【文章內(nèi)容簡介】 要的和有害的變形等等，則是獲得合格的高質(zhì)量沖壓件的根本保證。因此，分析研究沖壓成形中的變形趨向及控制方法，對制定沖壓工藝過程、確定工藝參數(shù)、設(shè)計沖壓模具以及分析沖壓過程中出現(xiàn)的某些產(chǎn)品質(zhì)量問題等，都有非常重要的實(shí)際意義。一般情況下，總是可以把沖壓過程中的坯料劃分成為變形區(qū)和傳力區(qū)。沖壓設(shè)備施加的變形力通過模具，并進(jìn)一步通過坯料傳力區(qū)作用于變形區(qū)，使其發(fā)生塑性變形。如圖17所示的拉深和縮口成形中，坯料的A區(qū)是變形區(qū)，B區(qū)是傳力區(qū)，C區(qū)則是已變形區(qū)。由于變形區(qū)發(fā)生塑性變形所需的力是由模具通過傳力區(qū)獲得的，而同一坯料上的變形區(qū)和傳力區(qū)都是相毗鄰的，所以在變形區(qū)和傳力區(qū)分界面上作用的內(nèi)力性質(zhì)和大小是完全相同的。在這樣同一個內(nèi)力的作用下，變形區(qū)和傳力區(qū)都有可能產(chǎn)生塑性變形，但由于它們之間的尺寸關(guān)系及變形條件不同，其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)也不相同，因而它們可能產(chǎn)生的塑性變形方式及變形的先后是不相同的。通常，總有一個區(qū)需要的變形力比較小，并首先滿足塑性條件進(jìn)入塑性狀態(tài)，產(chǎn)生塑性變形，我們把這個區(qū)稱之為相對的弱區(qū)。 如圖17a所示的拉深變形，雖然變形區(qū)A和傳力區(qū)B都受到徑向拉應(yīng)力σr作用，但A區(qū)比B區(qū)還多一個切向壓應(yīng)力σθ的作用，根據(jù)屈雷斯加塑性條件σ1σ3≥σs，A區(qū)中σ1σ3=σθ+σr，B區(qū)中σ1σ3=σr，因σθ+σr＞σr，所以在外力F的作用下，變形區(qū)A最先滿足塑性條件產(chǎn)生塑性變形，成為相對弱區(qū)。圖27沖壓成形時坯料的變形區(qū)與傳力區(qū)a)拉深 b)縮口A—變形區(qū)B—傳力區(qū)C—已變形區(qū)為了保證沖壓過程的順利進(jìn)行，必須保證沖壓工序中應(yīng)該變形的部分(變形區(qū))成為弱區(qū)，以便在把塑性變形局限于變形區(qū)的同時，排除傳力區(qū)產(chǎn)生任何不必要的塑性變形的可能。由此可以得出一個十分重要的結(jié)論：在沖壓成形過程中，需要最小變形力的區(qū)是個相對的弱區(qū)，而且弱區(qū)必先變形，因此變形區(qū)應(yīng)為弱區(qū)?！叭鯀^(qū)必先變形，變形區(qū)應(yīng)為弱區(qū)”的結(jié)論，在沖壓生產(chǎn)中具有很重要的實(shí)用意義。很多沖壓工藝的極限變形參數(shù)的確定、復(fù)雜形狀件的沖壓工藝過程設(shè)計等，都是以這個道理作為分析和計算依據(jù)的。如圖17a中的拉深變形，一般情況下A區(qū)是弱區(qū)而成為變形區(qū)，B區(qū)是傳力區(qū)。但當(dāng)坯料外徑D太大、凸模直徑d太小而使得A區(qū)凸緣寬度太大時，由于要使A區(qū)產(chǎn)生切向壓縮變形所需的徑向拉力很大，這時可能出現(xiàn)B區(qū)會因拉應(yīng)力過大率先發(fā)生塑性變形甚至拉裂而成弱區(qū)。因此，為了保證A區(qū)成為弱區(qū)，應(yīng)合理確定凸模直徑與坯料外經(jīng)的比值d/D(即拉深系數(shù))，使得B區(qū)拉應(yīng)力還未達(dá)到塑性條件以前，A區(qū)的應(yīng)力先達(dá)到塑性條件而發(fā)生拉壓塑性變形。當(dāng)變形區(qū)或傳力區(qū)有兩種以上的變形方式時，則首先實(shí)現(xiàn)的變形方式所需的變形力最小。因此，在工藝和模具設(shè)計時，除要保證變形區(qū)為弱區(qū)外，同時還要保證變形區(qū)必須實(shí)現(xiàn)的變形方式具有最小的變形力。