冲压工艺学

冲压工艺学22019/10/3目录第一章概述第二章冲压变形基础第三章冲裁第四章弯曲第五章胀形第六章直壁形状零件的拉深第七章曲面形状零件的拉深第八章翻边32019/10/3第一章概述1.定义冲压是在室温下，利用安装在压力机上的模具对板料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法。又称为冷冲压或板料冲压。冲压零件冲压模具工艺条件冲压设备42019/10/3第一章概述2.应用冷冲压广泛用于汽车、电机、电器、仪表及日常生活用品中，在国防工业中占有重要地位。冲压件比例：精密机械中80－85％；仪器、仪表、电机60－70％汽车60－75%；自行车、缝纫机、手表80％；电视机、收录机、摄像机90％52019/10/3第一章概述冲压件—汽车产品62019/10/3第一章概述冲压件—家用产品72019/10/3第一章概述冲压件—军工用品82019/10/3第一章概述冲压件—其它工业产品92019/10/3第一章概述3.特点应用范围广金属材料－非金属材料（胶木、有机玻璃、纸板、皮革…)仪表零件（百分之几克）－汽车覆盖件、飞机蒙皮、锅炉封头生产率高、材料利用率高一般可达几－几十件/分，高速冲床几百－几千件/分；一般不需加热；材料利用率可达70－85％以上。产品质量稳定加工精度高，互换性好，一般不需进一步加工。便于操作、易于实现机械化、自动化缺点模具要求高、制造复杂、周期长、制造费昂贵，因而在小批量生产中受到限制。生产中有噪音。102019/10/3第一章概述4.工序分类分离工序：成形工序：冲压件与板料沿一定轮廓线相互分离，同时冲压件分离断面也要满足一定要求。如落料、冲孔、裁剪、切边、剖切等。冲压毛坯在不破坏的情况下发生塑性变形，并转化成所要求的成品形状。同时，应满足尺寸精度方面的要求，如弯曲、拉深、胀形、翻边、扩口、缩口、拉弯及旋压等。112019/10/3第一章概述分离工序122019/10/3第一章概述成形工序132019/10/3第一章概述5.冲压技术的现状与发展现状：我国是冲压加工的大国（2004年，仅汽车、冰箱和空调的冲压件消耗的钢材就超过七百万吨，占全国消耗钢材的1/10以上，占全国冷轧板材的70％，可见我国的冲压有很大的市场需求和商机，发展前景广阔），冲压产能有很大发展，但冲压行业的基础仍然薄弱，仍以传统型为主，国际竞争力不足。主要表现在：（1）工艺原始创新能力不足；（2）轿车覆盖件冲压模具设计等关键代表性技术的自主开发能力薄弱；（3）材料和能源利用率偏低，耗材耗能较严重；（4）冲压企业集中度不足、设备陈旧、数字化水平低等。142019/10/3第一章概述面临的挑战：（1）产品集约化生产、个性化发展、节能性与环保性要求，将促使冲压行业出现新一轮的技术革新和改造；（2）仿真技术的发展和应用是冲压发展必须借助的手段；（3）自动化和灵活性要求是冲压发展必须考虑的因素；（4）复合材料应用将推动冲压向前进步；（5）新工艺的出现带动行业进步，这些新工艺是：A、复合材料成形工艺；B、多种厚度激光拼焊板坯的冲压技术；C、内高压胀管技术；D、轻合金成形技术；E、数字化成形技术。152019/10/3第一章概述发展出路和特征：加强基础、提升技术和强化创新（1）突出“精、省和净”；（2）冲压成形更加“科学化、数字化和可控化”；（3）冲压成形可以实现全过程控制；（4）产品从设计开始即进入控制，考虑工艺；（5）冲压生产的灵活性和柔性；（6）复合技术的应用。162019/10/3第二章冲压变形基础2.1冲压变形中的应力与变形特点冲压过程中，板料毛坯的塑性变形，都是模具对毛坯施加的外力所引起的内力或内力直接作用的结果作用的结果。一定的力的作用方式和力的大小都对应着一定的变形。因此，为了研究和分析金属的塑性变形过程，首先必须了解毛坯内的作用力与塑性变形间的关系。172019/10/3第二章冲压变形基础1.