1、第一章 冲压变形的基本原理 本章学习要点： 1.掌握金属塑性变形的基本概念； 2. 了解塑性变形的力学基础和冲压成形方法的力学特点。3. 掌握板料冲压性能；1.1 金属塑性变形的基本概念在外力作用下，金属产生形状与尺寸的变化称为变形，它分为弹性变形和塑性变形。 1.塑性及塑性指标(1)塑性 是指金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。它反映了金属的变形能力，是金属的 一种重要的加工性能。 (2)塑性指标 塑性一般以材料开始破坏时的塑性变形量来表示。常用的塑性指标有： 。2.变形抗力及指标 塑性变形时，使金属产生塑性变形的外力称为变形力，金属抵抗变形的力称为变形抗力。因此，
2、变形抗力反映了使材料产生塑性变形的难易程度。变形抗力和变形力数值相等，方向相反，一般用作用在金属和工具接触面上的平均单位面积变形力表示其大小。压缩变形时的变形抗力即是作用于施压工具表面的单位面积压力，亦称单位流动压力。 1.2 各种冲压成形方法的力学特点与分类 正确的板料冲压成形工艺的分类方法，应该能够明确地反映出每一种类型成形工艺的共性，并在此基础上提供可能用共同的观点和方法分析、研究和解决每一类成形工艺中的各种实际问题的条件。在各种冲压成形工艺中毛坯变形区的应力状态和变形特点是制订工艺过程、设计模具和确定极限变形参数的主要依据，所以只有能够充分地反映出变形毛坯的受力与变形特点的分类方法，才
3、可能真正具有实用的意义。 1.2.1 变形毛坯的分区 在冲压成形时，可以把变形毛坯分成变形区和不变形区。不变形区可能是已经经历过变形的已变形区或是尚未参与变形的待变形区，也可能是在全部冲压过程中都不参与变形的不变形区。当不变形区受力的作用时， 叫作传力区 。表 1.2.1 列出 拉探、翻孔 与缩口时毛坯的变形区与不变形区的分布情况。图 1.2.1 冲压变形毛坯各区划分举例a拉伸 b翻孔 c缩口1.2.2 变形区的应力与应变特点 从本质上看各种冲压成形过程就是毛坯变形区在力的作用下产生变形的过程，所以毛坯变形区的受力情况和变形特点是决定各种冲压变形性质的主要依据。绝大多数冲压变形都是平面应力状态
4、。一般在板料表面上不受力或受数值不大的力，所以可以认为在板厚方向上的应力数值为零。使毛坯变形区产生塑性变形均是在板料平面内相互垂直的两个主应力。除弯曲变形外，大多数情况下都可认为这两个主应力在厚度方向上的数值是不变的。因此，可以把所有冲压变形方式按毛坯变形区的受力情况和变形特点从变形力学理论的角度归纳为以下四种情况，并分别研究它们的变形特点。 ( 一 )冲压毛坯两向受拉应力的作用 可以分为以下三种情祝r 0， t=0 r0 , 0， t0 （胀形）伸长类成形；开裂 r0， t=0 0 , r0， t0（内孔翻边，胀形）伸长类成形；开裂=r0， t=0 =r0， t=-2=-2r，（平板材料胀形
5、时的中心部位）伸长类成形；开裂（图 1.2.2 I 象限）16 页。(二)冲压毛坯变形区受两向压应力的作用 可以分为下边两种情况：r 0，且 t=0 r0 , 0， t0 压缩类变形；起皱 r 0，且 t=0 0 , r0， t0（缩口）压缩类变形；起皱（见图 1.2.2 III 象限）。图 1.2.2 冲压应力图(三)冲压毛坯变形区受异号应力的作用，且拉应力的绝对值大于压应力的绝对值可以分为下边两种情况：r0 ， t=0 且 r r0 , 0， t 0 （拉深 0.61Rt 以内）伸长类成形；危险断面开裂0 r， t=0 且 r 0 , r0， t 0 （扩口）伸长类成形；开裂(四)冲压毛坯
6、变形区受异号应力的作用而且压应力的绝对值大于拉应力的绝对值 可以分为以下两种情况：r0 ， t=0 且 r 0， r0 , t 0（拉深 0.61Rt 以外）压缩类变形；起皱0 r， t=0 且 r r0 , 0， t 0 压缩类变形；起皱综上所述，可以把冲压变形概括为两大类：伸长类变形与压缩类变形。当作用于毛坯变形区内的绝对值最大应力、应变为正值时，称这种冲压变形为伸长类变形，如胀形翻孔与弯曲外侧变形等。成形主要是靠材料的伸长和厚度的减薄来实现。这时，拉应力的成分越多，数值越大，材料的伸长与厚度减薄越严重。当作用于毛坯变形区内的绝对值最大应力、应变为负值时，称这种冲压变形为压缩类变形，如 拉
