冲压工艺与模具设计-冲压成形的基本理论

冲压工艺与模具设计Stamping

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Mould

Design第1章

冲压成形的基本理论【主要内容】塑性变形与应力应变加工硬化与硬化曲线板料的力学性能与冲压性能的关系冲压用材料【重点】塑性条件塑性变形时应力与应变之间的关系板料的机械性能与冲压性能的关系2第1章冲压成形的基本理论固态金属是由大量晶粒组成的多晶体，晶粒内的原子按照体心立方、面心立方或紧密六方等方式排列成有规则的空间结构。第1章冲压成形的基本理论1.1塑性变形与应力应变物体受外力（面力或体力）作用后，其内各质点之间将产生相互作用的内力，单位面积上的内力叫做应力；应力作用必然引起物体质点间的相对位移，即使物体产生应变。一、一点的应力应变状态

1.概念单元体的应力状态可用相互垂直表面上的应力来表示：（回第5页）31.1塑性变形与应力应变沿坐标方向可将这些应力分解为九个应力分量，包括三个正应力和六个剪应力。根据互相垂直平面上切应力互等定律，有。因此，若已知三个正应力和三个剪应力，那么该点的应力状态就可以确定了。主轴——各表面上只有正应力而无剪应力时的坐标轴主方向——主轴所在的方向主应力——主轴坐标系下的正应力主平面——主应力作用面（转3页看图）互相垂直平面上切应力互等定律：由于单元体处于静力平衡状态，绕其各轴的合力矩等于零，因此切应力互等。41.1塑性变形与应力应变一、一点的应力应变状态2.主剪应力在与主平面成45°截面上的剪应力达到极值时称为主剪应力。如果则最大剪应力与材料的塑性变形关系很大。应力状态的分类三向应力状态——三个主方向上都有应力的状态平面应力状态——三个主应力中有一个为零单向应力状态——三个主应力中有两个为零54.应变状态当采用主轴坐标系时，单元体六个面上只有三个主应变分量，而没有剪应变分量。实践证明：塑性变形时，单元体主要是发生形状的改变，而体积的变化很小，可以忽略不计，即认为：——体积不变定律，反映了三个主应变之间的相互关系。根据体积不变定律，塑性变形时只可能有三向应变状态和平面应变状态，而不可能有单向应变状态。1.1塑性变形与应力应变61.1塑性变形与应力应变7二、塑性条件

P15塑性条件又称为屈服准则或屈服条件，是描述不同应力状态下变形体内质点开始产生塑性变形并使塑性变形继续进行所必须遵循的条件。当材料中某点处于单向应力状态时，只要该点的应力达到材料的屈服极限，该点就进入塑性状态。可是对于复杂的多向应力状态，就不能仅根据某一个

应力分量来判断该点是否达到塑性状态，而要同时考虑其他应力分量的作用。只有当各个应力分量之间符合一定的关系时，该点才开始屈服，这种关系就

是塑性条件。目前所公认的塑性条件有下面两种：屈雷斯卡(H．Tresca)塑性条件（最大剪应力理论）密塞斯(von

Mises)塑性条件1.1塑性变形与应力应变二、塑性条件1.屈雷斯卡塑性条件（最大剪应力理论）屈雷斯卡提出：任意应力状态下，只要最大剪应力达到某临界值（与应力状态无关）后，材料就开始屈服。通过单向拉伸试验可得出，此临界值等于材料屈服极限的一半。设

，则最大剪应力理论可表示为：或这一理论形式简单，与试验结果基本相符，用于分析板料成形问题有足够的精度。但其忽略了中间应力的作用，因此不够完善。8达到某一临界值（与应力状态无关）时，材料就开始屈服。通过单向拉伸试验可得出，此临界值等于材料的屈服极限

。等效应力：则密塞斯塑性条件可表达为：1.1塑性变形与应力应变二、塑性条件2.密塞斯塑性条件密塞斯提出：任意应力状态下，当某点的等效应力1.1塑性变形与应力应变二、塑性条件经过计算可知，两个条件之间差别很小。若把上式进行简化，消去

