第7章板料成形性能与成形极限ppt课件

1、第第7 7章章 板料成形性能与成形极限板料成形性能与成形极限 板料成形性能是指板料对各种成形工板料成形性能是指板料对各种成形工艺的适应能力。艺的适应能力。 板料成形性能主要包括成形性能、贴板料成形性能主要包括成形性能、贴模性能和定形性能。其总体构成所谓综合模性能和定形性能。其总体构成所谓综合成形性能，也叫做广义成形性能。其中成成形性能，也叫做广义成形性能。其中成形性能抗破裂性能可视为狭义的冲压形性能抗破裂性能可视为狭义的冲压成形性能，它是目前生产中作为评定板料成形性能，它是目前生产中作为评定板料冲压成形性能的主要指标。冲压成形性能的主要指标。 贴模性能是指板料在冲压成形中取得模具贴模性能是指板

2、料在冲压成形中取得模具形状的能力。制件出现折皱、翘曲、塌陷和鼓形状的能力。制件出现折皱、翘曲、塌陷和鼓起等几何面缺陷均会使贴模性能降低。定形性起等几何面缺陷均会使贴模性能降低。定形性能是指制件脱模后保持其在模内既得形状的能能是指制件脱模后保持其在模内既得形状的能力，故亦称冻结性能。制件出现尺寸误差与形力，故亦称冻结性能。制件出现尺寸误差与形状误差使定形性降低，回弹是影响板料定形性状误差使定形性降低，回弹是影响板料定形性的最主要因素。的最主要因素。 具体来说，板料冲压成形性能又可分为弯具体来说，板料冲压成形性能又可分为弯曲成形性能、拉深成形性能、胀形成形性能、曲成形性能、拉深成形性能、胀形成形性

3、能、扩孔成形性能和复合成形性能等。扩孔成形性能和复合成形性能等。 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。板料在冲压过程中可能出现两种失稳现象，一种是拉伸失稳，表现为板料在拉应力作用下局部产生缩颈和破裂；另一种是压缩失稳，表现为板料在压应力作用下起皱。 弯曲、拉深、胀形和翻边各节中提到的工艺参数，最小相对弯曲半径r min t、极限拉深系数mmin、最大胀形深度hmax和极限翻边系数Kfmin等反映板料拉伸失稳前总体尺寸可以达到的最大变形程度，称为总体成形极限；而在本章介绍的成形极限图，则是反映板料失稳前局部尺寸可达到的最大变形程度，称为局部成形极限。一般而言，板料的成形性能越好，

4、成形极限也就越高。 7.1 7.1 板料成形性能的试验方法与指标板料成形性能的试验方法与指标(1)(1)间接力学性能试验间接力学性能试验 间接反映板料成形性能的试验。主要有间接反映板料成形性能的试验。主要有: :拉拉伸试验、剪切试验、扭转试验、硬度试验、伸试验、剪切试验、扭转试验、硬度试验、金相试验等，也称基本性能试验。金相试验等，也称基本性能试验。1 1材料的力学性能及其主要参数材料的力学性能及其主要参数 通过拉伸通过拉伸试验，可得到如下与板料成形性能有关的力试验，可得到如下与板料成形性能有关的力学性能指标：屈服点学性能指标：屈服点s s 、抗拉强度、抗拉强度b b 、屈、屈强比强比s /b

5、 s /b 、加工硬化指数、加工硬化指数 n n、伸长率、伸长率 、塑性应变比塑性应变比 等，其中：等，其中： =b /t =ln =b /t =lnb0/bb0/b）/ln/lnt0/tt0/t）2材料力学性能与板料成形性能的关系a.屈强比 s /b 越小，板料拉深性能越好。b.塑性应变比 值越大，板料拉深性能好。c.伸长率 越大，板料的弯曲与内孔翻边性能越好。d.加工硬化指数 n值越大，胀形性能越好。3 3用间接试验反映材料成形性能存在的缺陷用间接试验反映材料成形性能存在的缺陷 间接力学性能试验方法简单成熟，标准化间接力学性能试验方法简单成熟，标准化程度高。但是，由于试验是在单向应力状态下

