冲压工艺概论

第一篇汽车车身冲压工艺第一章冲压工艺概论授课：廖抒华§1-1冲压工艺的特点及冲压工序的分类一、冲压工艺的特点优质、高产、低消耗、低成本的加工方法冲压生产的三大要素：板料、模具、冲压设备第一章冲压工艺概论生产效率高，操作简便，便于实现机械化与自动化生产冲压质量稳定，具有较高的尺寸精度（由模具保证）能制造出其他金属加工方法所不能或难以加工的、形状复杂的零件材料利用率高，节能冲压件表面质量较好，便于后续表面处理冲压件有较好的互换性冲压生产的局限性：模具制造费用高，不宜用于单件何小批量的零件生产表1-1车身制造冲压工艺中的分离工序二、冲压工序分类按加工性质分类：分离工序、成形工序分离工序：使冲压件或毛坯在冲压过程中沿一定的轮廓相互分离，分离断面要满足一定的断面质量要求成形工序：板料在不产生破坏的前提下使毛坯发生塑性变形，获得所要求的形状及尺寸的零件按加工性质分类（续）表1-2车身制造冲压工艺中的成形工序把形状不太准确的工件校正成形整形将板料上的孔的边缘翻成竖立边缘内孔翻边在板料或工件上压出筋条、花纹或文字胀形将板料压制成开口空心零件拉深将工件的外缘翻成圆弧或曲线状的竖立边缘外缘翻边把板料沿直线弯成各种形状弯曲工序性质图例工序工序性质图例工序把形状不太准确的工件校正成形整形将板料上的孔的边缘翻成竖立边缘内孔翻边在板料或工件上压出筋条、花纹或文字胀形将板料压制成开口空心零件拉深将工件的外缘翻成圆弧或曲线状的竖立边缘外缘翻边把板料沿直线弯成各种形状弯曲工序性质图例工序工序性质图例工序二、冲压工序分类（续）冲压四个基本工序：图1-1典型的冲压成形工序1-拉伸件；2-翻边件冲裁（含冲孔、落料、修边、剖切等）、弯曲、拉深、局部成形（含翻边、胀形、校平和整形工序等）复杂冲压件成形：四个基本工序组合图1-2复杂冲压件框板成形表1-3几种汽车覆盖件的冲压工艺§1-2金属塑性变形的力学规律一、变形物体的应力应变状态yxzoyxyyzzxzyzxxyxzyxzo123图1-3点的应力状态（a)任意坐标系；（b)主轴坐标系二、塑性变形条件（屈服准则）塑性变形条件（屈服准则）界定：对于复杂三向应力状态，只有当各个应力分量之间符合一定的关系时，该点才开始屈服，这种关系统称为塑性变形条件，或称屈服准则变形体内任意点的应力状态剪应力互等：xy=yx，yz=zy，zx=xz已知一点的三个主应力和三个剪应力即可确定该点的应力状态主轴、主应力，三向应力、平面应力、单向应力状态应变主轴、主应变塑性变形体积不变定律：e1+e2+e3=0推理：塑性变形时，只可能有三向应变状态和平面应变状态，而不可能有单向应变状态！二、塑性变形条件（屈服准则）（续）屈斯加（Tresca）屈服准则：1)(1即：223131maxσσσσσστSS任意应力状态下，只要最大剪应力达到某临界值时材料就屈服——最大剪应力理论（第三强度理论）米塞斯（V.Mises）屈服准则：任意应力状态下，当某点的等效应力达到某一临界值时，材料就开始屈服——形状改变比能理论（第四强度理论）)21(2212213232221213232221SSiσσσσσσσσσσσσσσ即：式（1-2）中消去2，可得：σS13式中：—与2有关的系数，一般：1.000≤在应力分量未知时，可取=1.100三、塑性应力应变关系应力-应变关系特点：弹性阶段：应力-应变关系是线性的、可逆的，弹性变形是可恢复的塑性阶段单向拉伸应力应变曲线：特点：应变不仅与应力有关，且和加载历史有密切关系。