第7章 板料的冲压成形性能与成形极限

第7章板料的冲压成形性能与成形极限航空航天工程学部主讲：贺平7、0冲压成形基本规律1、冲压变形的应力与变形特点1）应力的表示A）材料力学中的力外力——变形物体受到其它物体所作用的力。内力——变形物体内部相互作用的力，包括由外力引起的内力及内部原有的相互作用的内力。应力——单位面积上内力的集度或截面上各处内力的分布。应力：拉应力、压应力、弯曲应力单向、双向、三向应力状态。B）（弹）塑性力学中的力指变形体内每一点的受力情况——用点的应力状态表示C）冲压工艺中的应力——用主应力表示1ij23000000xxyxzijyxyyzzxzyz或1ij23000000一般取变形坯料的径向、板厚方向及切向（周向）作主轴方向，所以常用表示。由于大部分冲压变形中，板厚方向的应力近似为零，故通常视为平面应力状态。t、、2）应变的表示A）相对应变绝对应变在小变形量时，相对应变与绝对应变的误差小；在大变形量时，误差大。因冲压加工属于大变形，故多采用绝对应变。B）应变状态图在冲压变形中，点的应变状态为平面状态或立体应变状态。存在体积不变。3）常用的塑性理论A、屈服条件B、体积不变方程C、全量理论D、增量理论E、板料拉伸失稳理论F、板料压缩失稳理论G、板料各向异性里理论H、加工硬化里理论I、剪切变形理论—对分离、成形各种工序的分析、计算都有应用。E-H主要用于指导分析板材冲压性能方面的研究。如：关于成形性能的描述、评定或度量，关于贴模性能、成形缺陷问题的影响规律性、成形精度分析等。A-D不是针对塑性变形的成形极限，而是针对变形的发生及发展过程中的应力应变关系。屈服条件：是指进入塑性变形状态。材料力学中的最大剪应力理论是其原始形式。拉深力计算、弯曲时应力中性层内移都利用该条件。体积不变假设：其前提是忽略金属材料在塑性变形中可能的微量体积变化，并不计弹性变形量。应用于分析冲压变形中应力应变方向、弯曲件展开长度计算、各种成形工序里应变状态图分析等。增量、全量理论：增量理论更接近于塑性成形的变形情况，因为它表示在变形的某瞬间应变增量与主应力之间的关系，经过积分可以把变形过程的特点反映出来，但用于计算较为复杂、困难较大些。全量理论只反映塑性变形终了时的应变与主应力之间的关系，不反映变形过程中两者的关系，用于分析与计算较为简单。大部分冲压成形的变形，其主轴方向不变，主应力之间的比例保持不变，即属于简单加载与积极变形过程，是一种单调变形或称为连续加工过程，故两种理论(增量理论、全量理论)均可以应用。利用上述理论，可对冲压成形中毛坯的变形和应力性质作分析。4）应力应变性质的大致分析A）当σ2—σm=0时，必定有ε2=0。因为ε１＋ε２＋ε３＝０，所以ε１＝－ε３。即主应力与平均应力相等的方向上不产生塑性变形，而另外两个方向上的塑性变形在数量上相等，在方向上相反。——平面变形状态。结论：平面变形时，必定有σ2=σm=（σ1+σ2+σ3)/3或σ2=（σ1+σ3)/2例如：宽板弯曲时，若视εb=0，则为此情况。Ｂ）当σ1=σ2=σ3=σm时，必定有ε１=ε２=ε３＝０。即当三个主应力相等时，毛坯处于三向等拉或等压的应力状态作用，此时毛坯不产生任何塑性变形，仅有弹性变形存在。（冲压加工中无此情况发生。）C）当σ10而且σ2=σ3=0时，毛坯受到单向拉应力作用。因为σ1—σm=σ1—σ1/30，所以ε10，且有ε1=-2ε2=-2ε3。即在单向受拉时，在拉应力作用方向上为伸长变形，在其余两个方向上产生数量相同的压缩变形，而且伸长变形为每一个压缩变形的二倍。当σ30且σ1=σ2=0时，毛坯受到单向压应力作用。因为σ3—σm=σ3—σ3/30，所以ε30，且有ε3=-2ε2=-2ε1。即在单向受压时，在压应力作用方向上为压缩变形，在其余两个方向上产生数量相同的伸长变形，而且压缩变形为每一个伸长变形的二倍。例如：翻边过程毛坯孔口边缘属单拉，拉深、缩口过程毛坯孔口边缘属单压。