材料成型原理ppt

冲裁加工时，变形区集中在凸模与 凹模刃口连线为中心的狭窄区域。凸 模与凹模间隙的微小变化对变形区大 小及变形区内材料所受应力状态都有 很大影响。因此，凸、凹模间隙c 是 冲裁工艺计算及模具设计中的主要工 艺参数。一般，合理间隙值为材料厚 度的5％～10％。
6.1.2 弯曲 1）弯曲变形特点 （1）弯曲变形过程
图6－4
变形区应力状态
（4）冲裁力－行程曲线
图6-5显示冲裁力－行程曲线。可见， 塑性材料在最大剪切力之后产生裂纹， 低塑性材料在剪切力上升阶段就产生了 裂纹。在合理间隙( ）条件下， 裂纹产生到断裂，冲裁力急剧下降。小 c 合理 间隙时，会产生二次剪切，使冲裁力下 降缓慢，严重时会在力的下降阶段产生 局部回升。
分 板 离
成形 方法 落料
基本塑性形成方法分类 简 图 特点及应用范围 用模具沿封闭轮廓线 冲切，冲下部分是零 件。用于制造各种平 板零件或者成形工序 制坯 用模具沿封闭轮廓线 冲切，冲下部分是废 料。用于冲制各类零 件的孔形 把板料沿直线弯曲成 各种形状，板料外层 受拉伸力，内层受压 缩力。可加工形状复 杂的零件
通过模具使坯料在强烈压应力作 用下从模孔中挤出以获得所需尺 寸、形状和性能的制件。可生产 各种型材或直接加工零件
挤压
成
形
拉拔
使金属通过凹模进行拉伸，得到 其截面与凹模孔截面相同的棒料、 管材或线材
材料成形技术基础
§6.1 板料成形方法及其模具
6.1.1 冲裁 1)冲裁加工特点 (1)冲裁过程
如图所示，冲裁包括弹性变形、塑 性变形和断裂分离三个阶段。
图6-11
弯曲力-行程曲线
（5）弯曲件尺寸与厚度变化特征
以中性层为界，外层受拉伸长 而厚度减薄，内层受压缩短使板料 增厚。在r/t≤4时，中性层位置内移。 结果使外层拉伸变薄区扩大，内层 压缩增厚区减小，外层的减薄量大 干内层的增厚量，从而使板料变薄， 总长度有所增加。
2）主要工艺参数
弯曲加工中，相对弯曲半径r/t反 映弯曲变形程度，当r/t≤(r/t)min时， 弯曲件会开裂；r/t大时，回弹严重， 制件形状与尺寸难控制。生产中， r/t是弯曲工艺计算和模具设计最主 要工艺参数。（r/t)min表示弯曲加工 极限。
f
2)主要工艺参数
胀形工序种类繁多，表示胀形变形 程度的参数也不相同。 在生产中，常用 工程应变: ＝(l l0 ) 100％/l0 (压筋：l0—原始长度，l—变形后弧长)、 胀形深度:h(压凸包) 胀形系数:K=dmax/d(圆柱空心件胀形， dmax—胀形后最大直径，d—圆筒毛坯直径)等 参数来表示胀形变形程度。
（4）拉深力－行程曲线
由图6-14可见，变形初到中期， 硬化使拉深力增大的速度超过法兰面 积减小使拉深力降低的速度，拉深力 增加。二者对于拉深力增、减速度影 响处于均衡的瞬时，力达到最大值。 此后，面积减小使拉深力降低的速度 超过加工硬化使拉深力增大的速度， 拉深力下降。
图6-14
拉深力-行程曲线
图6-7显示了V形件弯曲变形过程。 包括弹性弯曲，弹－塑性弯曲、塑性 弯曲和校正弯曲四个阶段。
图6-8 弯曲变形区
图6-7 弯曲变形过程
图6-9
弯曲变形区及应力状态变化
（2）主要变形区
如图所示。板料主要变形区是曲率 发生变化的圆角部分。此处，原正方 形网格变成了扇形。在圆角区，板料 内层受压缩短，外层受拉伸长。由内、 外层表面至板料中心，各层的缩短和 伸长程度不同，变形是极不均匀的。 在缩短和伸长层之间存在一长度不变 的应变中性层。
图6-15
拉深变形规律
如图6-18所示，当相对法兰直 径比 时，法兰处进行拉 d / d 2.5 深变形的阻力大于底部胀形变形 所需的力，工序性质属于胀形。 与拉深加工相同，除了毛坯几何 尺寸外，压边力大小、润滑和摩 擦条件、模具的形状与几何尺寸 等因素也会在不同程度上影响到 工序的变形性质。
2）主要工艺参数
翻边系数Kf=d0/d反映了翻边加 工的变形程度。当Kf<Kfmin时，翻边 件会产生破裂。在生产中，翻边系 数Kf是进行翻边工艺计算和模具设 计的最主要工艺参数。Kfmin表示内孔 翻边的加工极限。