7、深较外区 和弯曲内侧变形等。成形主要是 靠材料 的压缩与增厚来实现，压应力的成分越多，数值越大，板料的缩短与增厚就越严重。 31 页1.2.3 冲压成形过程中的变形趋向性及其控制 在冲压过程中，成形毛坯的各个部分在同一个模具的作用下，有可能发生不同形式的变形，即具有不同的变形趋向性。保证在毛坯需要变形的部位产生需要的变形，排除其他一切不必要的和有害的变形，是合理地制定冲压工艺及合理地设计模具的目的。可见，对各种冲压成形工艺所进行的变形趋向性及其控制的研究，可以作为确定成形方式的各种工艺参数、制定工艺过程、设计冲模和分析冲压过程中出现的某些产品质量问题的依据，所以它是个十分重要的问题之一。 (
8、一 )冲压变形的趋向性 冲压毛坯的多个部位都有变形的可能时，变形在阻力最小的部位进行。 下面以缩口为例加以分析（见图 1.2.3）。稳定缩口时坯料可分为图示的三个区域。在外力作用下，A、B 两区都有可能发生变形，A 区可能会发生缩口塑性变形；B 区也可能会 发生镦粗变形 。但是由于它们可能产生的塑性变形的方式不同，而且也由于变形区和传力区之间的尺寸关系不同，总是有一个区需要比较小的塑性变形力，并首先进人塑性状态，产生塑性变形。因此，可以认为这个区是个相对的弱区。为了保证冲压过程的顺利进行，必须保证在该道冲压工序应该变形的部分变形区成为弱区以便在把塑性变形局限于变形区的同时，排除传力区 产生任何
9、不必要的塑性变形的可能。A变形区 B传力区 C已变形区图 1.2.3 变形趋向性对冲压工艺的影响“弱区必先变形，变形区应为弱区”的结论，在冲压生产中具有很重要的实用意义，例如有些冲压工艺的极限变形参数（拉深系数、缩口系数等）的确定，复杂形状零件的冲压工艺过程设计等等，都是以这个道理做为分析和计算的依据。 (二)变形趋向性的控制 在冲压生产当中，对毛坯变形趋向性的控制，是保证冲压过程顺利进行和获得高质量冲压件的根本保证，毛坯的变形区和传力区并不是固定不变，而是在一定的条件下可以互相转化的。因此改变这些条件，就可以实现对变形趋向性的控制。 在实际生产当中，用来控制毛坯的变形趋向性的措施有下列几个方
10、面。 1.变形毛坯各部分的相对尺寸关系是决定变形趋向性的最重要的因素，所以在设计工艺过程时一定要合理地确定初始毛坯的尺寸和中间毛坯的尺寸，保证变形的趋向符合工艺的要求。 2.改变模具工作部分的几何形状和尺寸也能对毛坯变形的趋向性进行控制。 3.改变毛坯与模具接触表面之间的摩擦阻力，借以控制毛坯变形的趋向，这也是生产中时常采用的一个方法。 4.采用局部加热或局部深冷的办法，降低变形区的变形抗力或提高传力区的强度，都能达到控制变形趋向性的目的，可使一次成形的极限变形程度加大，提高生产效率例如，在拉深和缩口时采用局部加热变形区的工艺方法，就是基于这个道理图示为直径 dp的凸模，毛坯直径 d p为 D
11、0，对带有中孔 d0的板料进行 Q F Q冲压成型，当 D0 / dp, d0 / dp, ,Q 不同 时，会得到三种不同的成形结果。分析 D0 / dp, d0 / dp, ,Q 对变形区的影响，并按变形趋向性说明原因， d 0画出三种不同的成形零件。 D 0 根据变形趋向性控制，变形区为弱区，弱区先变形，所需变形抗力最小的结论：1、D 0 / dp较大, d 0 / dp, 较小 , Q 较大时，变形区（弱区）为 dp底部，得涨形件如图；2、D 0 / dp较大, d 0 / dp, 较大 , Q 较大时，变形区（弱区）为 dp- d0部分，得冲孔翻边件如图；3、D 0 / dp较小, d
12、 0 / dp, 较小 , Q 合适时，变形区（弱区）为 D0 -dp部分，得拉深件如图；涨形件 冲孔翻边件 拉深件1.3 板料冲压成形性能1.3.1 板料的冲压成形性能 板料对各种冲压成形加工的适应能力称为板料的冲压成形性能。具体地说，就是指能否用简便地工艺方法，高效率地用坯料生产出优质冲压件。冲压成形性能是个综合性的概念，它涉及到的因素很多，其中有两个主要方面：一方面是成形极限，希望尽可能减少成形工序；另一方面是要保证冲压件质量 符合设计要求。 成形极限 在冲压成形中，材料的最大变形极限称为成形极限，即材料不发生塑性失稳破坏时的极限应变值。对不同的成形工序，成形极限应采用不同的极限变形系数
