沖壓工藝及模具－計(jì)與實(shí)踐第2章 沖壓成形工藝及模具設(shè)計(jì)的基本理論基礎(chǔ)

1、出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁第第2 2章章 沖壓成形工藝及模沖壓成形工藝及模具設(shè)計(jì)的基本理論基礎(chǔ)具設(shè)計(jì)的基本理論基礎(chǔ)出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁2.1 2.1 金屬塑性變形及其對金屬性能的影響金屬塑性變形及其對金屬性能的影響2.1.1 2.1.1 金屬塑性與塑性變形基本概念金屬塑性與塑性變形基本概念在金屬材料中，原子之間作用著相當(dāng)大的力，足以抵抗重力的作用。當(dāng)物體受到其他外力作用后，物體的形狀和尺寸將發(fā)生變化，稱為變形。若作用于物體的外力卸載后，由外力引起的變形隨之消失，能完全恢復(fù)到原有的形狀和尺寸，變稱為彈性變形。若作用于物體的外力卸載后，不能完全恢復(fù)到原

2、有形狀和尺寸，稱為塑性變形。金屬塑性，是指金屬在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞其完整性的能力。金屬塑性的大小通常用塑性指標(biāo)來衡量。對應(yīng)于拉伸試驗(yàn)的塑性指標(biāo)通常用延伸長率和斷面收縮率表示。2.1.2 2.1.2 影響金屬塑性的因素影響金屬塑性的因素金屬的塑性主要包括金屬本身的內(nèi)在因素和變形時(shí)的外部條件。出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁1. 金屬的成分和組織結(jié)構(gòu)。組成金屬的晶格類型，雜質(zhì)的性質(zhì)、數(shù)量及分布情況，晶粒大小、形狀及晶界強(qiáng)度等不同，金屬的塑性就不同。2. 變形溫度。變形溫度的趨勢是：溫度升高，塑性增加，變形抗力降低。使金屬加熱軟化，以增加板料的變形程度，降低板料的變形抗力。

3、碳鋼加熱到200400之間時(shí)，因?yàn)闀r(shí)效作用(夾雜物以沉淀的形式在晶界滑移面上析出)使塑性降低，變形抗力增加，脆性增大，這個(gè)溫度范圍稱為藍(lán)脆區(qū)。而在800950范圍內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)熱脆，使塑性降低，原因是鐵與硫形成的化合物fes幾乎不溶丁固體鐵中，形成低熔點(diǎn)的共晶體(fe + fes+feo)，如果處在晶粒邊界的共晶體熔化，就會(huì)破壞晶粒間的結(jié)合。3. 變形速度。所謂變形速度是指單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)變的變化量，塑性成形設(shè)備的加載速度在一定程度上反映了金屬的變形速度。4. 應(yīng)力狀態(tài)。壓應(yīng)力有利封閉裂紋阻止繼續(xù)擴(kuò)展，減小或阻止晶間變形。出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁2.1.3 2.1.3 塑性變形對

4、金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響1. 組織變化1）顯微組織發(fā)生變化，產(chǎn)生了纖維組織。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒呈現(xiàn)出一片如纖維狀得條紋，稱為纖維組織。2）亞結(jié)構(gòu)細(xì)化。金屬塑性變形過程中，當(dāng)變形很小時(shí)，晶粒內(nèi)部位錯(cuò)分布相對比較均勻。3）出現(xiàn)變形織構(gòu)。塑性變形使晶粒具有優(yōu)取向的組織稱為“變形織構(gòu)”。2. 性能變化1）出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。隨著變形程度的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度增加，而塑性和韌性降低，這種現(xiàn)象稱為加工硬化或形變強(qiáng)化。如圖2.1所示，金屬薄板在沖壓過程，彎角處變形最嚴(yán)重。出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁 圖2.1 沖壓示意圖2）物理性能和化學(xué)性能發(fā)生變化。金屬材料經(jīng)