6.1.6 复合成形
指同时或分先后具有两种或两种 以上变形性质的冲压工序。前面论 述的冲裁、弯曲、拉深、胀形、翻 边都是最基本的冲压工序。严格地 说，几乎所有的冲压工序都是由基 本工序以不同的方式和不同的比例 组合起来的复合成形工序。
材料成形技术基础
第 6章
塑性成形技术
塑性成形技术可分为板料成 形和体积成形两大类。板料成形 是对金属板料在室温下加压以获 得所需形状和尺寸零件的成形方 法，习惯上称为冲压或冷冲压。 体积成形是指对金属块料、棒料 或厚板在高温或室温下进行成形 加工的方法，塑性成形方法分类 见表6-1。
表6-1
分类
形 胀形
工 翻边
序
分类
成形方法
简
图
特点及应用范围
用通用工具或模具对金属加压， 通过金属体积转移和分配来获得 零件或毛坯的成形方法。自由锻 主要用于单件、小批量或大锻件 生产；模锻适用于大批量生产
锻造
体
轧制
积
通过一对旋转坯料局部加压连续 成形的加工方法。可以生产型材， 板材和管材，也可利用其原理来 生产零件或毛坯
胀形变形过程
（2）主要变形区
如图6-16所示，在胀形变形过程 中，毛坯被带有凸筋的压边圈压紧， 变形区被限制在凸筋以内的局部区域 内。与拉深不同，胀形时，变形区是 在不断扩大的。
（3）变形区应力、应变状态
如图6-17所示，在变形区内，坯料 在双向拉应力作用下，沿切向和径 向产生伸长变形，厚度变薄，表面 积增大。生产中的起伏成形、压凸 包、压筋、圆柱形空心毛坯的鼓肚 成形、波纹管及平板毛坯的张拉成 形等都属于胀形成形。
6.1.3 拉深 1）拉深变形特点 （1）拉深变形过程
如图6-12所示，凸模与毛坯接触时， 毛坯首先弯曲，与凸模圆角接触处的 材料发生胀形。凸模继续下降，法兰 部分坯料在切向压应力、径向拉应力 作用下通过凹模圆角向直壁流动，进 行拉深变形。拉深是弯曲、胀形、拉 深的变形过程。
图6-12 拉深变形过程
（3）变形区应力、应变状态
应力、应变状态与板料相对宽度有 关。 b / t 时，称为窄板，弯曲时，宽 3 度方向上材料可自由变形，沿宽度方 向的应力近似为零，变形区处于平面 应力和立体应变状态； b / t 板料称为 3 宽板，弯曲时，宽度方向变形阻力较 大，弯曲后板宽基本不变。故沿宽度 方向应变近似为零，变形区处于平面 应变和立体应力状态。
（4）Biblioteka Baidu孔翻边力－行程曲线
在翻边变形过程中，由于变形区 的减少和加工硬化对扩孔、翻边力 的相反效果，力－行程曲线与拉深 时类似，也会出现由上升到下降的 起伏形状。
图6-20
翻边力-行程曲线
（5）翻边变形规律
如图6-15所示，当毛坯外径足够 大，预制孔径也较大时，拉深变形 和胀形变形阻力大于扩孔变形阻力， 变形的性质由扩孔和翻边来决定。 摩擦与润滑条件、压边力、模具的 几何形状等因素也会在不同程度上 影响到工序的变形性质及翻边在整 个成形过程中所占的比例。
制件出现 裂纹或缩颈时的 最大参数 max、 hmax、和Kmax作为 胀形变形的加工 极限。
6.1.5 翻边 1）翻边变形特点 (1)翻边变形过程
如图6-19a，带圆孔的环形毛坯被压 边圈压紧，当滑块下行时，板料产生 弯曲的同时，底孔不断扩大，凸模下 材料向侧面转移，直到完全贴靠凹模 形成直立竖边。翻边变形过程实质是 弯曲、扩孔和翻边的变形的过程。
（2）主要变形区
如图6-13所示，拉深成形件可分为 底部、壁部和法兰三个部分。在拉深 过程中，底部为承力区，很少发生变 形。壁部为传力区，也是已变形区。 法兰部分是拉深的主要变形区。
图6-13
拉深件的区域划分
（3）变形区应力、应变状态
如图6-13所示，在拉深过程中，主 要变形区坯料所受应力、应变状态 为：切向应力和应变均为负；径向 应力和应变均为正；在有压边存在 时，厚向应力为负，应变为正。
(2)主要变形区
如图所示，冲裁加工时，板料的 主要变形区是以凸模与凹模刃口连 线为中心的纺锤形区域。变形区的 大小与材料特性、模具间隙和约束 条件等因素有关。
