金属塑性成形工艺及模具设计全套课件完整版电子教案最新板

1、1金属塑性成形工艺及模具设计2目录 第一章 概述 第二章 塑性加工工艺基础 第三章 冲裁 第四章 弯曲 第五章 拉深 第六章 其它成形方法 第七章 锻造的热规范 第八章 自由锻主要工序分析 第九章 模锻成形工序分析 第十章 精密模锻技术 第十一章 模具典型结构及工作原理 第十二章 冲压模具设计方法 第十三章 锻造模具设计方法 3第一章 概述 根据加工温度和毛坯状态，金属塑性成形工艺可分为冲压工艺和锻造工艺两类加工方法。冲压工艺主要是在室温下对板材、管材、型材等原材料加工，俗称冷加工。锻造工艺一般是对加热的块料进行加工，发生体积成形，俗称热加工。4第一章 概述1.1 冲压工艺 冲压是在室温下，利

2、用安装在压力机上的模具对板料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法。又称为冷冲压或板料冲压。 冷冲压广泛用于汽车、电机、电器、仪表及日常生活用品中，在国防工业中占有重要地位。冲压件比例： 精密机械中8085； 仪器、仪表、电机6070 汽车6075%； 自行车、缝纫机、手表80； 电视机、收录机、摄像机905第一章 概述典型冲压件汽车产品6第一章 概述典型冲压件家用产品7第一章 概述典型冲压件军工用品8第一章 概述典型冲压件其它工业产品9第一章 概述特点应用范围广 金属材料非金属材料（胶木、有机玻璃、纸板、皮革 ) 仪表零件（百分之几克）汽车覆盖件、飞机蒙皮、锅炉

3、封头生产率高、材料利用率高 一般可达几几十件/分，高速冲床几百几千件/分； 一般不需加热；材料利用率可达7085以上。产品质量稳定 加工精度高，互换性好， 一般不需进一步加工。便于操作、易于实现机械化、自动化缺点 模具要求高、制造复杂、周期长、制造费昂贵，因而在小批量生产中受到限制。生产中有噪音。10第一章 概述 工序分类 冲压毛坯在不破坏的情况下发生塑性变形，并转化成所要求的成果形状。同时，应满足尺寸精度方面的要求，如弯曲、拉深、胀形、翻边、扩口、缩口、拉弯及旋压等。成形工序： 冲压件与板料沿一定轮廓线相互分离，同时冲压件分离断面也要满足一定要求。如落料、冲孔、裁剪、切边、剖切等。分离工序：

4、11第一章 概述分离工序12第一章 概述成形工序13第一章 概述14第一章 概述15第一章 概述1.2 锻造工艺 锻造是在一定温度条件下，利用工具或模具对坯料施加载荷，使金属产生塑性变形，从而使坯料发生体积的转移和形状的变化，以获得所需形状、尺寸和组织性能的锻件。其主要任务是解决锻件的成形以及内部组织性能的控制。 锻造是一种既质量高又经济实用的制坯和成形方法。特别是对性能要求高，形状较复杂的零件，其优越性更为突出。例如，发电设备主轴、转子、叶轮、护环等重要零件均是由锻件制成的。锻造工艺广泛应用于机械、冶金、航空、航天、船舶和兵器等诸多工业领域，在国民经济中占有极为重要的地位。16第一章 概述典

5、型锻造件-钢17第一章 概述典型锻造件-有色合金18第一章 概述特点节约原材料和机械加工工时 模锻件的机械加工余量小，而精密锻件甚至不需要机械加工就可以提供满足形状和尺寸要求的零件。锻件的形状、尺寸稳定性好 除自由锻件之外，锻件最终的形状和尺寸主要靠锻模的终锻模膛来保证，其形状和尺寸的波动非常小。锻件具有最佳的综合力学性能 锻造时金属经过塑性变形和再结晶，粗大的组织被破碎，疏松和孔隙被压实、焊合，形成了合理的纤维组织，内部组织和性能得到了较大改善。 锻造加工生产率高 例如，一台自动螺栓镦锻机每分钟可生产螺栓230件，相当于10多台自动车床的生产效率。19第一章 概述 按使用工具的不同，锻造可分

6、为两大类。工序分类自由锻 只用简单的通用性工具，或在锻压设备的上、下砧间直接使坯料成形而获得所需锻件的方法。单件、小批量生产多采用自由锻工艺。自由锻的主要成形工序有镦粗、拔长、冲孔、扩孔、错移、扭转等。模锻 利用模具使坯料变形而获得锻件的锻造方法。锻件的生产批量大、形状和尺寸精度要求高，采用模锻工艺生产。但对于某些航空关键、重要锻件，虽然批量不大，但由于流线和性能以及工艺一致性的要求等，通常也采用模锻工艺生产。模锻的主要成形工序有开式模锻、闭式模锻、挤压和顶镦等。 20第一章 概述表1-3 自由锻基本工序21第一章 概述22第一章 概述23第一章 概述表1-4 模锻基本工序24第一章 概述25

7、第二章 塑性加工工艺基础 冲压成形和锻造成形都属塑性成形方法，塑性加工力学是其共同的力学基础。但由于所用材料几何形状、成形温度、所用设备及模具的不同，在成形特点及变形规律上有较大区别。 锻造成形一般为三向应力状态，静水压应力对变形有重要影响。而冲压成形时，大多数的冲压变形都可以按平面应力状态处理，使问题相应得到简化。 锻造成形时（尤其模锻时），整个毛坯全部为变形区，金属发生多方位流动的体积成形。而冲压成形时，变形毛坯可分为变形区和不变形区，一般仅变形区金属发生变形，板材厚度变化不大。26第二章 塑性加工工艺基础 锻造成形（模锻）是靠与制件完全相同的模腔对毛坯的全面接触而实现的强制成形，飞边槽在

8、变形控制中起重要作用。而冲压成形时，大多数情况下，板料毛坯都有某种程度的自由度，不与模具接触的变形部分毛坯的变形靠模具对其相邻部分施加的外力控制。因此，合理调整压边力往往决定冲压变形的成败。 锻造成形一般在高温下进行，因此材料组织结构及再结晶行为对变形有较大影响，材料的流动性是影响最终变形结果的关键，其主要失效形式有破裂，折迭及充不满等。而冲压成形一般在室温下进行，因此材料硬化性能对变形有较大影响，材料的成形性及冻结性已为材料性能的研究重点，其主要失效形式是破裂和起皱。27第二章 塑性加工工艺基础2.1 各种冲压成形力学特点与分类 在冲压成形时，把变形毛坯分成变形区和不变形区。各种冲压成形过程