例如，在圖116b所示的縮口成形過程中，變形區(qū)A可能產(chǎn)生的塑性變形是切向收縮的縮口變形和在切向壓應(yīng)力作用下的失穩(wěn)起皺，傳力區(qū)B可能產(chǎn)生的塑性變形是筒壁部分鐓粗和失穩(wěn)彎曲。在這四種變形趨向中，只有滿足縮口變形所需的變形力最小這個條件(如通過選用合適的縮口系數(shù)d/D和在模具結(jié)構(gòu)上采取增加傳力區(qū)的支承剛性等措施)，才能使縮口變形正常進(jìn)行。又如在沖裁時，在凸模壓力的作用下，坯料具有產(chǎn)生剪切和彎曲兩種變形趨向，如果采用較小的沖裁間隙，建立對彎曲變形不利(這時所需的彎曲力增大了)而對剪切有利的條件，便可在只發(fā)生很小的彎曲變形的情況下實(shí)現(xiàn)剪切，提高了沖件的尺寸精度。2.控制變形趨向性的措施在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，控制坯料變形趨向性的措施主要以下幾方面：(1)改變坯料各部分的相對尺寸實(shí)踐證明，變形坯料各部分的相對尺寸關(guān)系，是決定變形趨向性的最重要因素，因而改變坯料的尺寸關(guān)系，是控制坯料變形趨向性的有效方法。如圖18所示，模具對環(huán)形坯料進(jìn)行沖壓時，當(dāng)坯料的外徑D、內(nèi)徑d0及凸模直徑dT具有不同的相對關(guān)系時，就可能具有三種不同的變形趨向(即拉深、翻孔和脹形)，從而形成三種形狀完全不同的沖件：當(dāng)D、d0都較小，并滿足條件D/dT＜～d0/dT＜，寬度為(DdT)的環(huán)形部分產(chǎn)生塑性變形所需的力最小而成為弱區(qū)，因而產(chǎn)生外徑收縮的拉深變形，得到拉深件(見圖18b)；當(dāng)D、d0都較大，并滿足條件D/dT＞、d0/dp＜～，寬度為(dTd0)的內(nèi)環(huán)形部分產(chǎn)生塑性變形所需的力最小而成為弱區(qū)，因而產(chǎn)生內(nèi)孔擴(kuò)大的翻孔變形，得到翻孔件(見圖18c)；當(dāng)D較大、d0較小甚至為0，并滿足條件D/dT＞、d0/dT＜，這時坯料外環(huán)的拉深變形和內(nèi)環(huán)的翻孔變形阻力都很大，結(jié)果使凸、凹模圓角及附近的金屬成為弱區(qū)而產(chǎn)生厚度變薄的脹形變形，得到脹形件(見圖18 d )。脹形時，坯料的外徑和內(nèi)孔尺寸都不發(fā)生變化或變化很小，成形僅靠坯料的局部變薄來實(shí)現(xiàn)。(2)改變模具工作部分的幾何形狀和尺寸這種方法主要是通過改變模具的凸模和凹模圓角半徑來控制坯料的變形趨向。圖28環(huán)形坯料的變形趨向a)變形前的坯料與模具 b)拉深 c)翻孔 d)脹形如在圖18a中，如果增大凸模圓角徑rT、減小凹模圓角半徑rT，可使翻孔變形的阻力減小，拉深變形阻力增大，所以有利于翻孔變形的實(shí)現(xiàn)。反之，如果增大凹模圓角半徑而減小凸模圓角半徑，則有利于拉深變形的實(shí)現(xiàn)。(3)改變坯料與模具接觸面之間的摩擦阻力如在圖18中，若加大坯料與壓料圈及坯料與凹模端面之間的摩擦力(如加大壓力FY或減少潤滑)，則由于坯料從凹模面上流動的阻力增大，結(jié)果不利于實(shí)現(xiàn)拉深變形而利于實(shí)現(xiàn)翻孔或脹形變形。如果增大坯料與凸模表面間的摩擦力，并通過潤滑等方法減小坯料與凹模和壓料圈之間的摩擦力，則有利于實(shí)現(xiàn)拉深變形。所以正確選擇潤滑及潤滑部位，也是控制坯料變形趨向的重要方法。(4)改變坯料局部區(qū)域的溫度這種方法主要是通過局部加熱或局部冷卻來降低變形區(qū)的變形抗力或提高傳力區(qū)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對坯料變形趨向的控制。例如，在拉深和縮口時，可采用局部加熱坯料變形區(qū)的方法，使變形區(qū)軟化，從而利于拉深或縮口變形。