沖壓模具及沖模設(shè)計第二章

1、沖壓模具及沖模設(shè)計第二章 第1頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一本章要求 通過學(xué)習(xí)，掌握板料的幾個機械性能指標與板料沖壓性能之間的關(guān)系；了解板料沖壓性能的幾個工藝試驗；熟悉常用金屬材料的沖壓性能。2、課程內(nèi)容 (1)冷沖壓變形的基本原理（塑性變形體積不變條件、屈服準則）； (2)冷沖壓材料及其沖壓成形性能（板料的基本性能與沖壓成形性能的關(guān)系、成形極限圖）。3、考核知識點和考核要求領(lǐng)會：板料的幾個重要性能指標與沖壓性能之間的關(guān)系；識記：體積不變條件，屈服準則。1、學(xué)習(xí)目的和要求第2頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一第一節(jié) 冷沖壓變形的基本原理概述一、影

2、響金屬塑性和變形抗力的因素基本概念金屬內(nèi)在性質(zhì)塑性指金屬在外力的作用下，能穩(wěn)定地發(fā)生永久變形而不破壞其完整性的能力。變形抗力指引起塑性變形的單位變形力。變形溫度應(yīng)變速度變形的力學(xué)狀態(tài)第3頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一一、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.變形溫度變形溫度塑性變形抗力第4頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一1.變形溫度變形溫度回復(fù)與再結(jié)晶原子動能增加金屬的組織、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化擴散蠕變機理起作用晶間滑移作用增強一、影響金屬塑性和變形抗力的因素第5頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一一、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.變形

3、溫度圖2-1 碳鋼塑性隨溫度變化曲線第6頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 應(yīng)變速率是指單位時間內(nèi)應(yīng)變的變化量。一般來說，由于塑性變形需要一定的時間來進行，因此應(yīng)變速率太大，塑性變形來不及在塑性變形體中充分擴展和完成，而是更多地表現(xiàn)為彈性變形，致使變形抗力增大。又由于斷裂抗力基本不受應(yīng)變速率的影響，所以變形抗力的增大就意味著塑性的下降，如圖所示，高速下的極限變形程度1顯然小于低速時的2。2.應(yīng)變速率一、影響金屬塑性和變形抗力的因素第7頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一2.應(yīng)變速率一、影響金屬塑性和變形抗力的因素圖2-2 應(yīng)變速率對變形抗力和塑性的影響

4、示意圖1高速 低速第8頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 塑性變形是在力的作用下產(chǎn)生的，宏觀上是力與塑性變形的關(guān)系，實際上是變形體微觀質(zhì)點應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)關(guān)系的表現(xiàn)。施加不同形式的力，在變形體中就有不同的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)，從而表現(xiàn)出不同的塑性變形行為。3.應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)一、影響金屬塑性和變形抗力的因素第9頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一3.應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)一、影響金屬塑性和變形抗力的因素應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)變狀態(tài)主應(yīng)力狀態(tài)下靜水壓力大塑性越好靜水壓力小塑性越差主應(yīng)變狀態(tài)下壓應(yīng)變成分多拉應(yīng)變成分少有利于材料塑性發(fā)揮 當作用于坯料變形區(qū)的壓應(yīng)力的絕對值最大時，在這

5、個方向上的變形一定是壓縮變形，故稱這種變形為壓縮類變形。 當作用于坯料變形區(qū)的拉應(yīng)力的絕對值最大時，在這個方向上的變形一定是 伸長 變形，故稱這種變形為伸長類變形。 第10頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一4.尺寸因素一、影響金屬塑性和變形抗力的因素尺寸越大塑性越差變形抗力越小組織和化學(xué)成分不均內(nèi)部缺陷多應(yīng)力分布不均勻第11頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 彈性變形時，物體體積的變化與平均應(yīng)力成正比。實踐證明，塑性變形的物體之體積保持不變，塑性變形以前的體積等于其變形后的體積，可表示為二、塑性變形體積不變條件1230式中 1、2、3塑性變形時的三個

