1、冲压工艺与冲模设计 第2版 主编 翁其金 第二章冷冲压变形基础 第一节塑性、变形抗力及其影响因素1Q一、塑性变形、塑性、变形抗力的概念在冲压技术中,经常见到塑性变形、塑性、变形抗力、柔软性等术语1)塑性变形:物体在外力作用下会产生变形,如果外力被取消后,物体不能恢复到原始的形状和尺寸的变形。2)塑性:物体具有塑性变形的能力。3)变形抗力:在一定的加载条件和一定的变形温度、速度条件下,引起塑性变形的单位变形力。4)柔软性:应理解为金属对变形的抵抗能力,变形抗力越小,则柔软性越好1Q二、影响金属塑性和变形抗力的因素1.金属组织 2.变形温度3.变形速度 4.尺寸因素1Q 第二节冲压成形的应力和应变
2、1Q一、应力状态 模具对材料施加的外力引起材料内产生内力,单位面积上内力的大小称为应力。平行于坐标轴的三个分量,即一个正应力和两个切应力(图2-1b)。1Q图2-1点的应力状态与应力标号a)、b)任意坐标系c)主轴坐标系1Q 以主应力表示的应力状态称为主应力状态。表示主应力个数及其符号的简图,称为主应力状态简图(简称主应力图)。可能出现的主应力图共有九种,其中四个为三向主应力图,三个为平面主应力图,两个单向主应力图,如图2-2所示。应当指出,对于一点的应力状态来说,三个主方向和三个主应力的大小取决于该点的受力情况,与坐标轴的选择无关。换言之,一个应力状态,只有一组主应力。但坐标系选择不当,就会
3、使问题的分析计算过程复杂化。而主轴位置的确定可通过对变形过程的分析近似确定或试验确定。1Q图2-2主应力图1Q 单元体上三个主应力的平均值称为平均主应力,用m表示,其值为m=(1+2+3)(2-1)如图2-3所示。第一部分是以平均应力m为各向应力值的三向等应力状态,其特点是只能改变物体的体积,不能改变物体的形状。第二部分是以各向主应力与m的差值为应力值构成的应力状态,其特点是只能改变物体的形状,不能改变物体的体积。经试验证明,应力状态对金属的塑性有很大的影响。主应力图对金属塑性的影响可按顺序排列为如图2-4所示的形式,图中序号越小,塑性越好。其规律是压应力的数目及数值越大和拉应力数目及数值越小
4、,金属的塑性越好。不仅如此,主应力图对金属的变形抗力也是有影响的,在同号主应力图下引起变形,所需的变形抗力之值较大,而在异号主应力图下引起变形所需的变形抗力之值就比较小。1Q图2-3应力状态的分解1Q图2-4主应力对金属塑性影响的排列顺序1Q主切应力及其作用面共有三组,如图2-5所示。主切应力面上的应力情况如图2-6所示。图2-5主切应力面及主切应力方向(用阴影线表示)1Q图2-6主切应力面上的应力1Q(2-2)(2-3)其中绝对值最大的主切应力称为该点的最大切应力,用max表示,若123,则max=(2-4)1Q二、塑性条件(屈服条件)决定受力物体内质点由弹性状态向塑性状态过渡的条件,简称为
5、塑性条件。金属由弹性变形过渡到塑性变形,主要取决于在一定变形条件(变形温度与变形速度)下金属的物理力学性质和所处的应力状态。物理力学性质是金属内在的本质。不同的应力状态则是促使金属屈服而施加的不同外部条件。当外部条件与内因相符时,金属即会从弹性变形转为塑性变形。1Q 1864年法国学者屈雷斯加提出了最大切应力理论,他认为:在一定的变形条件下,材料中最大切应力达到某一定值时就开始屈服。这里所指的某一定值,实际上就是材料单向拉伸时屈服强度值s的一半。屈雷斯加屈服条件可表达为(2-5)这三对主切应力中,无论何者最先达到屈服强度值的一半,材料即开始屈服。1Q 1913年德国力学家密塞斯将最大切应力理论
