沖模設(shè)計(第2章)沖壓加工基

第2章沖壓加工基礎(chǔ)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，對由金屬薄板制成的沖壓產(chǎn)品的需求量將會越來越大，因此，學(xué)習(xí)、研究和發(fā)展冷沖壓技術(shù)，對我國制造業(yè)的發(fā)展和民族振興具有極大的意義。沖壓工藝方案是在分析沖壓件工藝性的基礎(chǔ)上，確定沖壓工序性質(zhì)、工序數(shù)目、工序順序、工序組合及其它輔助工序，即確定沖壓件的工藝路線。正確的工藝路線對于沖壓件質(zhì)量、生產(chǎn)效率、模具設(shè)計制造和經(jīng)濟成本具有重大意義。2．1沖壓工序的分類

沖壓加工的零件，由于其形狀、尺寸、精度要求、生產(chǎn)批量等各不相同，因此生產(chǎn)中所采用的沖壓工藝方法也是多種多樣的，相應(yīng)的沖壓工序也有不同的分類。1、按沖壓變形的性質(zhì)分按照沖壓變形的性質(zhì)分可以分為分離工序和成形工序。分離工序是將板料或毛坯沿一定的輪廓進行斷裂分離加工，以獲得一定形狀、尺寸和斷面質(zhì)量的沖壓件（沖裁件）的工序，又稱為沖裁工序。分離工序種類：落料、沖孔、切斷、切邊、剖切、切舌、切口、整修（精修）、精沖等。（1）

分離工序成形工序是指在不破壞坯料的條件下使坯料產(chǎn)生塑性變形而獲得一定形狀、尺寸的沖壓件的工序，也稱為變形工序。成形工序種類：彎曲、拉深、翻邊、脹形、起伏成形、縮口、擴口、旋壓、校形、卷邊、擠壓等。（2）

成形工序2、

按沖壓工序的組合方式分（1）單工序在沖壓的—次工作行程中，只完成單一沖壓內(nèi)容的工序。單工序中所使用的模具稱為單工序模。（2）復(fù)合工序復(fù)合工序是在沖壓的一次工作行程中，在模具的同一工位上同時完成兩種或兩種以上沖壓內(nèi)容的工序。復(fù)合工序所使用的模具稱為復(fù)合模。（3）連續(xù)工序連續(xù)工序是在沖壓的一次工作行程中，在不同的二個以上工位依次完成兩種或兩種以上沖壓內(nèi)容的工序。連續(xù)工序中所使用的模具稱為連續(xù)模（又稱級進模）。2.2金屬沖壓變形的基本概念1、

彈性變形與塑性變形金屬在外力作用下產(chǎn)生形狀和尺寸的變化稱為變形，變形分為彈性變形和塑性變形。而沖壓加工就是利用金屬的塑性變形成形制件的一種金屬加工方法。要掌握沖壓成形加工技術(shù)，設(shè)計沖壓工藝和沖壓模具，必須了解板料沖壓時，金屬塑性變形的一些基本原理。使金屬產(chǎn)生變形的外力稱為變形力。除去外力，金屬中原子立即恢復(fù)到原來穩(wěn)定平衡的位置，原子排列畸變消失和金屬完全恢復(fù)原始形狀和尺寸，則這樣的變形稱為彈性變形。若作用于物體的外力卸載后，物體并不能完全恢復(fù)自己的原始形狀和尺寸，這樣的變形稱為塑性變形（也稱為殘余變形）。金屬材料在外力作用下，既能產(chǎn)生彈性變形，又能從彈性變形發(fā)展到塑性變形，是一種具有彈塑性的工程材料。2、

