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第二章冷冲压变形基础 第一节冷冲压变形的基本原理概述 一 影响金属塑性和变形抗力的因素 对于大多数金属 总的影响趋势是 随着温度的升高 塑性增加 变形抗力下降 所以在冲压工艺中 有时也采用加热成形的方法 提高材料的塑性 增加在一次成形中所能达到的变形程度 降低材料的变形抗力 减轻设备和工装的负担 1 变形温度 第一节冷冲压变形的基本原理概述 一 影响金属塑性和变形抗力的因素 1 变形温度 图2 1碳钢塑性随温度变化曲线 应变速率是指单位时间内应变的变化量 一般来说 由于塑性变形需要一定的时间来进行 因此应变速率太大 塑性变形来不及在塑性变形体中充分扩展和完成 而是更多地表现为弹性变形 致使变形抗力增大 又由于断裂抗力基本不受应变速率的影响 所以变形抗力的增大就意味着塑性的下降 如图所示 高速下的极限变形程度 1显然小于低速时的 2 2 应变速率 一 影响金属塑性和变形抗力的因素 2 应变速率 一 影响金属塑性和变形抗力的因素 图2 2应变速率对变形抗力和塑性的影响示意图 1 高速 低速 塑性变形是在力的作用下产生的 宏观上是力与塑性变形的关系 实际上是变形体微观质点应力和应变状态关系的表现 施加不同形式的力 在变形体中就有不同的应力状态和应变状态 从而表现出不同的塑性变形行为 3 应力 应变状态 一 影响金属塑性和变形抗力的因素 同一种材料 在其他条件相同时 尺寸越大 塑性越差 变形抗力越小 这是因为材料尺寸越大 组织和化学成分越不均匀 且内部缺陷也越多 应力分布也不均匀 例如厚板冲裁 产生剪裂纹时凸模挤入板料的深度与板料厚度的比值比薄板冲裁时小 4 尺寸因素 一 影响金属塑性和变形抗力的因素 弹性变形时 物体体积的变化与平均应力成正比 实践证明 塑性变形的物体之体积保持不变 塑性变形以前的体积等于其变形后的体积 可表示为 二 塑性变形体积不变条件 1 2 3 0 式中 1 2 3 塑性变形时的三个主应变分量 由体积不变条件可看出 主应变图只可能有三类 具有一个正应变及两个负应变 具有一个负应变及两个正应变 一个主应变为零 另两个应变之大小相等符号相反 二 塑性变形体积不变条件 图2 3主应变图 2 三 塑性条件 屈服准则 屈雷斯加屈服准则的数学表达式是 max max min s 2 式中 max 质点的最大切应力 max min 代数值最大 最小的主应力 s 金属在一定的变形温度 变形速度下的屈服点 式中 1 2 3 质点的三个主应力 三 塑性条件 屈服准则 米塞斯屈服准则的数学表达式是 或 2 1 增量理论又称流动理论 它可表述如下 在每一加载瞬间 应变增量主轴与应力主轴重合 应变增量与应力偏量成正比 即 四 塑性变形时应力与应变的关系 式中d 瞬时常数 在加载的不同瞬时是变化的 m 平均主应力 静水应力 全量理论认为 在比例加载 也称简单加载 是指在加载过程中所有外力从一开始起就按同一比例增加 的条件下 无论变形体所处的应力状态如何 应变偏张量各分量与应力偏张量各分量成正比 即 四 塑性变形时应力与应变的关系 由于塑性变形时体积不变 即 m 0 所以上式可写成 式中 比例系数 它与材料性质和加载历程有关 而与物体所处的应力状态无关 五 冷冲压成形中的硬化现象 图2 4几种材料的硬化曲线 五 冷冲压成形中的硬化现象 为了实用上的需要 在塑性力学中经常采用直线和指数曲线来近似代替实际硬化曲线 如图所示为四种简化类型 图2 5硬化曲线的简化类型 幂指数硬化曲线 刚塑性硬化曲线 刚塑性硬化直线 理想刚塑性水平直线 一般来说 材料的塑性是有限的 当拉伸变形达到某一量之后 便开始失去稳定 产生缩颈 继而发生破裂 这就是所谓的塑性拉伸失稳 六 塑性拉伸失稳及极限应变 1 塑性拉伸失稳的概念 图2 6单向拉伸试验 拉断后的试样 试验曲线 六 塑性拉伸失稳及极限应变 2 单向拉伸缩颈的条件及极限应变 1 分散性缩颈板料单向拉伸时 