沖壓工藝概論

第一篇汽車車身沖壓工藝

第一章沖壓工藝概論

授課：廖抒華§1-1

沖壓工藝的特點及沖壓工序的分類一、沖壓工藝的特點優(yōu)質、高產、低消耗、低成本的加工方法

沖壓生產的三大要素：板料、模具、沖壓設備第一章沖壓工藝概論生產效率高，操作簡便，便于實現(xiàn)機械化與自動化生產沖壓質量穩(wěn)定，具有較高的尺寸精度（由模具保證）能制造出其他金屬加工方法所不能或難以加工的、形狀復雜的零件材料利用率高，節(jié)能沖壓件表面質量較好，便于后續(xù)表面處理沖壓件有較好的互換性沖壓生產的局限性：

模具制造費用高，不宜用于單件何小批量的零件生產表1-1車身制造沖壓工藝中的分離工序二、沖壓工序分類按加工性質分類：分離工序、成形工序分離工序：使沖壓件或毛坯在沖壓過程中沿一定的輪廓相互分離，分離斷面要滿足一定的斷面質量要求成形工序：板料在不產生破壞的前提下使毛坯發(fā)生塑性變形，獲得所要求的形狀及尺寸的零件按加工性質分類（續(xù)）表1-2車身制造沖壓工藝中的成形工序二、沖壓工序分類（續(xù)）沖壓四個基本工序：圖1-1典型的沖壓成形工序1-拉伸件；2-翻邊件沖裁（含沖孔、落料、修邊、剖切等）、彎曲、拉深、局部成形（含翻邊、脹形、校平和整形工序等）

復雜沖壓件成形：四個基本工序組合圖1-2復雜沖壓件框板成形表1-3幾種汽車覆蓋件的沖壓工藝§1-2

金屬塑性變形的力學規(guī)律

一、變形物體的應力應變狀態(tài)二、塑性變形條件（屈服準則）塑性變形條件（屈服準則）界定：對于復雜三向應力狀態(tài)，只有當各個應力分量之間符合一定的關系時，該點才開始屈服，這種關系統(tǒng)稱為塑性變形條件，或稱屈服準則變形體內任意點的應力狀態(tài)

剪應力互等：

txy=tyx，tyz=tzy，tzx=txz

已知一點的三個主應力和三個剪應力即可確定該點的應力狀態(tài)主軸、主應力，三向應力、平面應力、單向應力狀態(tài)應變主軸、主應變

塑性變形體積不變定律：e1+e2+e3=0推理：塑性變形時，只可能有三向應變狀態(tài)和平面應變狀態(tài)，而不可能有單向應變狀態(tài)！二、塑性變形條件（屈服準則）（續(xù)）屈斯加（Tresca）屈服準則：任意應力狀態(tài)下，只要最大剪應力達到某臨界值時材料就屈服——最大剪應力理論（第三強度理論）米塞斯（V.Mises）屈服準則：任意應力狀態(tài)下，當某點的等效應力達到某一臨界值時，材料就開始屈服——形狀改變比能理論（第四強度理論）式（1-2）中消去s2，可得：式中：b—與s2有關的系數(shù)，一般：1.000≤b≤1.155在應力分量未知時，可取b=1.100三、塑性應力應變關系應力-應變關系特點：彈性階段：應力-應變關系是線性的、可逆的，彈性變形是可恢復的塑性階段單向拉伸應力應變曲線：特點：應變不僅與應力有關，且和加載歷史有密切關系。在dt內，應力與應變增量關系：塑性階段：應力-應變關系是非線性的、不可逆的，應力應變不能簡單疊加式中：de1、de2、de3—主應變增量簡化表達式（全量理論）：圖1-3單向拉伸應力應變曲線三、塑性應力應變關系（續(xù)）幾點結論（依據全量理論）：當e2＝0時，稱平面應變(或稱平面變形)，由式(1-4)可得出：s2=(s1+s3)/2。當s1=s2=s3時，由式(1-4)和利用體積不變條件e1+e2+e3＝0，可得e1=e2=e3＝

0。當材料上三個主應力相等，即三向等拉或等壓時，材料不產生塑性變形，僅有彈性變形。

當s1＞0，且s2=s30時，材料受單向拉伸應力作用，利用式(1-4)可得。e1＞0，且e2=e3＝-e1/2。當單向拉伸時，在拉應力作用方向上為伸長變形，其余兩方向為壓縮變形，且為伸長變形之半。當s1=s2＞0，且s3＝0時，由式(1-4)得e1=e2＞0和e3＝-2e1＝-2e2

，即材料受兩向等拉時，拉應力方向上為拉伸變形，而在材料厚度方向為壓縮變形，其值為伸長變形的兩倍。當s1＞s2＞s3時，由對式(1-4)分析可知，最大拉應力s1方向上的變形一定是伸長變形，而在最小拉應力s3方向上的變形一定是壓縮變形。當0＜s1＜s2＜s3時，由式(1-4)分析可知，在最小壓應力s3(絕對值最大)方向上的變形一定是壓縮變形。而在最大壓應力s1(絕對值最小)方向上的變形一定是伸長變形。

