《成形工艺与模具设计修订版 鄂大辛第四章 冲压工艺基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《成形工艺与模具设计修订版 鄂大辛第四章 冲压工艺基础（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二篇 冲压工艺与模具设计,第四章 冲压工艺基础 第五章 冲裁工艺与模具设计 第六章 弯曲成形工艺与模具设计 第七章 拉深工艺及模具设计 第八章 其他板料成形工艺及模具设计,第四章 冲压工艺基础,第一节 冲压工艺概述 第二节 冲压工艺分类及特点 第三节 冲压材料 第四节 冲压设备,第一节 冲压工艺概述,一、冲压加工的特点 1、生产效率高 冲压加工在压力设备一次行程即模具的一次合模过程中,通常即可完成一个工件或工序件的加工。其生产效率通常取决于冲压设备的运行速度,高速冲压设备每分钟可往复运行上千次。因此,冲压加工本身所具有的快速加工特点,在高速冲压设备发展的有力支持下,有望获得更高的生产率。,第
2、一节 冲压工艺概述,一、冲压加工的特点 2、材料利用率高 冲压加工是金属零件制造中重要的少、无切屑加工方法之一,通常其材料利用率可达70%85%。对于特殊复杂的冲压件,采用其他加工方法的材料利用率远达不到这一指标。并且随着精密冲压技术和计算机优化排样技术的发展,冲压加工的材料利用率有望获得更大幅度的提高。,第一节 冲压工艺概述,一、冲压加工的特点 3、零件互换性好 由于冲压件的形状、尺寸精度主要靠模具制造和使用精度保证,因此,可以排除操作技术的影响,充分体现“一模一样”的制造特点。高精度的零件互换性在许多装配结构中具有非常重要的实际意义,因而冲压件能够适应汽车外覆盖件或骨架件的装配要求,适用于
3、大批量生产。,第一节 冲压工艺概述,一、冲压加工的特点 4、成形零件力学性能好 冲压件普遍具有重量轻、强度高、表面成形质量好的优点。特别是经过塑性成形后的大型薄壁件或骨架件,可以大幅度提高刚度,以满足飞机、汽车及工程机械等外覆盖件的使用要求。 此外,冲压加工操作简单,容易组织生产,易于实现机械化与自动化;由于生产率高、节省材料等,在大批量生产条件下,生产成本低,经济效益高。,第一节 冲压工艺概述,二、冲压技术的现状及发展 1、冲压加工的重要性 冲压加工作为先进制造技术的一个分支,在国民经济发展、建设中占有非常重要的地位,在制造领域中的应用越来越广泛。在航空航天、兵器、船舶、汽车、电气、仪表等生
4、产中,冲压加工技术已经成为不可缺少的重要加工方法之一。特别是近年来作为国民经济支柱性行业的汽车制造业快速发展,为冲压加工创造了空前的发展机遇,不仅扩大了冲压产品的需求量,而且促进了冲压技术及模具技术的不断更新。,第一节 冲压工艺概述,二、冲压技术的现状及发展 2、冲压加工及模具技术发展 随着科学技术的不断发展,先进制造对冲压工艺和模具技术提出了许多新的要求,以适应频繁变化的经济市场需求。 (1)金属塑性成形理论与工艺研究 金属塑性成形已有几千年的历史,但许多成形机理问题没有得到很好解决,因而严重阻碍了冲压工艺技术的快速发展。 (2)冲压加工过程的计算机辅助分析 冲压加工中,金属材料变形过程的正
5、确分析,对于制定合理的冲压工艺和模具设计制造具有非常重要的指导性意义。,第一节 冲压工艺概述,二、冲压技术的现状及发展 2、冲压加工及模具技术发展 (3)开发研制成形新工艺及新型模具 在现有金属塑性成形工艺的基础上,吸收其他先进科学技术的长处,不断开发研制新的成形方法,以扩展金属塑性成形工艺范围。 (4)冲压生产自动化及柔性化 多工位级进模的出现,加快了冲压生产机械化与自动化的步伐。为了适应大批量、高效率生产的需求,在冲压设备和模具结构中,也出现了多种自动化进、出料机构以及各种辅助机械手装置。,第二节 冲压工艺分类及特点,一、按板料变形性质分类 1、冲裁 冲裁是冲压生产的主要工艺方法之一,它是
6、利用板料在模具接触力作用下塑性变形后,产生断裂分离来获得工件的冲压加工方法。根据获取制件的形式不同,可以分为很多工序类型,如表4-1所示。,表4-1 冲裁工序分类,第二节 冲压工艺分类及特点,一、按板料变形性质分类 2、成形 所谓成形加工,是指利用模具与板料直接接触并施加外力,使板料沿模具工作表面移动产生塑性变形而获取工件的加工方法。,表4-2 成形工序分类,第二节 冲压工艺分类及特点,二、按工序组合形式分类 1、单工序冲压 板料在冲压设备一次行程中只完成一种变形的工序,称作单工序冲压,如落料、弯曲、拉深等。 2、组合工序冲压 (1)复合冲压。 (2)连续冲压。 (3)连续-复合冲压。,第三节
