仅与应力大小有,关，而且与加载历史有着密切的关系。,一般,来说在发生塑性变形时应力与应变之间不存,在对应关系。,目前，用来解决塑性变形时应力与应变之,间关系的理论有两种,增量理论和全量理论,12,1.增量理论,撇开整个变形过程，取加载过程中某个微量时间间隔 来研,究，得出了,应力与应变增量之间的关系,，称为,增量理论,：,（等效应变 ）,若引入,平均应力,，可得：,1.1 塑性变形与应力应变,三、塑性变形时应力与应变之间的关系,13,2.全量理论,加载过程中所有的应力分量均按同一比例增加,简单加载。在,简单加载情况下应力应变关系得到简化，得出了,全量理论,：,若引入平均应力,，可得：,在板料成形中要严格满足简单加载条件是不现实的。,实践证明：,工程问题的分析计算，只要,近似满足简单加载条件,，使用全量理,论是允许的，这样便大大简化了分析计算过程。,1.1 塑性变形与应力应变,三、塑性变形时应力与应变之间的关系,14,3.应力应变关系分析,利用全量理论可得出以下结论：,(1)应力分量与应变分量的性质,不一定一致,，即拉应力不一定对应拉应变，压应力不一定对应压应变：,当 时，,可得在,最大拉应力,方向上,一定是,拉应变,，而在,最小拉应力,方向上,一定是压应变,；,当 时，可得,最小压应力,(绝对值最大的压应力)方向上,一定是压应变,，而在,最大压应力,(绝对值最小的压应力)方向上,一定是拉应变,。,1.1 塑性变形与应力应变,(2)某方向应力为零，其应变不一定为零。,(3)在任何一种应力状态下，应力分量与应变分量的大小次序是,相对应的，即若 ，则 。,(4)若有两个应力分量相等，则对应的应变分量也相等。,三、塑性变形时应力与应变之间的关系,15,由此可见,，在多向应力状态下，应变状态,（变形性质）,不能只看,该方向上的应力性质，还要看其大小关系。,由全量理论可以得出如下,结论,：,在多向应力状态下，应变状态可通过比较,该方向的应力与平均应力的,大小关系（代数值）,来确定,大于平均应力,时一定产生,拉应变,（伸,长变形），,小于平均应力,时一定产生,压应变,（压缩变形），,等于平均,应力,时一定,没有变形,。,1.1 塑性变形与应力应变,三、塑性变形时应力与应变之间的关系,16,1.1 塑性变形与应力应变,生产中把板料成形的受力与变形状况概括为,两大类,：,伸长类变形,变形区的拉应力绝对值最大，主要变形为沿该方向的伸长变形；,压缩类变形,变形区的压应力绝对值最大，主要变形为沿该方向的压缩变形。,三、塑性变形时应力与应变之间的关系,17,1.2 加工硬化与硬化曲线,冲压生产过程中，毛坯形状的变化与零件形状的形成过程即材料的塑性变,形过程都是在常温下进行的。金属材料在常温下塑性变形的重要特点之一是,加工硬化,或称,应变强化,。,其结果：,引起材料力学性能的变化，表现为材料的强度指标（屈服强度,s,与抗拉强度,b,）随变形程度的增加而增加，同时塑性指标（伸长率,与断面收缩率,）随之降低，,因此，在进行变形毛坯内各部分的应力分析和各种工艺参数的确定时，必须考虑到加工硬化的影响。,第1章 冲压成形的基本理论,一,.,加工硬化现象,材料在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，其变形抗力和硬度提高而塑性下降。,18,1.2 加工硬化与硬化曲线,加工硬化对塑性变形的影响,:,不利的一面,使所需的变形力增加，而且限制了材料进一步的变形。,有利的一面,板料硬化能够减小过大的局部变形，使变形趋于均匀，从而增大成形极限，同时也提高了材料的强度。