6、程度高。但是，由于试验是在单向应力状态下进行的，故其不能反映应力状态对板料成形性进行的，故其不能反映应力状态对板料成形性能的影响，也不能定量反映板料对不同成形工能的影响，也不能定量反映板料对不同成形工序的成形性能。序的成形性能。（2 2直接模仿试验直接模仿试验 针对特定工艺的试验。有：胀形杯突试针对特定工艺的试验。有：胀形杯突试验、拉深与拉深载荷试验、扩孔试验、弯曲试验、拉深与拉深载荷试验、扩孔试验、弯曲试验、锥杯试验、凸耳试验等。验、锥杯试验、凸耳试验等。1) 1)拉深与拉深载荷试验拉深与拉深载荷试验a. a. 拉深试验拉深试验 如图如图7-1,7-1,将圆片试样压置于凹模与将圆片试样压置于

7、凹模与压边圈之间，通过凸模对其进行拉深成形。需压边圈之间，通过凸模对其进行拉深成形。需要采用不同直径的试样，并按照逐级增大直径要采用不同直径的试样，并按照逐级增大直径的操作程序进行拉深试验，以测定拉深杯体底的操作程序进行拉深试验，以测定拉深杯体底部圆角附近的壁部不产生破裂时允许使用的最部圆角附近的壁部不产生破裂时允许使用的最大试样直径大试样直径(D0)max (D0)max ，试验结束后用，试验结束后用(D0)max(D0)max计算极限拉深比计算极限拉深比LDRLDR。 pdDLDRmax0)(图图7-1 拉深试验方法拉深试验方法b. b. 拉深载荷试验拉深载荷试验 对圆片状试样进行拉深对圆

8、片状试样进行拉深时，试样直径时，试样直径D0D0与最大拉深力与最大拉深力Fpmax,Fpmax,以以及与拉破试样的极限拉深力及与拉破试样的极限拉深力FpfFpf之间均具有之间均具有近似线性关系，利用这种关系，对多种不近似线性关系，利用这种关系，对多种不同直径的试样进行试验测定同直径的试样进行试验测定FpmaxFpmax和和FpfFpf以以后，可以求出杯体底部圆角附近壁部不产后，可以求出杯体底部圆角附近壁部不产生破裂时允许使用的最大试样直径和相应生破裂时允许使用的最大试样直径和相应的载荷极限拉深比。的载荷极限拉深比。 图图72 拉深载荷试验图拉深载荷试验图2 2扩孔试验扩孔试验 如图如图7-3,

9、7-3,试验时，将中心带有预试验时，将中心带有预制圆孔试样置于凹模与压边圈之间压紧，通过制圆孔试样置于凹模与压边圈之间压紧，通过凸模将其下部试样压入凹模，使预制圆孔直径凸模将其下部试样压入凹模，使预制圆孔直径不断扩大，直至孔缘局部发生开裂停止凸模运不断扩大，直至孔缘局部发生开裂停止凸模运动。测量试样孔径的最大值和最小值，用它们动。测量试样孔径的最大值和最小值，用它们计算扩孔率计算扩孔率作为金属板料的扩孔性能指标。作为金属板料的扩孔性能指标。 )(21minmaxfffddd%10000dddf图图7-3 扩孔试验扩孔试验3 3弯曲试验弯曲试验 如图如图7-4,7-4,采用一系列具有不同底采用一

10、系列具有不同底部弧面半径的凸模，将试样按照规定的弯曲角部弧面半径的凸模，将试样按照规定的弯曲角成形后，采用肉眼使用成形后，采用肉眼使用5 5倍放大镜观察，检查倍放大镜观察，检查其变形区外侧表面，观察到裂纹或显著凹陷后，其变形区外侧表面，观察到裂纹或显著凹陷后，在实际弯曲半径上增加在实际弯曲半径上增加0.1mm0.1mm安全裕度作为试安全裕度作为试样的最小弯曲半径，以该表面不产生裂纹或显样的最小弯曲半径，以该表面不产生裂纹或显著凹陷时的最小相对弯曲半径著凹陷时的最小相对弯曲半径rmin /trmin /t作为金属作为金属薄板的弯曲性能指标。薄板的弯曲性能指标。 图图7-4 弯曲试验弯曲试验 4)

