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(zhì)、高產(chǎn)、低消耗、低成本的加工方法

沖壓生產(chǎn)的三大要素：板料、模具、沖壓設(shè)備第一章沖壓工藝概論生產(chǎn)效率高，操作簡便，便于實現(xiàn)機械化與自動化生產(chǎn)沖壓質(zhì)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(fù)雜的零件材料利用率高，節(jié)能沖壓件表面質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)量要求成形工序：板料在不產(chǎn)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(zhì)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(fù)雜沖壓件成形：四個基本工序組合圖1-2復(fù)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(yīng)力應(yīng)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(fù)雜三向應(yīng)力狀態(tài)，只有當各個應(yīng)力分量之間符合一定的關(guān)系時，該點才開始屈服，這種關(guān)系統(tǒng)稱為塑性變形條件，或稱屈服準則變形體內(nèi)任意點的應(yīng)力狀態(tài)

剪應(yīng)力互等：

txy=tyx，tyz=tzy，tzx=txz

已知一點的三個主應(yīng)力和三個剪應(yīng)力即可確定該點的應(yīng)力狀態(tài)主軸、主應(yīng)力，三向應(yīng)力、平面應(yīng)力、單向應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)變主軸、主應(yīng)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(yīng)變狀態(tài)和平面應(yīng)變狀態(tài)，而不可能有單向應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)下，只要最大剪應(yīng)力達到某臨界值時材料就屈服——最大剪應(yīng)力理論（第三強度理論）米塞斯（V.Mises）屈服準則：任意應(yīng)力狀態(tài)下，當某點的等效應(yīng)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(guān)的系數(shù)，一般：1.000≤b≤1.155在應(yīng)力分量未知時，可取b=1.100三、塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特點：彈性階段：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是線性的、可逆的，彈性變形是可恢復(fù)的塑性階段單向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線：特點：應(yīng)變不僅與應(yīng)力有關(guān)，且和加載歷史有密切關(guān)系。在dt內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變增量關(guān)系：塑性階段：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是非線性的、不可逆的，應(yīng)力應(yīng)變不能簡單疊加式中：de1、de2、de3—主應(yīng)變增量簡化表達式（全量理論）：圖1-3單向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線三、塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系（續(xù)）幾點結(jié)論（依據(jù)全量理論）：當e2＝0時，稱平面應(yīng)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(yīng)力相等，即三向等拉或等壓時，材料不產(chǎn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力s1方向上的變形一定是伸長變形，而在最小拉應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力作用下局部出現(xiàn)縮頸或斷裂壓縮失穩(wěn)：板料在壓應(yīng)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(nèi)的兩個主應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(nèi)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(chǎn)中積累的數(shù)據(jù)試驗方法（脹形法）建立三、成形極限圖的應(yīng)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(wǎng)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(yīng)變，（此點極限應(yīng)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(fù)雜壓件的成形質(zhì)量圖1-5成形極限圖圖1-6測定網(wǎng)格變化求應(yīng)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(chǎn)兩方面：沖壓件分類零件形狀復(fù)雜但受力不大→要求鋼板有良好的沖壓性能和表面質(zhì)量，多采用冷軋深沖低碳薄鋼板零件形狀較復(fù)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(yīng)提高沖壓件的結(jié)構(gòu)工藝性來改善沖壓過程的變形條件，以降低對材料的質(zhì)量要求應(yīng)選擇具有適當沖壓成形性能的材料，以適應(yīng)沖壓過程的變形要求，保證制件質(zhì)量一、沖壓加工對沖壓件的要求沖裁加工：應(yīng)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(zhì)量和厚度公差的要求表面質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)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(shè)備二、板料質(zhì)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(zhì)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(chǎn)生屈服至拉裂有較大的變形空間，易產(chǎn)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(yīng)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(yīng)：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(zhì)量好，極限變形程度增大，零件不易產(chǎn)生裂紋。硬化的結(jié)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(chǎn)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(fù)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(yīng)變和厚度應(yīng)變的比值。式中：

r—厚向異性系數(shù)；eb—試樣寬度應(yīng)變；eb—試樣厚度應(yīng)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(jù)塑性理論:材料變形不僅與板料所處的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，且與厚向異性系數(shù)有關(guān)。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(jié)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(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)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(zhì)量，故生產(chǎn)中應(yīng)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(dǎo)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(jié)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(guān)系晶粒大小與沖壓性能的關(guān)系（三）板料的尺寸精度和表面質(zhì)量對沖壓性能的影響三、沖壓用鋼板類型板料的表面質(zhì)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(zhì)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(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度鋼板優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)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(fù)雜的零件；HF—沖制拉深很復(fù)雜的零件；

F—沖制拉深復(fù)雜的零件三、沖壓用鋼板類型（續(xù)）按鋼板的表面質(zhì)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(zhì)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?zāi)M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