9、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决定各种冲压变形的根本性质。 28第二章 塑性加工工艺基础 板材成形时，板厚方向应力与板平面方向应力相比很小，有时为零。因此，板材成形可按平面应力处理。可以把各种形式的冲压成形中的毛坯变形区的受力状态与变形特点，在平面应力的应力坐标系中（冲压应力图）与相应的两向应变坐标系中（冲压应变图）以应力与应变坐标决定的位置来表示。也就是说，在冲压应力图与冲压应变图中的不同位置都代表着不同的受力情况与变形特点 可以把冲压变形方式按毛坯变形区的受力情况（应力状态）和变形特点从变形力学理论的角度归纳为以下几种情况，并分别研究它们的变形

10、特点：29第二章 塑性加工工艺基础（1）冲压毛坯变形区受两向拉应力作用，可分为两种情况：1.变形分类 这种情况处于冲压应力图的GOH，处于冲压应变图的AON。双等拉单拉30第二章 塑性加工工艺基础 这种情况处于冲压应力图的AOH，处于冲压应变图的AOC与这种变形情况对应的变形是胀形、内孔翻边。（2）冲压变形区两向压应力作用 双等拉单拉冲压应力图的COD，冲压应 变图的GOE与该种情况相对的变形有缩口变形等。冲压应力图的DOE，冲压应变图的GOL31第二章 塑性加工工艺基础（3）变形区受异号应力作用，且拉应力绝对值大于压应力绝对值（4）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处于冲压

11、应力图的GOF，冲压应变图的MON；与该种情况相对的变形有扩口等。处于冲压应力图的AOB，冲压应变图的COD；处于冲压应力图的EOF，冲压应变图的MOL；与该种情况相对的变形有拉深等。处于冲压应力图的BOC，冲压应变图的DOE；32第二章 塑性加工工艺基础 综合上面四种受力情况的分析结果，可以把全部变形概括为两大类：伸长类变形和压缩类变形。 a) 冲压应力图b) 冲压应变图 33第二章 塑性加工工艺基础伸长类变形 当作用于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，称这种冲压变形为伸长类变形，包括冲压变形图中的 MON、NOA、AOB、BOC、COD等五个区。压缩类变

12、形 当作用于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，称这种冲压变形为压缩类变形。包括冲压变形图中的MOL、LOH、HOG、GOE、EOD五个区。 MOD是伸长类成形与压缩类成形在冲压变形图上的分界，FOB是冲压应力图上的分界。34第二章 塑性加工工艺基础两类冲压成形特点对比35第二章 塑性加工工艺基础2.2 冲压变形趋向性及其控制 冲压成形的本质就是使毛坯按要求完成可控制的变形过程。在所有的冲压成形过程中，都是使毛坯的某个部分或几个部分以适当的方式变形，以得到预期形状。同时又必须保证其它部分不发生变形。为了做到这一点，必须遵循冲压变形趋向性规律，对变形过程实行有效控

13、制。在生产中常利用模具工作部分对毛坯的作用、摩擦与润滑、毛坯的形状与尺寸、材料的冲压性能和加载速度等，实现对冲压变形过程的控制。 在冲压过程中，成形毛坯的各个部分在同一模具的作用下，却有可能发生不同形式的变形，这种不同变形方式发生的可能性称为变形趋向性。36第二章 塑性加工工艺基础1. 毛坯在冲模力直接作用下的变形冲压变形趋向性规律一： 在同一冲模外力直接作用下毛坯的传力区与变形区都有产生某种方式的塑性变形的可能，即都具有某种塑性变形的趋向。但是，由于受模具外力作用的各区的几何形状与受力方式的不同，在所有可能产生的变形方式中，需要变形力最小的变形方式首先变形。37第二章 塑性加工工艺基础2.

14、毛坯在诱发应力作用下的变形a) 模具冲压变形趋向性规律二： 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首先变形。b)零件38第二章 塑性加工工艺基础3. 毛坯同一变形区不同部位的变形 冲压变形趋向性规律三：a) 切向应力 在同一变形区内毛坯各部分的变形不能保证均匀变形条件时，在需要变形力最小的部位上首先产生变形，而且在以后的变形过程中其变形程度也是最大的。b) 切向应变39上述三个冲压变形趋向性规律，各自适用于不同的冲压变形问题的分析，它们各自的含义也完全不同。但是从本质上看，它们是完全一致的。如果把冲压毛坯中需要

15、最小变形力的部分称为弱区，而把其他部分称为强区，则可以把这三个变形趋向性规律概括成一个具有普遍意义的规律：在冲压成形过程中，毛坯内产生塑性变形的变形区，一定是需要变形力最小的弱区，而且以需力最小的方式变形。第二章 塑性加工工艺基础40第二章 塑性加工工艺基础2.3 锻造过程的金属变形流动规律1.塑性变形时的金属流动方向 C.N.古布金提出了“最小阻力定律” 如果物体在变形过程中质点有向各个方向移动的可能性时，则物质体内各质点将是向着阻力最小的方向移动的。图2-7 金属流动方向 塔尔诺夫斯基 图2-8 金属流动方向示意图a) 摩擦系数非常大时 b) 一般摩擦时 c)没有摩擦时41 哈工大吕炎教授

16、 在上述观点中包括了古布金的说法，但又有区别： 1）应用范围比古布金的“最小阻力定律”广。 2）在三向压应力情况下增加了“主要”二字，即考虑了中间主应力和相邻金属的影响。第二章 塑性加工工艺基础 不仅摩擦系数，而且坯料尺寸的相对比例和“一次压下量”等对金属的流动方向都有重要影响。 提出： 在三向压应力的情况金属主要向着最小阻力（增大）的方向流动。42第二章 塑性加工工艺基础在摩擦系数很大时金属流动示意图（四分之一截面） （实线变形后网格 虚线变形前网格）在一般摩擦条件下金属流动示意图（实线变形后网格 虚线变形前网格）432.金属塑性变形时的不均匀性 塑性加工时，由于金属本身性质（成分、组织）不

