冲压工艺与模具设计教程

本章学习要求：1.掌握金属塑性变形的基本概念；2.掌握板料冲压性能和常见的冲压材料；3.了解塑性变形的力学基础和冲压成形方法的力学特点。

1.1金属塑性变形的基本概念1.2金属塑性变形的力学基础1.3冲压成形时变形毛坯的力学特点与分类1.4板料冲压成形性能及冲压材料

1.1金属塑性变形的基本概念

在外力的作用下，金属产生形状和尺寸变化为变形，变形分为弹性变形与塑性变形。1.1.1塑性变形的物理概念

外力破坏原子间原有的平衡状态，造成排列的畸变，引起金属形状和尺寸的变化。1.1.2塑性变形的基本方式

滑移\孪生\多晶体的塑性变形（变形后形成纤维组织、变形织构）(如图1.1.1)

1.1.3金属的塑性与变形抗力1.塑性及塑性指标

塑性：指金属在外力的作用下，能稳定的发挥塑性变形而不破坏其完整性的能力。塑性指标：常用的塑性指标有

延伸率

断面收缩率

2.变形抗力

金属产生塑性变形的力为变形力，金属抵抗变形的力称为变形抗力。

1.1.4影响金属的塑性与变形抗力的主要因素1.化学成份和组织对塑性和变形抗力的影响

2.变形温度对塑性和变形抗力的影响3.变形速度对塑性和变形抗力的影响

1.2塑性变形的力学基础

外力内力

模具毛坯零件1.2.1一点的应力应变状态1.一点的应力状态(如图1.2.1)2.一点的主应变状态

体积不变定律：三个推论：﹡塑性变形时，只有形状的变化，而无体积的变化；﹡无论什么应变状态，其中一个主应变的符号与另外两个主应变的符号相反；﹡已知两个应变就可求第三个应变。

1.2.2屈服准则（塑性条件）

屈服准则：材料进入塑性状态的力学条件。当材料中的某点的应力满足屈服准则，该点就进入塑性状态。

1.屈雷斯加(H·Tresca)屈服准则2.密席斯(VonMises)屈服准则3.屈服准则的几何表示

在平面应力状态时，屈服准则可用屈服轨迹来表示（如图1.2.4）。

1.2.3塑性变形时应力与应变的关系

单向拉伸应力-应变曲线(如图1.2.5)增量理论

全量理论

例：全量理论分析应力应变关系

1)称平面应变(或称平面变形),由上式可得出:2)材料受单向拉应力,由上式可得:

