沖壓模具設(shè)計(jì)

第二章冷沖壓變形基礎(chǔ)第一節(jié)冷沖壓變形的基本原理概述第二節(jié)冷沖壓材料及其沖壓成形性能第一節(jié)冷沖壓變形的基本原理概述一、影響金屬塑性和變形抗力的因素

對(duì)于大多數(shù)金屬，總的影響趨勢(shì)是：隨著溫度的升高，塑性增加，變形抗力下降。所以在沖壓工藝中，有時(shí)也采用加熱成形的方法，提高材料的塑性，增加在一次成形中所能達(dá)到的變形程度；降低材料的變形抗力，減輕設(shè)備和工裝的負(fù)擔(dān)。1.變形溫度第一節(jié)冷沖壓變形的基本原理概述一、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.變形溫度圖2-1碳鋼塑性隨溫度變化曲線

應(yīng)變速率是指單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)變的變化量。一般來說，由于塑性變形需要一定的時(shí)間來進(jìn)行，因此應(yīng)變速率太大，塑性變形來不及在塑性變形體中充分?jǐn)U展和完成，而是更多地表現(xiàn)為彈性變形，致使變形抗力增大。又由于斷裂抗力基本不受應(yīng)變速率的影響，所以變形抗力的增大就意味著塑性的下降，如圖所示，高速下的極限變形程度δ1顯然小于低速時(shí)的δ2。2.應(yīng)變速率一、影響金屬塑性和變形抗力的因素2.應(yīng)變速率一、影響金屬塑性和變形抗力的因素圖2-2應(yīng)變速率對(duì)變形抗力和塑性的影響示意圖1—高速２—低速

塑性變形是在力的作用下產(chǎn)生的，宏觀上是力與塑性變形的關(guān)系，實(shí)際上是變形體微觀質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)關(guān)系的表現(xiàn)。施加不同形式的力，在變形體中就有不同的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)，從而表現(xiàn)出不同的塑性變形行為。3.應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)一、影響金屬塑性和變形抗力的因素

同一種材料，在其他條件相同時(shí)，尺寸越大，塑性越差，變形抗力越小。這是因?yàn)椴牧铣叽缭酱?，組織和化學(xué)成分越不均勻，且內(nèi)部缺陷也越多，應(yīng)力分布也不均勻。例如厚板沖裁，產(chǎn)生剪裂紋時(shí)凸模擠入板料的深度與板料厚度的比值比薄板沖裁時(shí)小。4.尺寸因素一、影響金屬塑性和變形抗力的因素

彈性變形時(shí)，物體體積的變化與平均應(yīng)力成正比。實(shí)踐證明，塑性變形的物體之體積保持不變，塑性變形以前的體積等于其變形后的體積，可表示為二、塑性變形體積不變條件ε1＋ε2＋ε3＝0式中ε1、ε2、ε3——塑性變形時(shí)的三個(gè)主應(yīng)變分量。

由體積不變條件可看出，主應(yīng)變圖只可能有三類：①具有一個(gè)正應(yīng)變及兩個(gè)負(fù)應(yīng)變；②具有一個(gè)負(fù)應(yīng)變及兩個(gè)正應(yīng)變；③一個(gè)主應(yīng)變?yōu)榱?，另兩個(gè)應(yīng)變之大小相等符號(hào)相反。二、塑性變形體積不變條件圖2-3主應(yīng)變圖2三、塑性條件(屈服準(zhǔn)則)屈雷斯加屈服準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)表達(dá)式是τmax＝＝σmax－σminσs2式中τmax——質(zhì)點(diǎn)的最大切應(yīng)力；