应力若P是表示作用在物体某一微元面积F上的内力，则应力S是内力p与面积F（当F趋于零时）比值的极限：全应力S可分解为三个应力：一个正应力（与平面垂直）+两个剪切力（与平面相切）182019/10/3第二章冲压变形基础毛坯内的每一个点的应力状态可由九个应力分量确定:zzyzxyzyyxxzxyx由于剪应力是互等的，即：所以只需六个应力分量即可确定一点的应力状态。192019/10/3第二章冲压变形基础总可以找到三个互相垂直的平面，其上仅有正应力而无剪应力，这三个应力叫主应力。在冲压变形中，用主应力来表示应力状态很方便，一般取其变形坯料的经向（径向）、板厚方向及纬向（切向、周向）作主轴方向，常用来表示主应力状态。应力状态的简化:因为板料变形时，厚度方向应力与其它两个方向应力相比很小或为零，即，故通常按平面应力状态（两向应力状态）处理，平面应力状态的分析比三向应力问题要简单一些。为了研究方便，把板料平面内相互垂直的两个应力看作主应力，二者即为使毛坯变形区产生塑性变形的应力。202019/10/3第二章冲压变形基础2.应变冲压过程中，毛坯的形状和尺寸都发生变化，变化的大小可用应变表示。线应变与切应变。1）相对应变相对应变为变形长度与原始长度之比这种变形表示方法没有考虑材料的变形是一个逐渐积累的过程，因此其计算结果与实际情况比较是有误差的，且变形量越大，误差越大，因此只能用于小变形中。（10%）212019/10/3第二章冲压变形基础2）真实应变（对数应变）真实应变为为变形后长度与变形前长度之比取对数3）相对应变与真实应变关系真实应变能反映变形的连续过程，而相对应变只与变形的始末尺寸有关，不反映变形的连续过程。举例说明。222019/10/3第二章冲压变形基础3.应力应变关系弹性变形时，应力应变关系遵循虎克定律。塑性变形区受单向应力作用时，应力应变关系可用硬化曲线或硬化曲线数学表达式表示。塑性变形区受二向以上的应力作用的复杂应力状态，应力应变关系可用全量理论或增量理论表示。全量理论或232019/10/3第二章冲压变形基础增量理论或式中为平均应力，又称静水应力。242019/10/3第二章冲压变形基础体积不变定律的三点推论：塑性变形时，只有形状的变化，而无体积的变化；不论什么应变状态，其中一个主应变的符号与另外两个主应变的符号相反；已知两个应变就可求第三个应变。4.体积不变定律:认为塑性变形体体积不变，只有形状发生变化。可用下式真实应变表示。当变形程度小于10％时，可用相对应变表示。252019/10/3第二章冲压变形基础能量条件－金属产生塑性变形时，其单位体积变形位能为一定值。可写成：简化式为：式中－中间主应力影响系数，可近似取1.1；－真实变形抗力，可由硬化曲线确定5.塑性条件单向应力作用时，金属由弹性变形转化为塑性变形的条件是应力达到屈服极限，即在复杂应力状态下，金属进入并保持塑性变形的条件称为塑性条件，也称屈服准则。目前常用的有最大剪应力条件（屈雷斯加）和能量条件（米塞斯）。最大剪应力条件－金属产生塑性变形时，最大主应力和最小主应力之差为一定数，与中间主应力无关。可写成：262019/10/3第二章冲压变形基础2.2硬化与硬化曲线1.硬化现象随着变形程度的增加，决定金属变形抗力的、、硬度等指标提高，而塑性指标、、等下降，金属的这种效应称之为加工硬化，其数学表达式为：加工硬化对冲压变形有着不同的影响，如利于伸长类变形，不利于翻边等。在冷变形中，材料的变形抗力随变形程度的变化用硬化曲线表示。272019/10/3第二章冲压变形基础硬化曲线及表达式硬化曲线可通过拉伸、压缩、扭曲和液压胀形的方法获得。表示变形抗力与变形程度关系的曲线。特点：分类：第一类硬化曲线：第二类硬化曲线：第三类硬化曲线：~~~282019/10/3第二章冲压变形基础2.硬化曲线及表达式直线式－以硬化曲线上缩颈点处的切线表示：式中：－截距F－硬化模数，为硬化直线斜率1）当应变用延伸率表示时，2）当应变用断面缩减率表示时，式中：直线式硬化曲线是近似的，仅在切点位置上两者的数值是一致的。