,第1章 冲压成形的基本理论,19,1.2 加工硬化与硬化曲线,二,.,硬化曲线,材料的变形抗力随变形程度变化的情况可用硬化曲线来表示，,一般可用单,向拉伸试验方法得到。,低碳钢拉伸的应力,-,应变曲线：,试件和实验条件,常温、静载,9-4,低碳钢拉伸时的应力,应变曲线,二,.,硬化曲线,1.2 加工硬化与硬化曲线,9-4,低碳钢拉伸时的应力,应变曲线,二,.,硬化曲线,1.2 加工硬化与硬化曲线,明显的四个阶段,1,、弹性阶段,ob,比例极限,弹性极限,2,、屈服阶段,bc,（失去抵抗变形的能力）,屈服极限,3,、强化阶段,ce,（恢复抵抗变形的能力）,强度极限,4,、局部径缩阶段,ef,二,.,硬化曲线,1.2 加工硬化与硬化曲线,23,1.2 加工硬化与硬化曲线,二,.,硬化曲线,弹性阶段,(,图中,OC,段,),若将载荷卸除，则加载时产生的变形将全部消失，说明这个阶段内试件只产生弹性变形，故,OA,段称为弹性阶段。,屈服阶段,(,图中,CB,段,),应力超过弹性极限之后，除产生弹性变形外，还产生塑性变形，而且在曲线上,BC,段呈水平锯齿形状。说明这一阶段的应力虽有波动，但几乎没有增加，而应变却显著增加。这种现象称为屈服或流动，故,BC,段称为屈服阶段。,强化阶段,(,图中,Bb,段,),当屈服达到一定程度之后，材料的内部结构经过调整变化又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形，就必须增加载荷，这时,曲线将开始上升，故,Bb,段称为强化阶段。此时应力增加较慢而应变较大。最高点,b,所对应的应力,b,称为材料的强度极限。,颈缩阶段,(,图中,DE,段,),过,b,点后，在试件的某一局部范围内，横向尺寸突然急剧缩小，出现颈缩现象，此阶段称为颈缩阶段。试件继续变形所需的拉力相应减小，,曲线是下降趋势，达到,K,点时，试件被拉断。,24,1.2 加工硬化与硬化曲线,但该曲线并未反映出材料加工硬化的,真实情况,：,图中表示的应力都是以变形前试样的原始截,面积计算的,名义应力,，而没有考虑变形过程中,试样,截面积的减小,。,横坐标的应变值是,名义应变,，只考虑,了变形前、后两个状态试样的尺寸，而,未考虑材料变形是一个,逐渐积累,的过程,，即应变与材料变形的全过程有关。,为了真实地反映出硬化规律，必须采用,真实应力,与,真实应变,来表示：,真实应力,真实应变,25,1.2 加工硬化与硬化曲线,按照真实应力,和真实应变即可做出,真实应力应变曲线,：,二,.,硬化曲线,26,1.2 加工硬化与硬化曲线,比较：,两者在屈服点以前的直线段几乎没有区别，但在缩颈处的,真实应力并不是最大值，产生缩颈后，其真实应力继续增加，至,k,点断裂，此时的真实应力值 称为断裂强度。真实应力应变曲,线更符合塑性变形的实际情况，故在板料成形中被广泛采用。,27,1.2 加工硬化与硬化曲线,二,.,硬化曲线,28,1.2 加工硬化与硬化曲线,生产中应用的是,近似硬化曲线,硬化直线和指数曲线,：,1.硬化直线,硬化曲线上缩颈点处的切线。,两种,：, 硬化直线,用,真实应力与名义应变,建立坐标系，,硬化曲线上缩颈点处的切线,斜率为 。,该直线在应变轴上的截距为1，,在应力轴上的截距为 ，即,直线方程为：,二,.,硬化曲线,29,1.2 加工硬化与硬化曲线, 硬化直线,用,真实应力与真实应变,建立坐标系，硬化曲线上缩颈点处的切线,斜率为 。,该直线在应变轴上的截距为 ，在应力轴上的截距为,即直线方程为：,30,1.2 加工硬化与硬化曲线,由上可知，硬化直线制作简单，只需要,缩颈点的应力,与,应变,即可确立。