σmax、σmin——代數(shù)值最大、最小的主應(yīng)力；

σs——金屬在一定的變形溫度、變形速度下的屈服點(diǎn)。式中σ1、σ2、σ3——質(zhì)點(diǎn)的三三個(gè)主應(yīng)應(yīng)力。三、塑性性條件(屈服準(zhǔn)則則)米塞斯屈屈服準(zhǔn)則則的數(shù)學(xué)學(xué)表達(dá)式式是（σ1－σ2）2＋（σ2－σ3）2＋（σ3－σ1）2＝２σ２ｓ或σ＝(σ１－σ２)２＋(σ２－σ３)２＋(σ３－σ１)２＝σｓ√21√增量理論論又稱流流動(dòng)理論論，它可可表述如如下：在在每一加加載瞬間間，應(yīng)變變?cè)隽恐髦鬏S與應(yīng)應(yīng)力主軸軸重合，，應(yīng)變?cè)鲈隽颗c應(yīng)應(yīng)力偏量量成正比比，即四、塑性性變形時(shí)時(shí)應(yīng)力與與應(yīng)變的的關(guān)系dε1σ1-σm===ｄλdε2σ2-σmdε3σ3-σm式中dλ——瞬時(shí)常數(shù)數(shù)，在加加載的不不同瞬時(shí)時(shí)是變化的；σm——平均主應(yīng)應(yīng)力（靜靜水應(yīng)力力）。全量理論論認(rèn)為，，在比例例加載（（也稱簡簡單加載載，是指指在加載載過程中中所有外外力從一一開始起起就按同同一比例例增加））的條件件下，無無論變形形體所處處的應(yīng)力力狀態(tài)如如何，應(yīng)應(yīng)變偏張張量各分分量與應(yīng)應(yīng)力偏張張量各分分量成正正比，即即四、塑性性變形時(shí)時(shí)應(yīng)力與與應(yīng)變的的關(guān)系ε1-εmσ1-σmε2-εmσ2-σmε3-εmσ3-σm＝＝＝＝＝λε1σ1-σmε2σ2-σmε3σ3-σm＝＝＝λ由于塑性性變形時(shí)時(shí)體積不不變，即即εm＝0，所以上上式可寫寫成式中λ——比例系數(shù)數(shù)，它與與材料性性質(zhì)和加加載歷程程有關(guān)，而與與物體所所處的應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)態(tài)無關(guān)。。五、冷沖沖壓成形形中的硬硬化現(xiàn)象象圖2-4幾種材料料的硬化化曲線五、冷沖沖壓成形形中的硬硬化現(xiàn)象象為了實(shí)用用上的需需要，在在塑性力力學(xué)中經(jīng)經(jīng)常采用用直線和和指數(shù)曲曲線來近近似代替替實(shí)際硬硬化曲線線，如圖圖所示為為四種簡簡化類型型。