6、加以修正,他提出:在一定的变形条件下,无论变形物体所处的应力状态如何,只要其三个主应力的组合满足以下的条件,材料便开始屈服,即(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2=2(2-6)这个条件称密塞斯屈服条件,又称常数形变能量理论。1Q如前所述在板料成形中,坯料塑性变形区内各点的应力状态往往都可近似看成料厚方向应力为零的平面应力状态。在平面应力状态下,如3=0,则屈雷斯加屈服条件变为(2-7)密塞斯屈服条件则变为+-12=(2-8)1Q密塞斯的屈服条件虽然在数学表达方法上比较完善,但是方程中同时包含了全部应力分量,实际运算不免繁复。在确定了主应力大小次序的前提下,如主应力的大小次序为123,或12
7、3,则密塞斯屈服条件可以写成如下简化形式,即1-3=s或max-min=s(2-9)式中 反映中间主应力影响的系数,其变化范围为11.155。当2=(1+3)/2时,=1.155;当2=1或2=3时,=1;当应力间的相对关系不明,不能判断中间主应力2时,取平均值1.1,这样不致引起大的误差。1Q三、应变状态一点的应变状态也是通过微元体的变形来表示的。与应力状态一样,当采用主轴坐标系时,微元体就只有三个主应变分量1、2和3,而没有切应变分量(图2-7)。一种应变状态只有一组主应变。两部分,如图2-8所示。第一部分是以平均应变m为各向应变值的三向等应变状态m=(1+2+3)/3,表示了微元体体积的
8、变化;第二部分是以各向主应变与m的差值为应变值构成的应变状态,表示了微元体形状的变化。1Q图2-7点的应变状态1Q图2-8应变状态的分解1Q(2-10)应变可以通过物体变形前后尺寸的比较来表示(图2-9)。假设变形前的尺寸为l0、b0、t0,变形后的尺寸为ln、bn、tn,则三个方向的主应变为1Q这样求得的应变称为相对主应变(又称条件应变)。相对应变只考虑了物体变形前后尺寸的变化量,根本没有考虑材料的变形是一个逐渐积累的过程。因为在实际变形过程中,尺寸l0系经过无穷多个中间数值而逐渐变成ln,用微积分的方法,设dl是每一变形阶段的长度增量,则总的变形程度为(2-11)1、2和3反映了物体变形的
9、实际情况,故称之为实际应变或对数应变。为正值表示伸长变形,为负值则为压缩变形。1Q图2-9变形前后尺寸的变化1Q图2-10主应变图1Q四、塑性变形时应力与应变的关系物体弹性变形时,其变形是可以恢复的,变形过程是可逆的,与变形物体的加载过程无关,应力和应变之间的关系可以通过广义胡克定律来表示。但是,当外载荷所引起的应力超过了物体的屈服强度以后,其应力与应变之间的关系就不同了。1Q在单向受拉或单向受压时的应力与应变关系可以用硬化曲线或用硬化曲线的数学表达式来表示(参见本章第三节)。在受到二向以上应力作用时的复杂应力状态下,其应力与应变关系是相当复杂的。经研究,当采取简单加载(加载过程中只能加载不能
10、卸载,应力分量之间应按一定的比例增加)时,塑性变形的每一瞬间,主应力与主应变之间存在下列关系:=C(2-14)式中,比值C称比例常数,在一定的变形条件下,它只与材料的性质和变形程度有关,而与变形物体所处的应力状态无关。简言之,材料一定,变形程度一定,C值也一定。故C值可用单向拉伸试验求出。1Q式(2-14)也可以表示为=C(2-15)上述塑性变形时的物理方程称为全应变理论,是在简单加载的条件下建立起来的,一般用来研究小变形问题。但对于冲压成形中非简单加载的大变形问题,只要变形过程中是加载,主轴方向变化不太大,主轴次序基本不变,实践表明,应用全应变理论也不会引起太大的误差。换句话说,在冲压成形的