D）当σ1=σ20时而且σ3=0时，ε１=ε２=-ε３/2即当毛坯受二向等拉时，在拉应力作用方向上为伸长变形，而在另一个没有主应力作用方向上为压缩变形，其值为每个伸长变形的二倍。例如：平板毛坯胀形。E）当σ1σ2σ30时，则在最大拉应力σ1方向上的变形一定是伸长变形，而在最小拉应力σ3方向上的变形一定是压缩变形。例如：在双向受拉应力作用的胀形变形时，在拉应力作用方向上的变形是伸长变形，而在没有主应力作用的厚度方向变形是压缩变形，引起毛坯厚度减薄。F）当0σ1σ2σ3时，在最小压应力σ3方向上的变形一定是压缩变形，而在最小压应力σ1方向上的变形一定是伸长变形。例如：缩口变形区的切向压应力绝对值最大，故切向为压缩变形；径向压应力绝对值最小，故径向为拉伸变形。2、冲压成形的力学特点与分类对冲压件变形毛坯进行分区：成形工序变形区已变形区待变形区传力区单纯不变区拉深AB——BD翻边AB——BD缩口ABCC——毛坯变形区的受力情况和变形特点是决定各种冲压成形根本性质的主要依据。绝大多数冲压成形都是平面应力状态，σt=0；变形区的应力是板平面上互相垂直的两个主应力，一个径向应力，一个切向应力；大多数冲压变形属于轴对称变形。因此把所有冲压变形方式按毛坯变形区的应力状态和变形特点，从塑性变形力学理论角度可归纳为如下四种情况：１）毛坯变形区受双向拉应力的作用，有两种情况：σrσθ0σθσr0例：翻边、胀形、弯曲（外区）冲压应力图中：AOH、HOG冲压应变图中：AON、AOC２）毛坯变形区受双向压应力的作用，有两种情况：σrσθ0σθσr0例：缩口冲压应力图中：COD、DOE冲压应变图中：GOE、GOL３）毛坯变形区受异号应力的作用，且拉应力的绝对值大于压应力的绝对值，有两种情况：σr0σθ，及|σr||σθ|σθ0σr，及|σθ||σr|例：扩口冲压应力图中：GOF、AOB冲压应变图中：MON、COD４）毛坯变形区受异号应力的作用，且压应力的绝对值大于拉应力的绝对值，有两种情况：σr0σθ，及|σr||σθ|σθ0σr，及|σθ||σr|例：拉深冲压应力图中：EOF、BOC冲压应变图中：MOL、DOC冲压成形工序分为：伸长类成形和压缩类成形。作用于毛坯变形区内的拉应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是伸长变形——伸长类成形。包括冲压应变图中MON、NOA、AOB、BOC、COD。作用于毛坯变形区内的压应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是压缩变形——压缩类成形。包括冲压应变图中MOL、LOH、HOG、GOEC、EOD。MOD是伸长类成形和压缩类成形分界线（冲压应变图中）。FOB是伸长类成形和压缩类成形分界线（冲压应力图中）。提高两类成形方法的成形极限的途径与方法不一致：A、提高拉伸类成形极限的措施1）、提高材料的塑性如成形前（包括冲裁后）的退火、多次成形时的中间退火，都是为了消除原材料或坯料的硬化、冲裁时生成的断面硬化层及成形工序中形成的硬化，以提高材料塑性，从而提高极限变形程度。2）、减小变形不均匀的程度设法使变形趋向均匀，减小局部的集中变形，可以使总的均匀变形程度加大。例如：胀形时均匀而有效地润滑可使变形更均匀，提高总体的变形程度。另外：材料硬化性能的提高（提高n值），也能防止产生过分集中的局部变形，使胀形、翻边、扩口等极限变形程度提高。３）、消除局部硬化层或引起应力集中的因素如：用整修或切削方法去除冲裁断面的硬化层、粗糙的断面及毛刺，或者将带毛刺侧的毛坯表面置于弯曲模、翻边模中朝向冲头的方向，可减少拉伸类成形开裂现象，从而提高成形极限。Ｂ、提高压缩类成形极限的措施１）降低变形区的变形抗力、摩擦阻力，提高传力区承载能力。