§1-3

板材的沖壓成形性能和成形極限圖

一、板料的沖壓成形性能總體成形極限：反映板料失穩(wěn)前總體尺寸可以達到的最大變形程度局部成形極限：反映板料失穩(wěn)前局部尺寸可以達到的最大變形程度沖壓成形性能定義：板料對沖壓成形工藝（各種沖壓加工方法）的適應能力板料成形兩種失穩(wěn)現(xiàn)象：成形極限定義：板料在失穩(wěn)之前可以達到的最大變形程度成形極限劃分：總體成形極限，局部成形極限拉伸失穩(wěn)：板料在拉應力作用下局部出現(xiàn)縮頸或斷裂壓縮失穩(wěn)：板料在壓應力作用下出現(xiàn)起皺圖1-4拉伸件的起皺與拉裂一、板料的沖壓成形性能（續(xù)）二、成形極限圖(FLD)的概念成形極限圖定義：用來表示金屬薄板在變形過程中，在板平面內的兩個主應變的聯(lián)合作用下，某一區(qū)域發(fā)生減薄時可以獲得的最大應變量板料沖壓成形性能：抗破裂性、貼模性、定形性等影響板料沖壓成形性能的因素：材料特性值：屈服應力s1、延伸率d成形性能指標：冷彎試驗、杯突試驗抗破裂性：是指板料在沖壓成形中抵抗起皺、塌陷和形成鼓包等缺陷導致?lián)p壞的能力貼模性：是指板料在沖壓成形中取得與模具形狀一致性的能力定形性：是指零件脫模后保持其在模內既得形狀的能力圖1-5成形極限圖成形極限圖的確定：實際沖壓生產中積累的數(shù)據試驗方法（脹形法）建立三、成形極限圖的應用二、成形極限圖(FLD)的概念（續(xù)）試驗法確定成形極限圖：用電化學腐蝕法在板料上作出小圓坐標網格在板料上作試驗直至出現(xiàn)裂紋測量板料小圓變形后的尺寸，計算出橢圓的長、短軸應變，（此點極限應變）在模具的測試中解決零件局部的拉裂問題合理運用材料提高復雜壓件的成形質量圖1-5成形極限圖圖1-6測定網格變化求應變§1-4

車身沖壓用材料

概述沖壓件（覆蓋件）所用材料要求足夠的強度、剛度要求必須滿足沖壓工藝要求覆蓋件沖壓生產兩方面：沖壓件分類零件形狀復雜但受力不大→要求鋼板有良好的沖壓性能和表面質量，多采用冷軋深沖低碳薄鋼板零件形狀較復雜且受力較大→要求鋼板既有良好的沖壓性能又有一定的強度，多采用熱軋低合金（或碳素）厚鋼板應提高沖壓件的結構工藝性來改善沖壓過程的變形條件，以降低對材料的質量要求應選擇具有適當沖壓成形性能的材料，以適應沖壓過程的變形要求，保證制件質量一、沖壓加工對沖壓件的要求沖裁加工：應具有足夠的塑性和較低的強度彎曲加工：要求具有足夠的塑性、較低的屈服強度和較高的彈性模量拉深加工：要求具有高的塑性、低的屈服點和大的厚向異性系數(shù)1.沖壓加工對材料性能的要求

2.沖壓加工對材料表面質量和厚度公差的要求表面質量要求表面光潔表面平整表面無銹材料厚度公差的影響沖壓性能產品質量材料過薄則回彈難以控制，或“壓不實”材料過厚易拉傷制件表面，縮短模具壽命，甚至損壞模具或設備二、板料質量對沖壓性能的影響1.屈服極限ssss小，材料易屈服，則變形抗力小材料壓縮時，易于變形而不易起皺材料彎曲時，變形后回彈小，貼模性和定型性好影響板料沖壓性能質量指標的主要因素：材料的力學性能（ss、ss/sb、d、n、r、Dr）2.屈強比ss/sb：對材料沖壓性能有較大影響ss/sb小，說明ss值小而sb值大，特性：材料從開始產生屈服至拉裂有較大的變形空間，易產生塑性變形而不易破裂，材料拉深時，易于變形而不易拉裂材料變形抗力小，易于變形而不易起皺（一）力學性能指標及其對沖壓性能的影響（一）力學性能指標及其對沖壓性能的影響（續(xù)）4.硬化指數(shù)（應變剛指數(shù)）n定義：硬化指數(shù)n—表示在塑性變形中材料的硬化程度材料硬化效應：材料機械性能的強度指標隨變形程度的加大而增加，同時塑性指標下降特性：n大，材料加工硬化嚴重，變形抗力增長大，使變形趨于均勻，變薄減小，厚度變化均勻，表面質量好，極限變形程度增大，零件不易產生裂紋。硬化的結果使需要的變形力增大，限制了毛坯的進一步變形而拉裂3.延伸率d界定：