17、均匀和各处受力情况不同，金属内各处的变形情况也不同，变形首先发生在那些先满足屈服准则的部分。第二章 塑性加工工艺基础 塑性变形的不均匀性包括两方面的含义： 1）塑性变形程度的不均匀性（指变形最后结果而言） 2）塑性变形的不同时性（时间上有先后）。443.工具形状对金属变形和流动的影响 控制锻件的最终形状和尺寸 控制金属的流动方向 第二章 塑性加工工艺基础 模锻用的终锻模膛、气胀成形用的终成形模具等都是为了控制锻件最终的形状和尺寸。为保证锻件的形状和尺寸精度，设计模具时应注意以下两点：1）热锻时应考虑锻件和模具的热收缩；2）精密成形时还应考虑模具的弹性变形。 工具对金属流动方向的控制就是对不同的

18、毛坯依靠不同的工具，采取不同的加载方式，在变形体内建立不同的应力场来实现的。即通过改变变形体内的应力状态和应力顺序来得到不同的变形和流动情况。 45 再如拔长、辊锻和轧制时，如采用平砧或平辊，则沿横向流动的金属量较多。如改用型砧和型辊则有利于提高延伸的效率。其原因就是工具的侧面压力使横向的主应力2远小于轴向的主应力1，使更多的金属沿最大主应力（最小阻力）的增大方向（即轴向）流动。孔板间镦粗和开式模锻第二章 塑性加工工艺基础46 控制塑性变形区 拉拔时的主应力简图A变形区 B传力区缩口时的主应力简图 第二章 塑性加工工艺基础 主要是靠利用不同工具在坯料内产生不同的应力状态，使部分金属满足屈服准则

19、，而另一部分金属不满足屈服准则，达到控制变形区的目的。 47 提高金属的塑性第二章 塑性加工工艺基础 金属的塑性与应力状态有很大关系，静水压力愈大，材料的塑性愈高，而各种应力状态是通过相应的工具在坯料中建立的。 又如扩孔时，用冲头扩孔或楔扩孔，由于切向受拉应力，材料塑性较低，而在芯轴上扩孔或辗压扩孔时，则具有较高的塑性。 例如拉拔时变形区为两向压应力一向拉应力状态，传力区是单向拉应力状态，材料的塑性较低，而挤压时变形区是三向压应力状态，材料塑性较高； 48 控制坯料失稳，提高成形极限 锥形芯轴扩管弯曲法所用的芯模第二章 塑性加工工艺基础 长杆料顶镦时容易产生失稳而弯曲，并可能发展成折迭。为控制

20、顶镦时失稳，要求模孔直径小于 1.25倍坯料直径。 在模具内弯曲管坯示意图 49 局部加载是锻压过程中最为普遍的情况，绝大多数塑性加工工序都是局部加载，例如拔长、冲孔、辊轧、芯轴扩孔，辗扩等。3.局部加载时沿加载方向的应力分布规律 圆截面坯料在平砧上小压下量拔长时的变形情况第二章 塑性加工工艺基础 局部加载时沿加载方向的应力分布规律： 局部加载时沿加载方向的正应力随受力面积不断扩大，其绝对值逐渐减小。 矩形截面坯料小送进量拔长时的变形情况50冲孔时沿加载方向受力面积逐渐扩大的示意图A区与B区相互作用的示意图 第二章 塑性加工工艺基础冲孔时的变形情况51第二章 塑性加工工艺基础2.4 板料冲压性

21、能及试验方法 板料的冲压性能是指板料对各种冲压加 工方法的适应能力，包括成形极限（抗破裂性），形状与尺寸精度（贴模性和冻结性），模具寿命，变形力等。52第二章 塑性加工工艺基础冲压性能成形极限形状和尺寸精度表面质量塑性变形过程中变面粗糙度的变化冲压过程中表面的粘接和划伤冲压毛坯与模具表面的接触压力贴模性能形状冻结性能变形区成形极限传力区成形极限伸长类变形压缩类变形受拉的传力区受压的传力区均匀拉应力下的贴模性能不均匀拉应力下的贴模性能表面正应力下的贴模性能抗压失稳塑性塑性变形稳定性53第二章 塑性加工工艺基础试验方法分为间接试验和直接试验（模拟试验）两类直接试验（ 模拟试验）间接试验板材冲压性能

22、试验方法 板材的应力状态与受力情况与真实冲 压时有一定差别，所以结果只能间接反映板材冲压性能，有时还需要一定的分析方法。如拉伸试验、成形极限线、金相试验、硬度试验。 板材的应力状态及受力情况与真实冲压时基本相同，所得结果也比较准确。如杯突试验、极限拉深比试验、拉深力对比试验、锥形件复合性能试验、扩孔试验、吉田拉皱试验、液压胀形试验等。54第二章 塑性加工工艺基础板材冲压性能试验方法间接试验直接试验模拟试验实物试验和模型试验金相试验硬度试验拉伸试验艾利克辛试验(IE )防板对角拉伸试验(YBT)成形极限试验(FLD)杯形件拉深试验(LDR)液压胀形试验 锥杯复合性能试验(CCV)拉深力对比试验(

23、TZP)扩孔试验(KWI)55第二章 塑性加工工艺基础2.4.1 拉伸试验 试验在拉伸试验机上进行，可得拉伸力与行程（试件伸长）的拉伸曲线。由式 可得到名义应力与延伸率表示的拉伸曲线：56屈强比 ，屈强比小，进行冲压变形的范围大，几 乎对所有冲压变形都有利第二章 塑性加工工艺基础由拉伸曲线得到的重要的参数：屈服极限 ，开始发生塑性变形强度极限 ，开始产生不均匀变形，即塑性拉伸失稳 冲压成形一般都在板材的均匀变形范围内进行，所以对冲压变形有较为直接的影响，它表示板材稳定的塑性变形能力，直接决定板材在伸长类成形中的冲压性能，一般情况下成正的相关关系。均匀延伸率与总延伸率 57第二章 塑性加工工艺基