圖2-5硬化曲線線的簡化化類型ａ）冪指指數(shù)硬化化曲線ｂｂ）剛剛塑性硬硬化曲線線ｃ）剛塑塑性硬化化直線ｄｄ）理理想剛塑塑性水平平直線一般來說說，材料料的塑性性是有限限的。當(dāng)當(dāng)拉伸變變形達(dá)到到某一量量之后，，便開始始失去穩(wěn)穩(wěn)定，產(chǎn)產(chǎn)生縮頸頸，繼而而發(fā)生破破裂，這這就是所所謂的塑塑性拉伸伸失穩(wěn)。。六、塑性性拉伸失失穩(wěn)及極極限應(yīng)變變1.塑性拉伸伸失穩(wěn)的的概念圖2-6單向拉伸伸試驗(yàn)ａ）拉斷斷后的試試樣ｂ）試驗(yàn)驗(yàn)曲線六、塑性性拉伸失失穩(wěn)及極極限應(yīng)變變2.單向拉伸伸縮頸的的條件及及極限應(yīng)應(yīng)變（1）分散性性縮頸板料單向向拉伸時(shí)時(shí)，瞬時(shí)時(shí)載荷為為F＝σ1A式中σ1——實(shí)際應(yīng)力力；A——板料的瞬瞬時(shí)斷面面積。六、塑性性拉伸失失穩(wěn)及極極限應(yīng)變變2.單向拉伸伸縮頸的的條件及及極限應(yīng)應(yīng)變（2）集中性性縮頸條條件根據(jù)Hill理論，當(dāng)當(dāng)板料的的應(yīng)力變變化率等等于厚度度的減薄薄率時(shí)，，此處的的變形不不能向外外轉(zhuǎn)移，，便開始始產(chǎn)生集集中性縮縮頸。這這就是產(chǎn)產(chǎn)生集中中性縮頸頸的條件件，可表表達(dá)為＝＝dσ1σ1－dtt－dε3六、塑性性拉伸失失穩(wěn)及極極限應(yīng)變變3.雙向拉伸伸縮頸的的條件及及極限應(yīng)應(yīng)變圖2-7板料雙向向拉伸六、塑性性拉伸失失穩(wěn)及極極限應(yīng)變變3.雙向拉伸伸縮頸的的條件及及極限應(yīng)應(yīng)變（1）縮頸條條件板料開始始產(chǎn)生分分散性頸頸縮失穩(wěn)穩(wěn)時(shí)，dF1＝0，dF2＝0，類似于于單向拉拉伸時(shí)的的情況，，求導(dǎo)可可得到雙雙向拉伸伸時(shí)的分分散性失失穩(wěn)條件件為dσ1ｄε1＝σ1dσ2ｄε2＝σ2｝與單向拉拉伸一樣樣，產(chǎn)生生集中性性縮頸的的條件是是：板料料的應(yīng)力力變化率率與厚度度的減薄薄率相等等，表達(dá)達(dá)式為六、塑性性拉伸失失穩(wěn)及極極限應(yīng)變變3.雙向拉伸伸縮頸的的條件及及極限應(yīng)應(yīng)變｝dσ1σ1＝-

