冲压工艺及模具设计经典教材冲压工艺及模具设计冲压成形的特点与基本规律

1、2.1 冲压成形的特点冲压成形主要具有如下特点： (1) 平面应力状态多 由于冲压成形板料毛坯的尺寸特点，模具对毛坯的作用力一般作用于板料的表面，产生数值不大且垂直于板面方向的单位压力，但此单位压力已足以产生使板材塑性变形的内应力。由于垂直于板面方向上的单位压力数值远小于板面方向上的内应力，因此大多数的冲压变形都可以近似作为平面应力状态处理。(2) 伸长类变形多 相对于板面尺寸，冲压毛坯的厚度很小，压应力作用下的抗失稳能力也很差，在没有抗失稳装置(如压边圈等)的约束作用下较难顺利地冲压成形，因此在各种冲压成形方法中，以拉应力作用为主的伸长类冲压成形多于以压应力为主的压缩类成形。(3) 静水压力

2、影响小 在体积成形(如模锻、挤压等)时，毛坯的内应力有时可能超过其屈服应力许多倍，不可忽视变形区应力状态中的静水压力(即应力球张量)对成形极限和变形抗力的影响。而板料冲压成形时，毛坯中的内应力数值接近或等于材料的屈服应力，有时甚至小于板料的屈服应力，因此处理静水压力的方式和方法都不同，有些情况下静水压力甚至可以忽略不计(但精冲时的静水压力作用不可忽视)。(4) 模具的约束作用轻 体积成形(如模锻)时，靠毛坯全面接触与制件形状完全相同的模腔而实现强制成形。而在冲压成形中，模具对板料毛坯作用力所形成的约束程度较轻，大多数情况下板料毛坯都存在一定的自由度，常常只有一侧表面与模具接触，而另一侧表面是非

3、接触的自由表面。甚至有时板料变形部分的两侧表面都不与模具接触，此时的变形则是靠模具对其相邻部分施加外力来实现，如球面和锥面零件成形时的悬空部分等。冲压技术的研究也有一些新的特点 ：(1) 冲压成形理论研究 充分进行冲压成形过程的应力应变分析和板料变形规律研究，利用计算机数值分析方法(有限元FEM等)模拟板料的塑性变形过程，预测工艺方案的可行性及可能出现的质量问题，实现优化设计。(2) 冲压工艺研究 利用现代测试技术和控制技术，分析和掌握各种技术参数和材料性能对冲压变形质量影响，实现冲压过程智能化。不断创新和发展冲压新工艺，如精密冲压工艺、软模成形工艺、高能高速成形工艺、超塑性成形工艺及无模多点

4、成形工艺等。(3) 冲压模具研究 模具的高效率、高精度、高寿命以及多工位、多功能是现代生产的需要，必须大力研究和发展与之相适应的模具材料技术、热处理技术、表面技术、加工技术、检测技术以及模具CAD/CAM技术等。(4) 材料性能研究 冲压成形与原材料有十分密切的关系，深入进行板材冲压性能(成形性、形状冻结性等)的研究是冲压技术发展的需要，也是促进钢铁制造业不断提高冲压板材的质量和性能的需要。2.2 冲压成形中毛坯的分析 板料冲压成形时，毛坯不同位置的应力状态和应变状态并不相同。只有应力状态满足屈服准则的区域才会产生塑性变形，此区称为塑性变形区；其他没有满足屈服准则的区域则不会产生塑性变形，称为

5、不变形区。 几种典型冲压成形中毛坯的分析如图2.1所示。在这四种成形工序中，A是塑性变形区，它在图示的冲压成形状态下正在进行塑性变形；B、C、D都可称为不变形区。其中B是已经完成了塑性变形的已变形区；C是自始至终都不参与变形的不变形区；D是暂不变形的待变形区。(a) 拉伸 (b) 再次拉伸 (c) 翻边 (d) 缩口图2.1 冲压毛坯分析 同时，图2.1(a)、(b)、(c)中的B区以及图2.1(d)中的C、D区也是传力区，在冲压成形过程中起到将冲模的作用力传递给变形区的作用。不变形区可能是传力区(见图2.1(d)中的C区)，也可能是不传力的已变形区(见图2.1(d)中的B区)或待变形区(见图