13、来表示。例如弯曲工序的最小相对弯曲半径、拉深工序的极限拉深系数等等。这些极限变形系数可以在各种冲压手册中查到，也可通过实验求得。 1.3.2 板料力学性能与冲压成形性能的关系 板料力学性能与板料冲压性能有密切关系。一般来说，板料的强度指标越高，产生相同变形量所需的力就越大；塑性指标越高，成形时所能承受的极限变形量就越大；刚性指标越高，成形时抗失稳起皱的能力就越大。对板料冲压成形性能影响较大的力学性能指标有以下几项：1)屈服极限 s 屈服极限 s 小，材料容易屈服,则变形抗力小，产生相同变形所需变形力就小，并且屈服极限小，当压缩变形时，屈服极限小的材料因易于变形而不易出现起皱，对弯曲变形则回弹小
14、。2)屈强比 sb 屈强比小，说明 s 值小而 b 值大，即容易产生塑性变形而不易产生拉裂，也就是说，从产生屈服至拉裂有较大的塑性变形区间。变形区的材料易于变形不易起皱，传力区的材料又有较高强度而不易拉裂，有利于提高拉深变形的变形程度。3)伸长率 它直接决定板料在伸长类变形中的冲压成形性能，从实验中得到验证，大多数材料的翻孔变形程度都与均匀伸长率成正比。可以得出结论：即伸长率或均匀伸长率是影响翻孔或扩孔成形性能的最主要参数。4)硬化指数 n 当 n 值大时，材料加工硬化严重，硬化使材料强度的提高得到加强，于是增大了均匀变形的范围。对伸长类变形如胀形，n 值大的材料使变形均匀，变薄减小，厚度分布
15、均匀，表面质量好，增大了极限变形程度，零件不易产生裂纹5)厚向异性指数 g 由于板料轧制时出现的纤维组织等因素，板料的塑性会因方向不同而出现差异，这种现象称塑性各向异性。厚向异性系数是指单向拉伸试样宽度应变和厚度应变之比,即：g=b/t g 值越大，表示板料越不易在厚度方向上产生变形，即不易出现变薄或增厚,g 值对压缩类变形的拉深影响较大，当 g 值增大，板料易于在宽度方向变形，可减小起皱的可能性，而板料受拉处厚度不易变薄，又使拉深不易出现裂纹，因此 g 值大时，有助于提高拉深变形程度。6）板平面各向异性指数g板料在不同方位上厚向异性指数不同，造成板平面内各向异性。用g 表示：g=（ g0+g
16、90+2g45） /2 式中 g 0、 g90、 g45纵向试样、横向试样和与轧制方向成 45试样厚向异性指数。g 越大，表示板平面内各向异性越严重，拉深时在零件端部出现不平整的凸耳现象，就是材料的各向异性造成的，它既浪费材料又要增加一道修边工序。第二章冲裁工艺及冲裁模设计本章学习要点： 1. 了解冲裁变形规律和冲裁件质量的影响因素； 2. 了解冲裁间隙对模具寿命及冲裁力的影响；3. 掌握冲裁模刃口尺寸计算方法和排样设计；4掌握精密冲裁与普通冲裁的区别； 2.1.1 冲裁变形规律 变形区、应力、应变、冲裁变形障碍冲裁时板料的变形过程 冲裁是分离变形的冲压工序。当 凸 模、凹模之间的间隙正常时，
17、工件受力后必然从弹性变形开始，进入塑性变形，最后以断裂分离告终，如图 2.1.3 所示。 图 2.1.3 冲裁变形过程2.1.2 冲裁件断面质量及其影响因素 ( 一 )断面特征 冲裁件正常的断面特征如图 26 所示。它由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四个特征区组成。冲裁件的断面特征(二)材料的性能对断面质量的影响 对于塑性较好的材料，冲裁时裂纹出现得较迟，因而材料剪切的深度较大。所以得到的光亮带所占比例大，圆角大， 穹弯大 ，断裂带较窄。(三)模具冲裁间隙大小对断面质量的影响 间隙值的大小，影响上、下裂纹的会合；影响变形应力的性质和大小。 当间隙过小时，如图 2.1.6a 所示，上、下裂纹互不重合。两裂纹之间的材料，随着冲裁的进行将被第二次剪切在断面上形成第二光亮带，该光亮带中部有残留的断裂带 (夹层)。小间隙会使应力状态中的拉应力成分减小，挤压作用增大，使材料塑性得到充分发挥，裂纹的产生受到抑制而推迟。所以，光亮带宽度增加，圆角、毛刺、斜度翘曲、 拱弯等 弊病都有所减小，工件质量较好，但断面的质量也有缺陷，像中部的夹层等。当间隙过大时，如图 2.1.6c 所示，上、下裂纹仍然不重合。因变形材料应力状态中的拉应力成分增大、材料的弯曲和拉伸也增大，材料容易产生微裂纹，使塑性变形较早结束。所以，光亮带变窄，剪