如：各种特殊拉深方法（局部加热拉深、局部冷拉深、强制润滑拉深等）２）积极防止毛坯变形区失稳起皱如：有效的压边方法（足够大的压边力、合理的压边间隙）、合理设计模具工作部分的形状与尺寸、合理设计具有较高抗失稳能力的中间毛坯形状。３）以降低变形区的变形抗力为主要目的的退火如：多次拉深时的中间退火，其目的与伸长类成形时以增加材料塑性为主要目的的退火不同（方法也不尽相同）。例：以极限拉深系数进行一次拉深工序后，如不退火，仍然可以继续进行下一次拉深变形程度较小的拉深工序；但以极限胀形系数进行一次胀形后，如不经过恢复塑性的退火，再进行下一次增加变形程度的胀形是不可能的，即使采用较小的变形程度也是一样的。两类冲压成形的对比项目拉伸类成形压缩类成形变形区应力应变关系拉应力绝对值最大的方向对应的变形一定是拉伸变形压应力绝对值最大的方向对应的变形一定是压缩变形变形区材料厚度变化减薄增厚变形区质量问题的表现形式变形区因受拉过渡而破裂或颈缩变形区受压严重而失稳起皱，传力区拉破或受压失稳成形极限影响因素主要受材料的塑性限制，与板厚关系不大一般不受材料塑性影响，板厚影响较大提高成形极限的方法提高板料塑性，使变形均匀化，一般少用多次成形方法提高传力区承载能力，提高变形区抗压失稳能力，常用多次成形方法典型工序胀形、翻边、扩口、湾区（外层）拉深、缩口、湾区（内层）7、1冲压成形区域与成形极限一、概述板料对冲压成形工艺的适应能力叫板料的冲压成形性能。板料在成形过程中可能出现两种失稳：拉伸失稳：板料在拉应力作用下局部出现颈缩或破裂。压缩失稳：板料在压应力作用下出现皱纹。板料在发生失稳之前可以达到的最大变形程度叫成形极限。成形极限分为总体成形极限和局部成形极限。总体成形极限反映板料失稳前某些特定的总体尺寸可以达到的最大变化程度，如极限拉深系数、极限胀形高度和极限翻边系数等，它们常被用作工艺设计参数。局部成形极限反映板料失稳前局部尺寸可达到的最大变化程度，如成形时的局部极限应变即属于局部成形极限。成形极限图（FLD）就是由不同应变路径下的局部极限应变构成的曲线或条带形区域，它全面反映了板料在单向和双向拉应力作用下抵抗颈缩或破裂的能力，常被用来分析解决成形时的破裂问题。板料的冲压成形性能包括：抗破裂性、贴模性、定型性。贴模性指板料在冲压过程中取得模具形状的能力。定型性指零件脱模后保持其在模内既得形状的能力。目前主要以抗破裂性作为评定板料冲压成形性的指标。二、冲压成形区域与成形性能的划分1、冲压成形区域划分四种典型成形：圆柱形凸模胀形、伸长类翻边（包括扩孔）、拉深、弯曲。（教材图P6-1、6-2、6-3、6-4、6-5）2、冲压成形性能划分在四种典型成形中，破裂有三种典型形式：α破裂——由于板料所受拉应力超过材料强度极限引起的破裂；β破裂——由于板料的伸长变形超过材料的局部延伸率引起的破裂；弯曲破裂——由于弯曲变形区的外层材料中拉应力过大引起的破裂。伸长类应变指：成形过程中材料主要受拉应力作用，产生的伸长变形导致厚度减薄；压缩类应变指：成形过程中材料主要受压应力作用，产生的压缩变形导致厚度增大；弯曲应变指：弯曲成形过程中，外区受拉，属于伸长类成形，内区受压，属于压缩类应变。（表6-1）（图6-7）7、2冲压成形性能试验方法与指标模拟试验，是指模拟某一类实际成形方法来成形小尺寸试样的板料冲压试验。1、胀形成形性能试验2、扩孔成形性能试验3、拉深成形性能试验（1）圆柱形平底凸模冲杯试验（2）TZP试验4、弯曲成形性能试验5、“拉深—胀形”复合成形性能试验7、3塑性拉伸失稳理论与失稳极限应变1、塑性拉伸失稳的概念和类型2、颈缩条件（1）分散性颈缩条件（2）集中性颈缩条件3、集中性颈缩方位4、失稳极限应变7、4板料的基本性能与冲压成形性能1、屈服极限2、屈强比3、延伸率4、应变硬化指数5、塑性应变比（厚向异性指数）6、凸耳参数7、晶粒度8、表面粗糙度9、夹杂物和偏析10、应变速率敏感系数m7、5成形极限图及应用1、成形极限图的概念和试验方法2、成形极限图的应用