6、2.1(b)中的D区)，也有的不变形区在冲压过程中自始至终都不传力也不产生塑性变形(见图2.1(a)、(b)、(c)中的C区)。 冲压成形过程是不断变化的连续过程，各个区域之间可以相互转化。 对变形区与不变形区的判断 ：如果毛坯中某部分内任意两点的距离不产生变化，即任意两点之间不发生相对的位移，即使该部分产生总体位置的平移(刚性平移)或等角速度的转动(刚性转动)，这部分也一定是不变形区。 2.3 冲压变形的分类 分析研究冲压成形过程，需要从本质上揭示变形区的应力应变特征及变化规律，进而确定冲压工艺和成形参数，毛坯变形区的应力状态和变形特点是决定各种冲压成形性质的主要依据 。 使板料毛坯产生塑性

7、变形的是作用于板面方向上相互垂直的两个主应力(记为经向应力和纬向应力) 。以根据塑性成形理论作出冲压成形时平面应力状态的应力图(见图2.2)和相应的两向应变状态的变形 图(见图2.3)。 图2.2 冲压应力图 图2.3 冲压变形图 2.3.1 两向拉应力两向拉应力即 , , 。可以分为两种情况： 和 ， 。1. ， 时的应力状态 当 ， 按全量理论可以写出如下应力与应变的关系 式中： ， ， 分别是轴对称冲压成形时的经向、纬向和厚度方向上的主应变； ， ， 分别是轴对称冲压成形时的经向、纬向与厚度方向上的主应力； 平均应力， 。 k正常数 。在平面应力状态时，式(2.1)具有如下形式 0r0t

8、0r0t0r0t0r0t0r0t0trrmmtmk(2.1) rtrtmmrt()/3trrrr33322()k(2.2) 因为 ，则 ，所以一定有 。这表明，在两向拉应力的平面应力状态时，如果绝对值最大的拉应力是 则在这个方向上的主应变一定是正应变，即是伸长变形。又因为 ，则 ，由式(2.2)可知 。即在板料厚度方向上的应变为负值，是压缩变形，厚度变薄。在 方向上的变形决定于 和 的数值：当 时，当 时， 。双向等拉应力状态( )时，有 ；单向拉应力状态( )时，有 。根据以上分析可知，这种变形情况处于冲压应力图中GOH范围(见图2.2)；在冲压变形图中处于AON范围(见图2.3) 2. ，

9、 时的应力状态 当 ， 时，有 ，由式(2.2)可知 。这表明，对于两向拉应力的平面应力状态，当 的绝对值最大时，则在这个方向上的应变一定是正的，即一定是伸长变形。r0r20r0rr0r()00rr20r20r0r00r/2 r0t0r0t0r200又 因为 ，则必定有 ， 所以必定有 即在板料厚度方向上的应变为负值，是压缩变形，厚度变薄。在 方向上的变形决定于 和 的数值：当 时， 当 时，有 ；当 时， 。双向等拉应力状态( )时,有 ；单向拉应力状态( )时，有 ，即在单向应力状态下，其变形性质与一般的简单拉伸完全一致。 上述两种冲压变形情况，两个应力的性质与比值范围以及它们引起的变形都

10、是一样的，仅仅是最大应力的方向不同。因此，对于各向同性的均质材料，这两种变形是完全相同的。r0r()0t0rrr2r0r2r0r2r0r0r0r0r/2 2.3.2 两向压应力冲压毛坯变形区受两向压应力的作用时，变形也可分两种情况1. ， 时的应力状态 当 ， 时，由式(2.2)可知 ， 所以一定有 这表明：在两向压应力作用的平面应力状态时，如果绝对值最大的应力是 ，则在这个方向上的应变一定是负的，即压缩变形。 又因 ，则 ，所以必定有 ，即在板厚方向上的应变是正的，板料增厚。在 方向上的变形决定于 和 的数值；当 时，当 时， ；当 ， 。双向等压应力状态( )时，有 ；单向压应力状态( )