，可得下式：β是与应力状态有关的参数，它反映了中间主应力的影响，其取值范围为

。在应力分量未知的情况下，β可取近似平均值1.1。111.1塑性变形与应力应变三、塑性变形时应力与应变之间的关系物体受力产生变形，所以应力与应变之间一定存在着某种关系。图示为材料单向拉伸加载曲线：由该曲线可以发现：①材料屈服后，应力应变不再是线性关系；②变形过程是不可逆的；③在同一个应力下，加载历史不同，应变也不同。即在塑性变形时，应变不仅与应力大小有关，而且与加载历史有着密切的关系。一般来说在发生塑性变形时应力与应变之间不存在对应关系。目前，用来解决塑性变形时应力与应变之间关系的理论有两种——增量理论和全量理论来研究，得出了应力与应变增量之间的关系，称为增量理论：（等效应变）若引入平均应力，可得：1.1塑性变形与应力应变三、塑性变形时应力与应变之间的关系1.增量理论撇开整个变形过程，取加载过程中某个微量时间间隔13若引入平均应力，可得：在板料成形中要严格满足简单加载条件是不现实的。实践证明：工程问题的分析计算，只要近似满足简单加载条件，使用全量理论是允许的，这样便大大简化了分析计算过程。1.1塑性变形与应力应变三、塑性变形时应力与应变之间的关系2.全量理论加载过程中所有的应力分量均按同一比例增加——简单加载。在简单加载情况下应力应变关系得到简化，得出了全量理论：1.1塑性变形与应力应变三、塑性变形时应力与应变之间的关系3.应力应变关系分析

利用全量理论可得出以下结论：应力分量与应变分量的性质不一定一致，即拉应力不一定对应拉应变，压应力不一定对应压应变：·

当

时，可得在最大拉应力方向上一定是拉应变，而在最小拉应力方向上一定是压应变；当

时，可得最小压应力(绝对值最大的压应力)方向上一定是压应变，而在最大压应力(绝对值最小的压应力)方向上一定是拉应变。某方向应力为零，其应变不一定为零。在任何一种应力状态下，应力分量与应变分量的大小次序是相对应的，即若

，则

。若有两个应力分量相等，则对应的应变分量也相等。141.1塑性变形与应力应变三、塑性变形时应力与应变之间的关系由此可见，在多向应力状态下，应变状态（变形性质）不能只看该方向上的应力性质，还要看其大小关系。由全量理论可以得出如下结论：在多向应力状态下，应变状态可通过比较该方向的应力与平均应力的大小关系（代数值）来确定——大于平均应力时一定产生拉应变（伸长变形），小于平均应力时一定产生压应变（压缩变形），等于平均应力时一定没有变形。151.1塑性变形与应力应变16三、塑性变形时应力与应变之间的关系生产中把板料成形的受力与变形状况概括为两大类：

伸长类变形——变形区的拉应力绝对值最大，主要变形为沿该方向的伸长变形；

压缩类变形——变形区的压应力绝对值最大，主要变形为沿该方向的压缩变形。加工硬化：随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度指标都有所提高，但塑性、韧性有所下降。第1章冲压成形的基本理论171.2

加工硬化与硬化曲线一.加工硬化现象—材料在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，其变形抗力和硬度提高而塑性下降。冲压生产过程中，毛坯形状的变化与零件形状的形成过程即材料的塑性变形过程都是在常温下进行的。金属材料在常温下塑性变形的重要特点之一是加工硬化或称应变强化。其结果：引起材料力学性能的变化，表现为材料的强度指标（屈服强度σs与抗拉强度σb）随变形程度的增加而增加，同时塑性指标（伸长率δ与断面收缩率ψ）随之降低，因此，在进行变形毛坯内各部分的应力分析和各种工艺参数的确定时，必须考虑到加工硬化的影响。1.2加工硬化与硬化曲线加工硬化对塑性变形的影响:不利的一面——使所需的变形力增加，而且限制了材料进一步的变形。有利的一面——板料硬化能够减小过大的局部变形，使变形趋于均匀，从而增大成形极限，同时也提高了材料的强度。18第1章冲压成形的基本理论1.2加工硬化与硬化曲线二.硬化曲线材料的变形抗力随变形程度变化的情况可用硬化曲线来表示，一般可用单向拉伸试验方法得到。低碳钢拉伸的应力-应变曲线：19实验条件温、静载二.硬化曲线低碳钢拉伸时的应力——应变曲线1.2加工硬化与硬化曲线§9-4二.硬化曲线低碳钢拉伸时的应力——应变曲线1.2加工硬化与硬化曲线§9-4强度极限与屈服极限是通过试验确定的。在拉伸试验过程中，应力达到某一数值后，虽然不再增加甚至略有下降，试件的应变还在继续增加，并产生明显的塑性变形，好像材料暂时失去抵抗变形的能力，这种现象称为材料的屈服。发生屈服现象时的应力，称为材料的屈服极限。当试验拉力继续升高，试件达到破坏时的应力，称为材料的强度极限或抗拉强度。屈服极限和强度极限越大，分别表明材料抵抗破坏和抵抗塑性变形的能力高，即材料强度好。对于一定材料来说，强度极限和屈服极限是随着工作温度的升高而降低的。明显的四个阶段1、弹性阶段ob比例极限弹性极限2、屈服阶段bc（失去抵抗变形的能力）屈服极限3、强化阶段ce（恢复抵抗变形的能力）强度极限4、局部径缩阶段ef二.硬化曲线1.2加工硬化与硬化曲线1.2加工硬化与硬化曲线二.硬化曲线弹性阶段(图中OC段)若将载荷卸除，则加载时产生的变形将全部消失，说明这个阶段内试件只产生弹性变形，故OA段称为弹性阶段。屈服阶段(图中CB段)应力超过弹性极限之后，除产生弹性变形外，还