＝-dε3dttdσ2σ2＝-

＝-dε3dtt（2）失穩(wěn)極極限應(yīng)變變六、塑性性拉伸失失穩(wěn)及極極限應(yīng)變變3.雙向拉伸伸縮頸的的條件及及極限應(yīng)應(yīng)變板料沖壓壓成形時(shí)時(shí)，坯料料內(nèi)部的的應(yīng)力和和應(yīng)變狀狀態(tài)一般般都不均均勻且不不斷變化化的，因因此，研研究板料料塑性拉拉伸失穩(wěn)穩(wěn)條件及及極限應(yīng)應(yīng)變，對(duì)對(duì)分析解解決沖壓壓成形工工藝問題題有直接接的指導(dǎo)導(dǎo)意義。。在沖壓成成形過程程中，材材料的最最大變形形限度稱稱為成形形極限。。第二節(jié)節(jié)冷冷沖壓壓材料料及其其沖壓壓成形形性能能一、板板料的的沖壓壓成形形性能能1.成形極極限沖壓成成形失失效實(shí)實(shí)際上上是塑塑性變變形失失穩(wěn)在在沖壓壓工序序中的的具體體表現(xiàn)現(xiàn)，其其形式式可歸歸結(jié)為為兩大大類，，一類類拉伸伸失效效，表表現(xiàn)為為坯料料局部部出現(xiàn)現(xiàn)過度度變薄薄或破破裂；；一類類是受受壓失失效，，表現(xiàn)現(xiàn)為板板料產(chǎn)產(chǎn)生失失穩(wěn)起起皺。。第二節(jié)節(jié)冷冷沖壓壓材料料及其其沖壓壓成形形性能能一、板板料的的沖壓壓成形形性能能1.成形極極限圖2-8起皺與與破裂裂的實(shí)實(shí)例１）板板料的的貼模模性，，指板板料在在沖壓壓過程程中取取得模模具形形狀的的能力力，成成形過過程中中發(fā)生生的內(nèi)內(nèi)皺、、翹曲曲、塌塌陷和和鼓起起等幾幾何面面缺陷陷均會(huì)會(huì)使貼貼模性性降低低。２）板板料的的定形形性（（也叫叫凍結(jié)結(jié)性）），指指零件件脫模模后保保持其其在模模內(nèi)既既得形形狀的的能力力。３）板板料性性能的的各向向異性性，特特別是是板平平面方方向與與板厚厚方向向的性性能差差異的的大小小，是是影響響沖壓壓成形形后板板厚變變化的的重要要因素素。一、板板料的的沖壓壓成形形性能能2.成形質(zhì)質(zhì)量４）板板料表表面的的原始始狀態(tài)態(tài)、晶晶粒大大小、、沖壓壓時(shí)材材料粘粘模的的情況況等都都將是是影響響工件件的表表面質(zhì)質(zhì)量。。５）板板料的的加工工硬化化性能能，以以及變變形的的均勻勻性，，直接接影響響成形形后材材料的的物理理力學(xué)學(xué)性能能。一、板板料的的沖壓壓成形形性能能2.成形質(zhì)質(zhì)量脹形試試驗(yàn)也也稱杯杯突試試驗(yàn)Erichsen試驗(yàn)）），圖圖是GB／T4156—1984“金屬杯杯突試試驗(yàn)方方法”的示意意圖。。二、板板料沖沖壓成成形性性能的的測(cè)定定（1）脹形形試驗(yàn)驗(yàn)圖2-10杯突試試驗(yàn)測(cè)定或或評(píng)價(jià)價(jià)板料料擴(kuò)孔孔成形形性能能時(shí)，，常采采用圓圓柱形形平底底凸模模擴(kuò)孔孔試驗(yàn)驗(yàn)（KWI擴(kuò)孔試試驗(yàn)））。二、板板料沖沖壓成成形性性能的的測(cè)定定（2）擴(kuò)孔孔試驗(yàn)驗(yàn)圖2-11擴(kuò)孔試試驗(yàn)這是模模擬拉拉深變變形區(qū)區(qū)的應(yīng)應(yīng)力和和變形形狀態(tài)態(tài)，將將楔形形板料料試樣樣拉過過模口口，在在模壁壁壓縮縮下使使之成成為等等寬的的矩形形板條條，在在試樣樣不斷斷裂的的條件件下，，b／B越小，，拉深深性能能越好好。二、板板料沖沖壓成成形性性能的的測(cè)定定（3）拉深深性能能試驗(yàn)驗(yàn)1）拉楔楔試驗(yàn)驗(yàn)圖2-12拉楔試試驗(yàn)二、板板料沖沖壓成成形性性能的的測(cè)定定（3）拉深深性能能試驗(yàn)驗(yàn)也叫Swift拉深試試驗(yàn)、、LDR試驗(yàn)，，是采采用φ50mm的平底底凸模模將試試樣拉拉深成成形，，圖是是GB／T15825.3-1995“金屬薄薄板成成形性性能與與試驗(yàn)驗(yàn)方法法拉深深與拉拉深載載荷試試驗(yàn)”的示意意圖。。