第一章板料冲压性能与成形工艺第一次课介绍

山东科技大学冲压工艺与模具设计主讲人：苏春建机电学院材料成型专业冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限2、课程内容（1）板料冲压性能的工艺试验(拉伸实验、胀形实验、模拟实验、相似实验)；（2）板料机械性能指标与冲压性能之间的关系(强度极限、屈服极限、屈强比、均匀延伸率、硬化指数n、厚向异性指数r、板平面各向异性指数)；（3）板料的成形极限(失稳理论、成型极限图)；（4）常用材料的冲压性能。1、学习目的和要求通过学习，掌握板料的几个机械性能指标与板料冲压性能之间的关系；熟悉板料冲压性能的几个工艺试验，了解常用金属材料的冲压性能。bssb均r3、考核知识点和考核要求领会：板料的几个机械性能指标与冲压性能之间的关系。冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限本节内容1、板料冲压性能的工艺试验板料的拉伸试验板料的双向拉伸(胀形)试验(杯突试验)模拟试验相似试验2、板料机械性能指标与冲压性能之间的关系冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限1.1板料冲压性能的工艺试验板料冲压性能是指板料对各种冲压成形加工的适应能力冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限常用工艺试验1板料的单向拉伸试验通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延性、应变硬化和韧度等重要的力学性能指标，它是材料的基本力学性能。试样的形状和尺寸拉伸试验模拟低碳钢材料(柱状试样)(D)在板料三个不同方位上截取不同的试件(如图课本P6图1.2)冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限计算得到的拉伸曲线及各种性能指标记录的数据1)屈服点附近，试样工作长度范围内试样的宽度b和相应剖面的厚度t以及屈服时的载荷大小Ps(或P0.2)2)最大载荷Pmax及相应的剖面尺寸bj和tj(即细颈出现时的尺寸)3)试样被拉断时，破坏载荷的数值及拉断试样工件长度lp和剖面尺寸bp，tp计算出各个载荷P下的实际应力与实际应变，即ppFbt0000lnlnlnbtbtFllF以实际应力为纵坐标，实际应变为横坐标，描绘出板料的应力应变拉伸曲线冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限s=0.2sbεεεεεε典型的拉伸曲线冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限通过板料的单向拉伸试验，可以得到板料如下的机械性能指标1）屈服强度s或σ0.2：对于拉伸曲线上有明显的屈服平台的材料，塑性变形硬化不连续，屈服平台所对应的应力即为屈服强度，记为ss=Ps/F0对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料，塑性变形硬化过程是连续的，此时将屈服强度定义为产生0.2%残余伸长时的应力，记为σ0.2s=σ0.2=P0.2/F02）抗拉强度b：定义为试件断裂前所能承受的最大工程应力，以前称为强度极限。取拉伸图上的最大载荷，即对应于b点的载荷除以试件的原始截面积，即得抗拉强度之值，记为σbσb=Pmax／F03）细颈点应力j：σj=Pmax／Fj4）屈强比：σs/σb或σ0.2/σb5）细颈点应变：εj=ln(F0／Fj)冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限9)硬化指数n：n=εj(后面可证明)变形时的硬化现象和硬化曲线:硬化现象的表现形式:材料的强度指标随变形程度的增加而增加,塑性随之降低.加工硬化的结果:引起材料力学性能的变化.加工硬化有利及不利方面:有利方面:板料硬化能够减小过大的局部变形,使变形趋于均匀,增大成形极限,同时也提高了材料的强度.不利方面:使进一步变形困难.硬化曲线单向拉伸硬化曲线可写成其中n为硬化指数6）延伸率：材料的塑性常用延伸率表示。测定方法如下：拉伸试验前测定试件的标距l0，拉伸断裂后测得标距为lp，然而按下式算出延伸率00100%plll00100%pFFFE7)断面收缩率ψ：断面收缩率ψ是评定材料塑性的主要指标。