第一章板料沖壓性能及成形工藝第一次課

1、山東科技大學山東科技大學沖壓工藝與模具設計沖壓工藝與模具設計 沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限2、課程內(nèi)容、課程內(nèi)容（1）板料沖壓性能的工藝試驗(拉伸實驗、脹形實驗、模擬實驗、相似實驗)；（2）板料機械性能指標與沖壓性能之間的關系(強度極限 、屈服極限 、屈強比 、均勻延伸率 、硬化指數(shù)n、厚向異性指數(shù)r、板平面各向異性指數(shù) )；（3）板料的成形極限(失穩(wěn)理論、成型極限圖)；（4）常用材料的沖壓性能。1、學習目的和要求、學習目的和要求 通過學習，掌握板料的幾個機械性能指標與板料沖壓性能之間的關系；熟悉板料沖壓性能的幾個工藝試驗，了解

2、常用金屬材料的沖壓性能。bssb均r3、考核知識點和考核要求、考核知識點和考核要求領會：板料的幾個機械性能指標與沖壓性能之間的關系。沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容1、板料沖壓性能的工藝試驗、板料沖壓性能的工藝試驗 板料的拉伸試驗板料的拉伸試驗 板料的雙向拉伸板料的雙向拉伸(脹形脹形)試驗試驗 (杯突試驗杯突試驗) 模擬試驗模擬試驗 相似試驗相似試驗2、板料機械性能指標與沖壓性能之間的關系、板料機械性能指標與沖壓性能之間的關系沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極

3、限1.1 板料沖壓性能的工藝試驗板料沖壓性能的工藝試驗板料沖壓性能板料沖壓性能是指板料對各種沖壓成形加工的適應能力沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限常用工藝試常用工藝試驗驗1 板料的單向拉伸試驗板料的單向拉伸試驗 通過拉伸試驗可測材料的彈性、強度、延性、應變硬化和韌度等重要的力學性能指標，它是材料的基本力學性能。試樣的形狀和尺寸試樣的形狀和尺寸拉伸試驗模擬拉伸試驗模擬低碳鋼材料低碳鋼材料(柱狀試樣柱狀試樣)(D)在板料三個不同方位上截取不同的試件(如圖課本P6圖1.2)沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成

4、形極限板料沖壓性能與成形極限計算得到的拉伸曲線及各種性能指標計算得到的拉伸曲線及各種性能指標記錄的數(shù)據(jù)記錄的數(shù)據(jù)1) 屈服點附近，試樣工作長度范圍內(nèi)試樣的寬度b和相應剖面的厚度t以及屈服時的載荷大小Ps (或P0.2)2) 最大載荷Pmax及相應的剖面尺寸bj和tj(即細頸出現(xiàn)時的尺寸)3) 試樣被拉斷時，破壞載荷的數(shù)值及拉斷試樣工件長度lp和剖面尺寸bp，tp計算出各個載荷P下的實際應力與實際應變，即ppFbt0 000lnlnlnb tbtFllF以實際應力為縱坐標，實際應變?yōu)闄M坐標，描繪出板料的應力應變拉伸曲線沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖

5、壓性能與成形極限s= 0.2sb典型的拉伸曲線典型的拉伸曲線 沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限通過板料的單向拉伸試驗，可以得到板料如下的機械性能指標1 1）屈服強度s 或0.2 ： 對于拉伸曲線上有明顯的屈服平臺的材料，塑性變形硬化不連續(xù)，屈服平臺所對應的應力即為屈服強度，記為ss = Ps / F0 對于拉伸曲線上沒有屈服平臺的材料，塑性變形硬化過程是連續(xù)的，此時將屈服強度定義為產(chǎn)生0.2% 殘余伸長時的應力，記為0.2 s = 0.2 = P0.2 / F02 2）抗拉強度b： 定義為試件斷裂前所能承受的最大工程應力，以前稱為強

6、度極限。取拉伸圖上的最大載荷，即對應于b點的載荷除以試件的原始截面積，即得抗拉強度之值，記為bb = PmaxF0 3 3）細頸點應力j：j = PmaxFj 4 4）屈強比： s / b或或0.2 / b 5 5）細頸點應變： j = ln(F0Fj) 沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限9) 9) 硬化指數(shù)n：n= j (后面可證明) 變形時的硬化現(xiàn)象和硬化曲線: 硬化現(xiàn)象的表現(xiàn)形式:材料的強度指標隨變形程度的增加而增加,塑性隨之降低. 加工硬化的結(jié)果:引起材料力學性能的變化. 加工硬化有利及不利方面:有利方面:板料硬化能夠減小過大

