沖壓成形原理

沖壓成形原理冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)第一頁，共十五頁，2022年，8月28日冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)第一章沖壓成形原理1.1金屬塑性變形的概念1.2影響塑性和變形抗力的主要因素1.3金屬塑性變形的力學(xué)條件1.4沖壓成形中的變形趨向性及其控制1.5板料的沖壓成形性能和試驗(yàn)方法第二頁，共十五頁，2022年，8月28日冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)變形：外力作用下，形狀和尺寸發(fā)生變化的現(xiàn)象叫變形。分為彈性變形和塑性變形。彈性變形：在外力作用，金屬的形狀和尺寸發(fā)生變化，當(dāng)外力去除時(shí)，金屬完全恢復(fù)了原始的形狀和尺寸，這樣的變形稱為彈性變形。塑性變形：在外力作用，產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久變形，稱為塑性變形。單晶體一般有滑移和孿生兩種形式，多晶體則有晶內(nèi)變形(滑移和孿生)、晶間變形。(單晶體)滑移：晶體一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分作相對移動(dòng)。孿生：晶體一部分相對另一部分，對應(yīng)于一定的晶面沿一定方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。晶間變形：在外力作用下，多晶體中各晶粒之間相對移動(dòng)(滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng))而產(chǎn)生變形。1.1金屬塑性變形的概念第三頁，共十五頁，2022年，8月28日冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)1.1金屬塑性變形的概念塑性變形對金屬性能和組織的變化：①纖維組織：各晶粒沿最大的變形方向伸長，形成纖維狀的晶粒組織，即纖維組織。②加工硬化：③殘余應(yīng)力：④織構(gòu)現(xiàn)象：各向異性第四頁，共十五頁，2022年，8月28日冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)1.2影響塑性和變形抗力的主要因素塑性：產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力。影響因素：金屬本身的晶格類型、化學(xué)成份和金相組織等。變形時(shí)的外部條件：變形溫度、變形速度、變形方式等。變形抗力：抵抗塑性變形的能力。影響因素：金屬的內(nèi)部性質(zhì)：金屬的變形條件：塑性和變形抗力是兩個(gè)不同的概念。塑性反映材料破壞前的變形程度大小，變形抗力是從力的角度反映塑性變形的難易程度。第五頁，共十五頁，2022年，8月28日冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)1.2影響塑性和變形抗力的主要因素一、金屬成分與組織對塑性變形的影響二、變形溫度對塑性變形的影響三、變形速度對塑性變形的影響四、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)對塑性變形的影響第六頁，共十五頁，2022年，8月28日冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)1.2影響塑性和變形抗力的主要因素一、金屬成分與組織對塑性變形的影響1、化學(xué)成分(以碳鋼為例)碳含量增加，塑性下降。雜質(zhì)元素含量增加，一般對塑性變形不利。(如P、S)合金元素：塑性降低，變形抗力提高。2、組織塑性：“面心立方”好于“體心立方”好于“密排六方”；晶粒細(xì)化：塑性和變形抗力均提高；塑性：“單晶組織”好于“多相組織”(如?散強(qiáng)化)。第七頁，共十五頁，2022年，8月28日冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)1.2影響塑性和變形抗力的主要因素二、變形溫度對塑性變形的影響溫度升高，發(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶，塑性顯著提高，變形抗力顯著降低。溫度升高，臨界剪應(yīng)力降低，滑移系增加，大大提高了金屬的塑性。溫度升高，產(chǎn)生新的塑性變形方式——熱塑性。熱塑性：溫度升高時(shí)，原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，晶格中原子處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，若晶體受到外力作用，原子就會(huì)沿著應(yīng)力梯度方向，由一個(gè)平衡位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)平衡位置(不是沿著一定的晶面和晶向)，使金屬產(chǎn)生塑性變形，稱熱塑性。溫度升高，導(dǎo)致晶界的切變抗力顯著降低，晶界易于滑動(dòng)；又由于擴(kuò)散作用的加強(qiáng)，及時(shí)消除了晶界滑動(dòng)所引起的微裂紋。故金屬在高溫下具有良好的塑性和低的變形抗力。藍(lán)脆(200-400℃)、熱脆(800-950℃)

