模具设计(第二版)第一章

第1章冲压基本知识1第1章冲压基本知识1.1冲压概述1.2塑性变形基本知识1.3冲压材料1.4曲柄压力机小结第1章冲压基本知识21.1.1冲压的概念、特点及应用1．冲压的概念冲压是在室温情况下，利用安装在压力机上的模具对被冲材料施加一定的压力，使之产生分离和塑性变形，从而获得所需要形状和尺寸的零件（也称制件）的一种加工方法。因为通常使用的材料为板料，故也常称为板料冲压。冲压生产中，模具、压力机、材料缺一不可，它们构成了冲压生产的三要素。1.1冲压概述第1章冲压基本知识32．冲压的特点及应用与其它加工方法相比，冲压生产无论在技术方面还是经济方面都具有其特点：(1)冲压生产依靠冲模和冲压设备来完成加工，便于实现自动化，其生产率高，操作简便。对于普通压力机，每分钟可生产几件到几十件制件，而高速压力机每分钟可生产数百件甚至上千件制件。大批量生产时，成本较低。(2)冲压生产加工出来的制件尺寸稳定、精度较高、互换性好，用通俗的话来讲便是“一模一样”。(3)金属材料在压力机和模具的共同作用下，能获得其它加工方法难以加工或无法加工的、形状复杂的零件。第1章冲压基本知识4(4)冲压是一种少、无切削的加工方法，可以获得合理的金属流线分布，材料利用率较高，零件强度、刚度好。冲压在现代工业生产特别是批量生产中，应用非常广泛。在汽车、拖拉机、电器、电子、仪表、国防、航空航天以及日用品中随处可见到冲压产品,如不锈钢饭盒、搪瓷盆、高压锅、汽车覆盖件、冰箱门板、电子电器上的金属零件、枪炮弹壳等等。据不完全统计，冲压件在汽车、拖拉机行业中约占60%，在电子工业中约占85%，而在日用五金产品中约占90%。可以这么说，一个国家模具工业发展的水平能反映出这个国家现代化、工业化发展的程度。第1章冲压基本知识51.1.2冲压的基本工序冲压加工的零件，由于其形状、尺寸、精度要求、生产批量、原材料性能等各不相同，因此生产中所采用的冲压工艺方法也是多种多样的，概括起来分为两大类，即分离工序和成形工序。分离工序的目的，是在冲压过程中使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离，同时，冲压件分离断面的质量，也要满足一定的要求。成形工序的目的，是使冲压毛坯在不被破坏的条件下发生塑性变型，成为所要求的成品形状，同时也达到尺寸精度方面的要求。在实际生产中，一个零件的最终成形，往往可能有几个不同工序的组合。常见的冲压基本工序分类见表1-1。第1章冲压基本知识6表1-1常见的冲压基本工序分类第1章冲压基本知识7(一)第1章冲压基本知识8(一)第1章冲压基本知识9(二)第1章冲压基本知识10(二)第1章冲压基本知识11(二)第1章冲压基本知识121.2.1基本概念1．塑性变形物体在外力的作用下产生变形，如果外力取消后，物体不能恢复到原始的形状与尺寸，则这样的变形称为塑性变形。2．塑性物体具有塑性变形的能力称为塑性。塑性的大小可以用塑性指标来评定。如拉伸实验时塑性指标可用延伸率δ和断面收缩率φ来表示。1.2塑性变形基本知识第1章冲压基本知识13塑性不仅仅决定于变形物体的种类，并且与变形方式以及变形条件有关。如铅通常具有极好的塑性，但在三向等拉伸应力作用下，却像脆性材料一样破坏而不产生任何塑性变形；相反，极脆的大理石，在三向压应力作用下，却可能产生相当大的塑性变形，著名的卡尔曼试验证明了这一点。第1章冲压基本知识143．变形抗力在一定的变形条件下，引起塑性变形的单位变形力称为变形抗力。变形抗力反映了材料塑性变形的难易程度。一般来说，塑性好，变形抗力低，对冲压变形是有利的，但不能说某种材料塑性好，变形抗力就一定低。如材料进行冷挤压时，在三向压应力的作用下表现出很好的塑性，但冷挤压力同样也很大。影响塑性和变形抗力的因素很多，主要有金属成分的组织结构、变形时的应力状态、变形温度、变形速度和尺寸因素等。第1章冲压基本知识154．应力在外力的作用下，物体内各质点之间会产生相互作用的力，我们叫它内力。