瞬时载荷为F 1A式中 1 实际应力 A 板料的瞬时断面积 六 塑性拉伸失稳及极限应变 2 单向拉伸缩颈的条件及极限应变 2 集中性缩颈条件根据Hill理论 当板料的应力变化率等于厚度的减薄率时 此处的变形不能向外转移 便开始产生集中性缩颈 这就是产生集中性缩颈的条件 可表达为 六 塑性拉伸失稳及极限应变 3 双向拉伸缩颈的条件及极限应变 图2 7板料双向拉伸 六 塑性拉伸失稳及极限应变 3 双向拉伸缩颈的条件及极限应变 1 缩颈条件板料开始产生分散性颈缩失稳时 dF1 0 dF2 0 类似于单向拉伸时的情况 求导可得到双向拉伸时的分散性失稳条件为 与单向拉伸一样 产生集中性缩颈的条件是 板料的应力变化率与厚度的减薄率相等 表达式为 六 塑性拉伸失稳及极限应变 3 双向拉伸缩颈的条件及极限应变 2 失稳极限应变 六 塑性拉伸失稳及极限应变 3 双向拉伸缩颈的条件及极限应变 板料冲压成形时 坯料内部的应力和应变状态一般都不均匀且不断变化的 因此 研究板料塑性拉伸失稳条件及极限应变 对分析解决冲压成形工艺问题有直接的指导意义 在冲压成形过程中 材料的最大变形限度称为成形极限 第二节冷冲压材料及其冲压成形性能 一 板料的冲压成形性能 1 成形极限 冲压成形失效实际上是塑性变形失稳在冲压工序中的具体表现 其形式可归结为两大类 一类拉伸失效 表现为坯料局部出现过度变薄或破裂 一类是受压失效 表现为板料产生失稳起皱 第二节冷冲压材料及其冲压成形性能 一 板料的冲压成形性能 1 成形极限 图2 8起皱与破裂的实例 板料的贴模性 指板料在冲压过程中取得模具形状的能力 成形过程中发生的内皱 翘曲 塌陷和鼓起等几何面缺陷均会使贴模性降低 板料的定形性 也叫冻结性 指零件脱模后保持其在模内既得形状的能力 板料性能的各向异性 特别是板平面方向与板厚方向的性能差异的大小 是影响冲压成形后板厚变化的重要因素 一 板料的冲压成形性能 2 成形质量 板料表面的原始状态 晶粒大小 冲压时材料粘模的情况等都将是影响工件的表面质量 板料的加工硬化性能 以及变形的均匀性 直接影响成形后材料的物理力学性能 一 板料的冲压成形性能 2 成形质量 胀形试验也称杯突试验Erichsen试验 图是GB T4156 1984 金属杯突试验方法 的示意图 二 板料冲压成形性能的测定 1 胀形试验 图2 10杯突试验 测定或评价板料扩孔成形性能时 常采用圆柱形平底凸模扩孔试验 KWI扩孔试验 二 板料冲压成形性能的测定 2 扩孔试验 图2 11扩孔试验 这是模拟拉深变形区的应力和变形状态 将楔形板料试样拉过模口 在模壁压缩下使之成为等宽的矩形板条 在试样不断裂的条件下 b B越小 拉深性能越好 二 板料冲压成形性能的测定 3 拉深性能试验 1 拉楔试验 图2 12拉楔试验 二 板料冲压成形性能的测定 3 拉深性能试验 也叫Swift拉深试验 LDR试验 是采用 50mm的平底凸模将试样拉深成形 图是GB T15825 3 1995 金属薄板成形性能与试验方法拉深与拉深载荷试验 的示意图 图2 13冲杯试验 2 冲杯试验 也叫TZP法 图是GB T15825 2 1995 金属薄板成形性能与试验方法通用试验规程 的示意图 二 板料冲压成形性能的测定 3 拉深性能试验 3 拉深力对比试验 图2 14TZP试验 落料 拉深 夹紧 破裂 二 板料冲压成形性能的测定 4 弯曲试验 图是GB T15825 5 1995 金属薄板成形性能与试验方法弯曲试验 示意图 图2 16弯曲试验 图是GB T15825 6 1995 金属薄板成形性能与试验方法锥杯试验 的示意图 取冲头直径Dp与试样直径D0的比值为0 35 二 板料冲压成形性能的测定 5 锥杯试验 图2 17锥杯试验 在单向拉伸试验中试样开始产生局部集中变形 刚出现颈缩时 的伸长率 称为均匀伸长率 记作 b 三 板料的基本性能与冲压成形性能的关系 1 伸长率 图2 18单向拉伸试验曲线 屈服极限 小 材料容易屈服 成形后回弹小 