11、时，有 。这种受力与变形情况，在冲压应力图中处于COD范围(见图2.2)，在冲压变形图中处于GOE范围(见图2.3)。r0t0r0t0r20r0r0r0r()0t0rr20r20r20r0r00r/2 r02. ， 时的应力状态 当 ， 时，由式(2.2)可知 ，所以一定要 。这表明，对于两向压应力作用的平面应力状态，如果绝对值最大的应力是 ，则在这个方向上的应变一定是负的，是压缩变形。又因 ，则 ，所以必定有 ，即在板厚方向上的应变是正的，板料增厚。在 方向上的变形决定于 和 的数值；当 时，当 时， ；当 时， 。双向等压应力状态( )时，有 ；单向压应力状态( )时，有 。这种与受力与变

12、形情况，在冲压应力图中处于DOE范围(见图2.2)，在冲压变形图中处于GOL范围(见图2.3)。t0r0t0r2000r0r()0t0rr20r20r20r0r0r0r/2 2.3.3 两向异号应力 冲压毛坯变形区受两个方向上异号应力的作用，可以分为以下4种情况进行分析。1. ， ， 时的应力状态 当 ， ， 时，由式(2.2)可知 ，所以一定有 。这表明，在异号应力作用的平面应力状态时，如果绝对值最大的应力是压应力，则在这个绝对值最大的压应力方向上的应变是负的，即为压缩变形。又因 ， ，可知 ，由式(2.2)一定有 即在拉应力的方向上的应变是正的，是伸长变形。由于 ，当 时， ；单向压应力状

13、态( )时，有 。这种应力和变形状态处于冲压应力图中的EOF范围(见图2.2)，在冲压变形图中处于MOL范围(见图2.3)。r00rr00rr200r00r20r0r0,r r0 r0r/20 2. ， ， 时的应力状态 当 ， ， 时，由式(2.2)可知 ，所以一定有 。这表明，在异号应力作用的平面应力状态时，如果绝对值最大的应力是压应力，则在这个绝对值最大的压应力方向上的应变是负的，即为压缩变形。 又因 ， ，可知 ，由式(2.2)一定有 即在拉应力的方向上的应变是正的，是伸长变形。由于 ，当 时， ；单向压应力状态( )时，有 。这种应力和变形状态处于冲压应力图中的BOC范围(见图2.2

14、)，在冲压变形图中处于DOE范围(见图2.3)。 00r0r0rrr20r00r0r20r0r0,r r0 0r/20 3. ， ， 时的应力状态 当 ， ， 时，由式(2.2)可知 ，所以一定有 。这表明，在异号应力作用的平面应力状态时，如果绝对值最大的应力是拉应力，则在这个绝对值最大的压应力方向上的应变是正的，即为伸长变形。 又因 ，由式(2.2)一定有 即在压应力的方向上的应变是负的，是压缩变形。由于 ，当 时， ；单向压应力状态( )时，有 。这种应力和变形状态处于冲压应力图中的AOB 范围(见图2.2)，在冲压变形图中处于COD范围(见图2.3)。00r0r0rrr200r0r,0

15、r r0 r0r/20 r20 4. ， ， 时的应力状态 当 ， ， 时，由式(2.2)可知 ，所以一定有 。这表明，在异号应力作用的平面应力状态时，如果绝对值最大的应力是拉应力，则在这个绝对值最大的压应力方向上的应变是正的，即为伸长变形。 又因 ，由式(2.2)一定有 即在压应力的方向上的应变是负的，是压缩变形。 由于 ，当 时， ；单向压应力状态( )时，有 。这种应力和变形状态处于冲压应力图中的GOF范围(见图2.2)，在冲压变形图中处于MON范围(见图2.3)。r0r000rrr20r0r200r,0 r r0 0r/20 需要说明的是：这几种应力和变形状态对应于相关的冲压成形方法，