圖2-13沖杯試試驗(yàn)2）沖杯杯試驗(yàn)驗(yàn)也叫TZP法，圖圖是GB／T15825.2—1995“金屬薄薄板成成形性性能與與試驗(yàn)驗(yàn)方法法通通用試試驗(yàn)規(guī)規(guī)程”的示意意圖。。二、板板料沖沖壓成成形性性能的的測(cè)定定（3）拉深深性能能試驗(yàn)驗(yàn)3）拉深深力對(duì)對(duì)比試試驗(yàn)圖2-14TZP試驗(yàn)ａ)落料ｂ））拉深ｃｃ）夾緊ｄｄ）破裂裂二、板料沖沖壓成形性性能的測(cè)定定（4）彎曲曲試驗(yàn)圖是GB／T15825.5-1995“金屬薄板成成形性能與與試驗(yàn)方法法彎曲曲試驗(yàn)”示意圖。圖2-16彎曲試驗(yàn)圖是GB／T15825.6—1995“金屬薄板成形形性能與試驗(yàn)驗(yàn)方法錐杯試試驗(yàn)”的示意圖，取取沖頭直徑Dp與試樣直徑D0的比值為0.35。二、板料沖壓壓成形性能的的測(cè)定（5）錐杯試驗(yàn)圖2-17錐杯試驗(yàn)在單向拉伸試試驗(yàn)中試樣開開始產(chǎn)生局部部集中變形（（剛出現(xiàn)頸縮縮時(shí)）的伸長長率，稱為均均勻伸長率，，記作δb。三、板料的基基本性能與沖沖壓成形性能能的關(guān)系1.伸長率δ圖2-18單向拉伸試驗(yàn)驗(yàn)曲線屈服極限σｓ小，材料容易易屈服，成形形后回彈小，，貼模性和定定形性較好。。如在彎曲工工序中，若材材料的σs低，則σs／E小，卸載時(shí)的的回彈變形也也小，這有利利于提高彎曲曲件的精度。。三、板料的基基本性能與沖沖壓成形性能能的關(guān)系2.屈服極限σs圖2-18單向拉伸試驗(yàn)驗(yàn)曲線屈強(qiáng)比σs/σb對(duì)板料沖壓成成形性能影響響較大。σs/σb小，，即即材材料料易易進(jìn)進(jìn)入入塑塑性性變變形形（（需需要要較較小小的的力力）），，而而又又不不容容易易產(chǎn)產(chǎn)生生破破裂裂（（需需要要較較大大的的力力）），，這這對(duì)對(duì)所所有有沖沖壓壓成成形形都都是是有有利利的的。。三、、板板料料的的基基本本性性能能與與沖沖壓壓成成形形性性能能的的關(guān)關(guān)系系3.屈強(qiáng)強(qiáng)比比σs/σb硬化化指指數(shù)數(shù)n表示示材材料料在在冷冷塑塑性性變變形形中中材材料料硬硬化化的的程程度度。。n值大大的的材材料料，，硬硬化化效效應(yīng)應(yīng)就就大大，，這這意意味味著著在在變變形形過過程程中中材材料料局局部部變變形形程程度度的的增增加加會(huì)會(huì)使使該該處處變變形形抗抗力力較較快快增增大大，，這這樣樣就就可可以以補(bǔ)補(bǔ)償償該該處處因因截截面面積積減減小小而而引引起起的的承承載載能能力力的的減減弱弱，，制制止止了了局局部部集集中中變變形形的的進(jìn)進(jìn)一一步步發(fā)發(fā)展展，，致致使使變變形形區(qū)區(qū)擴(kuò)擴(kuò)展展，，從從而而使使應(yīng)應(yīng)變變分分布布趨趨于于均均勻勻化化。。也也就就是是提提高高了了板板料料的的局局部部抗抗失失穩(wěn)穩(wěn)能能力力和和板板料料成成形形時(shí)時(shí)的的總總體體成成形形極極限限。。三、、板板料料的的基基本本性性能能與與沖沖壓壓成成形形性性能能的的關(guān)關(guān)系系4.應(yīng)變變硬硬化化指指數(shù)數(shù)n三、、板板料料的的基基本本性性能能與與沖沖壓壓成成形形性性能能的的關(guān)關(guān)系系5.塑性性應(yīng)應(yīng)變變比比ｒ－塑性性應(yīng)應(yīng)變變比比是是指指板板料料試試樣樣單單向向拉拉伸伸時(shí)時(shí)，，寬寬向向應(yīng)應(yīng)變變?chǔ)舃與厚厚向向應(yīng)應(yīng)變變?chǔ)舤之比比（（又又稱稱板板厚厚方方向向性性系系數(shù)數(shù)）），，即即ｒ＝