单位面积上的内力就叫应力。应力有正应力与剪应力。正应力用σ表示，剪应力用τ表示。应力的单位一般用MPa表示。5．应变当物体受外力和内力作用时，要发生变形，物体的变形用应变来表示。与应力一样，应变也有正应变与剪应变。正应变用ε表示，剪应变用γ表示。第1章冲压基本知识166．点的应力状态为研究变形体各点的内力和变形状态，就必须研究各点的应力状态和应变状态，以及它们之间的关系。点的应力状态通过在该点所取的单元体上相互垂直的各个表面上的应力来表示，如图1-1(a)所示。一般可沿坐标方向将这些力分解为九个应力分量，其中包括三个正应力和六个剪应力,如图1-1(b)所示。第1章冲压基本知识17图1-1应力状态图第1章冲压基本知识187．主应力与主应力图为了研究方便，使问题简化，我们可以找到这样一组坐标系，使得单元体各表面只出现正应力，而没有剪应力。如图1-1(c)所示，这三个正应力就叫主应力，分别用σ1、σ2、σ3表示，并且规定：σ1＞σ2＞σ3,当应力σ1＞0时，称拉应力，当力σ1＜0时，称压应力。用主应力表示的点的应力状态的图形称为主应力图，其可能的主应力图有九种，如图1-2所示。其中图1-2(a)图1-2(b)所示为平面主应力图，图12(c)所示为单向主应力图。第1章冲压基本知识19图1-2主应力状态图第1章冲压基本知识20经试验证明：应力状态对金属的塑性有很大的影响。其规律是：压应力的数目越多，数值越大，金属的塑性越好，而拉应力的数目越多，数值越大，金属的塑性就越差。不仅如此，主应力图对金属的变形抗力也是有影响的，在同号主应力图下引起变形，所需的变形抗力之值较大，而在异号主应力图下引起的变形所需的变形抗力之值就比较小。第1章冲压基本知识218．主应变与主应变图点的应变状态通过单元体的变形(即应变)来表示，与应力状态相似，也可以用应变状态图来表示点的应变状态，同样，也可以找到一组坐标系，使得单元体各表面只出现ε1、ε2、ε3而没切应变分量，如图1-3(a)所示。一种应变状态只有一组主应变。其可能的主应变状态仅有三种，如图1-3(b)所示。第1章冲压基本知识22图1-3主应变状态图第1章冲压基本知识23应变状态对金属的塑性有很大的影响。同一种材料在同样的变形条件下，其应力状态虽然相同，但应变状态不同，其塑性也不一样。其规律是：压应变的成分越多，拉应变的成分越少，越有利于材料塑性的发挥；反之，越不利于材料塑性的发挥。这是因为材料的裂纹与缺陷在拉应变的方向易于暴露和扩展，沿着压应变的方向则不易暴露和发展。第1章冲压基本知识241.2.2基本原理1．体积不变实践证明，在物体的塑性变形中，变形前的体积等于变形后的体积，这就是体积不变定律。它是以后我们进行变形工序中毛坯尺寸计算的依据。用公式可表示为ε1+ε2+ε3=0(1-1)由式(1-1)可知，主应变状态只可能存在三种状态，如图1-3(b)所示。第1章冲压基本知识252．两个屈服准则（塑性条件）当物体中某点处于单向应力状态时，只要该应力值达到材料的屈服极限，该点就开始屈服，由弹性状态进入塑性状态。可是对于复杂应力状态，就不能仅仅根据某一应力分量来判断某点是否已经屈服，而要同时考虑其它应力分量的作用，只有当各个应力分量之间符合一定关系时，该点才屈服。这种关系就称为屈服准则，或叫塑性条件。1864年法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）认为：材料中最大剪应力达到一定值时就开始屈服，即屈雷斯加屈服准则,其数学表达式为(1-2)式中：σs为材料的屈服极限。s31221max22　或　　第1章冲压基本知识261913年德国学者密席斯（VonMises）提出：在一定的变形条件下，无论变形物体所处的应力状态如何，只要其三个主应力组合满足以下条件，材料便开始屈服，即密席斯屈服准则，(1-3)2s2132322212)()()(σσσσσσ第1章冲压基本知识273．