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冲压成形原理冷冲压工艺与模具设计第1页，此课件共15页哦冷冲压工艺与模具设计第一章 冲压成形原理1.1 金属塑性变形的概念金属塑性变形的概念1.2 影响塑性和变形抗力的主要因素影响塑性和变形抗力的主要因素1.3 金属塑性变形的力学条件金属塑性变形的力学条件1.4 冲压成形中的变形趋向性及其控制冲压成形中的变形趋向性及其控制1.5 板料的冲压成形性能和试验方法板料的冲压成形性能和试验方法第2页，此课件共15页哦冷冲压工艺与模具设计变形：变形：外力作用下，形状和尺寸发生变化的现象叫变形。分为弹性变形和塑性变形。弹性变形：弹性变形：在外力作用，金属的形状和尺寸发生变化，当在外力作用，金属的形状和尺寸发生变化，当外力去除时，金属完全恢复了原始的形状和尺寸，这样外力去除时，金属完全恢复了原始的形状和尺寸，这样的变形称为弹性变形。的变形称为弹性变形。塑性变形：塑性变形：在外力作用，产生不可恢复的永久变形，称为塑性在外力作用，产生不可恢复的永久变形，称为塑性变形。单晶体一般有滑移和孪生两种形式，多晶体则有晶内变变形。单晶体一般有滑移和孪生两种形式，多晶体则有晶内变形形(滑移和孪生滑移和孪生)、晶间变形。、晶间变形。(单晶体单晶体)滑移：滑移：晶体一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部晶体一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分作相对移动。分作相对移动。孪生：孪生：晶体一部分相对另一部分，对应于一定的晶面沿一晶体一部分相对另一部分，对应于一定的晶面沿一定方向发生转动。定方向发生转动。晶间变形：晶间变形：在外力作用下，多晶体中各晶粒之间相对移动在外力作用下，多晶体中各晶粒之间相对移动(滑动滑动或转动或转动)而产生变形。而产生变形。1.1 金属塑性变形的概念第3页，此课件共15页哦冷冲压工艺与模具设计1.1 金属塑性变形的概念塑性变形对金属性能和组织的变化：塑性变形对金属性能和组织的变化：纤维组织：各晶粒沿最大的变形方向伸长，纤维组织：各晶粒沿最大的变形方向伸长，形成纤维状的晶粒组织，即纤维组织。形成纤维状的晶粒组织，即纤维组织。加工硬化：加工硬化：残余应力：残余应力：织构现象：各向异性织构现象：各向异性第4页，此课件共15页哦冷冲压工艺与模具设计1.2 影响塑性和变形抗力的主要因素塑性：产生永久变形而不被破坏的能力。塑性：产生永久变形而不被破坏的能力。影响因素：影响因素：金属本身的晶格类型、化学成份和金相组织等。金属本身的晶格类型、化学成份和金相组织等。变形时的外部条件：变形温度、变形速度、变形变形时的外部条件：变形温度、变形速度、变形方式等。方式等。变形抗力：抵抗塑性变形的能力。变形抗力：抵抗塑性变形的能力。影响因素：影响因素：金属的内部性质：金属的内部性质：金属的变形条件：金属的变形条件：塑性和变形抗力是两个不同的概念。塑性反塑性和变形抗力是两个不同的概念。塑性反映材料破坏前的变形程度大小，变形抗力是映材料破坏前的变形程度大小，变形抗力是从力的角度反映塑性变形的难易程度。从力的角度反映塑性变形的难易程度。第5页，此课件共15页哦冷冲压工艺与模具设计1.2 影响塑性和变形抗力的主要因素一、金属成分与组织对塑性变形的影响一、金属成分与组织对塑性变形的影响二、变形温度对塑性变形的影响二、变形温度对塑性变形的影响三、变形速度对塑性变形的影响三、变形速度对塑性变形的影响四、应力应变状态对塑性变形的影响四、应力应变状态对塑性变形的影响第6页，此课件共15页哦冷冲压工艺与模具设计1.2 影响塑性和变形抗力的主要因素一、金属成分与组织对塑性变形的影响一、金属成分与组织对塑性变形的影响1、化学成分、化学成分(以碳钢为例以碳钢为例)碳含量增加，塑性下降。