沖模設(shè)計(jì)(第2章)沖壓加工基

第2章沖壓加工基礎(chǔ)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)由金屬薄板制成的沖壓產(chǎn)品的需求量將會(huì)越來(lái)越大，因此，學(xué)習(xí)、研究和發(fā)展冷沖壓技術(shù)，對(duì)我國(guó)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(xiàn)。正確的工藝路線(xiàn)對(duì)于沖壓件質(zhì)量、生產(chǎn)效率、模具設(shè)計(jì)制造和經(jīng)濟(jì)成本具有重大意義。2．1沖壓工序的分類(lèi)

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(lèi)。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(jìn)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(chēng)為沖裁工序。分離工序種類(lèi)：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(chēng)為變形工序。成形工序種類(lèi)：彎曲、拉深、翻邊、脹形、起伏成形、縮口、擴(kuò)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(chēng)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(shí)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(chēng)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(gè)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(chēng)為連續(xù)模（又稱(chēng)級(jí)進(jìn)模）。2.2金屬?zèng)_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(chēng)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(jì)沖壓工藝和沖壓模具，必須了解板料沖壓時(shí)，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(chēng)為變形力。除去外力，金屬中原子立即恢復(fù)到原來(lái)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(chēng)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(chēng)為塑性變形（也稱(chēng)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(diǎn)來(lái)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(jiàn)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(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中和理想的晶體點(diǎn)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(lèi)：a）點(diǎn)缺陷如空位、間隙原子、溶質(zhì)原子。2）晶體的缺陷b）線(xiàn)缺陷如位錯(cuò)。c）面缺陷如晶界、相界、孿晶界、堆垛層錯(cuò)。3、塑性變形的基本形式1）滑移滑移是指當(dāng)作用在晶體上的剪切應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)晶體的另一部分產(chǎn)生了相對(duì)滑動(dòng)。我們把它們分別稱(chēng)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(duì)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(dòng)的結(jié)果。3）晶間變形多晶體在外力作用下除了每個(gè)晶粒會(huì)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(huì)相對(duì)移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生變形，這種晶粒之間的變形稱(chēng)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(lèi)有關(guān)，還與變形方式和變形條件有關(guān)。拉伸試驗(yàn)所得的伸長(zhǎng)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(gè)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(duì)塑性和變形抗力的影響。2、變形溫度對(duì)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(jiǎn)化塑性變形力研究過(guò)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(gè)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(biāo)的連續(xù)函數(shù)來(lái)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(biāo)的改變而變化。3）在變形團(tuán)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(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)在外力的作用下，材料內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)間就會(huì)產(chǎn)生相互作用的力，稱(chēng)為內(nèi)力。單位面積上內(nèi)力的大小稱(chēng)為應(yīng)力。材料內(nèi)某一點(diǎn)的應(yīng)力大小與分布稱(chēng)為該點(diǎn)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(diǎn)（單元體）的應(yīng)力狀態(tài)可以用主應(yīng)力表示，稱(chēng)為主應(yīng)力狀態(tài)。σ1≥σ2≥σ3

如果三個(gè)主應(yīng)力的大小相等，即σ1=σ2=σ3，則稱(chēng)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(chēng)為靜水壓力。單元體上三個(gè)正應(yīng)力的平均值稱(chēng)為平均應(yīng)力，用σm表示，其大小取決于該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，而于坐標(biāo)軸的選取無(wú)關(guān)，即主應(yīng)力狀態(tài)對(duì)金屬塑性的影響順序主應(yīng)力圖2、一點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)εm=(ε1+ε2+ε3)/3

相對(duì)應(yīng)變：實(shí)際應(yīng)變：實(shí)際應(yīng)變與相對(duì)應(yīng)變之間的關(guān)系：ε1≥ε2≥ε3（1）塑性變形時(shí)，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(gè)主應(yīng)變的符號(hào)與其他兩個(gè)主應(yīng)變的符號(hào)相反，這個(gè)主應(yīng)變的絕對(duì)值最大，稱(chēng)為最大主應(yīng)變。（3）當(dāng)已知兩個(gè)主應(yīng)變數(shù)值時(shí)，便可算出第三個(gè)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(zhǔn)則

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

屈雷斯加準(zhǔn)則

當(dāng)作用于塑性金屬體上的最大剪應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，金屬的變形就由彈性狀態(tài)進(jìn)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(dá)式為：或2、

