第六章+板料的冲压成形性能与成形极限.ppt

第六章板料的冲压成形性能与成形极限 6 1概述 6 2冲压成形区域与成形性能的划分 6 3冲压成形性能试验方法与指标 6 4冲压成形性能试验方法与指标 6 5板料的基本性能与冲压成形性能的关系 6 6成形极限图及其应用 6 7方角对角拉伸试验及其应用 6 8高强度钢板 6 1概述 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 板料在成形过程中可能出现两种失稳现象 A 拉伸失稳表现 板料在拉应力作用下局部出现颈缩或破裂 B 压缩失稳表现 板料在压应力作用下出现皱曲 6 1概述 板料发生失稳之前可以达到的最大变形程度叫做成形极限 成形极限分为 总体成形极限 局部成形极限 总体成形极限反映板料失稳前某些特定的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边系数等均属于总体成形极限 它们常被用作工艺设计参数 局部成形极限反映板料失稳前局部尺寸可达到的最大变化程度 如成形时的局部极限应变即属局部成形极限 6 1概述 成形极限图 FLD 就是由不同应变路径下的局部极限应变构成的曲线或条带形区域 它全面反映了板料在单向和双向拉应作用下抵抗颈缩或破裂的能力 经常被用来分析解决成形时的破裂问题 6 1概述 全面地讲 板料的冲压成形性能包括抗破裂性 贴模性 fitability 和定形性 shapefixability 故影响因素很多 如材料性能 零件和冲模的几何形状与尺寸 变形条件 变形速度 压边力 摩擦和温度等 以及冲压设备性能和操作水平等 贴模性 fittability 板料在冲压过程中取得模具形状的能力 定形形 shapefixability 零件脱模后保持其在模内既得形状的能力 6 1概述 影响贴模性的因素 内皱 翘曲 塌陷 鼓起 原因 工艺条件 材料性能 表示 贴模性特性图 贴模性特性图 冲压成形过程中影响毛坯贴模的成形缺陷与冲压行程的关系曲线 行李盖冲压贴模特性图 6 1概述 影响定型形的因素 回弹 零件脱模后 常因回弹过大而产生较大的误差 板料的贴模性和定形性好坏与否 决定零件尺寸精确度的重要因素 日本学者吉田清太提出 用方板拉伸时的起皱特性可以估测和研究板料的贴模性和定型性 但目前的冲压生产和板料生产中 主要用抗破裂性作为评定板料冲压成形性能的指标 方板对角拉伸试验a 单向对角拉伸b 双向对角拉伸 6 1概述 冲压成形性是介于材料科学和冲压成形技术之间的一个边缘问题 冲压成形性的影响因素 板料的材质 组织结构 性能 冲压技术的改善 冲压用新材料及其性能高强度钢板 耐腐蚀钢板 双相钢板 涂层板 复合板材 6 2现代冲压成形的分类理论 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之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 一 各种冲压成形方法的力学特点与分类 6 2现代冲压成形的分类理论 1 变形毛坯的分区 冲压成形时 在应力状态满足屈服准则的区域将产生塑性变形 称为塑性变形区 A区 不同工序 随着外力作用方式和毛坯及模具的形状 尺寸的不同 变形区所处的部位也不相同 应力状态不满足屈服准则的区域 不会产生塑性变形 称为非变形区 根据变形情况 非变形区又可进一步分为已变形区 B 待变形区 C 和不变形区 D 有时已变形区和不变形区还起传力的作用 可称其为传力区 B C 图所示为拉深 翻边 缩口变形过程中毛坯各区的分布 a 拉深b 内缘翻边c 缩口冲压成形时毛坯各区划分举例 6 2现代冲压成形的分类理论 1 变形毛坯的分区 变形区的主应力状态图和主应变状态图不仅从力学方面决定了冲压工序的性质 而且与成形极限 成形质量以及所需的变形力与变形功有密切的关系 它是制定成形工艺 设计模具和确定极限参数的主要依据 研究冲压成形过程 必须全面 清晰地了解整个变形区内的应力应变状态特征以及在应力 应变场中连续变化的规律 这样才能从本质上揭示各成形方式之间的力学特点 并根据这些特点对各种成形方法分类 6 2现代冲压成形的分类理论 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 