碳含量增加，塑性下降。杂质元素含量增加，一般对塑性变形不利。杂质元素含量增加，一般对塑性变形不利。(如如P、S)合金元素：塑性降低，变形抗力提高。合金元素：塑性降低，变形抗力提高。2、组织、组织塑性：塑性：“面心立方面心立方”好于好于“体心立方体心立方”好于好于“密排六密排六方方”；晶粒细化：塑性和变形抗力均提高；晶粒细化：塑性和变形抗力均提高；塑性：塑性：“单晶组织单晶组织”好于好于“多相组织多相组织”(如散强化如散强化)。第7页，此课件共15页哦冷冲压工艺与模具设计1.2 影响塑性和变形抗力的主要因素二、变形温度对塑性变形的影响二、变形温度对塑性变形的影响温度升高，发生了回复与再结晶，塑性显著提高，变形抗力显著降低。温度升高，发生了回复与再结晶，塑性显著提高，变形抗力显著降低。温度升高，临界剪应力降低，滑移系增加，大大提高了金属的塑性。温度升高，临界剪应力降低，滑移系增加，大大提高了金属的塑性。温度升高，产生新的塑性变形方式温度升高，产生新的塑性变形方式热塑性。热塑性。热塑性：温度升高时，原子的热运动加剧，晶格中原子处于一种不稳热塑性：温度升高时，原子的热运动加剧，晶格中原子处于一种不稳定的状态，若晶体受到外力作用，原子就会沿着应力梯度方向，由一定的状态，若晶体受到外力作用，原子就会沿着应力梯度方向，由一个平衡位置转移到另一个平衡位置个平衡位置转移到另一个平衡位置(不是沿着一定的晶面和晶向不是沿着一定的晶面和晶向)，使，使金属产生塑性变形，称热塑性。金属产生塑性变形，称热塑性。温度升高，导致晶界的切变抗力显著降低，晶界易于滑动；又由于温度升高，导致晶界的切变抗力显著降低，晶界易于滑动；又由于 扩散作用扩散作用的加强，及时消除了晶界滑动所引起的微裂纹。故金属在高温下具有良好的塑的加强，及时消除了晶界滑动所引起的微裂纹。故金属在高温下具有良好的塑性和低的变形抗力。性和低的变形抗力。蓝脆蓝脆(200-400)、热脆、热脆(800-950)为了提高材料的变形程度，减小变形力，确定变形温度时，必须根据材料为了提高材料的变形程度，减小变形力，确定变形温度时，必须根据材料的的力学性能曲线，以及加热对于材料产生的不利影响力学性能曲线，以及加热对于材料产生的不利影响(如晶间腐蚀、如晶间腐蚀、氢脆、氧化、脱碳等氢脆、氧化、脱碳等)合理选用，避免盲目性。合理选用，避免盲目性。第8页，此课件共15页哦冷冲压工艺与模具设计1.2 影响塑性和变形抗力的主要因素三、变形速度对塑性变形的影响三、变形速度对塑性变形的影响变形速度：指单位时间内应变的变化量。变形速度：指单位时间内应变的变化量。影响：影响：变形速度大时，临界切应力升高，变形抗力增加，塑性降低。变形速度大时，临界切应力升高，变形抗力增加，塑性降低。变形速度大时，温升高，金属软化。变形速度大时，温升高，金属软化。选择：选择：对于大型复杂零件的成形，宜用低速，以免变形不均匀，引起局部对于大型复杂零件的成形，宜用低速，以免变形不均匀，引起局部拉裂和起皱。拉裂和起皱。对于不锈钢、耐热合金、钛合金等对变形速度敏感的材料，宜用低速。对于不锈钢、耐热合金、钛合金等对变形速度敏感的材料，宜用低速。目前常规冲压使用的压力机工作速度较低，对金属塑性变形性能的影目前常规冲压使用的压力机工作速度较低，对金属塑性变形性能的影响不大。响不大。