产生塑性变形，而且在曲线上BC段呈水平锯齿形状。说明这一阶段的应力虽有波动，但几乎没有增加，

而应变却显著增加。这种现象称为屈服或流动，故

BC段称为屈服阶段。强化阶段(图中Bb段)当屈服达到一定程度之后，材料的内部结构经过调

整变化又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形，就必须增加载荷，这时б—ε曲线将开始上升，故Bb段称为强化阶段。此时应力增加较慢而应变较大。

最高点b所对应的应力бb称为材料的强度极限。

Ⅳ．颈缩阶段(图中DE段)过b点后，在试件的某一局部范围内，横向尺寸突然急剧缩小，出现颈缩现象，此阶段称为颈缩阶段。试件继续变形所需的拉力相应减小，б—ε曲线是下降趋势，达到K点时，试件被拉断。231.2加工硬化与硬化曲线但该曲线并未反映出材料加工硬化的真实情况：图中表示的应力都是以变形前试样的原始截面积计算的名义应力，而没有考虑变形过程中试样截面积的减小。横坐标的应变值是名义应变，只考虑了变形前、后两个状态试样的尺寸，而未考虑材料变形是一个逐渐积累的过程，即应变与材料变形的全过程有关。为了真实地反映出硬化规律，必须采用真实应力与真实应变来表示：真实应力真实应变241.2加工硬化与硬化曲线二.硬化曲线按照真实应力和真实应变即可做出真实应力应变曲线：251.2加工硬化与硬化曲线比较：两者在屈服点以前的直线段几乎没有区别，但在缩颈处的真实应力并不是最大值，产生缩颈后，其真实应力继续增加，至

k点断裂，此时的真实应力值称为断裂强度。真实应力应变曲线更符合塑性变形的实际情况，故在板料成形中被广泛采用。261.2加工硬化与硬化曲线二.硬化曲线271.2加工硬化与硬化曲线二.硬化曲线生产中应用的是近似硬化曲线——硬化直线和指数曲线：1.硬化直线——硬化曲线上缩颈点处的切线。两种：①

硬化直线用真实应力与名义应变建立坐标系，硬化曲线上缩颈点处的切线斜率为

。该直线在应变轴上的截距为－1，在应力轴上的截距为

，即直线方程为：281.2加工硬化与硬化曲线②

硬化直线用真实应力与真实应变建立坐标系，硬化曲线上缩颈点处的切线斜率为

。该直线在应变轴上的截距为

，在应力轴上的截距为即直线方程为：291.2加工硬化与硬化曲线30由上可知，硬化直线制作简单，只需要缩颈点的应力与应变即可确立。但用其代替硬化曲线时仅在缩颈处误差较小，当变形较大或较小时，实际硬化曲线与硬化直线之间差异很大，所以板料成形中经常采用指数曲线。1.2加工硬化与硬化曲线2.指数曲线表达式为：C－塑性系数；

－硬化指数。C和

取决于材料种类和性能，可通过拉伸试验获得。是表示材料冷变形时硬化性能的重要参数，对板料的冲压成形性能及冲压质量都有很大影响。越大，表示冷变形过程中材料的变形抗力随变形的增加而迅速增大，材料的塑性变形稳定性较好，不易出现局部的集中变形和破坏。311.3板料的机械性能与冲压性能的关系一、板料的冲压性能是指板料对各种冲压成形工艺的适应能力。板料在成形过程中可能出现两种失稳现象：拉伸失稳——板料在拉应力作用下局部出现缩颈或断裂；压缩失稳——板料在压应力作用下出现起皱。32第1章冲压成形的基本理论1.3板料的机械性能与冲压性能的关系33板料在失稳前可以达到的最大变形程度称为成形极限，分为总体成形极限和局部成形极限:总体成形极限反映板料失稳前总体尺寸可以达到的最大变形程度，如极限拉深系数、极限胀形高度和极限翻孔系数等，通常作为规则形状零件冲压工艺设计的重要依据。局部成形极限反映板料失稳前局部尺寸可以达到的最大变形程度。由于复杂零件变形的不均匀性，板料各处的变形差别很大因此必须用局部成形极限来描绘零件上各点的变形程度。1.3板料的机械性能与冲压性能的关系板料的冲压性能包括抗破裂性、贴模性和定形性等几个方面：抗破裂性——冲压过程中产生开裂的难易程度。贴模性——冲压过程中取得与模具形状一致性的能力。成形过程中发生的起皱、塌陷等缺陷，均会降低零件的贴模性。341.3板料的机械性能与冲压性能的关系·