11、工程计算问题中,只要加载过程近似于简单加载,就可以引用上述关系。1Q第三节冷冲压成形中的硬化现象1Q二、硬化曲线 在冷变形中材料的变形抗力随变形程度变化的情况是用硬化曲线来表示的。硬化曲线可以通过拉伸、压缩或板料的液压胀形试验等多种方法求得。绘制硬化曲线时,如果应力指标采用假象应力来表示则称为假象应力曲线。假象应力是按各加载瞬间之载荷F除以变形前试样的原始截面积A0计算的,而没有考虑变形过程中试样截面积的变化,因此F/A0并不能反映试件在各变形瞬间的真正应力。这种应力曲线多用于材料力学与结构力学中,以描述变形程度极小时的应力应变关系。真实应力曲线与假象应力曲线的不同之处可以从图2-11中看出。
12、一、硬化现象1Q图2-11金属的应力应变图1真实应力曲线2假象应力曲线1Q图2-12各种材料的硬化曲线 图2-12是用实验求得的几种金属在室温下的硬化曲线。1Q用直线代替硬化曲线的实质是:在实际应力()实际应变()坐标系中的硬化曲线上,于细颈点处作一切线来近似代替实际硬化曲线,如图2-13所示。该硬化直线方程式为=0+D(2-16)1Q三、拉伸试验的卸载规律和反载软化现象1.加载卸载规律 拉伸实际应力曲线所代表的是单向拉伸加载时材料的拉应力与拉应变之间的关系1Q如果加载以后卸载,这时应力与应变之间的变化规律是怎样的呢?由图2-14可知,拉伸变形在弹性范围内,应力与应变是直线关系,在弹性变形范围
13、内卸载,应力、应变仍然按照同一直线回到原点O,没有残余变形;如果将试样拉伸至超过屈服点A,到达B点(B,B),再逐渐减少拉力,这时应力应变的关系则沿BC直线逐渐降低,直至载荷为零,而不再沿BAO路线返回。卸载直线BC正好与加载时弹性变形的直线段相平行,于是加载时的总应变B就会在卸载后一部分(t)因弹性回复而消失,另一部分(s)仍然保留下来成为永久变形,即B=t+s。弹性回复的应变量为t=(2-18)1Q图2-13硬化直线1Q图2-14拉伸卸载实际应力曲线1Q2.卸载重新加载应力应变规律材料在变形程度为B时的屈服点,进而可以认为,在塑性变形阶段,实际应力曲线上每一点的应力值都可理解为材料在相应的
14、变形程度下的屈服点。1Q第四节冷冲压材料及其冲压成形性能1Q一、材料的冲压成形性能 材料对各种冲压加工方法的适应能力称为材料的冲压成形性能。材料的冲压性能好,就是指其便于冲压加工,一次冲压工序的极限变形程度和总的极限变形程度大,生产率高,容易得到高质量的冲压件,模具使用寿命长等。由此可见,冲压成形性能是一个综合性的概念,它涉及的因素很多,但就其主要内容来看,有两个方面,即一是成形极限;另一是成形质量。成形极限与成形质量也正是冲压工艺与冲模设计所要研究的两个核心课题。1Q1.成形极限在冲压成形过程中,材料的最大变形限度称为成形极限。对于不同的成形工序,成形极限是采用不同的极限变形系数来表示的。2
15、.成形质量冲压件的质量指标主要是尺寸精度、厚度变化、表面质量以及成形后材料的物理力学性能等。影响工件质量的因素很多,不同冲压工序的情况又各不相同,这里只对一些共性的规律作简略介绍。1Q二、板料的冲压成形性能试验 板料的冲压性能试验方法很多,大致可分为间接试验和直接试验两类。1.间接试验 间接试验方法有拉伸试验、剪切试验、硬度试验、金相试验等1Q 板料的拉伸试验:在待试验板料的不同部位和方向上截取试料,按标准制成如图2-15所示的拉伸试样,然后在万能材料试验机上进行拉伸。根据试验结果或利用自动记录装置,可得如图2-16所示的应力与应变之间的关系曲线,即拉伸曲线。图2-15拉伸试验用的标准试样1Q
16、图2-16拉伸曲线1Q通过拉伸试验可测得板料的各项力学性能指标。板料的力学性能与冲压成形性能有很紧密的关系,现就其中较为重要的几项说明如下:(1)总伸长率与均匀伸长率b是在拉伸试验中试样破坏时的伸长率,称为总伸长率,简称伸长率。b表示板料产生均匀变形或称稳定变形的能力。一般情况下,冲压成形都在板材的均匀变形范围内进行,故b对冲压性能有较为直接的意义。在伸长类变形工序,如翻孔、扩口、弯曲(指外区)、胀形等工序中,b越大,则极限变形程度越大。1Q(2)屈强比(s/b)s/b是材料的屈服强度与抗拉强度的比值,称为屈强比。在压缩类变形工艺中,例如,拉深时,当屈强比小,即材料的屈服强度s低时,则变形区的
