冲压模具及冲模设计第二章

冲压模具及冲模设计第二章第一页，共五十五页，编辑于2023年，星期日本章要求

通过学习，掌握板料的几个机械性能指标与板料冲压性能之间的关系；了解板料冲压性能的几个工艺试验；熟悉常用金属材料的冲压性能。2、课程内容(1)冷冲压变形的基本原理（塑性变形体积不变条件、屈服准则）；(2)冷冲压材料及其冲压成形性能（板料的基本性能与冲压成形性能的关系、成形极限图）。3、考核知识点和考核要求领会：板料的几个重要性能指标与冲压性能之间的关系；识记：体积不变条件，屈服准则。1、学习目的和要求第二页，共五十五页，编辑于2023年，星期日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基本概念金属内在性质塑性指金属在外力的作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。变形抗力指引起塑性变形的单位变形力。变形温度应变速度变形的力学状态第三页，共五十五页，编辑于2023年，星期日一、影响金属塑性和变形抗力的因素1.变形温度变形温度塑性变形抗力第四页，共五十五页，编辑于2023年，星期日1.变形温度变形温度回复与再结晶原子动能增加金属的组织、结构发生变化扩散蠕变机理起作用晶间滑移作用增强一、影响金属塑性和变形抗力的因素第五页，共五十五页，编辑于2023年，星期日一、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第六页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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δ1显然小于低速时的δ2。2.应变速率一、影响金属塑性和变形抗力的因素第七页，共五十五页，编辑于2023年，星期日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２—低速第八页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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第九页，共五十五页，编辑于2023年，星期日3.应力、应变状态一、影响金属塑性和变形抗力的因素应力状态应变状态主应力状态下静水压力大塑性越好静水压力小塑性越差主应变状态下压应变成分多拉应变成分少有利于材料塑性发挥当作用于坯料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，故称这种变形为压缩类变形。

当作用于坯料变形区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，故称这种变形为伸长类变形。

第十页，共五十五页，编辑于2023年，星期日4.尺寸因素一、影响金属塑性和变形抗力的因素尺寸越大塑性越差变形抗力越小组织和化学成分不均内部缺陷多应力分布不均匀第十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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ε1＋ε2＋ε3＝0式中

ε1、ε2、ε3——塑性变形时的三个主应变分量。第十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

由体积不变条件可看出，主应变图只可能有三类：①具有一个正应变及两个负应变；②具有一个负应变及两个正应变；③一个主应变为零，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主应变图第十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期日2三、塑性条件(屈服准则)屈雷斯加屈服准则(Tresca)的数学表达式是τmax＝＝σmax－σminσs2式中

τmax——质点的最大切应力；σmax、σmin——代数值最大、最小的主应力；σs——金属在一定的变形温度、变形速度下的屈服点。

塑性条件：受力物体内不同应力状态下的质点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所需要遵守的条件也称屈服准则。当受力物体内质点的最大切应力达到材料单向拉伸时屈服点值的一半时，该点就发生屈服。第十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期日式中

σ1、σ2、σ3——质点的三个主应力。三、塑性条件(屈服准则)米塞斯屈服准则(Mises)的数学表达式是（σ1－σ2）2＋（σ2－σ3）2＋（σ3－σ1）2＝２σ２ｓ或1当受力物体内质点的等效应力达到材料单向拉伸时屈服点值时，该点就发生屈服。σ＝(σ１－σ２)２＋(σ２－σ３)２＋(σ３－σ１)２＝σｓ√2√第十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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===ｄλdε1σ1-σmdε2σ2-σmdε3σ3-σm式中

dλ——瞬时常数，在加载的不同瞬时是变化的；

σm——平均主应力（静水应力）。第十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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ε1-εmσ1-σmε2-εmσ2-σmε3-εmσ3-σm＝＝＝λε1σ1-σmε2σ2-σmε3σ3-σm＝＝＝λ