16、它们之间的对应关系用文字标注在图2.2和图2.3上。 以上分析的几种变形情况把全部的冲压变形概括为两大类别，即伸长类与压缩类。当作用于冲压毛坯变形区内的拉应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是伸长变形，称为伸长类变形。当作用于冲压毛坯变形区的压应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是压缩变形，称为压缩类变形。伸长类变形和压缩类变形在冲压成形工艺中具有不同的特点见表2-1。表2-1 伸长类变形和压缩类变形的比较2.4 冲压变形趋向性及其控制 2.4.1 冲压变形趋向性1. 弱区先变形 在同一个冲模外力的直接作用下，毛坯的各个部分都有产生某种形式的塑性变形的可能，但是，由于受模具外力作用

17、方式与以及毛坯各部分的几何形状与尺寸的不同，在所有各种可能发生的变形方式中，需要变形力最小的部分(弱区)首先变形。即“弱区先变形，变形区应为弱区”，这个原则对所有冲压成形过程都适用。(a) 开始缩口状态 (b) 缩口中间状态图2.4 缩口时的变形趋向性如图2.4的缩口变形，在变形力F的作用下，A区受缩口模的作用，在有利的变形条件下先屈服，产生塑性变形；而C区同样也受到变形力F的作用，却没有屈服变形。这是因为A区屈服需要的变形力小，是相对的弱区。C区是强区，同时也是把来自冲压设备的作用力F传递到变形区的传力区。 在设计工艺过程、选择工艺方案、确定工序和工序尺寸时，必须遵循“弱区先变形，变形区应为

18、弱区”的原则。如图2.5所示工件，当D与d较大、h较小时，可用带孔的环形毛坯用翻边变形加工；而当D与d较小、h较大时，若用翻边变形加工则不能保证毛坯外环是强区和翻边部分是弱区，翻边时毛坯的外径必然收缩，此时就必须改变原工艺方案为拉伸后切底或加大环形毛坯外径后翻边成形、再冲切外圆至尺寸D。图2.5 变形趋向性对冲压工艺的影响2. 变形区与相邻区相互影响 由于模具力的作用，引起冲压毛坯变形区产生与外力方向一致的内应力，并使之产生与之相应的变形与位移。如果变形区的变形与位移受到相邻区域的影响或牵制，就可能在变形区和与之相邻的其他部分之间引发出诱发应力，诱发应力将影响毛坯的变形趋向。 通常受诱发应力作

19、用的两个部分的形状与尺寸是不同的，因此作用于这两个部分的诱发应力的大小也是不同的。又因这两个部分可能产生的塑性变形方式不同，其产生塑性变形所需力的大小也不一样。所以，在数值相等的内力作用条件下，必定有一个部位以需力最小的方式首先进入塑性变形状态。因此在冲压毛坯的相邻部位上，受到由诱发应力引起的方向相反数值相等的内力作用时，在所有可能产生的变形方式中，需要变形力最小的部位以需力最小的方式首先变形。 在如图2.6所示的伸长类曲面翻边变形过程中，在模具的作用下，毛坯两侧直壁内产生与凸模力作用方向相同的拉应力，在两侧翼曲面部位上产生诱发拉应力()，同时，还在底面上产生诱发压应力()。可能引起的变形缺陷

20、是：在底面上可能产生压应力作用下的失稳起皱(见图2.7)；在两侧翼面上可能产生因拉应力过度的开裂。3. 变形区尺寸与加工硬化影响 通常变形大的部位，金属材料的加工硬化也严重，即这部分的变形硬化也大于其相邻部分，结果使变形得以扩展。所以加工硬化性能较强的材料，可使变形区内应变的分布更趋均匀。 图2.6 伸长类曲面翻边时的诱发应力 图2.7 诱发应力引起的底面起皱变形2.4.2 变形趋向性的控制在冲压生产中被用来控制变形过程的主要措施与因素如下：1. 合理确定毛坯各部分的相对尺寸 如图2.8(a)所示的毛坯，当其外径 、内孔 及凸模直径 具有不同的比例时，有三种可能的变形趋势：拉伸、翻边和胀形，从