17、切向压应力较小,板料失稳起皱的趋势小,防止起皱所需的压料力和需要克服的摩擦力也相应减小,从而降低了总的变形力,也就减轻了传力区的载荷。而抗拉强度b高,则传力区的承载能力大,所以说屈强比小有利于成形极限的提高。(3)硬化指数n硬化指数n表示材料在冷塑性变形中材料硬化的强度。1Q(4)板厚方向性系数rr=(2-19)(5)板平面方向性板料经轧制后其力学、物理性能在板平面内出现各向异性,称为板平面方向性。板平面方向性主要表现为力学性能在板平面不同方向上的差别,但在表示板材力学性能的各项指标中,板厚方向性系数对冲压性能的影响比较明显,故板平面方向性的大小一般用板厚方向性系数r在几个方向上的平1Q2.直
18、接试验在冲压性能的直接试验中,试样所处的应力状态和变形特点基本上与实际生产的冲压过程相同(故又称模拟试验),所以能较为可靠地鉴定板料的冲压成形性能。下面简要介绍几种较为重要的试验方法。(1)弯曲试验弯曲试验的目的主要是为了鉴定板料对弯曲成形的适应性。1Q图2-17往复弯曲试验(2)胀形试验(杯突试验)胀形试验的原理如图2-19所示。(3)拉深性能试验确定板料拉深性能的试验方法主要有下面几种形式1Q1)拉楔试验。图2-18弯曲试验1Q图2-19胀形试验1Q图2-20拉楔试验1Q图2-21确定最大拉深程度的试验2)确定最大拉深程度的试验。1Q3)拉深力对比试验。T=100%(2-23)4)球底锥形
19、件拉深试验(福井试验)大部分空心件拉深时,凸缘区材料向内流动的拉深变形和传力区材料变薄的胀形变形都是同时进行的。图2-22拉深力对比试验1Q图2-23球底锥形件拉深试验1Q三、对冷冲压材料的基本要求冲压所用的材料,不仅要满足产品设计的技术要求,还应当满足冲压工艺的要求和冲压后的加工要求(如切削加工、电镀、焊接等)。冲压工艺对材料的基本要求主要是:1.对冲压成形性能的要求 对于成形工序,为了有利于冲压变形和制件质量的提高,材料应具有良好的塑性(均匀伸长率b高)、屈强比(s/b)小、板厚方向性系数r大、板平面方向性r小、材料的屈服强度与弹性模量的比值(s/E)小。1Q2.对材料厚度公差的要求材料的
20、厚度公差应符合国家规定标准。因为一定的模具间隙适用于一定厚度的材料,材料厚度公差太大,不仅直接影响制件的质量,还可能导致模具和冲床的损坏。1Q3.对表面质量的要求材料的表面应光洁平整,无分层和机械性质的损伤,无锈斑、氧化皮及其他附着物。表面质量好的材料,冲压时不易破裂,不易擦伤模具,工件表面质量也好。选择材料时要认真考虑材料供应情况以及经济因素,应最大限度地利用材料的冲压性能。必要时,应修改一些过高的设计要求和工艺要求,或采用代用材料。1Q四、常用冷冲压材料及其在图样上的表示方法 冲压用材料大部分是各种规格的板料、带料和块料。板料的尺寸较大,一般用于大型零件的冲压。对于中小型零件,多数是将板料剪裁成条料后使用。带料(又称卷料)有各种规格的宽度,展开长度可达几十米,适用于大批量生产的自动送料。块料只用于少数钢号和价钱昂贵的非铁材料的冲压。1Q冷冲压常用材料有:1)钢铁材料:普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、不锈钢、电工硅钢等。2)非铁金属:纯铜、黄铜、青铜、铝等。3)非金属材料:纸板、胶木板、橡胶板、塑料板、纤维板和云母等。在冲压工艺资料和图样上,对材料的表示方法有特殊的规定。现以优质碳素结构钢冷轧薄钢板标记为例。