6、主應(yīng) 變分量。第12頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 由體積不變條件可看出，主應(yīng)變圖只可能有三類：具有一個正應(yīng)變及兩個負應(yīng)變；具有一個負應(yīng)變及兩個正應(yīng)變；一個主應(yīng)變?yōu)榱悖韮蓚€應(yīng)變之大小相等符號相反。二、塑性變形體積不變條件圖2-3 主應(yīng)變圖第13頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一2三、塑性條件(屈服準則)屈雷斯加屈服準則(Tresca)的數(shù)學(xué)表達式是maxmaxmins2式中 max質(zhì)點的最大切應(yīng)力； max、min代數(shù)值最大、最小的主應(yīng)力； s金屬在一定的變形溫度、變形速度下的屈服點。 塑性條件：受力物體內(nèi)不同應(yīng)力狀態(tài)下的質(zhì)點進入塑性狀態(tài)并使塑

7、性變形繼續(xù)進行所需要遵守的條件也稱屈服準則。 當受力物體內(nèi)質(zhì)點的最大切應(yīng)力達到材料單向拉伸時屈服點值的一半時，該點就發(fā)生屈服。 第14頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一式中 1、2、3 質(zhì)點的三個主應(yīng)力。三、塑性條件(屈服準則)米塞斯屈服準則(Mises)的數(shù)學(xué)表達式是（12）2（23）2（31）2或1 當受力物體內(nèi)質(zhì)點的等效應(yīng)力達到材料單向拉伸時屈服點值時，該點就發(fā)生屈服。 ()()()2第15頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 增量理論又稱流動理論，它可表述如下：在每一加載瞬間，應(yīng)變增量主軸與應(yīng)力主軸重合，應(yīng)變增量與應(yīng)力偏量成正比，即四、塑性變形

8、時應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系= = =d11-md22-md33-m式中 d瞬時常數(shù)，在加載的不同瞬時是 變化的； m平均主應(yīng)力（靜水應(yīng)力）。第16頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 全量理論認為，在比例加載（也稱簡單加載，是指在加載過程中所有外力從一開始起就按同一比例增加）的條件下，無論變形體所處的應(yīng)力狀態(tài)如何，應(yīng)變偏張量各分量與應(yīng)力偏張量各分量成正比，即四、塑性變形時應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系1-m1-m2-m2-m3-m3-m 11-m22-m33-m 由于塑性變形時體積不變，即m0，所以上式可寫成式中 比例系數(shù)，它與材料性質(zhì)和加載歷程有 關(guān)，而與物體所處的應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)。第17頁，共5

9、5頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一四、塑性變形時應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系1）可根據(jù)偏應(yīng)力（ ）的正負判斷某個方向的主應(yīng)變的正負，當某個方向的偏應(yīng)力為正值是，則該方向的主應(yīng)變?yōu)檎担?2）若某點的主應(yīng)力的順序為 ，則該點主應(yīng)變的順序為 ，且 ；3）當變形體處于三向等拉或等壓的應(yīng)力狀態(tài)（即 ）時，不會產(chǎn)生任何塑性變形（即 )；4）當變形體處于單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)（即 ）時，則有 ；5）當變形體處于二向等拉的平面應(yīng)力狀態(tài)（ ）時，則有 ；6）當變形體處于平面應(yīng)變狀態(tài)（ ）時，則其第二主應(yīng)力 。第18頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一五、冷沖壓成形中的硬化現(xiàn)象圖2-4 幾種材料

10、的硬化曲線 加工硬化使材料的所有強度、硬度指標增加，同時塑性指標降低。第19頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一五、冷沖壓成形中的硬化現(xiàn)象 為了實用上的需要，在塑性力學(xué)中經(jīng)常采用直線和指數(shù)曲線來近似代替實際硬化曲線，如圖所示為四種簡化類型。 圖2-5 硬化曲線的簡化類型）冪指數(shù)硬化曲線 ）剛塑性硬化曲線 ）剛塑性硬化直線 ）理想剛塑性水平直線第20頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 一般來說，材料的塑性是有限的。當拉伸變形達到某一量之后，便開始失去穩(wěn)定，產(chǎn)生縮頸，繼而發(fā)生破裂，這就是所謂的塑性拉伸失穩(wěn)。六、塑性拉伸失穩(wěn)及極限應(yīng)變1.塑性拉伸失穩(wěn)的概念圖