21、而形成三种形状完全不同的零件。 图2.8(b)中， 、 都比较小， ， ，宽度为 的外环部分成为弱区，于是得到外径收缩的拉伸变形。 图2.8(c)中， 、 都比较大， ， ，宽度为 的内环部分成为 弱区，于是得到外径不变、内孔扩大的翻边变形。 图2.8(d)中， 比较大， 却比较小甚至为零，即有 ，这时毛坯外环的拉伸变形和中间部分的翻边变形的阻力都增大了，使中间部分材料需要的变形力最小，于是得到外径不变、毛坯中间部分变薄的胀形工艺。0D0dpd0D0d0p/1.52Dd 0p/0.15dd 0pDd0D0d0p/2.5Dd 0p/0.20.3dd p0dd0D0d0p/2.5Dd 0p/0.1

22、5dd 2. 改变模具工作部分的几何形状和尺寸如图2.8(a)中，增大凸模圆角半径 ，减小凹模圆角半径 可以使翻边阻力减小，拉伸变形的阻力增大。反之， 减小， 增大，则有利于拉伸变形。生产中常采用修磨圆角的方法来控制毛坯的变形趋向。R凸R凹R凸R凹3. 改变毛坯和模具之间的摩擦阻力 如增大图2.8中的压边力Q，使毛坯与压边圈和凹模表面间的摩擦力增大，将有利于实现翻边或胀形而不利于拉伸变形。减小压边力Q，在毛坯和凹模之间加润滑油，可以减小毛坯与压边圈和凹模表面间的摩擦阻力，有利于拉伸变形R凸R凹图2.8 环形毛坯的变形趋向F冲压力 Q压边力 凸模圆角半径 凹模圆角半径凸模圆角半径 凹模圆角半径4

23、. 降低变形区的变形抗力或提高传力区的强度 采用局部加热或局部深冷的方法，可以降低变形区的变形抗力或提高传力区的强度，两者都能达到控制变形趋向的目的，可以使一次成形时的成形极限增大。如在拉伸或缩口时对变形区局部加热，在不锈钢毛坯拉伸时对传力区局部深冷，都能增大一次成形的成形极限。2.5 冲压变形中的应力2.5.1 加载应力 加载应力是由模具作用于坯料上的外力或外力矩直接引起的内应力。 加载应力的数值可以利用模具外作用力(或外力矩)与内应力相平衡的条件求得。在一般的情况下，当外作用力去除以后，加载应力也随之消失。加载应力可以作用于变形区，也可能作用于非变形区。加载应力可能是模具与板料毛坯的表面接

24、触压力直接作用的结果，也可能是接触表面接受外力作用之后由传力区把加载应力传递到变形区。 图2.9所示为板料毛坯在弯曲时的变形区应力分布，圆周方向上的应力()就是由外力矩作用引起的加载应力。 冲压变形时诱发应力的产生原因，有以下两种情况。 (1) 冲压毛坯变形区在加载应力的作用下，会产生塑性变形，使毛坯的形状发生变化。如果受到毛坯其他部分或其本身形状刚度的阻碍，形状的变化不能顺利地进行时，就会在毛坯内引起诱发应力 (2) 冲压成形时，毛坯的不均匀变形也会引起诱发应力，由于产生不均匀变形的原因不同，诱发应力的产生机理也不一样。图2.9 板料弯曲时的应力 图2.10 各向异性圆筒件拉伸时的诱发应力2