7、 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (1)拉伸失稳 1)集中性失稳。设板料变形时符合n次硬化曲线 =Cn(4-1) 所示的关系,由材料拉伸时外力F与试件断面积A及伸长变形的关系F/A=可知,n值的意义在于满足dF=0时的最大平均应变。因此,根据=得到 n=b (4-2) 式中 b板料产生缩颈失稳时的真实拉伸应变值。,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (1)拉伸失稳 1)集中性失稳 式(4-2)表明,板料在单向拉伸变形状态下产生塑性失稳点处的真实应变等于加工硬化指数n。n值越大,在某种程度上可以认为板料的应变强化能力越强,均匀变形阶段越长。板料变形过程
8、中,在拉力F1作用下,产生应变1,为了使材料变形时不产生缩颈失稳,则必须满足1b,即1n的关系。,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (1)拉伸失稳 1)集中性失稳 实际上,如果改变板料的调质度,尽管C值和n值只发生微量变化,但同样会引起材料真实应力应变曲线的某些改变。因此,不妨考虑板料在一次塑性成形(冷、热轧制)过程中的预加工因素,假设板料的真实应力应变满足如下关系 b=A(4-3) 式中 b板料的抗拉强度(MPa); A当量塑性模数(MPa); B因预加工导致板料中的残余应变。,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (1)拉伸失稳 1)集中性失
9、稳 对式(4-3)微分,因为=,所以有=An(B+1)n-1,假设b1时,产生颈缩失稳的临界拉应变为 1=n-B(4-4) 式(4-2)和式(4-4)是基于单向受拉失稳理论,以板料横截面上宽向和厚向应力增量d2=d3=0为假设条件导出的,其变形失稳时的应力应变关系如图4-1a所示。,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (1)拉伸失稳 1)集中性失稳,图4-1 弯管外侧变形失稳示意图,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (1)拉伸失稳 2)分散性失稳 根据Swift分散性失稳理论,板料受外载荷作用发生失稳时,应同时以两个拉力作用方向上的拉力增量dF
10、1=0和dF2=0作为判断分散性失稳的必要条件。因此,如图4-1b所示,假设沿两拉力作用方向1、2及板厚方向3均为应力应变主方向,则有如下全量应变关系：,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (1)拉伸失稳 2)分散性失稳 由于冲压板料的板厚尺寸与其他两个方向相比非常小,如果只考虑两个作用力方向的应力1和2,而认为处于板厚应力3=0的平面应力状态,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (1)拉伸失稳 2)分散性失稳 分别对应力强度和应变强度,进行全微分 如果硬化曲线可以表示为=C,同样有,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (
11、1)拉伸失稳 2)分散性失稳 最后可以得到产生分散性失稳时的应变强度 如上所述,如果板料成形时的变形状态处于平面应变时,由2/1=1/2可知,当作为一点应变的综合效应的等效应变=(2/)n时,变形板料局部某一区域可能产生分散性失稳现象。,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (2)压缩失稳 当板料受压方向的长度较短,失稳时的压缩应力超过材料的压缩屈服应力时,即成为塑性失稳,此时,Euler方程已不再适用。,图4-2 临界压力作用下板料截面内的应力分布,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (2)压缩失稳 现借助于图4-2a所示材料的应力应变关系曲线来