但用其代替硬化曲线时,仅在缩颈处误差较小,，当变形较大或较小时，实际硬化曲线与硬化直线之间差异很大，所以板料成形中经常采用,指数曲线,。,31,1.2 加工硬化与硬化曲线,2.指数曲线,表达式为：,C,塑性系数； 硬化指数。,C,和 取决于材料种类和性能，可通过拉伸试验获得。,是表示材料冷变形时硬化性能的重要参数，对板料的冲压成,形性能及冲压质量都有很大影响。,越大，表示冷变形过程中材料的变形抗力随变形的增加而迅,速增大，材料的塑性变形稳定性较好，不易出现局部的集中变形,和破坏。,32,1.3 板料的机械性能与冲压性能的关系,一、板料的冲压性能,是指板料对各种冲压成形工艺的适应能力。,板料在成形过程中可能出现两种失稳现象：,拉伸失稳,板料在拉应力作用下局部出现缩颈或断裂；,压缩失稳,板料在压应力作用下出现起皱。,第1章 冲压成形的基本理论,33,1.3 板料的机械性能与冲压性能的关系,板料在失稳前可以达到的最大变形程度称为成形极限，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，如极限拉深系数、极限胀形高度和极限翻孔系数等，通常作为规则形状零件冲压工艺设计的重要依据。,局部成形极限,反映板料失稳前局部尺寸可以达到的最大变形程度。由于复杂零件变形的不均匀性，板料各处的变形差别很大，因此必须用局部成形极限来描绘零件上各点的变形程度。,34,1.3 板料的机械性能与冲压性能的关系,板料的冲压性能包括,抗破裂性、贴模性和定形性,等几个方面：,抗破裂性,冲压过程中产生开裂的难易程度。,贴模性,冲压过程中取得与模具形状一致性的能力。成形过程中发生的起皱、塌陷等缺陷，均会降低零件的贴模性。,35,1.3 板料的机械性能与冲压性能的关系,定形性,零件脱模（离开模具）后保持其在模具内既得形状的能力。影响定形性的主要因素是回弹。,贴模性和定形性是决定零件形状和尺寸精度的重要因素,。但当材,料抗破裂性差，会导致零件严重破坏，且难于修复，因此，在冲,压生产中主要用,抗破裂性作为评定板料冲压成形性能的指标。,36,1.3 板料的机械性能与冲压性能的关系,二、板料的机械性能与冲压性能的关系,对冲压成形性能影响较大的机械性能指标有以下七项：,1屈服极限,小好,屈服极限小，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。,在压缩变形时，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。,37,1.3 板料的机械性能与冲压性能的关系,2屈强比,小好,屈强比对板料成形性能有较大的影响。,屈强比小即 小而 大，在这种情况下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成形具有重大影响，,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，,因而有利于提高,拉深成形的变形程度。,38,1.3 板料的机械性能与冲压性能的关系,3均匀延伸率,大好,试样开始产生局部集中变形(缩颈)时的延伸率称均匀延伸率，表示板料产生均匀的或稳定的塑性变形的能力，直接决定板料在伸长类变形中的冲压成形性能。,实验证明，延伸率或均匀延伸率是影响翻孔或扩孔成形性能的最主要参数,。,4,弹性模量,大好,弹性模量大弹性变形小，回弹小,39,1.3 板料的机械性能与冲压性能的关系,5,硬化指数,对伸长类变形大好,值大时，表示材料变形抗力随变形的进行而迅速增加，硬化显著，对后续变形工序不利。