5、塑性變形后，物理性能和化學(xué)性能也發(fā)生明顯變化。如使金屬及合金的比電阻增加，導(dǎo)電性能和電阻溫度系數(shù)下降，導(dǎo)熱系數(shù)也略為下降。塑性變形還使導(dǎo)磁率、磁飽和度下降，但磁滯和矯頑力增加。出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁3. 殘余應(yīng)力金屬在塑性變形時(shí)，每個(gè)晶粒都有不同程度的變形，即附加應(yīng)力。變形終止后，附加應(yīng)力殘留在金屬內(nèi)部形成殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在對金屬材料的性能來說是有害的，它導(dǎo)致金屬材料及工件的變形、開裂和應(yīng)力腐蝕。對于承受單向扭轉(zhuǎn)載荷的零件（如某些汽車中的扭力軸）沿載荷方向進(jìn)行適量的超載預(yù)扭，可以使工件表面層產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的與載荷方向相反的殘余應(yīng)力。2.2 2.2 金屬塑性變形時(shí)的應(yīng)

6、力應(yīng)變狀態(tài)及其對金屬變形的影響金屬塑性變形時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及其對金屬變形的影響2.2.1 金屬塑性變形時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)在沖壓加工過程中，外力通過模具作用于材料，使之產(chǎn)生塑性變形，同時(shí)在材料內(nèi)部引起反抗變形的內(nèi)力。出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁1. 點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)材料在外力的作用下，各部各個(gè)質(zhì)點(diǎn)間就會(huì)產(chǎn)生相互作用的力，稱為內(nèi)力。單位面積上內(nèi)力稱為應(yīng)力。一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)是通過在該點(diǎn)沿某種坐標(biāo)系所取的單元體上各個(gè)互相垂直表面上的應(yīng)力來表示的，如圖2.2a所示。應(yīng)力可沿坐標(biāo)方向分解為九個(gè)應(yīng)力分量，包括三個(gè)正應(yīng)力和六個(gè)剪應(yīng)力，如圖2.2b所示。寫成矩陣形式為： 圖2.2點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)出版社 理

7、工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁其中，3個(gè)正應(yīng)力和6個(gè)剪應(yīng)力互等，即 因此，只要知道3個(gè)正應(yīng)力和3個(gè)剪應(yīng)力，該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)就可確定。寫成矩陣形式為出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁需要注意的是圖2.2a和圖2.2b中的坐標(biāo)系xyz是任意的。使得單元體各表面上只出現(xiàn)正應(yīng)力，而沒有剪應(yīng)力，如圖2.2c所示，1、2、3三個(gè)坐標(biāo)軸稱為主軸；三個(gè)坐標(biāo)軸的方向就稱為主方向；三個(gè)正應(yīng)力就稱為主應(yīng)力，一般按其代數(shù)值大小依次用 和 表示，即 。值可正可負(fù)，正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。三個(gè)主應(yīng)力的作用面稱為主平面。3個(gè)主應(yīng)力大小都相等，即 ，則稱為球應(yīng)力狀態(tài)。這種應(yīng)力狀態(tài)不產(chǎn)生剪應(yīng)力，故所有方

8、向都可看做是主方向，而且所有方向的主應(yīng)力都相同。單元體上三個(gè)正應(yīng)力的平均值稱為平均應(yīng)力，用 表示。平均應(yīng)力的大小取決于該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，而與坐標(biāo)系的選取無關(guān)，平均應(yīng)力為出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁如圖2.3所示，任何一種應(yīng)力狀態(tài)都可以看成是球應(yīng)力狀態(tài)和偏應(yīng)力狀態(tài)兩種應(yīng)力狀態(tài)的疊加。 圖2.3 應(yīng)力狀態(tài)的分解主切應(yīng)力的作用面稱為主切應(yīng)力面。主切應(yīng)力及其作用面共有三組，如圖2.4所示，其主切應(yīng)力值分別為出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁 圖2.4 主切應(yīng)力及主切應(yīng)力面（陰影部分）出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁2. 點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)變形體內(nèi)存在應(yīng)力必伴隨有應(yīng)變