7、的局部變形,使變形趨于均勻,增大成形極限,同時也提高了材料的強度.不利方面:使進一步變形困難. 硬化曲線 單向拉伸硬化曲線可寫成 其中n為硬化指數(shù)6 6）延伸率： 材料的塑性常用延伸率表示。測定方法如下：拉伸試驗前測定試件的標距l(xiāng)0，拉伸斷裂后測得標距為lp，然而按下式算出延伸率00100%plll00100%pFFFE 7) 7) 斷面收縮率： 斷面收縮率是評定材料塑性的主要指標。8) 彈性模量E: 單純彈性變形過程中應力與應變的比值。nk沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限1010）厚向異性指數(shù)r： 厚向異性指數(shù)是指拉伸試驗時，試樣

8、均勻伸長為15%左右情況下，寬度方向的應變與厚度方向的應變之比值，即：r= b / / t當材料的r=1時，稱為厚向同性材料；當r1時，稱為厚向異性材料000904524rrrr 試驗在板料中所取的方位不同，試驗所得的厚向異性指數(shù)不一樣，所以板料的厚向異性指數(shù)，最好取為三個不同方位試樣所得數(shù)據(jù)的平均值。r0為縱向試樣的厚向異性指數(shù),即軋制方向1111）板平面各向異性指數(shù)r： 由于板料在不同方位厚向異性不同，在板料平面內(nèi)形成各向異性，即r=r0+r900-2r450 r愈大，表示板平面內(nèi)各向異性愈嚴重，拉深時產(chǎn)生凸耳現(xiàn)象愈嚴重。 沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成

9、形極限板料沖壓性能與成形極限2 板料的雙向拉伸板料的雙向拉伸(脹形脹形)試驗試驗 (杯突試驗杯突試驗) 杯突試驗是用來衡量材料的深沖性能的試驗方法 按照國家標準，“試驗采用端部為球形的沖頭，將夾緊的試樣壓入壓模內(nèi)，直至出現(xiàn)穿透裂縫為止，所測量的杯突深度即為試驗結(jié)果?！边@種試驗通常是在杯突試驗機上進行。試樣在做過杯突試驗后就像只沖壓成的杯子（不過是只破裂的杯子）。 鋼板深沖性能不好，沖壓件在制作過程中就很容易開裂。 板材的脹形性能試驗又稱為杯突試驗或壓穴試驗 。一般包括Erichsen脹形試驗和瑞典式純脹形試驗。它是測定板材沖壓性能的一種工藝性試驗。 先將平板坯料試樣放在凹模平面上，用壓邊圈壓住

10、試樣外圈，然后，用球形沖頭將試樣壓入凹模。由于坯料外徑比凹?？讖酱蠛芏啵?，其外環(huán)不發(fā)生切向壓縮變形，而與沖頭接觸的試樣中間部分坯料受到雙向拉應力作用而實現(xiàn)脹形成型 。 在脹形成型中，把試樣出現(xiàn)裂紋時沖頭的壓入的深度稱為脹形深度或Erichsen試驗深度，簡計為Er值。 Er值越大，脹形性能及拉深類成型性能越好。 D沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限 Er值的影響因素很多，如板料的厚度、壓邊力大小、潤滑條件及模具的粗糙度等對他都有影響。此外，由于試驗設備不同、操作方法不同以及對裂縫判斷之差異等都會影響試驗的結(jié)果。沖壓工藝及模具設計沖

11、壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限瑞典式純脹形試驗瑞典式純脹形試驗 在Erichsen脹形試驗條件下，試樣法蘭邊或多或少總會有某種變形，即法蘭邊金屬會有少許流向凹模內(nèi)。于是，中間部分材料的脹形成分就不十分純。 瑞典式純脹形試驗在凹模與壓邊圈相應位置上設置了三角形肋槽，以阻止法蘭部分材料流入凹模，使球形沖頭下面所對材料產(chǎn)生純脹形。 同Erichsen試驗相對應，純脹形試驗結(jié)果得到最大脹形深度hmax，hmax越大，表明板材的脹形性能越好。這個試驗和richsen脹形試驗相比，只是模具結(jié)構(gòu)發(fā)生了一點變化，其試驗方法、步驟和Erichsen脹形試驗是一致的。