在dt内，应力与应变增量关系：塑性阶段：应力-应变关系是非线性的、不可逆的，应力应变不能简单叠加)()31(131332322121增量关系常数eeeeeedddddd式中：de1、de2、de3—主应变增量简化表达式（全量理论）：图1-3单向拉伸应力应变曲线)41(131332322121常数eeeeee三、塑性应力应变关系（续）几点结论（依据全量理论）：当e2＝0时，称平面应变或称平面变形，由式4可得出：23/2。当23时，由式4和利用体积不变条件ee2e3＝0，可得ee2e3＝0。当材料上三个主应力相等，即三向等拉或等压时，材料不产生塑性变形，仅有弹性变形。当＞0，且230时，材料受单向拉伸应力作用，利用式4可得。e＞0，且e2e3＝e/2。当单向拉伸时，在拉应力作用方向上为伸长变形，其余两方向为压缩变形，且为伸长变形之半。当2＞0，且3＝0时，由式4得ee2＞0和e3＝2e＝2e2，即材料受两向等拉时，拉应力方向上为拉伸变形，而在材料厚度方向为压缩变形，其值为伸长变形的两倍。当＞2＞3时，由对式4分析可知，最大拉应力方向上的变形一定是伸长变形，而在最小拉应力3方向上的变形一定是压缩变形。当0＜＜2＜3时，由式4分析可知，在最小压应力3绝对值最大方向上的变形一定是压缩变形。而在最大压应力绝对值最小方向上的变形一定是伸长变形。§1-3板材的冲压成形性能和成形极限图一、板料的冲压成形性能总体成形极限：反映板料失稳前总体尺寸可以达到的最大变形程度局部成形极限：反映板料失稳前局部尺寸可以达到的最大变形程度冲压成形性能定义：板料对冲压成形工艺（各种冲压加工方法）的适应能力板料成形两种失稳现象：成形极限定义：板料在失稳之前可以达到的最大变形程度成形极限划分：总体成形极限，局部成形极限拉伸失稳：板料在拉应力作用下局部出现缩颈或断裂压缩失稳：板料在压应力作用下出现起皱图1-4拉伸件的起皱与拉裂一、板料的冲压成形性能（续）二、成形极限图(FLD)的概念成形极限图定义：用来表示金属薄板在变形过程中，在板平面内的两个主应变的联合作用下，某一区域发生减薄时可以获得的最大应变量板料冲压成形性能：抗破裂性、贴模性、定形性等影响板料冲压成形性能的因素：材料特性值：屈服应力1、延伸率成形性能指标：冷弯试验、杯突试验抗破裂性：是指板料在冲压成形中抵抗起皱、塌陷和形成鼓包等缺陷导致损坏的能力贴模性：是指板料在冲压成形中取得与模具形状一致性的能力定形性：是指零件脱模后保持其在模内既得形状的能力图1-5成形极限图成形极限图的确定：实际冲压生产中积累的数据试验方法（胀形法）建立三、成形极限图的应用二、成形极限图(FLD)的概念（续）试验法确定成形极限图：用电化学腐蚀法在板料上作出小圆坐标网格在板料上作试验直至出现裂纹测量板料小圆变形后的尺寸，计算出椭圆的长、短轴应变，（此点极限应变）在模具的测试中解决零件局部的拉裂问题合理运用材料提高复杂压件的成形质量图1-5成形极限图图1-6测定网格变化求应变§1-4车身冲压用材料概述冲压件（覆盖件）所用材料要求足够的强度、刚度要求必须满足冲压工艺要求覆盖件冲压生产两方面：冲压件分类零件形状复杂但受力不大→要求钢板有良好的冲压性能和表面质量，多采用冷轧深冲低碳薄钢板零件形状较复杂且受力较大→要求钢板既有良好的冲压性能又有一定的强度，多采用热轧低合金（或碳素）厚钢板应提高冲压件的结构工艺性来改善冲压过程的变形条件，以降低对材料的质量要求应选择具有适当冲压成形性能的材料，以适应冲压过程的变形要求，保证制件质量一、冲压加工对冲压件的要求冲裁加工：应具有足够的塑性和较低的强度弯曲加工：要求具有足够的塑性、较低的屈服强度和较高的弹性模量拉深加工：要求具有高的塑性、低的屈服点和大的厚向异性系数1.冲压加工对材料性能的要求2.