24、础n 值（硬化指数） n值表示塑性变形材料硬化的强度。n大，可使伸长类变形均匀化，具有扩展变形区、减小毛坯局部变薄和增大极限变形程度等作用。考虑到板材方向性，可取： 金属材料在室温下加工时， 随着变形程度的增加，决定金属变形抗力的机械性能 和硬度等指标提高，而塑性指标 等下降，金属的这种效应称之为加工硬化。 58第二章 塑性加工工艺基础式中 常数c和n值均可在拉伸试验中得到。大多数金属的硬化规律可用下式表示： 59第二章 塑性加工工艺基础 n值与最大均匀应变j的关系 即 n值等于拉伸试验中试件出现细颈时的对数应变值通过理论分析可得60第二章 塑性加工工艺基础板厚方向性系数 r 值 也称塑性应变

25、比，是拉伸试验中宽度应变与厚度应变之比（一般取变形量20）。 r 值的大小，表明板材在单向拉应力作用下，板平面方向和板厚方向上变形难易程度的比较。考虑到板材方向性，可取61第二章 塑性加工工艺基础 Mises屈服椭圆在坐标轴上有相同的交点，其偏心率随r值增加。由图可以看到，在拉深中的危险断面，其变形属于胀形性质，由于r值的增加而提高了屈服强度，也就是说，其变形抗力增加了。在法兰部分，即拉压结合的拉深变形区，其屈服应力反而由于r值的增加而减小了。这两种效果都有助于拉深过程的顺利进行。62第二章 塑性加工工艺基础 另外，当 r1 时，板材厚度方向上的变形比宽度方向上的变形困难，起皱趋向性降低，利于

26、拉深成形。r值与拉深比密切相关。 63第二章 塑性加工工艺基础板平面方向性系数 大，板材方向性强，引起塑性变形分布不均，拉深件出现突耳，因此， 大对冲压成形不利。可用下式表示 r 值 大， 亦大，而r 值大利用拉深变形， 大不利于拉深变形，故选材时，对 r 值的影响要综合考虑。64第二章 塑性加工工艺基础x值：为双向等拉与单向拉伸的抗拉强度比值 X值表达式中 对应的应力状态(双等拉)与圆筒形拉深件的凸模圆角处毛坯的应力状态相似， 对应的应力状态(单向拉伸)与圆筒形拉深件侧壁部分的应力状态相似。因此X值大的材料，表明拉深变形时，毛坯危险断面具有更高的强度，即有更高的承载能力。65第二章 塑性加工

27、工艺基础 值：称为材料宽度颈缩率，可用下式求得 式中 拉伸试样原始宽度； 试样拉断后，断裂处的最小宽度。 由可见， 值与r值正相关，因而对拉深变形有重要影响。 66第二章 塑性加工工艺基础应变率敏感性指数m值 试验表明：材料塑性变形抵抗力不仅与变形程度而且与应变率有关。材料的本构关系可以表示为 式中m为应变率敏感性指数。m值可用同一试样突然改变拉伸速度求得。 正的m值有增大材料变形抗力的作用。一般材料在室温下的m值都很小（小于0.05），因此对变形抵抗力的影响不大，可以忽略不计。 但是值得注意的是，在板材成形中，m值对应变均化的重要作用。特别是在拉伸失稳以后，其作用更明显。67第二章 塑性加工

28、工艺基础表2-2 板材性能与成形性的关系68第二章 塑性加工工艺基础2.4.2 成形极限图(FLD)图2-34 成形极限图 胀形变形区各个部位上受到的拉应力比值可能在01之间变化，即 = 0-1， 而大多数常用冲压板材都存在统一的成形极限图。成形极限图上半部分由keeler提出，下半部分由Goodwin补充。69第二章 塑性加工工艺基础1. 图形说明 OA线：双向等拉， =1， 0 OB线：单向拉伸， ， 应变点在安全区，表示零件冲压成功; 在破裂区表示零件破裂，在临界区，成品率降低。横轴：平面应变考虑各向异性 70 FLD一般通过试验方法获得，目前常用的制作FLD的实验方法有半球形凸模胀形法

29、和圆柱形凸模胀形法两种。半球形凸模胀形法， 比值的改变通过改变试样的宽度(用矩形试样时)或缺口的大小(用缺口试样)来实现。圆柱形凸模胀形法，试样是矩形的， 比值通过同时改变试样和辅助毛坯的宽度尺寸来实现。 FLD是表示板材在双向拉应力下的变形极限。建立不同双向拉应力比值 下的实验变形条件，可获得不同的极限变形时的 值。 第二章 塑性加工工艺基础2. FLD的制作 71第二章 塑性加工工艺基础3. FLD在生产中的应用 FLD与网格分析法相结合，对板材成形有重要指导作用。如预见所设计工艺规程的危险程度和安全裕度，合理利用变形可控因素，完善冲压过程，试模调整，确定合理毛坯尺寸、零件缺陷分析、实现质

30、量控制等。72第二章 塑性加工工艺基础2.4.3 模拟试验 胀形试验，当试件发生破裂时，凸模压入深度称爱利克辛值，用 表示，可直接反映板材胀形性能。1. 杯突试验（Erichsen试验）73第二章 塑性加工工艺基础试验模具有标准尺寸，其参数如表：爱利克辛值与n值关系74第二章 塑性加工工艺基础2.液压胀形试验 杯突试验结果受材料流入和润滑的影响，故经常产生波动。液压胀形法利用液体压力代替刚性凸模，可不受摩擦条件的影响，胀形性能用胀形系数K表示。 式中，a模口半径； 开始产生裂纹 时的胀形深度。75第二章 塑性加工工艺基础3.扩孔试验 扩孔试验作为评价材料的翻边性能的模拟实验方法，是采用带有内孔

31、直径为 的圆形毛坯，在图示模具中进行扩孔，直至内孔边缘出现裂纹为止。测定此时的内孔直径 ，并用下式计算极限扩孔系数 扩孔试验作为评价材料的翻边性能的模拟实验方法，是采用带有内孔直径为 的圆形毛坯，在图示模具中进行扩孔，直至内孔边缘出现裂纹为止。测定此时的内孔直径 ，并用下式计算极限扩孔系数76第二章 塑性加工工艺基础4.极限拉深比试验（LDR试验、swift试验） 采用不同直径的圆形毛坯，取侧壁不破坏的最大毛坯直径 D0max与冲头直径dp之比LDR表示板材拉深性能。试验繁琐，影响因素多。77第二章 塑性加工工艺基础5. 拉深力对比试验（TZP法） 在一定的拉深变形程度下（取毛坯与凸模直径之比