平面应力状态屈服轨迹上的应力分类图 平面应力状态屈服轨迹上的应变分类图 1 冲压毛坯两向受拉应力的作用 6 2现代冲压成形的分类理论 2 变形区的应力与应变特点 在轴对称变形时 可以分为以下两种情祝 在平面应力状态屈服轨迹上的应力分区图中处于AOH和HOG范围内 在应变分区图中处于AOC和AON范围内 与此相对应的工序是内孔翻边和胀形等 2 冲压毛坯变形区受两向压应力的作用 6 2现代冲压成形的分类理论 在轴对称变形时 可以分为以下两种情祝 在应力分区图中处于DOE和COD范围内 在应变分区图中处于GOE和GOL范围内 与此相对应的工序有缩口等 3 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 6 2现代冲压成形的分类理论 这两种情况在应力分区图中处于GOF和AOB范围 在应变分区图中处于MON和COD范围 相对应的工序有扩口等 4 冲压毛坯变形区受异号应力的作用 且压应力的绝对值大于拉应力的绝对值 6 2现代冲压成形的分类理论 这两种情况在应力分布区图中处于EOF和BOC范围 在应变分区图中处于MOL和DOE范围 相对应的工序有拉深等 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 6 2现代冲压成形的分类理论 3 冲压成形力学分类的意义及作用 由于伸长类成形和压缩类成形在变形力学上的本质差别 它们在冲压过程中出现的问题和解决的方法也是完全不同的 但是 对同一类变形中的各种冲压方法 却可以用相同的观点和方法去分析和解决冲压中的各种问题 以下举例说明 6 2现代冲压成形的分类理论 伸长类成形的极限变形参数主要决定于材料的塑性 并且可以用板材的塑性指标直接地或间接地表示 例如多数实验结果证实 平板毛坯的局部胀形深度 圆柱体空心毛坯的胀形系数 圆孔翻边系数 最小弯曲半径等都与伸长率有明显的正比关系 6 2现代冲压成形的分类理论 压缩类成形的极限变形参数 如拉深系数等 通常都是受毛坯传力区的承载能力的限制 有时则受变形区或传力区的失稳起皱的限制 由于两类成形方法的极限变形参数的确定基础不同 所以影响极限变形参数的因素和提高极限变形参数的途径和方法也不一样 6 2现代冲压成形的分类理论 3 冲压成形力学分类的意义及作用 a 提高材料的塑性成形前退火 多次成形的中间退火 都是为了消除材料硬化 提高材料塑性 从而提高极限变形程度 1 提高伸长类成形极限的措施 6 2现代冲压成形的分类理论 3 冲压成形力学分类的意义及作用 1 提高伸长类成形极限的措施 b 减小变形不均匀的程度使变形趋向均匀 减小局部的集中变形 可以使总的变形程度加大 例如 胀形时均匀而有效的润滑可使变形更均匀 有利于提高总的变形程度 另外 与硬化指数n关系密切 原材料n值大 能够防止产生过分集中的局部变形 使胀形 翻边 扩口等的极限变形程度得到提高 6 2现代冲压成形的分类理论 3 冲压成形力学分类的意义及作用 1 提高伸长类成形极限的措施 c 消除局部硬化层或引起应力集中的因素用整修或切屑方法去除冲裁断面的硬化层 粗糙的断裂面及毛刺 或者将毛刺侧贴靠弯曲凸模 翻边凸模一边 可防止伸长类成形的开裂 提高成形极限 6 2现代冲压成形的分类理论 3 冲压成形力学分类的意义及作用 2 提高压缩类成形极限的措施 a 降低变形区变形抗力 摩擦阻力和提高传力区承载能力如减小压边力 加大凹模圆角半径 改善润滑条件或采用降低变形区变形抗力的特种拉深方法 例如差温拉深 径向加压液压拉深等 6 2现代冲压成形的分类理论 3 冲压成形力学分类的意义及作用 2 提高压缩类成形极限的措施 b 防止毛坯变形区的失稳起皱如减小凹模圆角半径 适当增大压边力或采用合理的压边间隙 对易产生内皱的拉深件 如锥形 球形或抛物线拉深件 可采用拉深筋 弧形压边圈或反拉深等 6 2现代冲压成形的分类理论 3 冲压成形力学分类的意义及作用 2 提高压缩类成形极限的措施 c 以降低变形区的变形抗力为主要目的的退火 如多次拉深时的中间退火 这时的退火与伸长类成形时以恢复材料的塑性为主要目的的退火之间有很大的差别 进行退火的意义和方法也不相同 例如以极限拉深系数进行一次拉深工序之后 如不退火 仍然可以继续进行下次变形程度较小的拉深工序 但以极限胀形系数进行一次胀形加工后 如不经恢复塑性的退火 