11、4)锥杯试验锥杯试验 如图如图7-5, 7-5, 圆片试样放在锥形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，凹模孔内，通过钢球对试样进行复合成形，即锥杯成形，发生破裂时停机即锥杯成形，发生破裂时停机, ,测量锥杯口测量锥杯口部最大外径部最大外径DmaxDmax和最小外径和最小外径DminDmin，用它，用它们计算锥杯值们计算锥杯值CCVCCV作为金属薄板的作为金属薄板的“拉深拉深+ +胀形胀形复合成形性能指标。复合成形性能指标。)(21minmaxDDCCV图图7-5 锥杯试验锥杯试验5)5)用模拟试验反映材料成形性能存在的缺陷用模拟试验反映材料成形性能存在的缺陷 直接或模拟试验能

12、反映板料对某特定工艺的直接或模拟试验能反映板料对某特定工艺的成形性能。但是成形性能。但是, ,它不具有一般性它不具有一般性 。此外。此外, ,它只它只能反映材料宏观平均性能能反映材料宏观平均性能, ,不能反映材料的局不能反映材料的局部性能。部性能。(3)(3)板料成形极限图及其应用板料成形极限图及其应用 成形极限图成形极限图FLDFLD或成形极限线或成形极限线FLCFLC是评定金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。裂问题时经常使用。1) FLD1) FLD的涵义的涵义 冲压成形时，金属板料上缩颈或破裂区冲压成形时

13、，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。如图表面应变量称为表面极限应变量。如图7-6,7-6,二维应变坐二维应变坐标系中，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或勾画出条带形区域称为成形极限曲线(Forming Limit (Forming Limit CurveCurve，缩写，缩写FLC)FLC)，极限应变量与极限曲线共同构成成，极限应变量与极限曲线共同构成成形极限图形极限图(Forming Limit Diagram(Forming Limit Diagram，缩写，缩写FLD) FLD) 。

14、图图7-6 成形极限图成形极限图FLD）2)2)成形极限图成形极限图FLDFLD试验试验 将一侧表面制有网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以外的材料，试样中部在外力作用下产生变形见图见图7-77-7），其表面上的网格圆发生变形，），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寸，计算板料允许的局部表面极限主应变量e

15、1e1、e2e2或或11、22）。）。 图图7-7 试验简图试验简图 下述两种方法可获得不同应变路径下表面极限主应变。a. 改变试样与凸模接触面间润滑条件 测定FLD右半部分双拉变形区，即e10、e20或10、20）。b.采用不同宽度的试样 用来测定成形极限图的左半部分拉-压变形区，即e10、e20或10、20）。 网格变形后形状如图7-8所示，长轴为d1、短轴为d2,将d1和d2近似视为试样平面内一点上的两个主应变方向。 图图7-8 网格圆畸变网格圆畸变根据测量结果，计算试样表面极限应变。根据测量结果，计算试样表面极限应变。 %100%10000220011dddeddde)1ln(ln)1

16、ln(ln20221011eddedd 如图7-9,以表面应变e2(或2)为横坐标、表面应变e1或1为纵坐标，建立表面应变坐标系。在e1-e2坐标系中，习惯将e1和e2分度比例为1：2，而在1-2坐标系中两者分度一般相同。将试验测定表面极限应变量e1、e2或1、2标绘在表面应变坐标系中。 根据表面极限应变量在坐标系中的分布特征，将它们连成适当的曲线图7-9a或构成条带形区域图7-9b），即为成形极限曲线FLC）。图图7-9 成形极限图成形极限图FLD标绘标绘 注：注： 表面极限应变量表面极限应变量 3) 3) 成形极限图的应用成形极限图的应用 根据成形极限图，将板料根据成形极限图，将板料划分为

17、三个区域：安全区、破裂区和临界区。划分为三个区域：安全区、破裂区和临界区。不同工艺，不同工艺参数都会导致板料表面应不同工艺，不同工艺参数都会导致板料表面应变量的不同，从而可以根据该工艺所处成形极变量的不同，从而可以根据该工艺所处成形极限图的位置，确定板材在冲压成形过程中抵抗限图的位置，确定板材在冲压成形过程中抵抗局部缩颈或破裂的能力。具体而言局部缩颈或破裂的能力。具体而言, ,成形极限图成形极限图有如下用途有如下用途: :a. a.分析危险点的位置分析危险点的位置( (见图见图7-107-10和图和图7-11)7-11)b.b.分析破裂产生的原因分析破裂产生的原因, ,指导工艺或模具的改指导工