11、2-6 單向拉伸試驗 ）拉斷后的試樣 ）試驗曲線第21頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一六、塑性拉伸失穩(wěn)及極限應(yīng)變2.單向拉伸縮頸的條件及極限應(yīng)變（1）分散性縮頸 板料單向拉伸時，瞬時載荷為 F1A 式中 1 實際應(yīng)力； A 板料的瞬時斷面積。第22頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一六、塑性拉伸失穩(wěn)及極限應(yīng)變2.單向拉伸縮頸的條件及極限應(yīng)變 （2）集中性縮頸條件 根據(jù)Hill理論，當板料的應(yīng)力變化率等于厚度的減薄率時，此處的變形不能向外轉(zhuǎn)移，便開始產(chǎn)生集中性縮頸。這就是產(chǎn)生集中性縮頸的條件，可表達為 d11dttd3第23頁，共55頁，2022年，5

12、月20日，8點30分，星期一六、塑性拉伸失穩(wěn)及極限應(yīng)變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應(yīng)變圖2-7 板料雙向拉伸第24頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一六、塑性拉伸失穩(wěn)及極限應(yīng)變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應(yīng)變 （1）縮頸條件 板料開始產(chǎn)生分散性頸縮失穩(wěn)時，dF10，dF20，類似于單向拉伸時的情況，求導(dǎo)可得到雙向拉伸時的分散性失穩(wěn)條件為d111d222第25頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 與單向拉伸一樣，產(chǎn)生集中性縮頸的條件是：板料的應(yīng)力變化率與厚度的減薄率相等，表達式為六、塑性拉伸失穩(wěn)及極限應(yīng)變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應(yīng)變d11- - d3d

13、ttd22- - d3dtt第26頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一（2）失穩(wěn)極限應(yīng)變六、塑性拉伸失穩(wěn)及極限應(yīng)變3.雙向拉伸縮頸的條件及極限應(yīng)變 板料沖壓成形時，坯料內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)一般都不均勻且不斷變化的，因此，研究板料塑性拉伸失穩(wěn)條件及極限應(yīng)變，對分析解決沖壓成形工藝問題有直接的指導(dǎo)意義。第27頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 在沖壓成形過程中，材料的最大變形限度稱為成形極限。第二節(jié) 冷沖壓材料及其沖壓成形性能一、板料的沖壓成形性能1.成形極限 板材對沖壓成形工藝的適應(yīng)能力叫做板材的沖壓成形性能。主要內(nèi)容：成形極限和成形質(zhì)量。 第28頁，共

14、55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 沖壓成形失效實際上是塑性變形失穩(wěn)在沖壓工序中的具體表現(xiàn)，其形式可歸結(jié)為兩大類，一類拉伸失效，表現(xiàn)為坯料局部出現(xiàn)過度變薄或破裂；一類是受壓失效，表現(xiàn)為板料產(chǎn)生失穩(wěn)起皺。一、板料的沖壓成形性能1.成形極限圖2-8 起皺與破裂的實例第29頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 ）板料的貼模性，指板料在沖壓過程中取得模具形狀的能力，成形過程中發(fā)生的內(nèi)皺、翹曲、塌陷和鼓起等幾何面缺陷均會使貼模性降低。 ）板料的定形性（也叫凍結(jié)性），指零件脫模后保持其在模內(nèi)既得形狀的能力。 ）板料性能的各向異性，特別是板平面方向與板厚方向的性能差異的大

15、小，是影響沖壓成形后板厚變化的重要因素。一、板料的沖壓成形性能2.成形質(zhì)量第30頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 ）板料表面的原始狀態(tài)、晶粒大小、沖壓時材料粘模的情況等都將是影響工件的表面質(zhì)量。 ）板料的加工硬化性能，以及變形的均勻性，直接影響成形后材料的物理力學(xué)性能。一、板料的沖壓成形性能2.成形質(zhì)量第31頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一二、板料沖壓成形性能的測定 板材的沖壓成形性能可以通過試驗進行測定評價。試驗方法通常分為：力學(xué)試驗、金屬學(xué)試驗和工藝試驗。 工藝試驗是指模擬某一類實際成形方式中的應(yīng)力狀態(tài)和變性特點來成形小尺寸試樣的板料沖壓試驗