再继续进行胀形是不可能的 伸长类成形与压缩类成形的对比 6 2冲压成形区域与成形性能的划分 4 吉田分类图 生产中将弯曲 拉深 胀形和翻边称为四种最典型 最常用的板料成形工序 为了分析 认识这些基本成形工序之间的关系 以及板料几何尺寸与形状对成形工序性质的影响 日本吉田清太等人通过试验得到了图所示的冲压成形分类图 冲压成形区域图吉田分类图 6 2冲压成形区域与成形性能的划分 由图中可见 用圆柱形凸模冲压成形时 成形方式与几何参数dp D 拉深系数 和d0 dp 翻边系数 有关 用d0 dp作横坐标 dp D作纵坐标 便可得到图中 I 区所示的回转对称形状成形时的冲压成形区域图 根据参数d0 dp和dp D的变化 该部分图形划分为 拉深成形区 胀形成形区 扩孔区 圆孔翻边区 其中 和 共同组成伸长类翻边区 除回转对称形状零件外 更多是非对称零件 冲压非对称零件时 变形最剧烈且最容易发生破裂部位是侧壁转角处 把这些转角部位视为局部轴对称区域 用该部位变形性质代表零件成形方式 转角 成为又一个影响成形方式几何参数 0时 成形方式转变为弯曲 可将四种典型成形方式用几何参数d0 dp dp D和 联系在一起如图所示 吉田图的提出 有助于分析 认识成形工序之间的关系 研究几何条件对成形工艺的影响 也为划分成形性能打下了基础 6 2冲压成形区域与成形性能的划分 6 2冲压成形区域与成形性能的划分 5 冲压成形性能划分 如前所述 目前主要用抗破裂性能作为评定板料成形性能的指标 根据成形方式不同 可对冲压成形性能作以下划分 图划分了四种成形 而其中的分界线实质上就是不同成形方式下的成形极限 由于成形极限需要根据破裂形式确定 所以板料在不同的冲压成形区域 具有不同的抗破裂性 成形区域图同时划分了板料的成形性能 在四种成形方式中 破裂有三种典型形式 6 2冲压成形区域与成形性能的划分 5 冲压成形性能划分 破裂 拉应力超过材料抗拉强度 即 拉 b 引起的破裂 破裂 伸长率超过材料允许值 即 引起的破裂 弯曲破裂 外层材料伸长率超过材料允许值 即 外 引起的破裂 表列出了四种典型冲压成形方式 变形区的应变方式 破裂形式和冲压成形性能之间的对应关系 6 2冲压成形区域与成形性能的划分 5 冲压成形性能划分 应变方式 破裂形式和成形方法及成形性能的关系 6 3冲压成形性能试验方法与指标 测定或评价板料冲压成形性能时 经常采用模拟试验方法 所谓模拟试验 是指模拟某一类实际成形方式来成形小尺寸试样的板料冲压试验 在一定的模拟试验中 可以将试样变形到这类成形方式允许的某种极限变形程度 然后把这种极限变形程度作为这类成形方式对应的冲压成形性能指标 常用的模拟试验方法如下 板材的胀形性能试验又称为杯突试验或压穴试验 一般包括Erichsen胀形试验和瑞典式纯胀形试验 它是测定板材冲压性能的一种工艺性试验 6 3冲压成形性能试验方法与指标 1 胀形成形性能试验 杯突试验杯突机上用一定规格的钢球或球状冲头向夹紧与规定的环形凹模内的试样施加压力 直至式样产生微细裂纹为止 此时冲头的压入深度称为材料的杯突深度值 该值反映材料对胀形的适应性 可作为衡量板料胀形 曲面零件拉深的冲压性能指标 先将平板坯料试样放在凹模平面上 用压边圈压住试样外圈 然后 用球形冲头将试样压入凹模 由于坯料外径比凹模孔径大很多 所以 其外环不发生切向压缩变形 而与冲头接触的试样中间部分坯料受到双向拉应力作用而实现胀形成型 在胀形成型中 把试样出现裂纹时冲头的压入的深度称为胀形深度或Erichsen试验深度 简计为IE值 IE值越大 胀形性能及拉深类成型性能越好 6 3冲压成形性能试验方法与指标 1 胀形成形性能试验 续 6 3冲压成形性能试验方法与指标 1 胀形成形性能试验 续 图6 8杯突试验 GB4156 84 K W I扩孔试验原理 用有预加工小孔 小孔直径规定为扩孔冲头直径的30 的平板坯料进行扩孔 试验时 将试样放在凹模与压边圈之间压死 凸模运动 直至孔口边缘因孔径扩大而出现裂纹为止 测量此时的最大孔径dfmax和最小孔径dfmin 用来计算极限扩孔率 极限扩孔率 值是作为鉴定板材翻边成型性能的一个材料特性值 值越大 板材的翻边性能越好 6 3冲压成形性能试验方法与指标 2 扩孔成形性能试验 6 3冲压成形性能试验方法与指标 2 扩孔成形性能试验 续 图6 9扩孔试验 