18、艺或模具的改进进c. c.进行冲压进行冲压( (构造构造) )件的极限设计件的极限设计d.d.保证大批量生产的稳定性保证大批量生产的稳定性e. e.板料成形计算机模拟的判据板料成形计算机模拟的判据( (见图见图7-127-12和图和图7-13)7-13)a应变状态图应变状态图 b板厚应变分布板厚应变分布图图7-10 筒形件拉深件的应变状态图筒形件拉深件的应变状态图a应变分布应变分布 b应变状态图应变状态图图图7-11 胀形件的应变状态图胀形件的应变状态图图图7-12 轿车翼子板成形轿车翼子板成形 过程数值模拟过程数值模拟图图7-13 散热器片成形散热器片成形过程数值模拟过程数值模拟7.2 7.

19、2 现代冲压成形的分类理论现代冲压成形的分类理论 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7-14所示为拉深、翻边、缩口、扩口和弯曲变形过程中毛坯各区的分布。(1)冲压成形时毛坯的区域划分冲压成形时毛坯的区域划分 a)拉深拉深 b)内缘翻边内缘翻边 c)缩口缩口

20、d)扩口扩口 e)弯曲弯曲图图7-14 冲压成形时毛坯各区划分举例冲压成形时毛坯各区划分举例(2)(2)冲压成形的力学分类冲压成形的力学分类 变形区的主应力状态图和主应变状态图不仅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程，必须全面、清晰地了

21、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之间的力学特点，并根据这些特点对各种成形方法分类。方法分类。 图图7-15 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力分类图 根据变形区板料所受应力和应变状态，可分根据变形区板料所受应力和应变状态，可分为两大类：伸长类成形和压缩类成形。为两大类：伸长类成形和压缩类成形。 当作用于变形区内平均应力当作用于变形区内平均应力m 0,m 0,即拉应即拉应力的绝对值最大

22、时，在这个方向上的变形属伸力的绝对值最大时，在这个方向上的变形属伸长变形，称这种冲压成形为伸长类成形。长变形，称这种冲压成形为伸长类成形。 当作用于变形区内平均应力当作用于变形区内平均应力m 0,m r0r0和和r0r0。在平面。在平面应力状态屈服轨迹上的应力分区图图应力状态屈服轨迹上的应力分区图图7-157-15中处于中处于AOHAOH和和HOGHOG范围内，在应变分区图范围内，在应变分区图图图7-167-16中处于中处于AOCAOC和和AONAON范围内，与此范围内，与此相对应的工序是翻边和胀形等。相对应的工序是翻边和胀形等。2 2变形区受双向压应力作用变形区受双向压应力作用 可有以下两种

23、可有以下两种情况：情况： r0 r0和和r0r0r0r和和 r0 r0 。这两种情况在应力分区图中。这两种情况在应力分区图中处于处于GOFGOF和和AOBAOB范围，在应变分区图中处于范围，在应变分区图中处于MONMON和和CODCOD范围，相对应的工序有扩口等。范围，相对应的工序有扩口等。4 4变形区受异号应力作用且压应力绝对值大变形区受异号应力作用且压应力绝对值大于拉应力绝对值，分两种情况：于拉应力绝对值，分两种情况： 0r 0r和和 r0 r0 。这两种情况在应力分布区图。这两种情况在应力分布区图中处于中处于EOFEOF和和BOCBOC范围，在应变分区图中处于范围，在应变分区图中处于MO

24、LMOL和和DOEDOE范围，相对应的工序有拉深等。范围，相对应的工序有拉深等。 （3 3冲压成形力学分类的意义及作用冲压成形力学分类的意义及作用 从变形力学特点将成形工序进行科学的分从变形力学特点将成形工序进行科学的分类，研究其变形规律和本质差别，有利于找类，研究其变形规律和本质差别，有利于找出其共性问题和解决问题的途径和方法。提出其共性问题和解决问题的途径和方法。提高伸长类成形和压缩类成形方法的成形极限高伸长类成形和压缩类成形方法的成形极限的途径与方法是不一样的，以下分别加以讨的途径与方法是不一样的，以下分别加以讨论。论。1) 1)提高伸长类成形极限的措施提高伸长类成形极限的措施a a提高