贴模性和定形性较好 如在弯曲工序中 若材料的 s低 则 s E小 卸载时的回弹变形也小 这有利于提高弯曲件的精度 三 板料的基本性能与冲压成形性能的关系 2 屈服极限 s 图2 18单向拉伸试验曲线 屈强比 s b对板料冲压成形性能影响较大 s b小 即材料易进入塑性变形 需要较小的力 而又不容易产生破裂 需要较大的力 这对所有冲压成形都是有利的 三 板料的基本性能与冲压成形性能的关系 3 屈强比 s b 硬化指数n表示材料在冷塑性变形中材料硬化的程度 n值大的材料 硬化效应就大 这意味着在变形过程中材料局部变形程度的增加会使该处变形抗力较快增大 这样就可以补偿该处因截面积减小而引起的承载能力的减弱 制止了局部集中变形的进一步发展 致使变形区扩展 从而使应变分布趋于均匀化 也就是提高了板料的局部抗失稳能力和板料成形时的总体成形极限 三 板料的基本性能与冲压成形性能的关系 4 应变硬化指数n 三 板料的基本性能与冲压成形性能的关系 5 塑性应变比 塑性应变比是指板料试样单向拉伸时 宽向应变 b与厚向应变 t之比 又称板厚方向性系数 即 式中b0 b t0与t分别为变形前后试样的宽度与厚度 三 板料的基本性能与冲压成形性能的关系 6 板平面方向性系数 凸耳参数 r 板料经轧制后其力学 物理性能在板平面内出现各向异性 称为板平面方向性 在表示板材力学性能的各项指标中 板厚方向性系数对冲压性能的影响比较明显 故板平面方向性的大小一般用板厚方向性系数r在几个方向上的平均差值 r来衡量 规定为 r 应变速率敏感系数m是材料在单向拉伸过程中变形抗力的增长率和应变速率的比值 如果m值大 则板料变形抗力的增长率高 局部应变容易向周围转移扩散 有利于抑制成形时的颈缩或破裂 常温下普通低碳钢的m值很小 对冲压成形性能影响不十分明显 但m值对某些合金板料和高强钢板的冲压成形性能影响较大 三 板料的基本性能与冲压成形性能的关系 7 应变速率敏感系数m 四 成形极限图及其应用 1 成形极限图的概念和试验方法 成形极限图FormingLimitDiagrams 缩写为FLD 或成形极限曲线 FormingLimitCurves 缩写为FLC 着眼于复杂零件的每一变形局部 它是板料在不同应变路径 即不同的应变比 下的局部失稳极限应变 1和 2构成的条带形区域或曲线 如图所示 FLD全面 直观地反映了不同应变状态下板料的成形性能 是对板料成形性能的一种定量描述 它是定性和定量研究板料的局部成形性能的有效手段 四 成形极限图及其应用 1 成形极限图的概念和试验方法 图2 19成形极限图 实际应用的成形极限图 图2 20 通常采用刚性半球头凸模胀形实验的方法来制作 参见GB T1825 8 1995 金属薄板成形性能与试验方法成形极限图试验 四 成形极限图及其应用 1 成形极限图的概念和试验方法 图2 20理论成形极限图 FLD的应用是采用等量比较的方法进行的 在被分析对象的零件板坯上复制上述网格 用待分析的工艺方法对板坯进行成形 测量并计算成形零件中需分析的若干点的应变值 将它们标注在相应的成形极限图上 便可直观地得到所分析点的变形情况优劣的结论 四 成形极限图及其应用 2 成形极限图的应用 图2 22用成形极限图进行分析的方法 五 冷冲压材料及其在图样上表示方法 1 冲压加工常用的板料种类 冲压加工常用的板料种类 金属材料 铁金属 薄钢板 碳素结构钢 优质碳素钢 低合金高强度钢等 不锈钢板 铬钢 铬镍基钢 非铁金属 铝及其合金板 纯铝 防锈铝 硬铝 铜及其合金板 钛及其合金板 纯铜 黄铜 青铜 钛合金 非金属材料 纸板 布 皮革 胶木板 橡胶板 塑料板 纤维板 云母板 复合板等 冲压用新材料 高强度钢板 表面处理钢板 叠层复合板 冲压用原材料大部分以板料 带料的形式供货 其规格包含尺寸规格与性能规格两方面的内容 尺寸规格指长度 宽度 厚度及极限偏差 国标对不同种类的板料和带料的长度 宽度 厚度都规定了统一的标准系列 选用时可参照有关标准 板料的性能规格是指对