密席斯準(zhǔn)則

不管應(yīng)力狀態(tài)如何，只要該材料質(zhì)點(diǎn)中的等效應(yīng)力達(dá)到某一定值時(shí)，材料就開(kāi)始屈服。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：或2.3.3塑性變形時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系增量理論上式可改寫(xiě)成全量理論的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式是對(duì)壓力加工中各種工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)，除此之外，還可利用它們對(duì)某些沖壓成形過(guò)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(shí)，有σ1=σ2=σ3=σm，利用全量理論公式分析可得ε1=ε2=ε3=0，這說(shuō)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(shí)，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(shuō)明在平面變形時(shí)，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(gè)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(shí)，寬度方向的變形為零，即屬于這種情況。3）平板毛坯脹形時(shí)，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(shí)，ε1=ε2=-ε3/2，在拉應(yīng)力作用方向?yàn)樯扉L(zhǎng)變形，而在厚度方向?yàn)閴嚎s變形。由此可見(jiàn)，脹形變薄是比較顯著的。4）當(dāng)毛坯變形區(qū)三向受壓時(shí)，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(zhǎng)變形。2.3.4真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)1、彈塑性共存規(guī)律低碳鋼試樣在單向拉伸時(shí)，可由記錄器直接記錄外力F和試樣的絕對(duì)長(zhǎng)度l，得到拉伸試驗(yàn)曲線(xiàn)圖，如右圖所示。在金屬塑性變形的過(guò)程中會(huì)同時(shí)伴隨著彈性變形，當(dāng)外力卸載后，彈性變形回復(fù)，而塑性變形得以保留下來(lái)，變形體變形時(shí)的這種現(xiàn)象稱(chēng)為彈塑性共存規(guī)律。2、

真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變的概念材料開(kāi)始塑性變形時(shí)的應(yīng)力稱(chēng)為屈服應(yīng)力（σs）。一般金屬材料在變形的過(guò)程中，隨著變形程度的增加，其每一瞬時(shí)的屈服應(yīng)力不斷提高，而塑性不斷下降，這種變化著的實(shí)際屈服應(yīng)力稱(chēng)為真實(shí)應(yīng)力（又稱(chēng)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(shí)應(yīng)力即為作用于試樣瞬時(shí)斷面積上的應(yīng)力，表示為：σ=F/A真實(shí)應(yīng)變

3、

真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)在金屬塑性成形理論中，普遍采用真實(shí)應(yīng)力和對(duì)數(shù)應(yīng)變表示的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，能夠更加真實(shí)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(chēng)為硬化曲線(xiàn)，如右圖所示。

實(shí)驗(yàn)研究表明，很多金屬的硬化曲線(xiàn)近似于拋物線(xiàn)形狀，對(duì)于立方晶格的退火金屬（如Fe、Cu、Al等），其硬化曲線(xiàn)可相當(dāng)精確地用冪函數(shù)曲線(xiàn)來(lái)表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)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(lèi)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(duì)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(xiàn)。n值大，表示變形時(shí)硬化顯著，對(duì)后續(xù)變形工序不利。但n值大時(shí)對(duì)以伸長(zhǎng)變形為特點(diǎn)的成形工藝（如脹形、翻邊等）卻是有利的，這是由于硬化帶來(lái)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(jìn)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(shí)基本規(guī)律1、

硬化現(xiàn)象與硬化曲線(xiàn)在沖壓成形的過(guò)程中，隨著變形程度的提高，材料的變形阻力增大，強(qiáng)度和硬度升高，而塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變硬化（又稱(chēng)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(guò)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(dòng)——開(kāi)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(duì)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(lèi)沖壓材料規(guī)格與牌號(hào)級(jí)別表面質(zhì)量

表達(dá)符號(hào)拉深級(jí)別Ⅰ特高級(jí)別的精整表面

Z最深拉深Ⅱ高級(jí)別的精整表面

S深拉深Ⅲ較高級(jí)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(lèi)

金屬薄板拉深級(jí)別分類(lèi)

（GB708-1988）

（GB708-1988）

尺寸精度等級(jí)鋼板厚度鋼板幅面尺寸鋼板規(guī)格尺寸標(biāo)準(zhǔn)號(hào)鋼板性能標(biāo)準(zhǔn)號(hào)拉深等級(jí)表面質(zhì)量等級(jí)材料牌號(hào)3.材料的沖壓成形性能及實(shí)驗(yàn)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(guò)程中能達(dá)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(dá)到的質(zhì)量指標(biāo)，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(yàn)2)板料沖壓成形性能實(shí)驗(yàn)①?gòu)?qiáng)度指標(biāo)（屈服點(diǎn)σs、抗拉強(qiáng)度σb或縮頸點(diǎn)應(yīng)力σj）強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)沖壓成形性能的影響通常用屈服點(diǎn)與抗拉強(qiáng)度的比值σs／σb（稱(chēng)為屈強(qiáng)比）來(lái)表示。②剛度指標(biāo)（彈性模量E、硬化指數(shù)n）彈性模量E愈大或屈服點(diǎn)與彈性模量的比值σs／σb（稱(chēng)為屈彈比）愈小，在成形過(guò)程中抗壓失穩(wěn)的能力愈強(qiáng)，卸載后的回彈量小，有利于提高沖件的質(zhì)量。③塑性指標(biāo)（均勻伸長(zhǎng)率δj或細(xì)頸點(diǎn)應(yīng)變?chǔ)舑、斷后伸長(zhǎng)率δ或斷裂收縮率φ）④各向異性指標(biāo)（扳厚方向性系數(shù)γ、板平面方向性系數(shù)Δγ）①?gòu)澢囼?yàn)②脹形試驗(yàn)③拉深試驗(yàn)(2)直接試驗(yàn)1、沖壓對(duì)板料的基本要求1)機(jī)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(duì)沖壓材料的選擇原則1)按沖壓件的使用要求合理選