25、材料的塑性提高材料的塑性 成形前退火、多次成形成形前退火、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。材料塑性，从而提高极限变形程度。b b减小变形不均匀的程度减小变形不均匀的程度 使变形趋向均匀，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。另变形更均匀，有利于提高总的变形程度。另外，与硬化指数外，与硬化指数n n关系密切，原材料关系密切，原材料n n值大，值大，能

26、够防止产生过分集中的局部变形，使胀形、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。翻边、扩口等的极限变形程度得到提高。c c消除局部硬化层或引起应力集中的因素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，模、翻边凸模一边，可防止伸长类成形的开裂，提高成形极限提高成形极限 2 2提高压缩类成形极限的措施提高压缩类成形极限的措施a a降低变形区变形抗力、摩擦阻力和提高传降低变形

27、区变形抗力、摩擦阻力和提高传力区承载能力力区承载能力 如减小压边力、加大凹模圆如减小压边力、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。向加压液压拉深等。b b防止毛坯变形区的失稳起皱防止毛坯变形区的失稳起皱 如减小凹如减小凹模圆角半径、适当增大压边力或采用合理的压模圆角半径、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、弧形压形或抛物线拉深件），可采用拉深筋、弧形压边

28、圈或反拉深等。边圈或反拉深等。c c采用降低变形区变形抗力为主要目的的退采用降低变形区变形抗力为主要目的的退火软化处理火软化处理 如多次拉深时的中间退火等。如多次拉深时的中间退火等。伸长类成形与压缩类成形对比见表伸长类成形与压缩类成形对比见表7-17-1。 表表7-1 伸长类成形与压缩类成形的对比伸长类成形与压缩类成形的对比项项 目目伸长类成形伸长类成形压缩类成形压缩类成形变形区应力、应变关变形区应力、应变关系系拉应力绝对值最大方向对应拉应力绝对值最大方向对应的变形一定是伸长变形的变形一定是伸长变形压应力绝对值最大方向对应的压应力绝对值最大方向对应的变形一定是压缩变形变形一定是压缩变形变形区料

29、厚变化变形区料厚变化减薄减薄增厚增厚 质量问题表现形式质量问题表现形式变形区因受拉过度而破裂变形区因受拉过度而破裂变形区受压严重而失稳起皱；变形区受压严重而失稳起皱；传力区拉破或受压失稳皱褶传力区拉破或受压失稳皱褶成形极限影响因素成形极限影响因素主要受材料塑性（主要受材料塑性（、）限）限制，与制，与、n值关系密切值关系密切 受材料力学性能影响（受材料力学性能影响（s、s /b），毛坯相对厚度），毛坯相对厚度、模具、模具参数（参数（rp、rd）影响大）影响大提高成形极限方法提高成形极限方法提高板料塑性；使变形均匀；提高板料塑性；使变形均匀；一般少用多次成形方法一般少用多次成形方法提高传力区的承载

30、能力；提高提高传力区的承载能力；提高变形区抗压缩失稳能力；常用变形区抗压缩失稳能力；常用多次成形方法多次成形方法典型工序典型工序胀形、翻边、扩口、弯曲胀形、翻边、扩口、弯曲（外层）等（外层）等拉深、缩口、弯曲（内层）等拉深、缩口、弯曲（内层）等（4 4吉田分类图吉田分类图 生产中将弯曲、拉深、胀形和翻边称为四生产中将弯曲、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

31、验得到了图响，日本吉田清太等人通过试验得到了图7-7-1717所示的冲压成形分类图。所示的冲压成形分类图。图图7-17 冲压成形分类图冲压成形分类图 由图中可见，用圆柱形凸模冲压成形时，成形由图中可见，用圆柱形凸模冲压成形时，成形方式与几何参数方式与几何参数dpdpD D拉深系数和拉深系数和d0d0dpdp翻边系数有关。用翻边系数有关。用d0d0dpdp作横坐标，作横坐标，dpdpD D作纵坐标，便可得到图作纵坐标，便可得到图7-177-17中中I I区所示的回区所示的回转对称形状成形时的冲压成形区域图。根据参转对称形状成形时的冲压成形区域图。根据参数数d0d0dpdp和和dpdpD D的变化，该部分图形划分为：的变化，该部分图形划分为：- - 拉深成形区；拉深成形区；- - 胀形成形区；胀形成形区；- - 扩孔区；扩孔区；- - 圆孔翻边区；其中圆孔翻边区；其中 、和和共同组成