12、但是，這種工試驗方法尚未普及。其主要原因是，各種因素仍然會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，它不能從根本上取代Erichsen脹形試驗。沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限3 模擬試驗模擬試驗 模擬試驗的實質(zhì)：突出實際沖壓工序某一方面或幾個方面的變形特點，加以模擬。在較為單純的條件下所取得的試驗結(jié)果，作為鑒定材料某種沖壓性能的指標。比如：反復彎曲試驗、沖杯試驗和錐杯試驗。1）反復彎曲試驗）反復彎曲試驗 使用于檢驗厚度小于5mm的金屬薄板和帶材在反復彎曲中承受塑性變形能力并顯示出的缺陷。 將金屬板料夾緊在專用試驗設備的鉗口內(nèi)，左右反復折彎90，以每彎曲

13、90再扳直算作一次，每分鐘不得超過60次，直至彎裂為止。彎曲次數(shù)可從試驗機的轉(zhuǎn)數(shù)表中讀出。試驗時，折彎的彎曲半徑r越小、彎曲次數(shù)越多，表明板料的彎曲性能越好。 沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限2）沖杯試驗）沖杯試驗試驗目的：加深理解拉深成型原理及工藝過程；測出板材拉深成形性能。 用不同的圓形毛坯試片，在圖示的裝置中進行拉深成形，取試片側(cè)壁不被拉破時可能拉深成功的最大毛坯直徑Dmax與沖頭直徑dp之比值，即 LDR=Dmax / dp 作為評價板材拉深成形性能指標。LDR越大，沖杯高度越高，板材拉深成形性能就越好。 測定板料拉深成形性

14、能時，圓柱形平底凸模沖杯實驗。 D沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限3）錐杯試驗）錐杯試驗對板材的拉深脹形復合沖壓性能給出評價。 錐杯試驗 錐杯實驗是板材的拉深變形和脹形變形的復合性能實驗。實驗裝置如圖所示，用球形凸模與60度錐形凹模，在無壓邊條件下對毛坯進行拉深；凸模下降到凹模的直壁部分以后為脹形變形。測出錐杯件底部破裂時上口的最大直徑Dmax與最小直徑Dmin，并用下式計算錐杯實驗值CCV作為板材的拉深-脹形復合成形性能指標。CCV =（Dmax+Dmin)/2 CCV值越小，反映板材在曲面零件成形時可能產(chǎn)生的變形程度越大，所以拉

15、深-脹形復合成形性能越好.沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限4 相似試驗相似試驗 在類似實際生產(chǎn)的條件下進行試驗，以取得各種數(shù)據(jù)。優(yōu)點是結(jié)果具體，數(shù)據(jù)可靠，便于直接應用。缺點是試驗周期長，費用高。主要有Swift筒形件拉深試驗、拉深力對比試驗和翻邊性能試驗等1）Swift筒形件拉深試驗筒形件拉深試驗 Swift求極限拉深比的試驗，也叫Swift拉深試驗 試驗方法使用不同直徑的圓形坯料，并按照逐級增大直徑的操作程序在圖示的裝置中進行拉深成型試驗，取試樣側(cè)壁不致破裂時可能拉深成功的最大坯料直徑D0max與沖頭直徑dp之比值，稱為極限拉深比

16、（LDR），即，LDR值越大，則板材的拉深成型性能越好。 Swift拉深試驗能比較直接地反映板材的拉深成型性能。但也受試驗條件（如間隙、壓邊力及潤滑等）的影響，使試驗結(jié)果的可靠性有所降低。它的最大缺點是須制備較多的試樣、經(jīng)過多次的試驗。沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限2）拉深力對比試驗）拉深力對比試驗 拉深力對比試驗也叫TZP試驗或拉深潛力試驗。這種試驗方法是由WEngelhardt和HGross開發(fā)的。 在一定的拉深變形程度下（TZP試驗時取毛坯直徑D052mm，沖頭直徑dp30mm）最大拉深力與試驗中已經(jīng)成型的試樣側(cè)壁的拉斷力之

17、間的關系作為判斷拉深成型性能的依據(jù)。 這種方法特點之一是可一次試驗成功。當試驗進行到拉深力達到峰值Pmax時，隨即加大壓邊力，使試樣的法欄邊固定，消除在以后拉深程中繼續(xù)變形和被拉入凹模的可能。然后，再加大沖頭壓力直到試樣被拉斷，并測出拉斷時的力P。本試驗按JB4409.288標準來執(zhí)行。 圖示出了拉深力Pmax與試樣最終被拉斷的力P，可得到一個表示板材拉深性能的材料特性值T，T值按下式計算：max100%PPTPT值越大，板材的拉深性能越好。沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限KWIKWI擴孔擴孔試驗試驗 用有預加工小孔（小孔直徑規(guī)定為