定形性——零件脱模（离开模具）后保持其在模具内既得形状的能力。影响定形性的主要因素是回弹。贴模性和定形性是决定零件形状和尺寸精度的重要因素。但当材料抗破裂性差，会导致零件严重破坏，且难于修复，因此，在冲压生产中主要用抗破裂性作为评定板料冲压成形性能的指标。351.3板料的机械性能与冲压性能的关系二、板料的机械性能与冲压性能的关系对冲压成形性能影响较大的机械性能指标有以下七项：1．屈服极限

——小好屈服极限小，材料容易屈服，则变形抗力小，产生相同变形所需变形力就小。在压缩变形时，因易于变形而不易出现起皱；对弯曲变形则回弹小，即贴模性与定形性均好。361.3板料的机械性能与冲压性能的关系2．屈强比

——小好屈强比对板料成形性能有较大的影响。屈强比小即

小而

大，在这种情况下容易产生塑性变形而不易产生拉裂，也就是说，从产生屈服至拉裂有较大的塑性变形区间。尤其是对压缩类变形中的拉深成形具有重大影响，当变形抗力小而强度高时，变形区的材料易于变形不易出现起皱，而传力区的材料又有较高强度而不易出现拉裂，因而有利于提高拉深成形的变形程度。371.3板料的机械性能与冲压性能的关系均匀延伸率——大好试样开始产生局部集中变形(缩颈)时的延伸率称均匀延伸率，表示板料产生均匀的或稳定的塑性变形的能力，直接决定板料在伸长类变形中的冲压成形性能。实验证明，延伸率或均匀延伸率是影响翻孔或扩孔成形性能的最主要参数。弹性模量

——大好弹性模量大→弹性变形小，回弹小381.3板料的机械性能与冲压性能的关系5．硬化指数——对伸长类变形大好值大时，表示材料变形抗力随变形的进行而迅速增加，硬化显著，对后续变形工序不利。但值大时，材料塑性变形稳定性较好，不易出现局部的集中变形与破坏，有利于增大伸长类变形的成形极限。对伸长类变形如胀形，值大的材料使变形均匀、变薄减小，厚度分布均匀，增大了极限变形程度，零件不易产生裂纹。391.3板料的机械性能与冲压性能的关系6．厚向异性系数宽度应变和厚度应变的比值：——表示板料在厚度方向上的变形能力。值越大，表示板料越不易在厚度方向上产生变形，即不易出现变薄或增厚。值对拉深变形影响较大,

值增大，易于在宽度方向变形，可减小起皱，而受拉处厚度不易变薄，不易出现裂纹，故有助于提高拉深的变形程度。对大多数冲压成形工序来说

值大好，因大多数冲压成形工序希望变形发生在板平面方向，而不希望厚度方向发生较大的变形。401.3板料的机械性能与冲压性能的关系7．板平面各向异性系数

——小好——反映了板料在不同方位上厚向异性系数的差异：-沿纵向的厚向异性系数-沿横向的厚向异性系数-沿

方向的厚向异性系数板平面各向异性影响到冲压成形过程中各向变形的均匀性以及冲压件的质量。值越大，表示板平面内各向异性越严重，因此板平面各向异性系数越小越好。411.4冲压用材料一、冲压对板料的基本要求1.对机械性能的要求由前所述，板料的机械性能与冲压成形性能有着密切的关系，其中以延伸率、屈强比、弹性模量、硬化指数、厚向异性系数和各向异性系数影响较大。一般来说，延伸率大、屈强比小、弹性模量大、硬化指数高、厚向异性系数大和各向异性系数小时有利于各种冲压成形工序。42第1章冲压成形的基本理论时时效效现现象象：：指经过固溶处理或冷变形加工的某些合金，在常温或较高的温度下时，其性能随时间的延长而发生变化(通常是硬度和强度提高，塑性和韧性降低)的现象1.4冲压用材料43对化学成分的要求化学成分对冲压