32、D0/dp=52/30）的最大拉深力与在实验中已经获得的成形试样侧壁拉断力的比值TZP表示板材拉深性能。 TZP值越大，表示板材拉深性能越好。图2-40拉深力对比试验 图2-41 TZP值确定过程78第二章 塑性加工工艺基础6. 锥形件复合性能试验（Fukui试验） 是拉深性能与胀形性能综合试验。用球形凸模和60度 角的凹模在无压边情况下对圆形毛坯拉深，底部破裂时上口直径称CCV值。 CCV值越小，板材冲压性能越好。79第二章 塑性加工工艺基础7. 方板对角拉伸试验 一些尺寸大、形状复杂件的冲压成形，基本上是拉力下成形的。在成形过程中或成形后经常会出现一些起皱、面畸变、凹陷及鼓包等缺陷。方板对

33、角拉伸试验是鉴定板材抗起皱能力的实验方法。 用方板对角拉伸试验（YBT）方法模拟薄板在不均匀拉力F的作用下失稳起皱现象。80第二章 塑性加工工艺基础 1）单向对角拉伸(YBT-) 方板单向拉伸试验时，只沿着试样的某一指定的对角线方向加载拉伸，至试样的拉伸标距(GL)内发生一定量的伸长变形时，利用千分表测量方板中部的起皱高度或者卸载后测量该处残留的皱纹高度。81第二章 塑性加工工艺基础2）双向对角拉伸(YBT) YBT是在与YBT相同尺寸的试样上，于两个对角线方向上施加拉伸载荷测量由引起的皱纹高度及残留的皱纹高度。82第二章 塑性加工工艺基础材料抗起皱能力用或表示，其值越小，说明材料越不易起皱。

34、材料性能对YBT试验值的影响见图。83第二章 塑性加工工艺基础2.5 材料可锻性及试验方法 衡量材料塑性加工的难易程度可用可锻性来衡量，可锻性好表示该材料适用于锻造成形，可锻性差则会给该材料的锻造成形带来一定的困难。 可锻性常用金属的塑性和变形抗力两个指标来度量。金属的塑性是指金属材料在外力的作用下发生永久变形，而不发生破坏的能力。变形抗力指在变形过程中金属抵抗工（模）具作用力的大小，变形抗力小，则变形过程中所消耗的能量就小，从而可降低生产成本和提高生产效率。 材料的可锻性可通过简单的物理模拟试验来反映，如拉伸、压缩和扭转等试验。材料的可锻性主要用塑性指标和变性抗力指标的衡量，其中塑性可用延伸

35、率、断面收缩率和冲击韧性k等值来表示，而变形抗力可用屈服强度s和抗拉强度b来表示。 1.可锻性842.材料模拟试验方法 圆柱试样压缩试验压缩试验中的应力应变曲线 第二章 塑性加工工艺基础85摩擦处理：摩擦系数 试样瞬时直径和高度试验机所测得的应力和修正后的应力摩擦引起的压缩鼓肚 第二章 塑性加工工艺基础86温升处理：材料的密度功热转换效率 材料的比热容第二章 塑性加工工艺基础87 平面应变压缩试验 为了保证宽度方向的应变可以忽略不计，试样的宽度b和压头的宽度w之比应在610以上。此外，为了保证压头之间变形均匀，压头宽度w与试样厚度h之比应在24之间。第二章 塑性加工工艺基础88平面应变压缩试验

36、时的真应变计算公式 ：变形前试样的厚度 变形后试样的厚度 平均应力的计算公式 压缩载荷压头宽度试样宽度 当量应变值 当量应力值 修正系数平面压缩应变的流动应力试样的原始高度和瞬时高度 其中 第二章 塑性加工工艺基础89 其最大优点就是材料可在恒应变速率和大应变范围变形而不失稳，它被广泛地用于测定大应变条件下材料的流变应力和成形性。 扭转试验圆棒的扭转模型第二章 塑性加工工艺基础 另一个显著特点是变形被限制在试样标距尺寸范围内，且应变速度和扭转应变量沿轴向保持均匀分布，变形时无静水压力, 也没有几何软化，试样不会出现腰鼓和缩颈等不均匀失稳变形现象。 90扭矩-扭角曲线 1）切变模量在低于剪切比例

37、极限的切应力下 对于圆柱体试样： 对于圆管状试样： 第二章 塑性加工工艺基础912）扭转比例极限 在扭转过程中应力-应变的线性比例关系发生偏离，切应力-切应变曲线上某点的切线与切应力轴的夹角正切较最初值增加50%时计算出的切应力。3）扭转屈服极限 试样标距部分的残余切应变等于0.3%时，按弹性扭转公式得到的切应力。4）最大扭转应力点所对应的切应力。扭矩-扭角曲线上最大扭矩第二章 塑性加工工艺基础92 塑性破坏是沿最大切应力的平面发生的，断裂面通常与轴线垂直（图a），有时断口形成大量平行轴线的细片，这是由于断裂发生在平行于轴线的最大剪应力平面上（图b）。脆性破坏断口垂直于拉应力方向，呈细螺旋状（

38、图c）。 扭转断口(a), (c)剪断,（b）拉断(a) (b) (c)第二章 塑性加工工艺基础93第三章 冲裁 是利用冲模使材料分离的一种冲压工序，包括切断、修边、落料、冲孔等。冲裁可以制毛坯，也可以生产零件。 冲裁94第三章 冲裁落料:制取一定外形的冲落部分冲孔95第三章 冲裁冲孔:制取内孔96第三章 冲裁3.1 冲裁分离过程分析 模具间隙正常时，金属材料的冲裁过程可分三个阶段：塑性变形阶段板料的应力达到屈服极限，板料开始产生塑性剪切变 形；刃口附近材料由于拉应力的作用出现微裂纹。断裂分离阶段 已形成的上下裂纹逐渐扩大，并向材料内部延伸。当 上、下裂纹重合时，材料被剪断分离。弹性变形阶段