第9页，此课件共15页哦冷冲压工艺与模具设计1.2 影响塑性和变形抗力的主要因素四、应力应变状态对塑性变形的影响四、应力应变状态对塑性变形的影响1、塑性变形时的应力应变状态、塑性变形时的应力应变状态点的应力状态：点的应力状态：9种主应力图种主应力图(1、2、3拉、压，拉、压，1(2)拉拉1(2)压压)点的应变状态：点的应变状态：3种主应变图种主应变图(1伸伸1缩，缩，1伸伸2缩，缩，2伸伸1缩缩)2、应力状态对塑性变形的影响、应力状态对塑性变形的影响静水压力：三向等压应力状态。静水压力：三向等压应力状态。影响：影响：应力状态中压应力个数越多，压应力越大，即静水压力大，材料的塑性越好；反应力状态中压应力个数越多，压应力越大，即静水压力大，材料的塑性越好；反之，压应力个数少，压应力小，甚至存在拉应力，则塑性差。之，压应力个数少，压应力小，甚至存在拉应力，则塑性差。原因：原因：1)压应力阻止或减少晶间变形，提高塑性；压应力阻止或减少晶间变形，提高塑性；2)压应力会消除或抑制晶体塑性变形引起的微观变化压应力会消除或抑制晶体塑性变形引起的微观变化(破坏破坏)；3)压应力能抑制或消除原有的晶格缺陷；压应力能抑制或消除原有的晶格缺陷；4)三向压缩作用能抵消由于不均匀变形所引起的附加拉应力，防止表面三向压缩作用能抵消由于不均匀变形所引起的附加拉应力，防止表面裂纹的产生。裂纹的产生。第10页，此课件共15页哦冷冲压工艺与模具设计1.3 金属塑性变形的力学条件一、弹塑性变形共存规律一、弹塑性变形共存规律二、硬化曲线（真实应力二、硬化曲线（真实应力应变曲线）应变曲线）真实应力：塑变过程中，屈服应力在变化，即为真实应力。真实应力：塑变过程中，屈服应力在变化，即为真实应力。真实应变：冲压塑性成形通常属于大变形，物体塑性变形是一个逐渐积累的结果。在真实应变：冲压塑性成形通常属于大变形，物体塑性变形是一个逐渐积累的结果。在这种情况下，要反映真实的应变，就只能取变形过程中的某一微小时间间隔内的变形这种情况下，要反映真实的应变，就只能取变形过程中的某一微小时间间隔内的变形来考察，是谓真实应变。来考察，是谓真实应变。1、硬化曲线：多数近似于抛物线。、硬化曲线：多数近似于抛物线。立方晶格金属：立方晶格金属：硬化指数是表明材料冷变形硬化的重要参数，对板料的冲压性能以及冲压件的质量都有较大影响。硬化指数是表明材料冷变形硬化的重要参数，对板料的冲压性能以及冲压件的质量都有较大影响。大时，冷作硬化显著，对后续变形工序不利，有时需增加中间退火工序。但值大对于以伸长变形大时，冷作硬化显著，对后续变形工序不利，有时需增加中间退火工序。但值大对于以伸长变形为特点的成形工艺（如胀形、翻边等），由硬化引起的变形抗力的显著增加，可以抵消毛坯变形处局为特点的成形工艺（如胀形、翻边等），由硬化引起的变形抗力的显著增加，可以抵消毛坯变形处局部变薄而引进的承载能力的减弱，制止变薄处的进一步的发展，使之转移到别的尚未变形的部位，提部变薄而引进的承载能力的减弱，制止变薄处的进一步的发展，使之转移到别的尚未变形的部位，提高了变形均匀性，使变形后的零件壁厚均匀，刚性好，精度高。高了变形均匀性，使变形后的零件壁厚均匀，刚性好，精度高。2、屈服条件、屈服条件屈雷斯加准则：材料中的最大切应力达到某一定值时，材料就开始屈服。屈雷斯加准则：材料中的最大切应力达到某一定值时，材料就开始屈服。密赛斯准则：材料中的等效应力达到某一定值时，材料开始屈服。密赛斯准则：材料中的等效应力达到某一定值时，材料开始屈服。三、塑性变形的应力应变关系三、塑性变形的应力应变关系第11页，此课件共15页哦冷冲压工艺与模具设计1.3 金属塑性变形的力学条件三、塑性变形的应力应变关系三、塑性变形的应力应变关系1、塑性变形的体积不变规律、塑性变形的体积不变规律塑性变形的结果，物体主要发生形状的改变，而体积的变化很微小，塑性变形的结果，物体主要发生形状的改变，而体积的变化很微小，一般可以忽略不计，即：一般可以忽略不计，即：1230（三个主（三个主应变之和等于零）之和等于零）2、塑性变形的全量理论：、塑性变形的全量理论：主应力差与主应变差成比例主应力差与主应变差成比例应用：应用：1）球应力状态时，毛坯不产生塑变，仅有弹变）球应力状态时，毛坯不产生塑变，仅有弹变2）平面变形时，主应力与平均应力相等的方向上不产生塑变，且此主应力即为中）平面变形时，主应力与平均应力相等的方向上不产生塑变，且此主应力即为中间主应力。