又如在不銹鋼零件拉深時，可采用局部深冷傳力區(qū)的方法來增大其承載能力，從而達(dá)到增大變形程度的目的。冷沖壓材料冷沖壓所用的材料是冷沖壓生產(chǎn)的三要素之一。事實(shí)上，先進(jìn)的冷沖壓工藝與模具技術(shù)，只有采用沖壓性能良好的材料 ，才能成形出高質(zhì)量的沖壓件。因此，在冷沖壓工藝及模具設(shè)計中，懂得合理選用材料，并進(jìn)一步了解材料的沖壓成形性能，是非常必要的。材料的沖壓成形性能（自學(xué)）材料對各種沖壓成形方法的適應(yīng)能力稱為材料的沖壓成形性能。材料的沖壓成形性能好，就是指其便于沖壓成形，單個沖壓工序的極限變形程度和總的極限變形程度大，生產(chǎn)率高，容易得到高質(zhì)量的沖壓件，且模具損耗低，不易出廢品等。由此可見，沖壓成形性能是一個綜合性的概念，它涉及的因素很多，但就其主要內(nèi)容來看，有兩個方面：一是成形極限，二是成形質(zhì)量。1．成形極限成形極限：是指材料在沖壓成形過程中能達(dá)到的最大變形程度。對于不同的沖壓工序，成形極限是采用不同的極限變形系數(shù)來表示的。當(dāng)作用于坯料變形區(qū)的拉應(yīng)力為絕對值最大的應(yīng)力時，在這個方向上的變形一定是伸長變形，故稱這種沖壓變形為伸長類變形，如脹形、擴(kuò)口、圓孔翻孔等；當(dāng)作用于坯料變形區(qū)的壓應(yīng)力的絕對值最大時，在這個方向上的變形一定是壓縮變形，故稱這種沖壓變形為壓縮類變形，如拉深、縮口等。在伸長類變形中，變形區(qū)的拉應(yīng)力占主導(dǎo)地位，坯料厚度變薄，表面積增大，有產(chǎn)生破裂的可能性；在壓縮類變形中，變形區(qū)的壓應(yīng)力占主導(dǎo)地位，坯料厚度增厚，表面積減小，有產(chǎn)生失穩(wěn)起皺的可能性。由于這兩類變形的變形性質(zhì)和出現(xiàn)的問題完全不同，因而影響成形極限的因素和提高極限變形參數(shù)的方法就不同。伸長類變形的極限變形參數(shù)主要決定于材料的塑性，壓縮類變形的極限變形參數(shù)一般受傳力區(qū)承載能力的限制，有時則受變形區(qū)或傳力區(qū)失穩(wěn)起皺的限制。所以提高伸長類變形的極限變形參數(shù)的方法有：提高材料塑性；減少變形的不均勻性；消除變形區(qū)的局部硬化或其他引起應(yīng)力集中而可能導(dǎo)致破壞的各種因素，如去毛剌或坯料退火處理等。提高壓縮類變形的極限變形系數(shù)的方法有：提高傳力區(qū)的承載能力，降低變形區(qū)的變形抗力或摩擦阻力；采取壓料等措施防止變形區(qū)失穩(wěn)起皺等。2．成形質(zhì)量成形質(zhì)量：是指材料經(jīng)沖壓成形以后所得到的沖壓件能夠達(dá)到的質(zhì)量指標(biāo)，包括尺寸精度、厚度變化、表面質(zhì)量及物理力學(xué)性能等。影響沖壓件質(zhì)量的因素很多，不同沖壓工序的情況又各不相同，這里只對一些共性問題作簡要說明。材料在塑性變形的同時總伴隨著彈性變形，當(dāng)沖壓結(jié)束載荷卸除以后，由于材料的彈性回復(fù)，造成沖件的形狀與尺寸偏離模具工作部分的形狀與尺寸，從而影響了沖件的尺寸和形狀精度。因此，為了提高沖件的尺寸精度，必須掌握回彈規(guī)律，控制回彈量。材料經(jīng)過沖壓成形以后，一般厚度都會發(fā)生變化，有的變厚，有的減薄。厚度變薄后直接影響沖件的強(qiáng)度和使用，因此對強(qiáng)度有要求時，往往要限制其最大變薄量。材料經(jīng)過塑性變形以后，除產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象外，還由于變形不均勻，材料內(nèi)部將產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而引起沖件尺寸和形狀的變化，嚴(yán)重時還會引起沖件的自行開裂。消除硬化及殘余應(yīng)力的方法是沖壓后及時安排熱處理退火工序。