39、板料产生弹性压缩、弯曲和拉伸等变形；97第三章 冲裁分离过程的三个阶段，使冲裁件断面明显分为四个部分：a 塌角； b光亮带；c剪裂带；d毛刺98第三章 冲裁3.2 冲裁件质量分析 主要指断面质量、表面质量、形状误差和尺寸精度 主要影响因素1）间隙对断面质量的影响；99第三章 冲裁3.2 冲裁件质量分析 主要影响因素3）刃口状态对断面质量的影响；4）材料性能的影响。2）间隙对尺寸精度的影响；100第三章 冲裁3.3 冲裁力及降低冲裁力方法1.冲裁力 冲裁力是选择冲压设备吨位和检验模具强度的重要依据。 平刃冲模的冲裁力 (k=1.3)101第三章 冲裁2. 降低冲裁力的方法a) 斜刃落料；b) 斜

40、刃冲孔1）斜刃冲裁 102第三章 冲裁2）多凸模阶梯布置c) 阶梯形凸模3）材料加热红冲103第三章 冲裁3.4 精密冲裁及半精冲3.4.1 精密冲裁 它能在一次冲压行程中获得比普通冲裁零件尺寸精度高、冲裁面光洁、翘曲小且互换性好的优质精冲零件,并以较低的成本达到产品质量的改善。104第三章 冲裁1. 精冲分离过程105第三章 冲裁 2. 精冲机理 精密冲裁是在三动冲床（冲裁力、压边力和反压力都可单独调整）和带有特殊结构的模具上进行。在整个冲裁过程中，剪切区内的金属处于三向压应力状态，从而提高了金属的塑性，避免了微裂纹的出现，无断裂分离阶段，以纯剪切的形式完成精冲分离过程。零件断面几乎全部是光

41、亮带。106第三章 冲裁精密冲裁与普通冲裁对比：107第三章 冲裁3. 精冲模具特点1) V型齿圈压边2) 小冲裁间隙3) 小圆角刃口4) 强力反压装置108第三章 冲裁4. 精冲材料及润滑 精冲对材料的基本要求：1）必须具有良好的塑性和较大的变形能力。2）必须有良好的组织结构 精冲时模具工作部分的润滑是十分重要的，它有助于提高零件的光洁度和模具的寿命。要求润滑剂具有高的耐压力、良好的抗高温性能及中性的化学特性。109第三章 冲裁5. 工艺力计算冲裁力压边力反压力卸料力顶件力110第三章 冲裁6. 精冲工艺其它应用a)锥形沉孔1）沉头孔b)圆柱形沉孔111第三章 冲裁2）半冲孔图3-11 冲凸

42、焊 图3-9 冲凸台图3-10 冲凸柱112第三章 冲裁3）压印和压扁图3-12 精冲压印复合工艺过程示意图图3-13 压扁零件113第三章 冲裁4）弯曲图3-14 精冲切口弯曲复合工艺a)、b)内形弯曲 c)外形弯曲114第三章 冲裁3.4.2 半精冲 分离机理与普通冲裁相同。但是由于加强了冲裁区的静水压效果，推迟了剪裂纹的发生，使光亮带比例增加，断面质量明显提高。 落料时凹模刃口带小圆角，冲孔时凸模刃口带小圆角，冲裁间隙为0.010.02mm，适于塑性好的材料。1）小间隙圆角刃口冲裁（光洁冲裁） 冲裁力： P（1.31.5）P普a) 落料 b) 冲孔115第三章 冲裁2）负间隙冲裁（挤压冲

43、裁） 凸模直径大于凹模直径，一般为(0.050.3)t，冲裁时先形成一倒锥毛坯，再将其挤过凹模洞口。适于塑性好的材料。 负间隙冲裁 冲裁力： PCP普 C系数： 铝 C=1.31.6 黄铜、软钢 C=2.252.8116第三章 冲裁3）上下冲裁4）对向凹模冲裁117第四章 弯曲 把平板毛坯、型材或管材弯成一定曲率、一定角度的成形工序称为弯曲。弯曲材料：板料、棒料、型材、管材按弯曲毛坯板材弯曲型材弯曲管材弯曲按弯曲件形状单角弯曲双角弯曲多角弯曲按所用设备 拉弯（拉弯机）推弯（专用弯曲机）滚弯（滚弯机）折弯（折弯机）压弯（普通压力机）机）辊弯（滚压成形机）激光弯曲（激光机）弯曲118第四章 弯曲1

44、19第四章 弯曲120第四章 弯曲4.1 弯曲变形分析 弯曲变形区是毛坯上曲率发生变化的部分，即圆角部分（如图ABCD）。随着弯矩的增大，弯曲变形经历了弹性弯曲、弹塑性弯曲及纯塑性弯曲三个阶段。图4-3 弯曲毛坯变形区内切向应力分布 a）弹性弯曲; b）弹塑性弯曲; c）纯塑性弯; d）无硬化纯塑性弯曲 121第四章 弯曲 毛坯断面上的切向应力由外层的拉应力过渡到内层的压应力，中间必有一层金属切向应力为零，称为应力中性层。其曲率半径用 表示。同样，有一层金属的切向应变为零，称之为应变中性层。用 表示其曲率半径。 弯曲变形区的应力应变状态取决于变形程度和板材的相对宽度。当 b/t3时，称为宽板；

45、当 b/t3时，称为窄板。122第四章 弯曲窄板为平面应力状态， 立体应变状态宽板为立体应力状态， 平面应变状态123第四章 弯曲 弯曲变形程度 内外表面切向应变相等，且为最大值将 代入上式得: 弯曲变形区内切向应变分布如图，在板厚方向不同位置上切向应变 按线性规律分布，其值：图4-6 弹塑性弯曲时的应力与应变a) 弯曲毛坯 b) 切向应变分布 c) 切线应力分布124第四章 弯曲 可见，弯曲毛坯外表面的变形程度与相对弯曲半径r/t大致成反比关系。 由于弯曲变形程度不同（r/t不同），毛坯变形区内的应力状态和应力分布都有性质上的差别。 当r/t200时，近似认为弹塑性弯曲。 125第四章 弯曲