16、，所以工藝試驗也成為模擬試驗。第32頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 脹形試驗也稱杯突試驗Erichsen試驗），圖是GBT41561984“金屬杯突試驗方法”的示意圖。二、板料沖壓成形性能的測定（1）脹形試驗圖2-10 杯突試驗杯突試驗值IE越大脹形成形性能及拉伸成形性能越好凸模壓入深度第33頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 測定或評價板料擴孔成形性能時，常采用圓柱形平底凸模擴孔試驗（KWI擴孔試驗）。二、板料沖壓成形性能的測定（2）擴孔試驗圖2-11 擴孔試驗擴孔率越大擴孔成形性能越好第34頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星

17、期一 這是模擬拉深變形區(qū)的應(yīng)力和變形狀態(tài)，將楔形板料試樣拉過模口，在模壁壓縮下使之成為等寬的矩形板條，在試樣不斷裂的條件下，bB越小，拉深性能越好。二、板料沖壓成形性能的測定（3）拉深性能試驗1）拉楔試驗圖2-12 拉楔試驗第35頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一二、板料沖壓成形性能的測定（3）拉深性能試驗 也叫Swift拉深試驗、LDR試驗，是采用50mm的平底凸模將試樣拉深成形，圖是GBT15825.3-1995“金屬薄板成形性能與試驗方法拉深與拉深載荷試驗”的示意圖。圖2-13 沖杯試驗2）沖杯試驗極限拉深比LDR越大材料的拉深性能越好第36頁，共55頁，2022年

18、，5月20日，8點30分，星期一 也叫TZP法，圖是GBT15825.21995“金屬薄板成形性能與試驗方法通用試驗規(guī)程”的示意圖。二、板料沖壓成形性能的測定（3）拉深性能試驗3）拉深力對比試驗 圖2-14 TZP試驗)落料 ）拉深 ）夾緊 ）破裂 材料特性值T越大，材料的拉深性能越好。第37頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一二、板料沖壓成形性能的測定（4）彎曲試驗 圖是GBT15825.5-1995“金屬薄板成形性能與試驗方法 彎曲試驗”示意圖。圖2-16 彎曲試驗最小相對彎曲半徑越小，彎曲成形性能越好。rmin t0第38頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30

19、分，星期一 圖是GBT15825.61995“金屬薄板成形性能與試驗方法錐杯試驗”的示意圖，取沖頭直徑DP與試樣直徑D0的比值為0.35。 二、板料沖壓成形性能的測定（5）錐杯試驗圖2-17 錐杯試驗錐杯試驗值CCV越小拉深脹形成形性能越好第39頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 在單向拉伸試驗中試樣開始產(chǎn)生局部集中變形（剛出現(xiàn)頸縮時）的伸長率，稱為均勻伸長率，記作b。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關(guān)系1.伸長率圖2-18 單向拉伸試驗曲線 b表示板料產(chǎn)生均勻變形或穩(wěn)定變形的能力，伸長類變形工序中，其值越大，則極限變形程度越大。 第40頁，共55頁，2022年，5月2

20、0日，8點30分，星期一 屈服極限小，材料容易屈服，成形后回彈小，貼模性和定形性較好。如在彎曲工序中，若材料的s低，則sE小，卸載時的回彈變形也小，這有利于提高彎曲件的精度。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關(guān)系2.屈服極限s圖2-18 單向拉伸試驗曲線第41頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 屈強比s/b對板料沖壓成形性能影響較大。s/b小，即材料易進入塑性變形（需要較小的力），而又不容易產(chǎn)生破裂（需要較大的力），這對所有沖壓成形都是有利的。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關(guān)系3.屈強比s/b第42頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 硬化指數(shù)n表