在其它位置上均有差别，尤其在变形很大或很小时。292019/10/3第二章冲压变形基础幂次式－用幂函数曲线表示式中c－材料常数，又称硬化系数n－加工硬化指数，也称n值常数c和n值均可在拉伸实验中得到。由于幂函数曲线与材料的实际硬化曲线比较接近，故冲压技术中常用它来代替硬化曲线。302019/10/3第二章冲压变形基础小结冷冲压定义、工艺特点和分类冲压变形的应力特点和应力应变关系硬化曲线及数学表达形式312019/10/3第二章冲压变形基础2.3各种冲压成形方法力学特点与分类在冲压成形时，把变形毛坯分成变形区和不变形区。可以把冲压变形方式按毛坯变形区的受力情况（应力状态）和变形特点从变形力学理论的角度归纳为以下几种情况，并分别研究它们的变形特点。A—变形区B－已变形区，传力区C－待变形区322019/10/3第二章冲压变形基础1）冲压毛坯变形区受两向拉应力作用分为两种情况：（1）再确定，的变化范围是，当时，为两向等拉，当时，为单拉，这种情况处于冲压应力图的GOH，处于冲压应变图的AON。1.变形分类332019/10/3第二章冲压变形基础（2）再确定：当时，为两向等拉，当时，为单拉，这种情况处于冲压应力图的AOH，处于冲压应变图的AOC与这种变形情况对应的变形是胀形、内孔翻边。2）冲压变形区两向压应力作用（1）冲压应力图的COD，冲压应变图的GOE（2）冲压应力图的DOE，冲压应变图的GOL与该种情况相对的变形有缩口变形等。342019/10/3第二章冲压变形基础3）变形区受异号应力作用，且拉应力绝对值大于压应力绝对值（1），且，处于冲压应力图的GOF，冲压应变图的MON；（2），且，处于冲压应力图的AOB，冲压应变图的COD；与该种情况相对的变形有扩口等。4）变形区受异号应力作用，且压应力绝对值大于拉应力绝对值（1），且，处于冲压应力图的EOF，冲压应变图的MOL；（2），且，处于冲压应力图的BOC，冲压应变图的DOE；与该种情况相对的变形有拉深等。352019/10/3第二章冲压变形基础综合上面四种受力情况的分析结果，可以把全部变形概括为两大类：伸长类变形和压缩类变形。362019/10/3第二章冲压变形基础伸长类变形－当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，称这种冲压变形为伸长类变形，包括冲压变形图中的MON、NOA、AOB、BOC、COD等五个区。压缩类变形－当作用于毛坯变形区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，称这种冲压变形为压缩类变形。包括冲压变形图中的MOL、LOH、HOG、GOE、EOD五个区。MOD是伸长类成形与压缩类成形在冲压变形图上的分界，FOB是冲压应力图上的分界。对于同一类变形中的各种冲压方法，可用相同的观点和方法解决冲压中各种问题。如极限成形参数确定、影响因素及提高的措施等，对这两类方法是不同的。372019/10/3第二章冲压变形基础进一步分类第三类兼具两种特点的成形方法，不同变形区出现的问题都是不能忽视的。应同时从两方面出发，针对不同问题采取必要的措施同时解决两方面的问题。382019/10/3第二章冲压变形基础2.冲压成形极限及影响因素提高伸长类成形极限的措施1）提高材料塑性；2）减小变形不均匀程度（提高塑性变形稳定性）；3）清除引起局部应力集中的因素提高压缩类成形极限的措施1）提高传力区的承载能力，降低变形区的变形抗力及摩擦阻力；2）阻止毛坯变形区失稳起皱；3）以降低变形区的变形抗力为主要目的的退火392019/10/3第二章冲压变形基础两类冲压成形对比402019/10/3第二章冲压变形基础2.4板料冲压性能及试验方法定义：板料的冲压性能是指板料对各种冲压加工方法的适应能力，包括成形极限（抗破裂性），形状与尺寸精度（贴模性和冻结性），模具寿命，变形力等。412