a ) v场
b) u场
图6－3
变形区云纹图
（3）变形区应力状态
图6-4显示了无压料冲变形区的应 力状态，由于刃口侧面的轴向应力 为拉应力，故裂纹往往先从侧面产 生，形成毛刺。
6.1.4 胀形 1）胀形变形特点 (1)胀形变形过程
如图6-16，凸模与毛坯接触，凹模 圆角处坯料发生弯曲。同时，凸模底 部毛坯产生胀形变形。坯料屈服后硬 化，变形向外扩展。随后，材料全部 进入塑性变形。胀形变形是弯曲、局 部胀形以及由于加工硬化，贴模面积 增加，胀形向外扩展的过程。
图6-16
图6-10
变形区应力、应变状态
（4）弯曲力—行程曲线
图6-11显示了弯曲时的力—行程曲线。 从曲线中可以看出，板料首先发生弹 性弯曲，之后进入弹塑性和塑性弯曲。 在此阶段，变形程度增大，硬化加剧， 但与此同时变形区范围减小，故弯曲 力基本不变或略有减小。当凸、凹模 与板料贴合并进行校正弯曲时，弯曲 力将急剧增大。
图6-17 胀形变形区应力、应变状态
(4)胀形力－行程曲线
与拉深不同，胀形时变形区是在 不断扩大的。因此，胀形变形的力 －行程曲线是单调增曲线，产生破 裂时，胀形力达到最大值。胀形破 裂也属于强度破裂。
(5)胀形变形规律
如图6-15所示，在无凸筋强制压 边的条件下，坯料也会产生胀形变 形。此时，胀形变形的性质和胀形 在整个工序中所占的比例与毛坯尺 寸有关。当毛坯的外径足够大、内 径较小时，拉深与内孔翻边变形阻 力大于胀形变形阻力，变形的性质 由胀形来决定。
料 工
序 成
冲孔
成 弯曲 形 工 形 序
成
拉深
法兰区坯料载切向压应 力、径向拉应力作用下 向直壁流动，制成筒形 或带法兰的筒形零件
平板毛坯或者管坯载 双向拉应力作用下产生 双向伸长变形。用于成 形凸包、凸筋或鼓凸空 心零件 在预先冲孔的板料或 未经冲孔的板料是上， 载双向拉应力作用下产 生切向伸长变形，冲制 带有直边的空心零件
（5）拉深变形规律
图6-15显示了毛坯几何尺寸和板 料成形工序类型的关系。由图可见， 若毛坯底部带有底孔时，坯料在外力 作用下可能产生拉深、胀形和内孔翻 边三种形式的变形。坯料进行哪种形 式的变形由金属的变形规律所决定， 即金属的变形对应于最低的载荷值。
图6-15
拉深变形规律
2)主要工艺参数
拉深系数m＝d/D或它的倒数拉 深比R＝D/d反映了拉深变形程度。 mm 当 或 时，制件会开 R Rmax min 裂。在生产中，m或R是进行工艺计 算和模具设计的最主要工艺参数。 mmin或Rmax表示拉深的加工极限。一 般而言，圆筒形件的首次极限拉深 系数mmin为0.5左右。
在加工球面、锥面和抛物面等曲 面形状的零件，矩形盒和宽法兰拉深 件，汽车、拖拉机上的许多覆盖件和 一些复杂形状的零件时，很难确定其 占主导地位的冲压工序性质，我们称 这类零件为复合成形件。
在复合成形加工中，掌握金属的 变形规律，控制金属的流动及变形模 式的转换，把握问题的主要方面是决 定工序成败及制件质量的关键。在生 产中、复合成形的加工极限通常由起 主导作用成形工序的加工极限和材料 的复合成形性能来决定。
（5）冲裁件断面特征
冲裁件断面由圆角带、光亮带、断 裂带和毛刺四部分组成。圆角带是刃 口附近板料弯曲和伸长变形的结果， 是变形区对这部分坯料作用而产生的。 光亮带是在侧压力作用下板料相对滑 移的结果。由于裂纹的产生一般在刃 口侧面，故在普通冲裁加工中总有毛 刺产生。
图6-6 冲裁件断面特征
2）主要工艺参数
图6-19
翻边变形过程与变形区应力、应变状态
（2）主要变形区
如图6-19a所示，内孔翻边时， 主要变形区被限制在凹模圆角以内 的(d—d0)环形区域内。与拉深成形 相同，在内孔翻边过程中，变形区 在不断缩小。
（3）变形区应力、应变状态
由图6-19b，变形区应力状态为双 向拉应力状态。孔边缘处，板料径 向可自由变形，故 为零而 r 达最 大值。与胀形变形不同，内孔翻边 成形时，在双向拉应力作用下，板 料沿圆周方向伸长，板厚减薄，但 因厚度减薄量小于圆周方向的伸长 量，故径向收缩。