第7章 板料的冲压成形性能与成形极限

提高两类成形方法的成形极限的途径与方法不一致：
A、提高拉伸类成形极限的措施
1）、提高材料的塑性 如成形前（包括冲裁后）的退火、多次成形时的中间退 火，都是为了消除原材料或坯料的硬化、冲裁时生成的断面硬 化层及成形工序中形成的硬化，以提高材料塑性，从而提高极
限变形程度。
2）、减小变形不均匀的程度
向上的变形一定是伸长变形——伸长类成形。包括冲压应变图 中MON、NOA、AOB、BOC、COD。 作用于毛坯变形区内的压应力的绝对值最大时，在这个方 向上的变形一定是压缩变形——压缩类成形。包括冲压应变图
中MOL、LOH、HOG、GOEC、EOD。
MOD是伸长类成形和压缩类成形分界线（冲压应变图中）。 FOB是伸长类成形和压缩类成形分界线（冲压应力图中）。
F）
当0 > σ1 > σ2 >σ3 时，在最小压应力σ3方向上的变
形一定是压缩变形，而在最小压应力σ1 方向上的变形一定 是伸长变形。
例如：
缩口变形区的切向压应力绝对值最大，
故切向为压缩变形；径向压应力绝对值最小， 故径向为拉伸变形。
2、冲压成形的力学特点与分类
对冲压件变形毛坯进行分区：
成形工 序 变形区 已变形 区 待变形区 传力区 单纯不变区
二、冲压成形区域与成形性能的划分 1、冲压成形区域划分 四种典型成形：圆柱形凸模胀形、 伸长类翻边（包括扩孔）、拉深、弯曲。 （教材图P6-1、6-2、 6-3、 6-4 、 6-5）
2、冲压成形性能划分
在四种典型成形中，破裂有三种典型形式： α破裂——由于板料所受拉应力超过材料强度极限引起的
破裂；
第7章
板料的冲压成形性能与成形极限
航空航天工程学部
主讲：贺平
7、0 冲压成形基本规律 1、冲压变形的应力与变形特点 1）应力的表示 A）材料力学中的力 外力——变形物体受到其它物体所作用的力。 内力——变形物体内部相互作用的力，包括由外力引起 的内力及内部原有的相互作用的内力。 应力——单位面积上内力的集度或截面上各处内力的分布。 应力：拉应力、压应力、弯曲应力 单向、双向、三向应力状态。
变形特点，从塑性变形力学理论角度可归纳为如下四种情 况： １）毛坯变形区受双向拉应力的作用，有两种情况： σr > σθ > 0 σθ > σr > 0 例：翻边、胀形、弯曲（外区） 冲压应力图中： AOH、HOG
冲压应变图中： AON、AOC
２）毛坯变形区受双向压应力的作用，有两种情况：
σr < σθ < 0 σθ < σr < 0
即当毛坯受二向等拉时，在拉应力作用方向上为伸长变
形，而在另一个没有主应力作用方向上为压缩变形，其值为
每个伸长变形的二倍。
例如：平板毛坯胀形。
E）
当σ1 > σ2 >σ3 >0时，则在最大拉应力σ1方向上的变
形一定是伸长变形，而在最小拉应力σ3方向上的变形一定 是压缩变形。 例如： 在双向受拉应力作用的胀形变形时， 在拉应力作用方向上的变形是伸长变形， 而在没有主应力作用的厚度方向变形是 压缩变形，引起毛坯厚度减薄。
3）常用的塑性理论 A、屈服条件 B、体积不变方程 C、全量理论 D、增量理论
E、板料拉伸失稳理论
F、板料压缩失稳理论 G、板料各向异性里理论 H、加工硬化里理论 I、剪切变形理论—对分离、成形各种工序的分析、计算都有
E-H主要用于指导分析板材冲压性能方面的研究。如：关于
成形性能的描述、评定或度量，关于贴模性能、成形缺陷问题 的影响规律性、成形精度分析等。
ε3 < 0 ，且有ε3= -2ε2= -2ε1。
即在单向受压时，在压应力作用方向上为压缩变形，在其余 两个方向上产生数量相同的伸长变形，而且压缩变形为每一个伸 长变形的二倍。
例如：翻边过程毛坯孔口边缘属单拉，拉深、
缩口过程毛坯孔口边缘属单压。
D）
当σ1=σ2 >0 时而且σ3=0 时，ε１=ε２=-ε３/2
Ｂ、提高压缩类成形极限的措施
１）降低变形区的变形抗力、摩擦阻力，提高传力区承载能 力。
如：各种特殊拉深方法（局部加热拉深、局部冷拉深、强
制润滑拉深等） ２）积极防止毛坯变形区失稳起皱 如：有效的压边方法（足够大的压边力、合理的压边间 隙）、合理设计模具工作部分的形状与尺寸、合理设计具
有较高抗失稳能力的中间毛坯形状。
４）毛坯变形区受异号应力的作用，且压应力的绝对值大于拉
应力的绝对值，有两种情况： σr > 0 > σθ，及|σr | < |σθ|
σθ > 0 > σr，及|σθ| < |σr|
例：拉深 冲压应力图中： EOF、BOC 冲压应变图中： MOL、DOC
冲压成形工序分为：伸长类成形和压缩类成形。
作用于毛坯变形区内的拉应力的绝对值最大时，在这个方