18、擴孔沖頭直徑的30）的平板坯料進行擴孔.試驗時，將試樣放在凹模與壓邊圈之間壓死，凸模運動，直至孔口邊緣因孔徑擴大而出現(xiàn)裂紋為止。測量此時的最大孔徑dfmax和最小孔徑dfmin，用來計算極限擴孔率。極限擴孔率值是作為鑒定板材翻邊成型性能的一個材料特性值,值越大，板材的翻邊性能越好。 K KWIWI擴孔擴孔試試驗原理驗原理%10000dddf3）板材翻邊試驗）板材翻邊試驗沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限2 2 福井、吉田擴孔試驗福井、吉田擴孔試驗 利用球形沖頭進行擴孔試驗 ,預加工小孔孔徑取為沖頭直徑的2025 ,為了減小試驗誤差，規(guī)

19、定該小孔需經(jīng)過鉸孔或其他切削加工。極限擴孔率來表示，即 福井、吉福井、吉田擴孔試田擴孔試驗原理驗原理100%iiiRrrRi孔緣破裂時的小孔孔半徑平均值；ri試樣中心預加工小孔半徑。其評價意義也是值越大，板材的翻邊性能越好。沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限1.2 板料機械性能指標與沖壓性能之間的關系板料機械性能指標與沖壓性能之間的關系 板料機械性能指標與板料沖壓性能有密切聯(lián)系。板料的強度越高，產(chǎn)生相同變形量所需要的力就越大；塑性指標越高，成形時所能承受的極限變形量就越大；剛度指標越高，成形時抵抗失穩(wěn)起皺的能力就越大。1）強度極限）強

20、度極限b和屈服極限和屈服極限s 是決定材料變形抗力的基本指標，強度極限和屈服極限越高，則變形抗力越大，沖壓時材料所經(jīng)受的應力也越大。 屈服極限屈服極限 s 表示材料產(chǎn)生屈服時的最小應力，即薄板產(chǎn)生可測的永久塑性變形時的工程應力。對于不連續(xù)屈服現(xiàn)象的材料，材料發(fā)生屈服變形時，伸長不伴有載荷的增長或載荷的下降，在應力應變上表現(xiàn)為一段屈服平臺；當載荷下降時，開始產(chǎn)生屈服伸長時的應力為屈服點，一般以最小下屈服點的應力作為屈服點；對沒有明顯屈服點的材料，應力應變曲線不出現(xiàn)屈服平臺，通常用0.2%永久伸長變形時的應力0.2作為屈服極限。 屈服極限越大，薄板材料成形時開始產(chǎn)生塑性變形所需的變形力也越大沖壓工

21、藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限 抗拉強度抗拉強度 b 表示薄板材料在單向拉伸條件下所能承受的最大應力值，是材料的重要力學性能指標，是設計和選材的主要依據(jù)。 b越大，沖壓成形時零件危險斷面的承載能力越高，其變形程度越大，在材料和成形性能有關的其他性能大致相同時， b大，材料的綜合成形性能好。2）屈強比）屈強比s /b 屈強比為薄板的屈服極限和抗拉強度之比。屈服極限與抗拉強度之間的差距越大，即屈強比越小，表明薄板在破壞前能進行更大的變形加工屈強比越小，表明薄板在破壞前能進行更大的變形加工。薄板的屈強比值越小，其綜合成形性能越好，成形零件的形

22、狀定形性越好。3）均勻延伸率）均勻延伸率 均 在單向拉伸試驗中，薄板材料在拉力作用下由均勻變形發(fā)展為集中性變形，其轉(zhuǎn)折點的變形量為均勻伸長率均，表示板料產(chǎn)生均勻的或穩(wěn)定的塑性表示板料產(chǎn)生均勻的或穩(wěn)定的塑性變形的能力。變形的能力。 均勻伸長率的大小反映了薄板變形開始發(fā)生頸縮時的變形量，均勻伸長率越大，薄板變形時發(fā)生頸縮變形越遲，綜合成形性能越好。 一般沖壓成形都是在板料的均勻變形范圍內(nèi)進行的，故均直接影響板在以伸長為主的變形的沖壓性能，如翻邊因數(shù)、擴口因數(shù)、最小彎曲半徑、脹形因數(shù)等，他們均用均間接地表示其極限變形程度。沖壓工藝及模具設計沖壓工藝及模具設計第一章第一章 板料沖壓性能與成形極限板料沖壓性能與成形極限4）硬化指數(shù)）硬化指數(shù)n板材單向拉伸的實際應力曲線可表示為=C*n 其中，常數(shù)n為板料的硬化指數(shù)。n值的大小，表示在塑性變形過程