JB4409 4 88 6 3冲压成形性能试验方法与指标 3 拉深成形性能试验 Swift求极限拉深比的试验 也叫Swift拉深试验试验方法使用不同直径的圆形坯料 并按照逐级增大直径的操作程序在图示的装置中进行拉深成形试验 取试样侧壁不致破裂时可能拉深成功的最大坯料直径Dmax与冲头直径dp之比值 称为极限拉深比 LDR 即 LDR值越大 则板材的拉深成型性能越好 1 圆柱形平底凸模冲杯试验 图6 10冲杯试验1 凸模2 压边圈3 凹模4 试样 6 3冲压成形性能试验方法与指标 3 拉深成形性能试验 续 1 圆柱形平底凸模冲杯试验 续 6 3冲压成形性能试验方法与指标 3 拉深成形性能试验 续 2 TZP试验 在一定的拉深变形程度下 TZP试验时取毛坯直径D0 52mm 冲头直径dp 30mm 最大拉深力与试验中已经成型的试样侧壁的拉断力之间的关系作为判断拉深成型性能的依据 这种方法特点之一是可一次试验成功 当试验进行到拉深力达到峰值Pmax时 随即加大压边力 使试样的法栏边固定 消除在以后拉深程中继续变形和被拉入凹模的可能 然后 再加大冲头压力直到试样被拉断 并测出拉断时的力P 本试验按JB4409 2 88标准来执行 6 3冲压成形性能试验方法与指标 3 拉深成形性能试验 续 2 TZP试验 续 图示出了拉深力Pmax与试样最终被拉断的力P 可得到一个表示板材拉深性能的材料特性值T T值按下式计算 T值越大 板材的拉深性能越好 6 3冲压成形性能试验方法与指标 3 拉深成形性能试验 续 2 TZP试验 续 图6 11TZP试验 6 3冲压成形性能试验方法与指标 4 弯曲成形性能试验 一般用相对与板料厚度t的比值表示 即rmin t0 rmin 最小弯曲半径 t0 试样基本厚度 此比值越小 表明板材的弯曲性能越好 实际上 有好几种弯曲试验方法均是测出弯曲外表面不致产生破环情况下的最小相对弯曲半径 压弯法 6 3冲压成形性能试验方法与指标 4 弯曲成形性能试验 续 模弯法 用弯曲模在冲床或液压机上进行弯曲试验 不仅可以测出最小相对弯曲半径 而且可以测出弯曲力及弯曲弹复等试验数据 卷弯法 6 3冲压成形性能试验方法与指标 5 锥杯试验 圆片试样放在锥形凹模孔内 通过钢球对试样进行复合成形 即锥杯成形 发生破裂时停机 测量锥杯口部最大外径Dmax和最小外径Dmin 用它们计算锥杯值CCV作为金属薄板的 拉深 胀形 复合成形性能指标 直接或模拟试验能反映板料对某特定工艺的成形性能 但是 它不具有一般性 此外 它只能反映材料宏观平均性能 不能反映材料的局部性能 注意 6 4塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变 塑性拉伸失稳 板料冲压成形时 受拉应力部分容易产生颈缩和破裂的现象 大多数板料冲压成形为平面应力状态 大部分板料冲压工艺的应力和应变可以在二维的冲压主应力图和冲压主应变图上反映出来 一般来讲 塑性拉伸失稳只发生在伸长类应变条件下 如果只考虑应变的数值和顺序 不考虑应变在毛坯或零件上的几何方向 则伸长类应变的范围可用图6 14所示的冲压主应变图表示 6 4塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变 图6 14伸长类应变范围 图6 14中 和 分别是应力比和应变比 板料的应变路径 应变比 在简单加载条件下对于各向同性材料 和 有以下关系 6 4塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变 1 塑性拉伸失稳的概念和类型 图6 15单向拉伸试验曲线 图6 16塑性拉伸失稳类型a 分散性颈缩b 集中性颈缩 6 4塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变 1 塑性拉伸失稳的概念和类型 续 Swift分散性颈缩 diffusenecking 失稳理论 板料的塑性变形达到一定程度后 变形开始集中在材料内某些性能较弱的部位 称为分散性颈缩 图6 16a 载荷开始随变形程度增大而减小 由于应变硬化 这些颈缩能在一定的尺寸范围内转移 使材料在这个范围内产生一种亚稳定的塑性流动 故载荷下降比较缓慢 如图6 15中的b c所示 6 4塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变 1 塑性拉伸失稳的概念和类型 续 Hill集中性颈缩 localizednecking 失稳理论 板料的塑性变形集中在一个狭窄的条带区域 称为集中性失稳 图6 16b 此时应变硬化不足以使这种颈缩发生转移 应力增长率远小于承载面积的减小速度 故载荷随变形程度增大而急剧下降 如图6 15中c d 所示 一般情况下 材料出现集中性失稳颈缩之后很快就会破裂 故集中性颈缩表面呈粗糙颗粒状 肉眼可以观测到 但肉眼却难以观测到分散性失稳 6 4塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变 2 颈缩条件 1 分散性颈缩条件 板料发生分散性颈缩失稳的特征是拉力载荷达到最大值 即dF 0 分散性颈缩时的应力和应变条件 1 单向拉伸 板料单向拉伸时 瞬时载荷为 6 4塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变 2 颈缩条件 续 1 分散性颈缩条件 续 1 单向拉伸 续 微分式 6 10 得 令dF 0得 由塑性体积不变条件得 6 4塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变 2 颈缩条件 续 1 分散性颈缩条件 续 1 单向拉伸 续 微分式 6 12 得 将式 6 13 代入式 6 11 可得单向拉伸时的分散性颈缩条件为 或 6 4塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变 2 颈缩条件 续 1 分散性颈缩条件 续 1 单向拉伸 续 6 4塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变 2 颈缩条件 续 1 分散性颈缩条件 续 2 双向拉伸 图6 17板料双向拉伸 若板料发生分散性颈缩 则dF1 0 dF2 0 可推出双向拉伸时的分散性颈缩条件为 6 4塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变 2 颈缩条件 续 2 集中性颈缩条件 图6 18集中性颈缩 图6 18是集中性颈缩的模型 根据Hill理论 产生集中性颈缩的条件是 板料在颈缩部位的应力变化率等于厚度减薄率时 变形不能向外转移 其表达式为 单向拉伸时 双向拉伸时 6 4塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变 2 颈缩条件 续 对各向同性材料单向拉伸时 2 集中性颈缩条件 续 代入式 6 17 得 6 4塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变 3 集中性颈缩方位 根据集中性失稳理论 图6 18所示得颈缩沿长度l方向不发生变形 所以 根据坐标转换公式 上式为 于是 6 4塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变 3 集中性颈缩方位 续 6 5板料的基本性能与冲压成形性能的关系 成形极限图 FLD 或成形极限线 FLC 是评定金属板料局部成形能力重要工具 在分析冲压成形的破裂问题时经常使用 6 6成形极限图及其应用 6 6成形极限图及其应用 冲压成形时 金属板料上缩颈或破裂区表面应变量称为表面极限应变量 如图 二维应变坐标系中 用不同应变路径下表面极限应变量连成曲线或勾画出条带形区域称为成形极限曲线 FormingLimitCurve 缩写FLC 极限应变量与极限曲线共同构成成形极限图 FormingLimitDiagram 缩写FLD 1 FLD的涵义 6 6成形极限图及其应用 1 FLD的涵义 6 6成形极限图及其应用 2 成形极限图 FLD 试验 将一侧表面制有网格的试样置于凹模与压边圈之间 压紧拉深筋以外的材料 试样中部在外力作用下产生变形 见图 其表面上的网格圆发生变形 当某个局部产生缩颈或破裂时 停止试验 测量缩颈区或破裂区附近的网格圆长轴和短轴尺寸 计算板料允许的局部表面极限主应变量 e1 e2 或 1 2 6 6成形极限图及其应用 2 成形极限图 FLD 试验 6 6成形极限图及其