应力与应变的关系物体弹性变形时，其变形可以恢复，变形过程是可逆的，与物体的加载过程无关，应力和应变之间的关系可以通过广义虎克定律来表示。但物体进入塑性变形以后，其应力与应变的关系就不同了。在单向受拉或受压时，应力与应变关系可用硬化曲线来表示，然而在受到双向或三向应力作用时，变形区的应力与应变关系相当复杂。经研究，当采用简单加载(加载过程中只加载不卸载，且应力分量之间按一定比例递增)时，塑性变形的每一瞬间，主应力与主应变之间存在下列关系：第1章冲压基本知识28(1-4)式中：C为非负数的比例常数。在一定的条件下，C只与材料性质及变形程度有关，而与物体所处的应力状态无关，故C值可用单向拉伸试验求出。式(1-4)也可表示为(1-5)上述物理方程又称为塑性变形时的全量理论。全量理论是冲压成形中各种工艺参数计算的基础，而且利用全量理论还可以对有些变形过程中坯料的变形和应力的性质作出定性的分析和判断。C131332322121Cmmm322211第1章冲压基本知识294．冷作硬化（加工硬化）现象对于常用的金属材料，在冷塑性变形中，随着变形程度的增加，所有强度指标均增加，而同时塑性指标都降低，这种现象称为冷作硬化，又称为加工硬化。加工硬化对许多冲压工艺都有较大的影响，如由于塑性降低，限制了毛坯进一步变形，往往需要在后续工序变形之前增加热处理退火以消除加工硬化。但硬化也有有利的一面，如提高抗局部抗失稳起皱的能力，使变形趋向均匀，成形极限增大。衡量加工硬化程度的值一般用硬化指数n表示。n越大，硬化效应越显著。第1章冲压基本知识305．反载软化现象如果在冷塑性变形之后，再给材料反向加载，这时，材料的屈服极限有所降低，即反向加载时的塑性变形更加容易发生，这就是所谓的反载软化现象。反载软化现象对分析某些冲压工艺(如拉弯)很有实际意义。第1章冲压基本知识311.3.1冲压成形性能冲压所使用的材料大多数是金属材料，每一种材料的冲压成形性能是不一样的。材料的冲压成形性能表明其是否便于冲压加工，一次冲压的极限变形程度和总的极限变形程度大，生产率高，容易得到高质量的冲压件，模具寿命长等。一般来说，冲压成形性能主要包括两个方面：一是成形极限；二是成形质量。这是冲压对材料的主要要求。材料的冲压成形性能是通过实验来获得的。实验方法主要有两种：一种为间接实验；另一种为直接实验。1.3冲压材料第1章冲压基本知识321．间接实验间接实验的方法有拉伸实验、剪切实验和硬度实验等。尤其是拉伸实验简单易行，而且所得结果能从不同角度反映材料的冲压性能，所以它是一种很重要的实验方法。通过拉伸实验可测得材料的各项力学性能指标，它也间接地反映了材料的冲压性能。其中重要的几项如下：第1章冲压基本知识331）屈强比（σs/σb屈强比是一项反映材料冲压成形性能的综合性指标。屈强比小，即屈服极限σs与强度极限σb之间的差值大，亦即塑性变形的区间大，这对冲压成形是有利的。2）均匀延伸率δbδb是在拉伸实验中开始产生局部集中（缩颈）时的延伸率，它表示材料产生均匀变形或稳定变形的能力。一般情况下，冲压成形都是在板料的均匀变形范围内进行的，所以δb对冲压成形有较为直接的意义。δb越大，则极限变形程度越大，越有利于冲压成形。第1章冲压基本知识343）硬化指数n硬化指数n表示材料在冷塑性变形中材料的硬化程度，n值越大，材料的硬化效应越大，这对于伸长类变形是有利的。由于变形硬化引起的变形抗力的增加，可以补偿因拉伸而引起的局部截面积的减小从而引起的承载能力的减弱，制止了局部集中变形的进一步发展，具有扩展变形区，使变形均匀,从而达到增加变形程度的作用。第1章冲压基本知识354）板厚方向性系数r板厚方向性是指板料试样在拉伸实验时宽度应变εb与厚度应变εt(1-6)式中:b，b0，t，t0分别表示变形前后板料的宽度和厚度。冲压成形时，一般都希望变形发生在板平面方向，而厚度方向则不希望发生过大的变化。当r值大于1时，表示宽度方向的变形比厚度方向的变形更大。也就是说，r值较大，有利于提高板料冲压成形