9、，點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)也是通過單元體的變形來表示的。與點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)一樣，當(dāng)采用主軸坐標(biāo)系時(shí)，單元體就只有三個(gè)主應(yīng)變分量 ，而沒有切應(yīng)變分量，如圖2.5所示。其中絕對值最大的主切剪應(yīng)力稱為該點(diǎn)的最大切應(yīng)力，用 表示。若 圖2.5 點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁任何一種主應(yīng)變狀態(tài)與應(yīng)力狀態(tài)一樣，分解成平均主應(yīng)變 為 應(yīng)變值的三向等應(yīng)變狀態(tài)和以各向主應(yīng)變與應(yīng)變的平均主應(yīng)變差值為應(yīng)變值構(gòu)成的偏應(yīng)變狀態(tài)，如圖2.6所示。 圖2.6 應(yīng)變狀態(tài)的分解通過實(shí)踐證明，塑性變形時(shí)，變形體主要發(fā)生了形狀和尺寸的改變，而無體積大小的變化，即：出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁根據(jù)體積不

10、變定律，可以得出如下結(jié)論:1）塑性變形時(shí)，物體只有形狀和尺寸發(fā)生變化，而體積保持不變。2）不論應(yīng)變狀態(tài)如何，其中必有一個(gè)主應(yīng)變的符號與其他兩個(gè)主應(yīng)變的符號相反，這個(gè)主應(yīng)變的絕對值最大，稱為最大主應(yīng)變。3）當(dāng)已知兩個(gè)主應(yīng)變數(shù)值時(shí)，便可求出第三個(gè)主應(yīng)變。4）任何一種物體的塑性變形方式只有三種，與此相應(yīng)的主應(yīng)變狀態(tài)圖也只有三種，如圖2.7所示。 圖2.7 三種主應(yīng)變圖出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁3.應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系由單向拉伸試驗(yàn)可知，金屬在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系是線性的、可逆的，與加載歷史無關(guān)。目前常用的塑性變形應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的理論主要有兩類：一類簡稱增量理論；另一

11、類簡稱全量理論，它認(rèn)為在簡單加載（即在塑性變形發(fā)展的過程中，只加載，不卸載。全量理論認(rèn)為在簡單加載條件下，塑性變形的每一瞬間，主應(yīng)力差與主應(yīng)變差成比例，比例系數(shù)為一常量，稱為非負(fù)比例系數(shù)，用c來表示，有：式中：出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁c非負(fù)比例系數(shù)，是一個(gè)與材料性質(zhì)和變形程度有關(guān)的函數(shù)，與變形體所處的應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，由單向拉伸試驗(yàn)求出。通過塑性變形時(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的分析，可得出以下結(jié)論：1）應(yīng)力分量與應(yīng)變分量符號不一定一致，即拉應(yīng)力不一定對應(yīng)拉應(yīng)變，壓應(yīng)力不一定對應(yīng)壓應(yīng)變；2）某方向應(yīng)力為零其應(yīng)變不一定為零；3）在任何一種應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力分量的大小與應(yīng)變分量的大小次序是相對應(yīng)

12、的，即 ；4）兩個(gè)應(yīng)力分量相等，對應(yīng)的應(yīng)變分量相等，即若 。2.2.2 2.2.2 應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)對金屬塑性變形的影響應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)對金屬塑性變形的影響大理石是脆性材料，在單向壓縮時(shí)縮短率不到1%就會(huì)破壞，但在7 650個(gè)大氣壓力（lat=98.066kpa）靜水壓力下壓縮時(shí)，縮短率可達(dá)9%左右才破壞。靜水壓力越小，則塑性就越差。出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁2.3 2.3 沖壓成形中的變形趨向性及其控制沖壓成形中的變形趨向性及其控制在沖壓成形過程中，板料的各個(gè)部分在模具的作用下，可能發(fā)生不同形式的變形，即具有不同的變形趨向性。2.3.1 2.3.1 工件沖壓成形時(shí)區(qū)域劃分工件沖壓