8)弹性模量E:单纯弹性变形过程中应力与应变的比值。nk冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限10）厚向异性指数r：厚向异性指数是指拉伸试验时，试样均匀伸长为15%左右情况下，宽度方向的应变与厚度方向的应变之比值，即：r=εb/εt当材料的r=1时，称为厚向同性材料；当r≠1时，称为厚向异性材料000904524rrrr试验在板料中所取的方位不同，试验所得的厚向异性指数不一样，所以板料的厚向异性指数，最好取为三个不同方位试样所得数据的平均值。r0为纵向试样的厚向异性指数,即轧制方向11）板平面各向异性指数△r：由于板料在不同方位厚向异性不同，在板料平面内形成各向异性，即△r=r0+r900-2r450△r愈大，表示板平面内各向异性愈严重，拉深时产生凸耳现象愈严重。冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限2板料的双向拉伸(胀形)试验(杯突试验)杯突试验是用来衡量材料的深冲性能的试验方法按照国家标准，“试验采用端部为球形的冲头，将夹紧的试样压入压模内，直至出现穿透裂缝为止，所测量的杯突深度即为试验结果。”这种试验通常是在杯突试验机上进行。试样在做过杯突试验后就像只冲压成的杯子（不过是只破裂的杯子）。钢板深冲性能不好，冲压件在制作过程中就很容易开裂。板材的胀形性能试验又称为杯突试验或压穴试验。一般包括Erichsen胀形试验和瑞典式纯胀形试验。它是测定板材冲压性能的一种工艺性试验。先将平板坯料试样放在凹模平面上，用压边圈压住试样外圈，然后，用球形冲头将试样压入凹模。由于坯料外径比凹模孔径大很多，所以，其外环不发生切向压缩变形，而与冲头接触的试样中间部分坯料受到双向拉应力作用而实现胀形成型。在胀形成型中，把试样出现裂纹时冲头的压入的深度称为胀形深度或Erichsen试验深度，简计为Er值。Er值越大，胀形性能及拉深类成型性能越好。D冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限Er值的影响因素很多，如板料的厚度、压边力大小、润滑条件及模具的粗糙度等对他都有影响。此外，由于试验设备不同、操作方法不同以及对裂缝判断之差异等都会影响试验的结果。冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限瑞典式纯胀形试验在Erichsen胀形试验条件下，试样法兰边或多或少总会有某种变形，即法兰边金属会有少许流向凹模内。于是，中间部分材料的胀形成分就不十分纯。瑞典式纯胀形试验在凹模与压边圈相应位置上设置了三角形肋槽，以阻止法兰部分材料流入凹模，使球形冲头下面所对材料产生纯胀形。同Erichsen试验相对应，纯胀形试验结果得到最大胀形深度hmax，hmax越大，表明板材的胀形性能越好。这个试验和richsen胀形试验相比，只是模具结构发生了一点变化，其试验方法、步骤和Erichsen胀形试验是一致的。但是，这种工试验方法尚未普及。其主要原因是，各种因素仍然会对试验结果产生影响，它不能从根本上取代Erichsen胀形试验。冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限3模拟试验模拟试验的实质：突出实际冲压工序某一方面或几个方面的变形特点，加以模拟。在较为单纯的条件下所取得的试验结果，作为鉴定材料某种冲压性能的指标。比如：反复弯曲试验、冲杯试验和锥杯试验。1）反复弯曲试验使用于检验厚度小于5mm的金属薄板和带材在反复弯曲中承受塑性变形能力并显示出的缺陷。将金属板料夹紧在专用试验设备的钳口内，左右反复折弯90º，以每弯曲90º再扳直算作一次，每分钟不得超过60次，直至弯裂为止。弯曲次数可从试验机的转数表中读出。试验时，折弯的弯曲半径r越小、弯曲次数越多，表明板料的弯曲性能越好。冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限2）冲杯试验试验目的：加深理解拉深成型原理及工艺过程；测出板材拉深成形性能。用不同的圆形毛坯试片，在图示的装置中进行拉深成形，取试片侧壁不被拉破时可能拉深成功的最大毛坯直径Dmax与冲头直径dp之比值，即LDR=Dmax/dp作为评价板材拉深成形性能指标。