由于塑性变形时体积不变，即εm＝0，所以上式可写成式中

λ——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。第十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期日四、塑性变形时应力与应变的关系1）可根据偏应力（）的正负判断某个方向的主应变的正负，当某个方向的偏应力为正值是，则该方向的主应变为正值；2）若某点的主应力的顺序为，则该点主应变的顺序为，且；3）当变形体处于三向等拉或等压的应力状态（即）时，不会产生任何塑性变形（即)；4）当变形体处于单向拉伸应力状态（即）时，则有；5）当变形体处于二向等拉的平面应力状态（）时，则有；6）当变形体处于平面应变状态（）时，则其第二主应力。第十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期日五、冷冲压成形中的硬化现象图2-4几种材料的硬化曲线加工硬化使材料的所有强度、硬度指标增加，同时塑性指标降低。第十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期日五、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ａ）幂指数硬化曲线ｂ）刚塑性硬化曲线ｃ）刚塑性硬化直线ｄ）理想刚塑性水平直线第二十页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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ａ）拉断后的试样ｂ）试验曲线第二十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期日六、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＝σ1A

式中

σ1——实际应力；

A——板料的瞬时断面积。第二十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期日六、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＝＝dσ1σ1－dtt－dε3第二十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期日六、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板料双向拉伸第二十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期日六、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dσ1ｄε1＝σ1dσ2ｄε2＝σ2｝第二十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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dσ1σ1＝-

＝-dε3dttdσ2σ2＝-

＝-dε3dtt第二十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期日（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。第二十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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.成形极限板材对冲压成形工艺的适应能力叫做板材的冲压成形性能。主要内容：成形极限和成形质量。第二十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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。一、板料的冲压成形性能1.成形极限图2-8起皱与破裂的实例第二十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

１）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。２）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。３）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.成形质量第三十页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

４）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。５）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.成形质量第三十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期日二、板料冲压成形性能的测定板材的冲压成形性能可以通过试验进行测定评价。试验方法通常分为：力学试验、金属学试验和工艺试验。

工艺试验是指模拟某一类实际成形方式中的应力状态和变性特点来成形小尺寸试样的板料冲压试验，所以工艺试验也成为模拟试验。第三十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

胀形试验也称杯突试验Erichsen试验），图是GB／T

4156—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杯突试验杯突试验值IE越大胀形成形性能及拉伸成形性能越好凸模压入深度第三十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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扩孔试验扩孔率λ越大扩孔成形性能越好第三十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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拉楔试验第三十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期日二、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φ50mm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）冲杯试验极限拉深比LDR越大材料的拉深性能越好第三十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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ａ)落料ｂ）拉深ｃ）夹紧ｄ）破裂材料特性值T越大，材料的拉深性能越好。第三十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期日二、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弯曲试验最小相对弯曲半径越小，弯曲成形性能越好。rmint0第三十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

图是GB／T

15825.6—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锥杯试验锥杯试验值CCV越小拉深—胀形成形性能越好第三十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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δb。三、板料的基本性能与冲压成形性能的关系1.伸长率δ图2-18单向拉伸试验曲线δb表示板料产生均匀变形或稳定变形的能力，伸长类变形工序中，其值越大，则极限变形程度越大。

第四十页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

屈服极限σｓ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σs低，则σs／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σs图2-18单向拉伸试验曲线第四十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

屈强比σs/σb对板料冲压成形性能影响较大。σs/σb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σs/σb第四十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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nσs/σb较小，则n值较大。第四十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期日三、板料的基本性能与冲压成形性能的关系5.塑性应变比ｒ

塑性应变比是指板料试样单向拉伸时，宽向应变εb与厚向应变εt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。ｒ＝

＝εtεblnln0bb0ttr值越大，拉深成形性能越好。

板厚方向性系数的平均值：式中r0、r90、r45分别为板材的纵向、横向及45°方向的板厚方向性系数。第四十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期日三、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)Δr

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Δr来衡量，规定为Δr＝2r0+r90-2r45

Δr越大，表示板平面内各向异性越大，拉深时产生凸耳现象越严重。

第四十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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第四十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期日三、板料的基本性能与冲压成形性能的关系板料单向拉伸性能与冲压成形性能的关系第四十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期日四、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β）下的局部失稳极限应变ε1和ε2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。第四十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期日四、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成形极限图第四十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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／T

1825.8—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理论成形极限图第五十页，共五十五页，编辑于2023年，星期日

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第五十一页，共五十五页，编