但 值大时，材料塑性变形稳定性较好，不易出现局部的集中变形与破坏，有利于增大伸长类变形的成形极限。对伸长类变形如胀形， 值大的材料使变形均匀、变薄减小，厚度分布均匀，增大了极限变形程度，零件不易产生裂纹。,40,1.3 板料的机械性能与冲压性能的关系,6,厚向异性系数,宽度应变和厚度应变的比值：,表示板料在厚度方向上的变形能力。,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。,值对拉深变形影响较大, 值增大，易于在宽度方向变形，可,减小起皱，而受拉处厚度不易变薄，不易出现裂纹，故有助于提,高,拉深的变形程度。,对大多数冲压成形工序来说 值,大好,，因大多数冲压成形工序希,望变形发生在,板平面方向,，而不希望,厚度方向,发生较大的变形。,41,1.3 板料的机械性能与冲压性能的关系,7,板平面各向异性系数,小好,反映了板料在不同方位上厚向异性系数的差异：,-沿纵向的厚向异性系数,-沿横向的厚向异性系数,-沿 方向的厚向异性系数,板平面各向异性,影响到冲压成形过程中各向变形的均匀性以及冲,压件的质量。,值越大，表示板平面内各向异性越严重，因此板平面各向异,性系数越小越好。,42,1.4 冲压用材料,一、冲压对板料的基本要求,1.对机械性能的要求,由前所述，板料的机械性能与冲压成形性能有着密切的关系，其,中以延伸率、屈强比、弹性模量、硬化指数、厚向异性系数和各,向异性系数影响较大。,一般来说，延伸率大、屈强比小、弹性模量大、,硬化指数高,、厚,向异性系数大和各向异性系数小时有利于各种冲压成形工序。,第1章 冲压成形的基本理论,43,1.4 冲压用材料,2.对化学成分的要求,化学成分对冲压成形性能的影响也很大，如在钢中的,C、Si、Mn、P、S,等元素的含量增加，就会使板料的塑性降低、脆性增加，导致材料冲压成形性能变差。,低碳沸腾钢容易产生时效现象，拉深成形时出现滑移线，这对汽车覆盖件是不允许的。为了消除滑移线，可在拉深之前增加一道辊压工序，或采用加入铝或钒等脱氧剂的镇静钢，拉深时就不会出现时效现象。,44,1.4 冲压用材料,3.对金相组织的要求,（状态和晶粒）,晶粒大小不均及过大最易引起裂纹。过大的晶粒在拉深时还会产生粗糙的表面。此外，在钢板中的带状组织与游离碳化物以及非金属夹杂物，也会降低材料的冲压成形性能。,4.对表面质量的要求,板料表面应光滑，无氧化皮、裂纹、划伤等缺陷。表面质量高的材料，成形时不易破裂，不易擦伤模具，零件表面质量好。,5.对板料厚度公差的要求,在一些成形工序中，凸凹模的间隙是根据板料厚度来确定的，特别是校正弯曲和整形工序，板料厚度公差对零件的精度与模具寿命都有很大的影响。,45,1.4 冲压用材料,二、常用冲压材料,1.黑色金属板料,普通碳素钢钢板,优质碳素结构钢钢板,合金钢钢板,不锈钢钢板,2.有色金属板料,铜及其合金,铝及其合金,3.非金属材料,主要有胶木板、橡胶板、塑料板、纸板等。,46,第1章 冲压成形的基本理论,思考题,1.什么是塑性条件？,2.简述增量理论、全量理论的含义。,3.当,1,2,3,时，利用全量理论和体积不变定律进行分析：,当,1,是拉应力时，,1,是否是拉应变？,当,1,是压应力时，,1,是否是压应变？,每个主应力方向与所对应的主应变方向是否一定一致？,4.什么是伸长类变形？什么是压缩类变形？如何划分两类变形？,5.区分真实应力与名义应力、真实应变与名义应变。真实应力应变曲线与名义应力应变曲线有何差别？,6.对冲压工艺有重大影响的机械性能指标有哪些？从有利于冲压生产方面考虑应对这些指标提出什么要求？,7.板料的冲压成形性能包括哪些方面？,