1.2.4硬化与硬化曲线1.硬化

材料的强度指标随变形程度的增加而增加,塑性随之降低。

2.硬化曲线

实际应力曲线与假象应力曲线（如图1.2.6）

几种常用冲压板料的硬化曲线（如图1.2.7）

硬化指数是表明材料冷变形硬化的重要参数，对板料的冲压性能以及冲压件的质量都有较大的影响。

1.3冲压成形时变形毛坯的力学特点与分类

1.3.1变形毛坯的分区(如图1.3.1)1.3.2变形区的应力应变特点1.冲压毛坯两向受拉应力的作用

(可分两种情况)：

（如图1.3.2Ⅰ象限）2.冲压毛坯变形区受两向压应力的作用

（如图1.3.2Ⅲ象限）3.冲冲压毛毛坯变变形区区受异异号应应力的的作用用，而而且拉拉应力力的绝绝对值值大于于压应应力的的绝对对值。。(可以分分为两两种情情况)（如图图1.3.2））4.冲冲压毛毛坯变变形区区受异异号应应力的的作用用，而而且压压应力力的绝绝对值值大于于拉应应力的的绝对对值。。(可以分分为两两种情情况)综上所所述：：冲压压变形形可分分为伸伸长类类变形形和压压缩类类变形形（如图1.3.3）。1.3.3冲冲压成成形过过程中中变形形趋向向性及及其控控制1.变变形趋趋向性性(如图图1.3.4)弱区必必先变变形，，变形形区应应为弱弱区2.变变形趋趋向性性的控控制﹡合理理地确确定毛毛坯尺尺寸（（图1.3.5图1.3.6）﹡正确确设计计模具具工作作部分分形状状和尺尺寸﹡改变变毛坯坯与模模具表表面的的摩擦擦条件件﹡其他他工艺艺措施施1.4板板料冲冲压成成形性性能及及冲压压材料料1.4.1板板料料的冲冲压成成形性性能冲压压成成形形性性能能:板板料料对对各各种种冲冲压压成成形形加加工工的的适适应应能能力力。。抗破破裂裂性性、、贴贴模模性性、、定定形形性性成形形极极限限冲冲压压件件形形状状尺尺寸寸精精度度1.4.2板板材材冲冲压压成成形形试试验验的的试试验验方方法法板料料冲冲压压性性能能试试验验方方法法通通常常分分为为三三种种类类型型：：力学学试试验验、金属属学学试试验验（统统称称间间接接试试验验））和和工艺艺试试验验（直直接接试试验验））。。拉伸伸试试验验用用的的标标准准试试样样和和拉拉伸伸曲曲线线（（图1.4.1）1.屈屈服服极极限限屈服服极极限限小小,材材料料容容易易屈屈服服,则则变变形形抗抗力力小小.2.屈屈强强比比屈强强比比小小,说说明明值值小小而而值值大大3.总总延延伸伸率率与与均均匀匀延延伸伸率率拉伸伸实实验验中中,试试样样拉拉断断时时的的伸伸长长率率称称总总伸伸长长率率1.4.3板板料料的的力力学学性性能能与与冲冲压压成成形形性性能能的的关关系系图1.4.1拉拉伸伸试试验验用用的的标标准准试试样样和和拉拉伸伸曲曲线线4.硬化化指指数数单向向拉拉伸伸硬硬化化曲曲线线可可写写成成，，其其中中为为硬硬化化指指数数。。5.厚向向异异性性指指数数厚向向异异性性指指数数是是指指单单向向拉拉伸伸试试样样宽宽度度应应变变和和厚厚度度应应变变之之比比6.板平平面面各各向向异异性性指指数数对拉拉深深件件质质量量的的影影响响（（图1.4.2）图1.4.2△△γ对拉拉深深件件质质量量的的影影响响1.4.4常常用用冲冲压压材材料料及及其其力力学学性性能能1.冲压压常常用用的的材材料料黑色色金金属属金属属材材料料冲压压材材料料有有色色金金属属非金金属属材材料料2.冲压压用用新新材材料料及及其其性性能能1））高高强强度度钢钢板板2））耐耐腐腐蚀蚀钢钢板板3））双双相相钢钢板板4））涂涂层层板板5））复复合合板板材材图1.1.1晶晶格格畸畸变变(a)无无外外力力作作用用；；(b)外外力力作作用用产产生生弹弹性性畸畸变变；；(c)晶晶格格滑滑移移或或孪孪动动；；(d)外外力力卸卸去去后后的的永永久久变变形形图1.2.1一一点点的的应应力力状状态态（a））受受力力物物体体（（b））任任意意坐坐标标系系（（c））主主轴轴坐坐标标系系1.2.4屈屈服服准准则则的的几几何何表表示示（a））平平面面上上两两屈屈服服准准则则表表达达(b)主主应应力力空空间间两两屈屈服服准准则则表表达达图1.2.5单单向向拉拉应应力力－－应应变变曲曲线线图1.2.6实实际际应应力力曲曲线线与与假假象象应应力力曲曲线线图1.2.7几几种种常常用用冲冲压压板板料料的的硬硬化化曲曲线线图1.3.2冲冲压压应应力力图图图1.3.2冲冲压压应应力力图图1.3.3冲冲压压变变形形图图图1.3.4变形形趋趋向向性性对对冲冲压压工工艺艺的的影影响响图1.3.5环环形形毛毛坯坯的的变变形形趋趋向向a)变变形形前前的的工工具具与与毛毛坯坯b)拉拉深深c)翻翻边边d)胀胀形形图1.3.6钢钢球球活活座座套