12、讨论板料的塑性失稳问题。假设板料在平行于板面方向上受到压力F作用,当应力上升至a点时板料开始失稳,此时的临界压应力为k。由于板料受压应力作用产生面内弯曲(板内弯曲),外凸侧因弯曲产生沿板面切线方向的拉应力而卸载至b点,产生板面应力增量b=Eb/(式中E为板料的弹性模量),而内凹侧因弯曲使面内(作用在板内的)压应力增大沿ad线移至c点,产生板面应力增量为c=Cc/(式中C为板料的塑性模量)。产生塑性失稳时,dF=0,板料在临界压力Fk作用下保持弯曲平衡状态,此时板料的内力矩,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (2)压缩失稳 式中 I受压板料的惯性矩,当板宽为b,板厚为时
13、,I=b3/12。 根据内力矩与外加力矩相等的平衡关系,可得临界状态下力矩平衡的微分方程式,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (2)压缩失稳 将上式积分并整理后得 式中 L板料在压力作用方向上的长度。,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (2)压缩失稳 实际产生塑性失稳时的临界压力往往小于式(4-13)的计算结果,因而可采用板料的塑性模量C来代替式中的相当弹性模量。对于宽度为b厚度为的矩形板条,产生塑性失稳时的临界压力为 临界压应力为,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (3)形成极限图 20世纪60年代Keeler、G
14、oodwin等人提出板材成形极限,即FLD问题,直到目前仍为力学和成形领域中的研究热点。研究主要分为宏观的连续性介质方法和微观的损伤力学方法两大类,由于Swift分散性失稳理论和Hill集中失稳理论的准则不同,得到的极限变形值也不同,而且存在一定矛盾。 但1977年,Kleemola首先发现材料的极限应变与最终的应力状态有关,之后,Arrieux提出了成形极限应力图的概念,并通过实验确定了线性和双线性应变路径下的FLSD。,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 1、板料成形极限 (3)形成极限图 成形极限图在板材成形过程的有限元计算分析中起着至关重要的作用。但无论是FLD或FLSD,都涉及
15、如何再现真实复杂加载路径问题,通过各种试验或数值分析方法,使板料达到一定预变形后获取复杂变形条件和应变路径下板材的成形极限图,仍为理论和工程研究的热点。尽管至今尚没有一种较好的办法确定真实可靠的FLD或FLSD,但FLD的出现使人们对于原本仅由单向拉伸获得的特定性能指标来描述材料的成形性能问题上,有了更进一步深层次的认识。,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 2、板料对冲压工艺的适应性 （1）板料的力学性能 1）屈服强度及屈强比 板料的屈服强度s是弹性变形与均匀塑性变形的分界点,s值小,表明产生相同塑性变形量时对应的变形抗力较小。 屈强比s/b值小表明板料从塑性屈服至到达拉伸极限的变形路
16、线长,可能获得较充分的塑性变形量。s小可延迟皱曲的发生,而s/b值小,表明b相对大,因此断裂危险区材料可承受较大变形量,进而提高拉深成形性和成形极限。,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 2、板料对冲压工艺的适应性 （1）板料的力学性能 2）伸长率及断面收缩率 伸长率： 式中 l0、l拉伸前、后试样的标距长度(mm)。 断面收缩率： 式中 A0、A拉伸前、后试样横截面面积(mm2)。,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 2、板料对冲压工艺的适应性 （1）板料的力学性能 3）硬化指数,图4-3 具有相同塑性模量不同硬化指数的应力应变曲线,第三节 冲压材料,一、材料的冲压工艺性能 2、板料对冲压工艺的适应性 （1）板料的力学性能 4）各向异性指数 厚向异性系数。厚向异性系数也称塑性应变比,用r表示,因而常称为r值。即 式中 b0、b变形前、后的板料宽度(mm); t0、t变形前、