LDR越大，冲杯高度越高，板材拉深成形性能就越好。测定板料拉深成形性能时，圆柱形平底凸模冲杯实验。D冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限3）锥杯试验对板材的拉深胀形复合冲压性能给出评价。锥杯试验锥杯实验是板材的拉深变形和胀形变形的复合性能实验。实验装置如图所示，用球形凸模与60度锥形凹模，在无压边条件下对毛坯进行拉深；凸模下降到凹模的直壁部分以后为胀形变形。测出锥杯件底部破裂时上口的最大直径Dmax与最小直径Dmin，并用下式计算锥杯实验值CCV作为板材的拉深-胀形复合成形性能指标。CCV=（Dmax+Dmin)/2CCV值越小，反映板材在曲面零件成形时可能产生的变形程度越大，所以拉深-胀形复合成形性能越好.冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限4相似试验在类似实际生产的条件下进行试验，以取得各种数据。优点是结果具体，数据可靠，便于直接应用。缺点是试验周期长，费用高。主要有Swift筒形件拉深试验、拉深力对比试验和翻边性能试验等1）Swift筒形件拉深试验Swift求极限拉深比的试验，也叫Swift拉深试验试验方法使用不同直径的圆形坯料，并按照逐级增大直径的操作程序在图示的装置中进行拉深成型试验，取试样侧壁不致破裂时可能拉深成功的最大坯料直径D0max与冲头直径dp之比值，称为极限拉深比（LDR），即，LDR值越大，则板材的拉深成型性能越好。Swift拉深试验能比较直接地反映板材的拉深成型性能。但也受试验条件（如间隙、压边力及润滑等）的影响，使试验结果的可靠性有所降低。它的最大缺点是须制备较多的试样、经过多次的试验。冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限2）拉深力对比试验拉深力对比试验也叫TZP试验或拉深潜力试验。这种试验方法是由W·Engelhardt和H·Gross开发的。在一定的拉深变形程度下（TZP试验时取毛坯直径D0＝52mm，冲头直径dp＝30mm）最大拉深力与试验中已经成型的试样侧壁的拉断力之间的关系作为判断拉深成型性能的依据。这种方法特点之一是可一次试验成功。当试验进行到拉深力达到峰值Pmax时，随即加大压边力，使试样的法栏边固定，消除在以后拉深程中继续变形和被拉入凹模的可能。然后，再加大冲头压力直到试样被拉断，并测出拉断时的力P。本试验按JB4409.2－88标准来执行。图示出了拉深力Pmax与试样最终被拉断的力P，可得到一个表示板材拉深性能的材料特性值T，T值按下式计算：max100%PPTPT值越大，板材的拉深性能越好。冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限K·W·I扩孔试验用有预加工小孔（小孔直径规定为扩孔冲头直径的30％）的平板坯料进行扩孔.试验时，将试样放在凹模与压边圈之间压死，凸模运动，直至孔口边缘因孔径扩大而出现裂纹为止。测量此时的最大孔径dfmax和最小孔径dfmin，用来计算极限扩孔率。极限扩孔率λ值是作为鉴定板材翻边成型性能的一个材料特性值,λ值越大，板材的翻边性能越好。K·W·I扩孔试验原理3）板材翻边试验冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限2福井、吉田扩孔试验利用球形冲头进行扩孔试验,预加工小孔孔径取为冲头直径的20％～25％,为了减小试验误差，规定该小孔需经过铰孔或其他切削加工。极限扩孔率λ来表示，即福井、吉田扩孔试验原理100%iiiRrrRi—孔缘破裂时的小孔孔半径平均值；ri—试样中心预加工小孔半径。其评价意义也是λ值越大，板材的翻边性能越好。冲压工艺及模具设计第一章板料冲压性能与成形极限1.2板料机械性能指标与冲压性能之间的关系板料机械性能指标与板料冲压性能有密切联系。板料的强度越高，产生相同变形量所需要的力就越大；塑性指标越高，成形时所能承受的极限变形量就越大；刚度指标越高，成形时抵抗失稳起皱的能力就越大。1）强度极限b和屈服极限s是决定材料变形抗力的基本指标，强度极限和屈服极限越高，则变形抗力越大，冲压时材料所经受的应力也越大。屈服极限s表示材料产生屈服时的最小应力，即薄板产生可测的永久塑性变形时的工程应力。对于不连续屈服现象的材料，材料发生屈服变形时，伸长不伴有载荷的增长或载荷的下降，