冲压加工对材料表面质量和厚度公差的要求表面质量要求表面光洁表面平整表面无锈材料厚度公差的影响冲压性能产品质量材料过薄则回弹难以控制，或“压不实”材料过厚易拉伤制件表面，缩短模具寿命，甚至损坏模具或设备二、板料质量对冲压性能的影响1.屈服极限ss小，材料易屈服，则变形抗力小材料压缩时，易于变形而不易起皱材料弯曲时，变形后回弹小，贴模性和定型性好影响板料冲压性能质量指标的主要因素：材料的力学性能（s、s/b、、n、r、Dr）2.屈强比s/b：对材料冲压性能有较大影响s/b小，说明s值小而b值大，特性：材料从开始产生屈服至拉裂有较大的变形空间，易产生塑性变形而不易破裂，材料拉深时，易于变形而不易拉裂材料变形抗力小，易于变形而不易起皱（一）力学性能指标及其对冲压性能的影响（一）力学性能指标及其对冲压性能的影响（续）4.硬化指数（应变刚指数）n定义：硬化指数n—表示在塑性变形中材料的硬化程度材料硬化效应：材料机械性能的强度指标随变形程度的加大而增加，同时塑性指标下降特性：n大，材料加工硬化严重，变形抗力增长大，使变形趋于均匀，变薄减小，厚度变化均匀，表面质量好，极限变形程度增大，零件不易产生裂纹。硬化的结果使需要的变形力增大，限制了毛坯的进一步变形而拉裂nCe：单向拉伸试验硬化曲线3.延伸率界定：—试样拉断时的总延伸率（简称延伸率）u—试样开始产生局部集中变形（颈缩）时的延伸率（均匀延伸率）u值越高，板料的冲压成形性愈好，适合于复杂曲面拉延（一）力学性能指标及其对冲压性能的影响（续）定义：厚向异性系数r—指单向拉伸试样宽度应变和厚度应变的比值。式中：r—厚向异性系数；eb—试样宽度应变；eb—试样厚度应变；b0、b—试样变形前、后的宽度；t0、t—试样变形前、后的厚度讨论：据塑性理论:材料变形不仅与板料所处的应力状态有关，且与厚向异性系数有关。r值愈大，板料抵抗变薄的能力愈强。r值反映了在同样受力条件下板料厚度的变形能力。)51()/ln()/ln(00-ttbbrtbee5.厚向异性系数r各向异性定义：钢板结晶和板材轧制时出现纤维组织等因素，板料的塑性会因方向不同而出现差异的现象各向异性类型：厚度方向各向异性、板平面各向异性r1，即ebet，说明板料宽度方向比厚度方向容易产生变形，即板料不易变薄或增厚材料拉深时，加大r值，毛坯易于收缩而不易起皱；有利于提高变形程度和产品质量（一）力学性能指标及其对冲压性能的影响（续）（二）化学成分和金相组织对冲压性能的影响式中：r0、r90、r45—分别为沿轧制方向、45°方向和垂直方向的厚向异性系数注意：Dr会增加冲压成形工序的材料消耗，影响冲压件质量，故生产中应尽量降低Dr值钢中的碳、硅、磷、硫的含量增加，会使材料的塑性降低，脆性增加，导致冲压性能变差。碳：低碳钢板(碳含量0.05%~0.15%)具有良好的塑性硅：含量（0.37%）增加会使钢板变硬变脆硫：与钢板中锰等结合后会严重影响板料热轧性能、塑性降低6.板平面各向异性系数Dr板平面各向异性的定义：Dr—为厚向异性系数r在n个方向上的平均差值，即Dr=(r0+r90+2r45)/4材料化学成分与冲压性能的关系晶粒大小与冲压性能的关系（三）板料的尺寸精度和表面质量对冲压性能的影响三、冲压用钢板类型板料的表面质量对冲压性能的影响板料的尺寸精度对冲压性能的影响—厚度公差的影响按钢的品质分类表面光洁度表面平整度表面无锈性冲压用钢板：普通低碳钢、优质碳素结构钢、低合金高强度钢板优质碳素结构钢牌号：沸腾钢：05F、08F、10F、15F、20F半镇静钢：08b镇静钢：08、10、15、20、30汽车专用钢板：09Mn、16Mn、06Ti、10Ti按钢板的拉深级别分类=4-14mm的热轧钢板分为三级：S—深拉深级；P—普通拉深级；W—冷弯成型级4mm的热轧和冷轧薄钢板分为三级：Z—最深拉