21、示材料在冷塑性變形中材料硬化的程度。n值大的材料，硬化效應(yīng)就大，這意味著在變形過程中材料局部變形程度的增加會使該處變形抗力較快增大，這樣就可以補償該處因截面積減小而引起的承載能力的減弱，制止了局部集中變形的進一步發(fā)展，致使變形區(qū)擴展，從而使應(yīng)變分布趨于均勻化。也就是提高了板料的局部抗失穩(wěn)能力和板料成形時的總體成形極限。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關(guān)系4.應(yīng)變硬化指數(shù)ns/b較小，則n值較大。第43頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關(guān)系5.塑性應(yīng)變比 塑性應(yīng)變比是指板料試樣單向拉伸時，寬向應(yīng)變b與厚向應(yīng)變t之比（又稱板厚方向性系數(shù)），

22、即式中b0、b、t0與t分別為變形前后試樣的寬度與厚度。 tblnln0bb0ttr值越大，拉深成形性能越好。 板厚方向性系數(shù)的平均值： 式中r0、r90、r45分別為板材的縱向、橫向及45方向的板厚方向性系數(shù)。 第44頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關(guān)系6.板平面方向性系數(shù)(凸耳參數(shù))r 板料經(jīng)軋制后其力學(xué)、物理性能在板平面內(nèi)出現(xiàn)各向異性，稱為板平面方向性。在表示板材力學(xué)性能的各項指標中，板厚方向性系數(shù)對沖壓性能的影響比較明顯，故板平面方向性的大小一般用板厚方向性系數(shù)r在幾個方向上的平均差值r來衡量，規(guī)定為r2r0+r90-2r45

23、r越大，表示板平面內(nèi)各向異性越大，拉深時產(chǎn)生凸耳現(xiàn)象越嚴重。 第45頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 應(yīng)變速率敏感系數(shù)m是材料在單向拉伸過程中變形抗力的增長率和應(yīng)變速率的比值。如果m值大，則板料變形抗力的增長率高，局部應(yīng)變?nèi)菀紫蛑車D(zhuǎn)移擴散，有利于抑制成形時的頸縮或破裂。常溫下普通低碳鋼的m值很小，對沖壓成形性能影響不十分明顯，但m值對某些合金板料和高強鋼板的沖壓成形性能影響較大。三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關(guān)系7.應(yīng)變速率敏感系數(shù)m第46頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一三、板料的基本性能與沖壓成形性能的關(guān)系板料單向拉伸性能與沖壓成形性能的

24、關(guān)系第47頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一四、成形極限圖及其應(yīng)用1.成形極限圖的概念和試驗方法 成形極限圖（Forming Limit Diagrams，縮寫為FLD）或成形極限曲線（Forming Limit Curves，縮寫為FLC）著眼于復(fù)雜零件的每一變形局部，它是板料在不同應(yīng)變路徑（即不同的應(yīng)變比）下的局部失穩(wěn)極限應(yīng)變1和2構(gòu)成的條帶形區(qū)域或曲線，如圖所示，F(xiàn)LD全面、直觀地反映了不同應(yīng)變狀態(tài)下板料的成形性能，是對板料成形性能的一種定量描述，它是定性和定量研究板料的局部成形性能的有效手段。第48頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一四、成形極

25、限圖及其應(yīng)用1.成形極限圖的概念和試驗方法圖2-19 成形極限圖第49頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 實際應(yīng)用的成形極限圖（圖2-20）通常采用剛性半球頭凸模脹形實驗的方法來制作，參見GBT1825.81995“金屬薄板成形性能與試驗方法 成形極限圖試驗”。四、成形極限圖及其應(yīng)用1.成形極限圖的概念和試驗方法圖2-20 理論成形極限圖第50頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一 FLD的應(yīng)用是采用等量比較的方法進行的。在被分析對象的零件板坯上復(fù)制上述網(wǎng)格，用待分析的工藝方法對板坯進行成形，測量并計算成形零件中需分析的若干點的應(yīng)變值，將它們標注在相應(yīng)的成形極限圖上，便可直觀地得到所分析點的變形情況優(yōu)劣的結(jié)論。四、成形極限圖及其應(yīng)用2.成形極限圖的應(yīng)用圖2-22 用成形極限圖 進行分析的方法第51頁，共55頁，2022年，5月20日，8點30分，星期一五、冷沖壓材料及其在圖樣上表示方法1.沖壓加工常用的板料種類沖壓加工常用的板料種類金屬材料鐵金屬薄鋼板碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、低合