＝εtεblnln式中中b0、b、t0與t分別別為為變變形形前前后后試試樣樣的的寬寬度度與與厚厚度度。。三、、板板料料的的基基本本性性能能與與沖沖壓壓成成形形性性能能的的關(guān)關(guān)系系6.板平平面面方方向向性性系系數(shù)數(shù)(凸耳耳參參數(shù)數(shù))Δr板料料經(jīng)經(jīng)軋軋制制后后其其力力學(xué)學(xué)、、物物理理性性能能在在板板平平面面內(nèi)內(nèi)出出現(xiàn)現(xiàn)各各向向異異性性，，稱稱為為板板平平面面方方向向性性。。在在表表示示板板材材力力學(xué)學(xué)性性能能的的各各項(xiàng)項(xiàng)指指標(biāo)標(biāo)中中，，板板厚厚方方向向性性系系數(shù)數(shù)對(duì)對(duì)沖沖壓壓性性能能的的影影響響比比較較明明顯顯，，故故板板平平面面方方向向性性的的大大小小一一般般用用板板厚厚方方向向性性系系數(shù)數(shù)r在幾幾個(gè)個(gè)方方向向上上的的平平均均差差值值Δr來衡衡量量，，規(guī)規(guī)定定為為Δr＝應(yīng)變變速速率率敏敏感感系系數(shù)數(shù)m是材材料料在在單單向向拉拉伸伸過過程程中中變變形形抗抗力力的的增增長長率率和和應(yīng)應(yīng)變變速速率率的的比比值值。。如如果果m值大大，，則則板板料料變變形形抗抗力力的的增增長長率率高高，，局局部部應(yīng)應(yīng)變變?nèi)萑菀滓紫蛳蛑苤車鷩D(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移擴(kuò)擴(kuò)散散，，有有利利于于抑抑制制成成形形時(shí)時(shí)的的頸頸縮縮或或破破裂裂。。常常溫溫下下普普通通低低碳碳鋼鋼的的m值很很小小，，對(duì)對(duì)沖沖壓壓成成形形性性能能影影響響不不十十分分明明顯顯，，但但m值對(duì)對(duì)某某些些合合金金板板料料和和高高強(qiáng)強(qiáng)鋼鋼板板的的沖沖壓壓成成形形性性能能影影響響較較大大。。三、、板板料料的的基基本本性性能能與與沖沖壓壓成成形形性性能能的的關(guān)關(guān)系系7.應(yīng)變變速速率率敏敏感感系系數(shù)數(shù)m四、、成成形形極極限限圖圖及及其其應(yīng)應(yīng)用用1.成形形極極限限圖圖的的概概念念和和試試驗(yàn)驗(yàn)方方法法成形形極極限限圖圖FormingLimitDiagrams，縮縮寫寫為為FLD）或或成成形形極極限限曲曲線線（（FormingLimitCurves，縮縮寫寫為為FLC）著著眼眼于于復(fù)復(fù)雜雜零零件件的的每每一一變變形形局局部部，，它它是是板板料料在在不不同同應(yīng)應(yīng)變變路路徑徑（（即即不不同同的的應(yīng)應(yīng)變變比比β）下下的的局局部部失失穩(wěn)穩(wěn)極極限限應(yīng)應(yīng)變變?chǔ)?和ε2構(gòu)成成的的條條帶帶形形區(qū)區(qū)域域或或曲曲線線，，如如圖圖所所示示，，F(xiàn)LD全面、、直觀觀地反反映了了不同同應(yīng)變變狀態(tài)態(tài)下板板料的的成形形性能能，是是對(duì)板板料成成形性性能的的一種種定量量描述述，它它是定定性和和定量量研究究板料料的局局部成成形性性能的的有效效手段段。四、成成形極極限圖圖及其其應(yīng)用用1.成形極極限圖圖的概概念和和試驗(yàn)驗(yàn)方法法圖2-19成形極極限圖圖實(shí)際應(yīng)應(yīng)用的的成形形極限限圖（（圖2-20）通常常采用用剛性性半球球頭凸凸模脹脹形實(shí)實(shí)驗(yàn)的的方法法來制制作，，參見見GB／T1825.8—1995“金屬薄薄板成成形性性能與與試驗(yàn)驗(yàn)方法法成成形形極限限圖試試驗(yàn)”。四、成成形極極限圖圖及其其應(yīng)用用1.成形極極限圖圖的概概念和和試驗(yàn)驗(yàn)方法法圖2-20理論成成形極極限圖圖FLD的應(yīng)用用是采采用等等量比比較的的方法法進(jìn)行行的。。在被被分析析對(duì)象象的零零件板板坯上上復(fù)制制上述述網(wǎng)格格，用用待分分析的的工藝藝方法法對(duì)板板坯進(jìn)進(jìn)行成成形，，測(cè)量量并計(jì)計(jì)算成成形零零件中中需分分析的的若干干點(diǎn)的的應(yīng)變變值，，將它它們標(biāo)標(biāo)注在在相應(yīng)應(yīng)的成成形極極限圖圖上，，便可可直觀觀地得得到所所分析析點(diǎn)的的變形形情況況優(yōu)劣劣的結(jié)結(jié)論。。四、成成形極極限圖圖及其其應(yīng)用用2.成形極極限圖圖的應(yīng)應(yīng)用圖2-22用成形形極限限圖進(jìn)進(jìn)行分分析的的方法法五、冷冷沖壓壓材料料及其其在圖圖樣上上表示示方法法1.沖壓加加工常常用的的板料料種類類沖壓加加工常常用的的板料料種類類金屬材材料鐵金屬屬薄鋼板板碳素結(jié)結(jié)構(gòu)鋼鋼、