B）（弹）塑性力学中的力
指变形体内每一点的受力情况——用点的应力状态表示
x ij yx zx
xy xz 0 1 0 y yz 或 ij 0 2 0 0 zy z 0 3
C）冲压工艺中的应力——用主应力表示
增厚
变形区受压严重而失稳起皱， 传力区拉破或受压失稳 一般不受材料塑性影响，板 厚影响较大 提高传力区承载能力，提高 变形区抗压失稳能力，常用 多次成形方法
典型工序
胀形、翻边、扩口、湾区（外层） 拉深、缩口、湾区（内层）
7、1
冲压成形区域与成形极限 板料对冲压成形工艺的适应能力叫板料的冲压成形性能。 板料在成形过程中可能出现两种失稳：
例：缩口
冲压应力图中： COD、DOE 冲压应变图中： GOE、GOL
３）毛坯变形区受异号应力的作用，且拉应力的绝对值大于压
应力的绝对值，有两种情况：
σr > 0 > σθ，及|σr | > |σθ| σθ > 0 > σr，及|σθ| > |σr| 例：扩口 冲压应力图中： GOF、AOB
冲压应变图中： MON、COD
反。——平面变形状态。
结论：平面变形时，必定有σ2=σm=（σ1+σ2+σ3)/3 或σ2= （σ1+σ3)/2 例如：宽板弯曲时，若视εb=0，则为此情况。
Ｂ）
当σ1=σ2=σ3 =σm时，必定有ε１=ε２=ε３＝０ 。 即当三个主应力相等时，毛坯处于三向等拉或等压的应
力状态作用，此时毛坯不产生任何塑性变形，仅有弹性变形存 在。 （ 冲压加工中无此情况发生。） C） 当σ1>0 而且σ2=σ3=0 时，毛坯受到单向拉应力作用。
大部分冲压成形的变形，其主轴方向不变，主应力之间的 比例保持不变，即属于简单加载与积极变形过程，是一种单调 变形或称为连续加工过程，故两种理论(增量理论、全量理论) 均可以应用。 利用上述理论，可对冲压成形中毛坯的变形和应力性质作
分析。
4）应力应变性质的大致分析 A）当σ2—σm=0时，必定有ε2=0。 因为ε１＋ε２＋ε３＝０，所以ε１＝－ε３。 即主应力与平均应力相等的方向上不产生塑性变形， 而另外两个方向上的塑性变形在数量上相等，在方向上相
拉深 翻边 缩口
A A A
B B B
—— —— C
B B C
D D ——
毛坯变形区的受力情况和变形特点是决定各种冲压成形 根本性质的主要依据。 绝大多数冲压成形都是平面应力状态， σt =0；变形区 的应力是板平面上互相垂直的两个主应力，一个径向应力，
一个切向应力；大多数冲压变形属于轴对称变形。
因此把所有冲压变形方式按毛坯变形区的应力状态和
３）以降低变形区的变形抗力为主要目的的退火 如：多次拉深时的中间退火，其目的与伸长类成形时以增 加材料塑性为主要目的的退火不同（方法也不尽相同）。 例：以极限拉深系数进行一次拉深工序后，如不退火，仍
然可以继续进行下一次拉深变形程度较小的拉深工序；但以极
限胀形系数进行一次胀形后，如不经过恢复塑性的退火，再进 行下一次增加变形程度的胀形是不可能的，即使采用较小的变 形程度也是一样的。
7、2
冲压成形性能试验方法与指标 模拟试验，是指模拟某一类实际成形方法来成形小尺
A-D不是针对塑性变形的成形极限，而是针对变形的发生
及发展过程中的应力应变关系。
屈服条件：是指进入塑性变形状态。材料力学中的最大剪应力
理论是其原始形式。拉深力计算、弯曲时应力中性
层内移都利用该条件。 体积不变假设：其前提是忽略金属材料在塑性变形中可能的微 量体积变化，并不计弹性变形量。应用于分析冲压 变形中应力应变方向、弯曲件展开长度计算、各种
两类冲压成形的对比
项目 变形区应力应变关系
拉伸类成形 拉应力绝对值最大的方向对应的 变形一定是拉伸变形
压缩类成形 压应力绝对值最大的方向对 应的变形一定是压缩变形
变形区材料厚度变化
变形区质量问题的表现形式 成形极限影响因素 提高成形极限的方法
减薄
变形区因受拉过渡而破裂或颈缩 主要受材料的塑性限制，与板厚 关系不大 提高板料塑性，使变形均匀化， 一般少用多次成形方法
设法使变形趋向均匀，减小局部的集中变形，可以使总的 均匀变形程度加大。
例如：胀形时均匀而有效地润滑可使变形更均匀，提高总
体的变形程度。 另外：材料硬化性能的提高（提高n值），也能防止产生 过分集中的局部变形，使胀形、翻边、扩口等极限变形程度提 高。
３）、消除局部硬化层或引起应力集中的因素 如：用整修或切削方法去除冲裁断面的硬化层、粗糙的 断面及毛刺，或者将带毛刺侧的毛坯表面置于弯曲模、翻边 模中朝向冲头的方向，可减少拉伸类成形开裂现象，从而提 高成形极限。
1 0 ij 0 2 0 0 0 0 3
一般取变形坯料的径向、板厚方向及切向（周向）