13、成形時(shí)區(qū)域劃分變形區(qū)是正在進(jìn)行特定變形的部分。非變形區(qū)又包含幾種情況：已變形區(qū)、待變形區(qū)、不變形區(qū)和傳力區(qū)。圖2.8為沖壓成形時(shí)板料各區(qū)域劃分舉例，具體劃分情況如表2.1所示。 圖2.8 沖壓成形時(shí)板料各區(qū)域劃分舉例出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁 表2.1 沖壓成形時(shí)板料各區(qū)域劃分情況在同一個(gè)變形力作用下，變形區(qū)己屈服，開始塑性變形，非變形區(qū)則沒有屈服變形，因此變形區(qū)通常被稱為弱區(qū)，非變形區(qū)稱為強(qiáng)區(qū)。2.3.2 2.3.2 沖壓成形時(shí)的變形趨向性沖壓成形時(shí)的變形趨向性在沖壓過程中，弱區(qū)所需塑性變形力最小，所以弱區(qū)一般先進(jìn)行塑性變形。得出一個(gè)十分重要的結(jié)論：在沖壓成形過程中，需要

14、最小變形力的區(qū)是個(gè)相對的弱區(qū)，變形區(qū)應(yīng)為弱區(qū)，即為沖壓成形時(shí)的變形趨向性。出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁如圖2.9所示，毛坯在同一個(gè)模具中加工，當(dāng)改變其外徑d0、內(nèi)孔d0及凸模直徑d凸的相互比例時(shí)，就可能出現(xiàn)多種互不相同的變形方式，即具有不同的變形趨向性。1. 拉深（圖2.9b）：當(dāng)d0/d凸和d0/d凸都較小時(shí)，外環(huán)（凸緣）寬度不大，成為弱區(qū)，于是出現(xiàn)拉深變形。2. 翻邊（圖2.9c）：當(dāng)d0/d凸和d0/d凸都較大時(shí)，外環(huán)（凸緣）寬度較大，成為強(qiáng)區(qū)，而內(nèi)環(huán)（底孔周圍）寬度較小，成為弱區(qū)，于是出現(xiàn)翻邊變形。3. 脹形（圖2.9d）：當(dāng)d0/d凸較大而d0/d凸很小，甚至等于零

15、（沒有底孔）時(shí)，外環(huán)拉深和底孔翻邊的變形阻力都較大，而凸、凹模圓角附近的變形阻力較小，于是出現(xiàn)脹形變形。出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁2.3.3 2.3.3 沖壓成形時(shí)變形趨向性的控制沖壓成形時(shí)變形趨向性的控制沖壓過程中，毛坯上的弱區(qū)、強(qiáng)區(qū)以及變形方式都是由應(yīng)力狀態(tài)和材料性能決定的。而應(yīng)力狀態(tài)和材料性能又與很多因素有關(guān)，改變上述這些因素，就可以實(shí)現(xiàn)對變形趨向性的控制。1.改變毛坯各部分的相對尺寸如圖2.9所示帶底孔的圓形板坯，當(dāng)d0/d凸1.52，d0/d凸0.15時(shí)環(huán)形部分產(chǎn)生塑性變形所需的力最小而成為弱區(qū)，因而產(chǎn)生外徑收縮的拉深變形，得到拉伸件，如圖2.9b所示；當(dāng)d0/d凸2.5，d0/d凸0.20.3時(shí)，內(nèi)環(huán)形部分產(chǎn)生塑性變形所需的力最小而成為弱區(qū)，因而產(chǎn)生內(nèi)孔擴(kuò)大的翻孔變形，得到翻孔件，如圖2.9c所示；當(dāng)d0/d凸2.5，d0/d凸0.15時(shí)，外環(huán)的拉深變形和內(nèi)環(huán)的翻孔變形阻力都很大，結(jié)果使凸、凹模圓角及附近的金屬成為弱區(qū)而產(chǎn)生厚度變薄的脹形變形，得到脹形件, 如圖2.9d所示。 出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁圖2.9 環(huán)形毛坯的變形趨勢出版社 理工分社沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐退出頁2. 改變模具工作部分的幾何形狀與尺寸增大凸、凹模圓角半徑，可以減少材料流動(dòng)的阻力，因此，增大拉