46、影响最小弯曲半径的因素：1) 板材方向性 越小，弯曲时切向变形程度越大。在保证毛坯外层纤维不发生破坏的条件下，所能弯成零件内表面最小圆角半径，称最小弯曲半径 。生产中用它来表示弯曲时的成形极限。2) 材料机械性能3) 板材表面质量与断面质量4) 弯曲件宽度126第四章 弯曲5) 弯曲件厚度6) 弯曲角127第四章 弯曲 弯曲变形特点：2）窄板弯曲为平面应力、立体应变状态，宽板弯曲为立 体应力、平面应变状态。1）圆弧部分为变形区，应力中性层外侧受切向拉应力， 内侧受切向压应力。应变中性层外侧发生伸长变形， 内侧发生压缩变形。3）弯曲成形极限主要受到板材外侧拉裂限制，有时也受 内侧失稳起皱限制。4

47、）由于弯曲变形特殊的受力状态，弹复是影响弯曲件精 度的主要问题。128第四章 弯曲4.2 弯曲变形力学分析假设：1）弯曲过程中毛坯变形区任意位置上的横截面始终保持为平面；2）弯曲过程中毛坯变形区的横截面形状和尺寸不发生变化；3）变形区受拉部分和受压部分的硬化规律相同，即应力应变关系相同。129第四章 弯曲 弯曲毛坯变形区内切向应变在厚度方向上的分布： 由应力-应变关系，弯曲时塑性变形区内切向应力-应变满足以下函数关系： 而切向应力沿厚度分布满足以下函数关系 比较可知，毛坯横断面上切向应力的分布曲线就是以另一个比例形式表示的硬化曲线。130第四章 弯曲 由平衡条件可知，塑性弯曲时，作用于毛坯的外

48、力矩应等于由切向应力所构成的内力矩，即131第四章 弯曲4.3 弯曲中的弹复（回弹） 塑性弯曲与任何塑性变形 一样，在外载荷作用下，毛坯产生的变形由塑性变形和弹性变形两部分组成。外载荷除去后，塑性变形保留，弹性变形消失，使其形状和尺寸都发生与加载时变形方向相反的变化，这种现象称为弹复。 在弯曲加载过程中变形区的内层和外层的应力和应变性质相反，卸载时这两部分的弹复变形方向也相反，而且总弹复量是内层和外层弹复的叠加。因此，弹复尤其严重。 弯曲后卸载过程中的弹复现象表现为弯曲件的曲率变化及角度变化。132第四章 弯曲研究回弹的意义： 掌握弯曲件的回弹趋向，初定回弹量的大小，修正模具工作部分的形状及尺

49、寸，减小模具在试模调整阶段的工作量，保证弯曲件的质量。133第四章 弯曲4.3.1 弹复分析 设 分别为弹复前及弹复后的中性层曲率半径，弯曲中心角及内表面圆角半径，弹复现象如右图。1. 曲率弹复 由拉伸曲线可知即金属塑性变形过程中的卸载弹复量等于加载时同一载荷所产生的弹性变形。所以塑性弯曲的弹复量即为加载弯距所产生的弹性曲率变化。134第四章 弯曲 由于卸载过程是弹性变形，所以这里可以应用计算弹性弯曲时弯矩与曲率变化量之间的公式135第四章 弯曲2. 角度弹复 用 表示角度弹复卸载时弯曲毛坯角度的弹复量：根据卸载前后中性层长度不变 136第四章 弯曲4.3.2 影响弹复的主要因素 1）材料机械

50、性能： 2）相对弯曲半径： 3）弯曲角： 4）摩擦： 5）弯曲方式： 此外，非变形区的变形及弹复，材料性能的波动、板厚公差等对弹复都有影响。137第四章 弯曲4.3.3 减小弹复的措施1. 补偿法：利用毛坯不同部位上变形方向相反的特点，适当调整各种影响因素，使回弹补偿变形。2. 软凹模：通过调整刚性凸模压入软凹模的深度控制弯曲角度。图4-13 软凹模弯曲图4-12 补偿法138第四章 弯曲4. 拉弯 把凸模做成局部凸起的形状，使凸模作用力集中作用在弯曲变形区，使之处于三向压应力状态，使内层金属沿切向也产生伸长变形。3. 变形区局部加压 主要用于曲率半径较大的弯曲件。装置及切向应力状态如右图所示

51、。改变应力状态的弯曲方法139第四章 弯曲5. 提高制件结构刚性 图4-16 局部增加三角筋图4-17 增加条形筋图4-18 在环箍上压筋图4-19 U形结构140第四章 弯曲4.4 弯曲力表4-1 弯曲力经验公式141第四章 弯曲4.5 其他弯曲方法4.5.1 拉弯 对于曲率半径很大的弯曲件，由于其变形较小，弹复很大，很难用普通弯曲方法成形，因此常采用拉弯工艺。 生产中经常采用的是“预拉-弯曲-补拉”的复合方案。142第四章 弯曲4.5.2 滚弯（卷板） 滚弯工艺被广泛的用于圆筒形及圆锥形零件的弯曲成形。通过相对于板料送进量调整辊轮位置，也可以制作四边形、椭圆形及其它非圆断面的零件。还可以用

52、于筒形件的凸缘加工以及由带料制作异形环、型材的弯曲加工等。 143第四章 弯曲4.5.3 辊弯（滚压）成形 滚压成形是由各组成形辊轮顺次弯曲并向前送进的。板料从辊轮的入口一面弯曲一面向前送进，至辊轮中心（断面4）处即成形完毕，并从辊轮中穿出来。 滚压成形可用于加工软钢、有色金属及其合金、不锈钢及其他金属材料。带料宽度可达2000mm，料厚0.120。制件长度从理论上讲可以是任意的。144五章 拉深拉深也称拉延，利用模具使平面毛坯成为开口空心零件的冲压工艺方法。145五章 拉深 由于各种拉深件，由于变形区位置变形性质，变形分布，应力状态及分布规律都有很大的区别。因此确定工艺参数、工序数目及顺序、

53、模具设计均有差别。直壁回转体件拉深（圆筒形件、带法兰圆筒形件、阶梯形件等）直壁非回转体件拉深（盒形件、椭圆形件等）曲面回转体件拉深（球面零件、锥面零件、抛物面零件等）曲面非回转体件拉深（不规则形状零件、汽车覆盖件等复杂形状件）拉 深146五章 拉深a) 轴对称旋转体拉深件b) 盒形件c) 不对称拉深件147五章 拉深5.1 圆筒形件拉深5.1.1 圆筒形件拉深变形分析 直径为D0的平面形状毛坯，在拉深模里受凸模的作用，被拉入凹模，成为开口的圆筒形零件。148五章 拉深 根据应力应变状态的不同，可将拉深过程的毛坯分为五个部分。1) 法兰部分变形区，径向拉应力，切向压应力；2) 凸模圆角部位传力区