25、.5.2 诱发应力2.5.3 残余应力 残余应力也是冲压件中存在的一种内应力形式。 当冲压成形过程结束，冲压件由模具内脱离出来，外力完全消失，但原来存在于冲压毛坯中的内应力(加载应力与诱发应力)并不会完全消除，部分将以残余应力的形式保留下来。由于不存在外力的作用，所以冲压件中的残余应力一定是以相互平衡的拉应力和压应力的形式存在。 残余应力是冲压毛坯经历了冲压变形和卸载两个过程之后形成的，与冲压成形过程中毛坯内部的应力状态和变形分布有关。 图2.11 残余应力引起纵向开裂2.6 冲压成形中的破坏2.6.1 变形区破坏 变形区破坏是伸长类冲压成形中常见的破坏形式，可发生于伸长类翻边、伸长类曲面翻边

26、、胀形、扩口、拉伸或压弯等冲压成形的毛坯变形区中，图2.12所示为球面胀形时的变形区破坏现象。除了因毛坯材料的质量问题外，一般是因为变形区内的应力超过毛坯材料的强度极限(变形程度也达到或超过材料的成形极限)，因此，减小变形内应力、提高成形极限的措施均有助于减轻或避免变形区破坏现象的发生。2.6.2 传力区破坏 传力区破坏是冲压成形中另一种常见的形式。在冲压成形时，传力区的功能是把模具的作用力传递到变形区。如果变形区产生塑性变形所需要的力超过了传力区的承载能力，传力区就会发生破坏。传力区破坏多发生在传力区内应力最大的危险断面，如图2.13所示的拉伸件侧壁靠近底部在凸模圆角部位的破坏。图2.12

27、变形区破坏 图2.13 传力区破坏2.6.3 局部破坏 局部破坏是冲压成形中破坏的一种特殊形式。这种破坏多发生在非轴对称形状零件的冲压成形过程。图2.14(a)是发生在盒形件拉伸时的局部破坏(壁裂)。图2.14(b)是发生在不连续的拉伸筋出口处的局部破坏(拉伸筋处开裂)。这两种破坏具有非常明显的局部特点，它可能发生在变形区，也可能发生在传力区，也可能发生在兼有变形区和传力区功能的部位，但不发生在通常所认为的危险断面部位 。 a )b )(a) 拉伸壁裂 (b) 拉伸筋处开裂图2.14 局部破坏2.6.4 残余应力破坏 残余应力引起的破坏有时发生在冲压成形完成后的脱模过程中，有时发生在冲压成形后

28、放置一段时间，甚至发生在冲压件的安装和使用过程中，因此又称时效破坏。图2.11就是圆筒形拉伸件由残余应力引起的时效破坏。可以通过提高毛坯材料的质量与性能、减小或消除残余应力等方法来避免破坏。例如，在圆筒形零件拉伸时，适当减小拉伸凸模、凹模的间隙就可以降低外表面圆周方向的拉伸残余应力 。2.7 冲压成形中的起皱2.7.1 压应力下起皱 在冲压成形时，冲压件形状与模具表面形状密切相关。 在轴对称零件的拉伸过程中，毛坯的外缘周边部分是主要的变形区，通常称作法兰区。冲压力形成变形区内的拉应力和法兰内的径向拉应力，若此径向拉应力不足以使法兰区产生足够的周向压缩应变，将引起法兰区产生周向压应力，法兰部分发生起皱，如图2.15所示。 如果产生的周向压缩变形不够大时，就会在毛坯的变形过程中产生周向压应力，并引起起皱如图2.16所示，这种发生在凹模口内的起皱常称为内皱。 图2.15 拉伸球面时法兰边起皱 图2.16 拉伸锥面时的内皱 在生产中防止和消除压应力下起皱的措施有： (1) 如果起皱部位在成形过程中始终具有平面或其他规则的形状，有条件在垂直于板面方向对起皱部位施加压力时，可以采用防起皱的压料装置(如压边圈等)增强毛坯的抗起皱能力，使这部分毛坯产生足够大的压缩变形以保证它顺利地完成靠模位移运