多晶體塑性變形1）晶體和多晶體從金屬學(xué)的觀點來看，所有的固態(tài)金屬都是晶體。工業(yè)上常用的金屬中，最常見的晶格結(jié)構(gòu)有面心立方結(jié)構(gòu)、體心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)。晶體缺陷是指實際晶體結(jié)構(gòu)中和理想的晶體點陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，一般將之分成三大類：a）點缺陷如空位、間隙原子、溶質(zhì)原子。2）晶體的缺陷b）線缺陷如位錯。c）面缺陷如晶界、相界、孿晶界、堆垛層錯。3、塑性變形的基本形式1）滑移滑移是指當作用在晶體上的剪切應(yīng)力達到一定數(shù)值后，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對晶體的另一部分產(chǎn)生了相對滑動。我們把它們分別稱為滑移面和滑移方向。2）孿生孿生是在一定的剪切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生轉(zhuǎn)動的結(jié)果。3）晶間變形多晶體在外力作用下除了每個晶粒會在自身的晶粒內(nèi)部產(chǎn)生變形以外，晶粒與晶粒之間也會相對移動或轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生變形，這種晶粒之間的變形稱為晶間變形。2.2.2金屬的塑性與變形抗力金屬的塑性，是指金屬在外力的作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞其完整的能力。塑性不僅與物體材料的種類有關(guān)，還與變形方式和變形條件有關(guān)。拉伸試驗所得的伸長率：

斷面收縮率：變形抗力，是指在一定的變形條件（加載狀況、變形溫度及速度）下，引起物體塑性變形的單位變形力。變形抗力反映了物體在外力作用下抵抗塑性變形的能力。塑性和變形抗力是兩個不同的概念。2.2.2金屬的塑性與變形抗力2.2.3影響金屬塑性和變形抗力的主要因素1、化學(xué)成份與組織對塑性和變形抗力的影響。2、變形溫度對塑性和變形抗力的影響。3、變形速度塑性和變形抗力的影響。2.3金屬塑性變形理論為了簡化塑性變形力研究過程，塑性理論通常采用以下假設(shè)：1）變形體是連續(xù)的，即整個變形體內(nèi)不存在任何空隙。這樣，應(yīng)力、應(yīng)變、位移等物理量也都是連續(xù)的，并可用坐標的連續(xù)函數(shù)來表示。2）變形體是均質(zhì)的和各向同性的。這樣，從變形體上切取的任一微元體都能保持原變形體所具有的物理性質(zhì)，且不隨坐標的改變而變化。3）在變形團任意瞬間，力的作用是平衡的。4）在一般情況下，忽略體積力的影響。5）在變形的任意瞬間，體積不變。1、一點的應(yīng)力狀態(tài)在外力的作用下，材料內(nèi)各質(zhì)點間就會產(chǎn)生相互作用的力，稱為內(nèi)力。單位面積上內(nèi)力的大小稱為應(yīng)力。材料內(nèi)某一點的應(yīng)力大小與分布稱為該點的應(yīng)力狀態(tài)。2.3.1金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)

變形體內(nèi)任何一點（單元體）的應(yīng)力狀態(tài)可以用主應(yīng)力表示，稱為主應(yīng)力狀態(tài)。σ1≥σ2≥σ3

如果三個主應(yīng)力的大小相等，即σ1=σ2=σ3，則稱為球應(yīng)力狀態(tài)，這種應(yīng)力狀態(tài)不能產(chǎn)生切應(yīng)力，習(xí)慣上又將三向等壓應(yīng)力稱為靜水壓力。單元體上三個正應(yīng)力的平均值稱為平均應(yīng)力，用σm表示，其大小取決于該點的應(yīng)力狀態(tài)，而于坐標軸的選取無關(guān)，即主應(yīng)力狀態(tài)對金屬塑性的影響順序主應(yīng)力圖2、一點的應(yīng)變狀態(tài)εm=(ε1+ε2+ε3)/3

相對應(yīng)變：實際應(yīng)變：實際應(yīng)變與相對應(yīng)變之間的關(guān)系：ε1≥ε2≥ε3（1）塑性變形時，物體只有形狀和尺寸發(fā)生變化，而體積保持不變。（2）不論應(yīng)變狀態(tài)如何，其中必有一個主應(yīng)變的符號與其他兩個主應(yīng)變的符號相反，這個主應(yīng)變的絕對值最大，稱為最大主應(yīng)變。（3）當已知兩個主應(yīng)變數(shù)值時，便可算出第三個主應(yīng)變。（4）任何一種物體的塑性變形方式只有三種，與此相應(yīng)的主應(yīng)變的狀態(tài)圖也只有三種。2.3.2金屬塑性變形的屈服準則