如宽板弯曲时的宽度方向。间主应力。如宽板弯曲时的宽度方向。3）平板毛坯胀形时，中心部位为双向拉伸一向压缩，产生变薄，且厚）平板毛坯胀形时，中心部位为双向拉伸一向压缩，产生变薄，且厚度方向的应变对另两方向的应变之和。度方向的应变对另两方向的应变之和。4）毛坯三向受压状态时，最大压应力方向上的变形一定是压缩变）毛坯三向受压状态时，最大压应力方向上的变形一定是压缩变形，最小压应力方向上一定是伸长变形。形，最小压应力方向上一定是伸长变形。第12页，此课件共15页哦冷冲压工艺与模具设计1.4 冲压成形中的变形趋向性及其控制一、结论：一、结论：在冲在冲压成形成形过程中，需要最小的程中，需要最小的变形力的区是个相形力的区是个相对的弱区，弱区必先的弱区，弱区必先变形，即，形，即，变形区形区为弱区。弱区。二、控制二、控制1、改变毛坯各部分的相对尺寸、改变毛坯各部分的相对尺寸原原则：相：相对尺寸不同，弱区位置不同。尺寸不同，弱区位置不同。2、改变模具工作部分的几何形状和尺寸。、改变模具工作部分的几何形状和尺寸。原原则：圆角半径增大，角半径增大，变形阻力减小。（如增大凸模形阻力减小。（如增大凸模圆角半径，角半径，减小凹模减小凹模圆角半径，即角半径，即为翻翻边变形；如反之，形；如反之，则为拉深拉深变形）形）3、改变毛坯与模具之间的摩擦阻力。、改变毛坯与模具之间的摩擦阻力。原原则：摩擦阻力大：摩擦阻力大则变形形较难，反之亦然。，反之亦然。4、改变毛坯局部区域的温度。、改变毛坯局部区域的温度。局部加局部加热，使金属，使金属软化，易于化，易于变形而成形而成为变形区；形区；局部冷却，增大承局部冷却，增大承载能力，使能力，使难于于变形而成形而成为非非变形区。形区。第13页，此课件共15页哦冷冲压工艺与模具设计1.5 板料的冲压性能和试验方法一、冲压成形性能：一、冲压成形性能：定义：材料对各种冲压成形方法的适应能力称为冲压成形性能。定义：材料对各种冲压成形方法的适应能力称为冲压成形性能。冲冲压成形性能好，就是指其便于冲成形性能好，就是指其便于冲压加工，加工，单个冲个冲压工序的极限工序的极限变形程度和形程度和总的极限的极限变形程度大，生形程度大，生产率高，成本低，容易得到高率高，成本低，容易得到高质量的冲量的冲压件。件。1、抗破裂性：、抗破裂性：成形极限（极限拉深系数，极限成形极限（极限拉深系数，极限胀形系数，极限翻形系数，极限翻边系数等）系数等）2、贴模性：模性：取得模具形状的能力。（内取得模具形状的能力。（内皱，翘曲，塌陷和鼓起等几何曲，塌陷和鼓起等几何面缺陷）面缺陷）3、定形性：、定形性：脱模后保持既得形状的能力。（回脱模后保持既得形状的能力。（回弹）二、试验方法二、试验方法1、间接试验：拉伸、硬度、金相等。、间接试验：拉伸、硬度、金相等。原原则：用力学性能来描述冲：用力学性能来描述冲压成形性能。成形性能。2、直接试验：模拟实验。、直接试验：模拟实验。原原则：模：模拟冲冲压加工，加工，测试冲冲压成形性能。成形性能。方法：方法：胀形成形性能形成形性能试验：测杯突杯突试验值IE（出（出现缩颈时的深度的深度值）拉深成形性能拉深成形性能试验：冲杯：冲杯实验，得到不拉破，得到不拉破时的最大毛坯直径。（极限拉深比）的最大毛坯直径。（极限拉深比）第14页，此课件共15页哦冷冲压工艺与模具设计END第15页，此课件共15页哦