54、，危险断面，直接影响极限变形程度；3) 侧壁部分已变形区、传力区，受单向拉应力作用；4) 凹模圆角部位传力区；5) 底部不变形区、传力区，材料受两向拉应力作用，厚度略有变薄。149五章 拉深 拉深过程中毛坯厚度变化，侧壁上部厚度增加约为18%，而靠近底部圆角部分上板料厚度最小，厚度减小近9%。150五章 拉深圆筒形拉深变形特点可归纳如下：1)法兰部分为变形区，切向受压、径向受拉的应力状态，在 切向产生压缩变形，在径向产生伸长变形。在切向压应力作用下，有失稳起皱的危险。2)变形后，毛坯厚度发生变化。靠近凸模圆角处毛坯变薄最严重，为危险断面。3)极限变形程度主要受传力区承载能力的限制，有时也受变形

55、区失稳起皱的限制。151五章 拉深5.1.2 圆筒形件拉深力学分析 根据圆筒形零件拉深时毛坯内各部分的受力情况与应力状态的不同，可以把毛坯分为三个部分：1)毛坯的变形区，即法兰部分，受径向拉应力r和切向压应力的作用；2)直壁部分处于只有轴向拉应力a作用的线性应力状态；3)毛坯的底部受双向拉应力的作用，相当于四周受周向拉应力作用的圆板。152五章 拉深 由凸模作用力P 引起的毛坯侧壁内的拉应力a=p沿圆周方向的分布是均匀的，其数值大小应能引起拉深毛坯变形区毛坯的法兰部分产生塑性变形。拉应力的数值为式中 是拉深变形区产生塑性变形所必需的径向拉应力，其值决定于 板材的机械性能与拉深时的变形程度克服由

56、于压边力Q引起的毛坯于压边圈和凹模表面之间摩擦阻 力必须增加的拉应力部分，其值为 克服毛坯在凹模圆角区范围内产生的弯曲变形阻力而必须增加 的拉应力部分，其近似值取为 考虑毛坯沿凹模圆角表面滑动时产生的摩擦阻力的系数； 摩擦系数。 153五章 拉深154五章 拉深平衡条件将塑性条件代入并整理得积分可得拉深变形区内各点上的切向应力的计算式：155五章 拉深 计算可得的变形区内径向应力与切向应力的分布。 由图中的分布曲线可以看出：径向拉应力的数值，在变形区外缘为零，而在变形区内边缘，即凹模入口处达到最大值。切向压应力的数值，在变形区内边缘最小，在变形区外边缘达最大值。径向拉应力最大值为拉深时所必须的

57、拉应力 156五章 拉深 分析上式可知，拉深力决定于拉深变形程度、材料机械性能、零件尺寸、凹模圆角半径、润滑等。此时可得拉深力： 第二次拉深：式中，K1、K2系数，可查表。生产中常用经验公式 第一次拉深： 157五章 拉深5.1.3 拉深系数及拉深次数1. 拉深系数 拉深系数每次拉深后圆筒工件的直径与拉深前毛坯（或半成品）的直径之比。 对于第一次拉深 ；以后各次拉深 拉深比拉深系数的倒数 K=1/m 拉深系数、拉深比均为拉深变形程度的一种表示方法。158五章 拉深 为保证拉深变形顺利进行，必须保证变形区为弱区，传力区为强区，而且强弱程度的差别越大，拉深过程就越稳定。在保证变形区为弱区的条件下，

58、所能采用的最小拉深系数称为极限拉深系数。极限拉深系数影响因素： 1）板材内部组织和力学性能； 2）板材相对厚度； 3）模具结构及间隙； 4）润滑条件； 5）拉深方式； 6）拉深速度。 凡是能增加毛坯传力区拉应力及减小危险断面强度的因素均能使极限拉深系数加大；相反，凡是可以降低毛坯传力区拉应力及增加危险断面强度的因素都有助于使变形区成为相对的弱区，所以能降低极限拉深系数。159五章 拉深2. 拉深次数 当拉深系数过小时，由于拉深力超过侧壁承载能力而使拉深失败，此时可采用多次拉深。 拉深次数及中间各工序毛坯直径可通过查图法、计算法、推算法等确定。 160五章 拉深5.1.4 起皱及防皱措施1. 起

59、皱 起皱是毛坯变形区在切向压应力 的作用下失稳所造成的。起皱不利于拉深变形： 1）由于起皱，毛坯不能被拉过凸凹模间隙面而 拉断； 2）即使拉过凸凹模间隙，也会留下起皱痕迹而 影响质量2. 起皱影响因素 1）毛坯相对厚度t/D；2）拉深系数m；3）材料机械性能；4）凹模工作部分形状161五章 拉深3. 防皱措施：主要采用压边圈防皱。2）用于双动冲床的刚性压边圈 主要靠调整压边圈与凹模表面间隙保证防皱。1）用于单动冲床的弹性压边圈 常用动力源为橡胶、弹簧、气垫。162五章 拉深5.1.5 带法兰圆筒形件拉深1. 拉深系数及成形极限 拉深系数 当底部与法兰根部半径相等且为R时，毛坯直径为：此时 拉深

60、系数mF与相对法兰直径 dF/d 、相对拉深高度 h/d有关。带法兰圆筒形零件首次拉深的成形极限可以用首次极限拉深系数mF表示，也可用极限拉深相对高度h/d表示。163五章 拉深2. 带法兰圆筒形件的多次拉深1）是否需多次拉深的判断方法带法兰零件拉深计算曲线164五章 拉深2）多次拉深原则 c)模具设计时，通常将第一次拉入凹模的毛坯面积加大35，第二次多拉入13。这部分多余的金属逐步分配到以后各次拉深中，以补充计算误差及厚度的增加，同时便于试模调整。 b)以后各次拉深中，仅筒形部分参加变形，逐步减小其直径，而法兰部分不再变形。（因其很小的变形都将引起传力区的过大拉力而发生破坏）。 a)先拉深成