金屬塑性變形是各種壓力加工方法得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)，金屬塑性成形理論所研究的對象已超出彈性變形而進入塑性變形的范疇。屈服準則正是研究材料進入塑性狀態(tài)的力學(xué)條件，因而它從形式上來講和材料力學(xué)中的第三、第四強度理論是一致的。當物體中某點處于單向應(yīng)力狀態(tài)時，只要該向應(yīng)力達到材料的屈服點，該點就開始屈服，由彈性狀態(tài)進入塑性狀態(tài)。對于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，則應(yīng)同時考慮各個應(yīng)力分量的綜合作用，即只有當各個應(yīng)力分量之間符合一定的關(guān)系時，該點才開始屈服，這種關(guān)系就稱為屈服準則，或屈服條件、塑性條件。1、

屈雷斯加準則

當作用于塑性金屬體上的最大剪應(yīng)力達到一定數(shù)值時，金屬的變形就由彈性狀態(tài)進入塑性狀態(tài)，而不管應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜情況如何。其數(shù)學(xué)表達式為：或2、

密席斯準則

不管應(yīng)力狀態(tài)如何，只要該材料質(zhì)點中的等效應(yīng)力達到某一定值時，材料就開始屈服。其數(shù)學(xué)表達式為：或2.3.3塑性變形時的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系增量理論上式可改寫成全量理論的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表達式是對壓力加工中各種工藝參數(shù)進行計算的基礎(chǔ)，除此之外，還可利用它們對某些沖壓成形過程中毛坯的變形和應(yīng)力的性質(zhì)作出定性的分析和判斷。例如：1）在球應(yīng)力狀態(tài)時，有σ1=σ2=σ3=σm，利用全量理論公式分析可得ε1=ε2=ε3=0，這說明在球應(yīng)力狀態(tài)下，毛坯不產(chǎn)生塑性變形，僅有彈性變形存在。2）在平面變形時，如設(shè)ε2=0，根據(jù)體積不變規(guī)律，則有ε1=-ε3，利用全量理論公式分析可得σ2-σm=0，即有σ2=σm，這說明在平面變形時，在主應(yīng)力與平均應(yīng)力相等的方向上不產(chǎn)生塑性變形，且這個方向上的主應(yīng)力即為中間主應(yīng)力，其值為σ2=(σ1+σ3)/2。寬板彎曲時，寬度方向的變形為零，即屬于這種情況。3）平板毛坯脹形時，在發(fā)生脹形的中心部位，其應(yīng)力狀態(tài)是兩向等拉，厚度方向應(yīng)力很小，可視為零，即有σ1=σ2>0，σ3=0，屬平面應(yīng)力狀態(tài)。利用全量理論公式分析可以判斷變形區(qū)的變形情況，這時，ε1=ε2=-ε3/2，在拉應(yīng)力作用方向為伸長變形，而在厚度方向為壓縮變形。由此可見，脹形變薄是比較顯著的。4）當毛坯變形區(qū)三向受壓時，利用全量理論公式分析可知在最大壓應(yīng)力σ3方向上的變形一定是壓縮變形，而在最小壓應(yīng)力σ1方向上的變形必為伸長變形。2.3.4真實應(yīng)力應(yīng)變曲線1、彈塑性共存規(guī)律低碳鋼試樣在單向拉伸時，可由記錄器直接記錄外力F和試樣的絕對長度l，得到拉伸試驗曲線圖，如右圖所示。在金屬塑性變形的過程中會同時伴隨著彈性變形，當外力卸載后，彈性變形回復(fù)，而塑性變形得以保留下來，變形體變形時的這種現(xiàn)象稱為彈塑性共存規(guī)律。2、

真實應(yīng)力應(yīng)變的概念材料開始塑性變形時的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力（σs）。一般金屬材料在變形的過程中，隨著變形程度的增加，其每一瞬時的屈服應(yīng)力不斷提高，而塑性不斷下降，這種變化著的實際屈服應(yīng)力稱為真實應(yīng)力（又稱為變形抗力）。在室溫下，低速拉伸金屬試樣，使之均勻變形，真實應(yīng)力即為作用于試樣瞬時斷面積上的應(yīng)力，表示為：σ=F/A真實應(yīng)變

3、

真實應(yīng)力應(yīng)變曲線在金屬塑性成形理論中，普遍采用真實應(yīng)力和對數(shù)應(yīng)變表示的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，能夠更加真實地反映金屬材料塑性變形的硬化現(xiàn)象及規(guī)律，因此又稱為硬化曲線，如右圖所示。