d—試樣拉斷時的總延伸率（簡稱延伸率）

du—試樣開始產生局部集中變形（頸縮）時的延伸率（均勻延伸率）du值越高，板料的沖壓成形性愈好，適合于復雜曲面拉延（一）力學性能指標及其對沖壓性能的影響（續(xù)）定義：厚向異性系數(shù)r—指單向拉伸試樣寬度應變和厚度應變的比值。式中：

r—厚向異性系數(shù)；eb—試樣寬度應變；eb—試樣厚度應變；

b0、b—試樣變形前、后的寬度；t0、t—試樣變形前、后的厚度討論：據塑性理論:材料變形不僅與板料所處的應力狀態(tài)有關，且與厚向異性系數(shù)有關。r值愈大，板料抵抗變薄的能力愈強。r值反映了在同樣受力條件下板料厚度的變形能力。5.厚向異性系數(shù)r各向異性定義：鋼板結晶和板材軋制時出現(xiàn)纖維組織等因素，板料的塑性會因方向不同而出現(xiàn)差異的現(xiàn)象各向異性類型：厚度方向各向異性、板平面各向異性r>1，即eb>et，說明板料寬度方向比厚度方向容易產生變形，即板料不易變薄或增厚材料拉深時，加大r值，毛坯易于收縮而不易起皺；有利于提高變形程度和產品質量（一）力學性能指標及其對沖壓性能的影響（續(xù)）（二）化學成分和金相組織對沖壓性能的影響式中：

r0、r90、r45—分別為沿軋制方向、45°方向和垂直方向的厚向異性系數(shù)注意：Dr會增加沖壓成形工序的材料消耗，影響沖壓件質量，故生產中應盡量降低Dr值鋼中的碳、硅、磷、硫的含量增加，會使材料的塑性降低，脆性增加，導致沖壓性能變差。碳：低碳鋼板(碳含量0.05%~0.15%)具有良好的塑性硅：含量（>0.37%）增加會使鋼板變硬變脆硫：與鋼板中錳等結合后會嚴重影響板料熱軋性能、塑性降低6.板平面各向異性系數(shù)Dr板平面各向異性的定義：Dr—為厚向異性系數(shù)r在n個方向上的平均差值，即Dr=(r0+r90+2r45)/4材料化學成分與沖壓性能的關系晶粒大小與沖壓性能的關系（三）板料的尺寸精度和表面質量對沖壓性能的影響三、沖壓用鋼板類型板料的表面質量對沖壓性能的影響板料的尺寸精度對沖壓性能的影響—厚度公差的影響按鋼的品質分類表面光潔度表面平整度表面無銹性沖壓用鋼板：普通低碳鋼、優(yōu)質碳素結構鋼、低合金高強度鋼板優(yōu)質碳素結構鋼牌號：沸騰鋼：05F、08F、10F、15F、20F半鎮(zhèn)靜鋼：08b鎮(zhèn)靜鋼：08、10、15、20、30

汽車專用鋼板：

09Mn、16Mn、06Ti、10Ti按鋼板的拉深級別分類d=4-14mm的熱軋鋼板分為三級：

S—深拉深級；P—普通拉深級；W—冷彎成型級d<4mm的熱軋和冷軋薄鋼板分為三級：

Z—最深拉深級；S—深拉深級；P—普通拉深級d<2mm的深沖壓用冷軋薄鋼板和鋼帶分為三級：ZF—沖制拉深最復雜的零件；HF—沖制拉深很復雜的零件；

F—沖制拉深復雜的零件三、沖壓用鋼板類型（續(xù)）按鋼板的表面質量分類鋼板拉深級別排序(高→低):ZF→HF→F→Z→S→P→W按鋼板的軋制尺寸精度分類分為四組：Ⅰ—特別高級的精整表面；Ⅱ—高級的精整表面

Ⅲ—較高級的精整表面；Ⅳ—普通的精整表面鋼板的其他分類分級：深沖壓用冷軋鋼板分為A、B兩級；優(yōu)質鋼板分為A、B、C三級；普通鋼板分為B、C兩級鋼板的尺寸精度或厚度公差：A—高級精度；B—較高級精度；C—一般精度按制造方法分：熱軋鋼板、冷軋鋼板按軋材的形態(tài)分：鋼板、鋼帶（卷鋼）、扁鋼

鋼板的標注示例：四、鋼板的模擬沖壓成形性能試驗模擬沖壓成形性能試驗的意義模擬試驗方法特點：突出實際沖壓工序中某一方面或幾個方面的變形特點，加以模擬，作為鑒定材料某種沖壓性能的指標常用的模擬試驗方法：脹形成形性能試驗（杯