為了提高材料的變形程度，減小變形力，確定變形溫度時(shí)，必須根據(jù)材料的——力學(xué)性能曲線，以及加熱對于材料產(chǎn)生的不利影響(如晶間腐蝕、氫脆、氧化、脫碳等)合理選用，避免盲目性。第八頁，共十五頁，2022年，8月28日冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)1.2影響塑性和變形抗力的主要因素三、變形速度對塑性變形的影響變形速度：指單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)變的變化量。影響：①變形速度大時(shí)，臨界切應(yīng)力升高，變形抗力增加，塑性降低。②變形速度大時(shí)，溫升高，金屬軟化。選擇：①對于大型復(fù)雜零件的成形，宜用低速，以免變形不均勻，引起局部拉裂和起皺。②對于不銹鋼、耐熱合金、鈦合金等對變形速度敏感的材料，宜用低速。目前常規(guī)沖壓使用的壓力機(jī)工作速度較低，對金屬塑性變形性能的影響不大。第九頁，共十五頁，2022年，8月28日冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)1.2影響塑性和變形抗力的主要因素四、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)對塑性變形的影響1、塑性變形時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)：9種主應(yīng)力圖(1、2、3拉、壓，1(2)拉1(2)壓)點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)：3種主應(yīng)變圖(1伸1縮，1伸2縮，2伸1縮)2、應(yīng)力狀態(tài)對塑性變形的影響靜水壓力：三向等壓應(yīng)力狀態(tài)。影響：應(yīng)力狀態(tài)中壓應(yīng)力個(gè)數(shù)越多，壓應(yīng)力越大，即靜水壓力大，材料的塑性越好；反之，壓應(yīng)力個(gè)數(shù)少，壓應(yīng)力小，甚至存在拉應(yīng)力，則塑性差。原因：1)壓應(yīng)力阻止或減少晶間變形，提高塑性；2)壓應(yīng)力會(huì)消除或抑制晶體塑性變形引起的微觀變化(破壞)；3)壓應(yīng)力能抑制或消除原有的晶格缺陷；4)三向壓縮作用能抵消由于不均勻變形所引起的附加拉應(yīng)力，防止表面裂紋的產(chǎn)生。第十頁，共十五頁，2022年，8月28日冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)1.3金屬塑性變形的力學(xué)條件一、彈塑性變形共存規(guī)律二、硬化曲線（真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線）真實(shí)應(yīng)力：塑變過程中，屈服應(yīng)力在變化，即為真實(shí)應(yīng)力。真實(shí)應(yīng)變：沖壓塑性成形通常屬于大變形，物體塑性變形是一個(gè)逐漸積累的結(jié)果。在這種情況下，要反映真實(shí)的應(yīng)變，就只能取變形過程中的某一微小時(shí)間間隔內(nèi)的變形來考察，是謂真實(shí)應(yīng)變。1、硬化曲線：多數(shù)近似于拋物線。立方晶格金屬：硬化指數(shù)ｎ是表明材料冷變形硬化的重要參數(shù)，對板料的沖壓性能以及沖壓件的質(zhì)量都有較大影響。ｎ大時(shí)，冷作硬化顯著，對后續(xù)變形工序不利，有時(shí)需增加中間退火工序。但ｎ值大對于以伸長變形為特點(diǎn)的成形工藝（如脹形、翻邊等），由硬化引起的變形抗力的顯著增加，可以抵消毛坯變形處局部變薄而引進(jìn)的承載能力的減弱，制止變薄處的進(jìn)一步的發(fā)展，使之轉(zhuǎn)移到別的尚未變形的部位，提高了變形均勻性，使變形后的零件壁厚均勻，剛性好，精度高。2、屈服條件屈雷斯加準(zhǔn)則：材料中的最大切應(yīng)力達(dá)到某一定值時(shí)，材料就開始屈服。密賽斯準(zhǔn)則：材料中的等效應(yīng)力達(dá)到某一定值時(shí)，材料開始屈服。三、塑性變形的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系第十一頁，共十五頁，2022年，8月28日冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)1.3金屬塑性變形的力學(xué)條件三、塑性變形的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系1、塑性變形的體積不變規(guī)律塑性變形的結(jié)果，物體主要發(fā)生形狀的改變，而體積的變化很微小，一般可以忽略不計(jì)，即：ε1＋ε2＋ε3＝0（三個(gè)主應(yīng)變之和等于零）2、塑性變形的全量理論：主應(yīng)力差與主應(yīng)變差成比例應(yīng)用：1）球應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，毛坯不產(chǎn)生塑變，僅有彈變2）平面變形時(shí)，主應(yīng)力與平均應(yīng)力相等的方向上不產(chǎn)生塑變，且此主應(yīng)力即為中間主應(yīng)力。如寬板彎曲時(shí)的寬度方向。3）平板毛坯脹形時(shí)，中心部位為雙向拉伸一向壓縮，產(chǎn)生變薄，且厚度方向的應(yīng)變對另兩方向的應(yīng)變之和。4）毛坯三向受壓狀態(tài)時(shí)，最大壓應(yīng)力方向上的變形一定是壓縮變形，最小壓應(yīng)力方向上一定是伸長變形。第十二頁，共十五頁，2022年，8月28日冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)1.4沖壓成形中的變形趨向性及其控制一、結(jié)論：在沖壓成形過程中，需要最小的變形力的區(qū)是個(gè)相對的弱區(qū)，弱區(qū)必先變形，即，變形區(qū)為弱區(qū)。二、控制1、改變毛坯各部分的相對尺寸原則：相對尺寸不同，弱區(qū)位置不同。2、改變模具工作部分的幾何形狀和尺寸。原則：圓角半徑增大，變形阻力減小。（如增大凸模圓角半徑，減小凹模圓角半徑，即為翻邊變形；如反之，則為拉深變形）3、改變毛坯與模具之間的摩擦阻力。原則：摩擦阻力大則變形較難，反之亦然。4、改變毛坯局部區(qū)域的溫度。局部加熱，使金屬軟化，易于變形而成為變形區(qū)；局部冷卻，增大承載能力，使難于變形而成為非變形區(qū)。第十三頁，共十五頁，2022年，8月28日冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)1.5板料的沖壓性能和試驗(yàn)方法一、沖壓成形性能：定義：材料對各種沖壓成形方法的適應(yīng)能力稱為沖壓成形性能。沖壓成形性能好，就是指其便于沖壓加工，單個(gè)沖壓工序的極限變形程度和總的極限變形程度大，生產(chǎn)率高，成本低，容易得到高質(zhì)量的沖壓件。1、抗破裂性：成形極限（極限拉深系數(shù)，極限脹形系數(shù)，極限翻邊系數(shù)等）2、貼模性：取得模具形狀的能力。（內(nèi)皺，翹曲，塌陷和鼓起等幾何面缺陷）3、定形性：脫模后保持既得形狀的能力。（回彈）二、試驗(yàn)方法1、間接試驗(yàn)