實驗研究表明，很多金屬的硬化曲線近似于拋物線形狀，對于立方晶格的退火金屬（如Fe、Cu、Al等），其硬化曲線可相當精確地用冪函數(shù)曲線來表示，其數(shù)學(xué)表達式為：

σ=Cεn式中C—與材料有關(guān)的系數(shù)（MPa）；

n—硬化指數(shù)。C與n的值與材料的種類和性能有關(guān)。硬化指數(shù)n是表明材料冷變形硬化的重要參數(shù)，對板料的沖壓性能及沖壓件質(zhì)量都有較大的影響。如圖示為不同n值材料的硬化曲線。n值大，表示變形時硬化顯著，對后續(xù)變形工序不利。但n值大時對以伸長變形為特點的成形工藝（如脹形、翻邊等）卻是有利的，這是由于硬化帶來變形抗力的顯著增加，可以抵消毛坯變形處局部變薄而引起的承載能力的減弱。因而可以制止變薄處變形的進一步發(fā)展，使變形轉(zhuǎn)移到別的尚未變形的部位，提高了板料變形的均勻性。2.3.5塑性變形時基本規(guī)律1、

硬化現(xiàn)象與硬化曲線在沖壓成形的過程中，隨著變形程度的提高，材料的變形阻力增大，強度和硬度升高，而塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化（又稱為加工硬化）。

2、加裁卸載規(guī)律與反載軟化現(xiàn)象3、最小阻力定律在沖壓加工中，板料在變形過程中總是沿著阻力最小的方向發(fā)展，這就是塑性變形中的最小阻力定律。沖壓成形必須正確控制金屬流動——開流和限流。4、沖壓成形中的變形趨向性分析及其控制5、控制變形趨向性的措施1）變坯料各部分的相對尺寸2）改變模具工作部分的幾何形狀和尺寸3）改變坯料與模具接觸面之間的摩擦阻力4）改變坯料局部區(qū)域的溫度

2．4沖壓材料2.4.1沖壓材料的工藝性要求1、

沖壓材料2、

常用沖壓材料種類沖壓材料規(guī)格與牌號級別表面質(zhì)量

表達符號拉深級別Ⅰ特高級別的精整表面

Z最深拉深Ⅱ高級別的精整表面

S深拉深Ⅲ較高級別的精整表面

P普通拉深Ⅳ普通精整表面

金屬薄板表面金屬質(zhì)量分類

金屬薄板拉深級別分類

（GB708-1988）

（GB708-1988）

尺寸精度等級鋼板厚度鋼板幅面尺寸鋼板規(guī)格尺寸標準號鋼板性能標準號拉深等級表面質(zhì)量等級材料牌號3.材料的沖壓成形性能及實驗1)沖壓成形性能(1)成形極限成形極限是指材料在沖壓成形過程中能達到的最大變形程度。(2)成形質(zhì)量成形質(zhì)量是指材料經(jīng)沖壓成形以后所得到的沖壓件能夠達到的質(zhì)量指標，包括尺寸精度、厚度變化、表面質(zhì)量及物理力學(xué)性能等。(1)間接試驗2)板料沖壓成形性能實驗①強度指標（屈服點σs、抗拉強度σb或縮頸點應(yīng)力σj）強度指標對沖壓成形性能的影響通常用屈服點與抗拉強度的比值σs／σb（稱為屈強比）來表示。②剛度指標（彈性模量E、硬化指數(shù)n）彈性模量E愈大或屈服點與彈性模量的比值σs／σb（稱為屈彈比）愈小，在成形過程中抗壓失穩(wěn)的能力愈強，卸載后的回彈量小，有利于提高沖件的質(zhì)量。③塑性指標（均勻伸長率δj或細頸點應(yīng)變εj、斷后伸長率δ或斷裂收縮率φ）④各向異性指標（扳厚方向性系數(shù)γ、板平面方向性系數(shù)Δγ）①彎曲試驗②脹形試驗③拉深試驗(2)直接試驗1、沖壓對板料的基本要求1)機械性能要求2)化學(xué)成分要求3)金相組織要求4)表面質(zhì)量要求5)材料厚度公差要求2、

對沖壓材料的選擇原則1)按沖壓件的使用要求合理選