板料的沖壓成形性能試驗(yàn)（自學(xué)）板料的沖壓成形性能是通過試驗(yàn)來確定的。板料沖壓成形性能的試驗(yàn)方法很多，但概括起來可分為直接試驗(yàn)和間接試驗(yàn)兩類。在直接試驗(yàn)中，板料的應(yīng)力狀態(tài)和變形情況與實(shí)際沖壓時基本相同，試驗(yàn)所得結(jié)果比較準(zhǔn)確。而在間接試驗(yàn)中，板料的受力情況和變形特點(diǎn)都與實(shí)際沖壓時有一定的差別，所得結(jié)果只能在分析的基礎(chǔ)上間接地反映板料的沖壓成形性能。1．間接試驗(yàn)間接試驗(yàn)有拉伸試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)和金相試驗(yàn)等。其中拉伸試驗(yàn)簡單易行，不需專用板料試驗(yàn)設(shè)備，而且所得的結(jié)果能從不同角度反映板料的沖壓性能，所以它是一種很重要的試驗(yàn)方法。板料拉伸試驗(yàn)的方法是：在待試驗(yàn)的板料的不同部位和方向上截取試料，制成如圖19所示的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，然后在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸。拉伸過程中，應(yīng)注意加載速度不能過快，開始拉伸時可按5mm/min以下速度加載，開始屈服時應(yīng)進(jìn)行間斷加載，并隨時記錄載荷大小和試樣截面尺寸。當(dāng)開始出現(xiàn)縮頸后宜改用手動加載，并爭取記錄載荷及試樣截面尺寸1～2次。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果或利用自動記錄裝置可繪得板料拉伸時的實(shí)際應(yīng)力—應(yīng)變曲線(如圖110的實(shí)線所示)及假象應(yīng)力—應(yīng)變曲線（即拉伸曲線，如圖110的虛線所示）。圖19拉伸試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)試樣通過拉伸試驗(yàn)，可以測得板料的強(qiáng)度、剛度、塑性、各向異性等力學(xué)性能指標(biāo)。根據(jù)這些性能指標(biāo)，即可定性估計板料的沖壓成形性能，現(xiàn)簡述如下：圖210實(shí)際應(yīng)力曲線與假象應(yīng)力曲線(1)強(qiáng)度指標(biāo)（屈服點(diǎn)σs、抗拉強(qiáng)度σb或縮頸點(diǎn)應(yīng)力σj）強(qiáng)度指標(biāo)對沖壓成形性能的影響通常用屈服點(diǎn)與抗拉強(qiáng)度的比值σs/σb(稱為屈強(qiáng)比)來表示。一般屈強(qiáng)比愈小，則σs與σb之間的差值愈大，表示材料允許的塑性變形區(qū)間愈大，成形過程的穩(wěn)定性愈好，破裂的危險性就愈小，因而有利于提高極限變形程度，減小工序次數(shù)。因此，σs/σb愈小，材料的沖壓成形性能愈好。(2)剛度指標(biāo)（彈性模量E、硬化指數(shù)n）彈性模量E愈大或屈服點(diǎn)與彈性模量的比值σs/E（稱為屈彈比）愈小，在成形過程中抗壓失穩(wěn)的能力愈強(qiáng)，卸載后的回彈量小，有利于提高沖件的質(zhì)量。硬化指數(shù)n可根據(jù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果求得。n值大的材料，硬化效應(yīng)就大，這對于伸長類變形來說是有利的。因?yàn)閚值愈大，在變形過程中材料局部變形程度的增加會使該處變形抗力增大，這樣就可以補(bǔ)償該處因截面積減小而引起的承載能力的減弱，制止了局部集中變形的進(jìn)一步發(fā)展，具有擴(kuò)展變形區(qū)、使變形均勻化和增大極限變形程度的作用。(3)塑性指標(biāo)（均勻伸長率δj或細(xì)頸點(diǎn)應(yīng)變εj、斷后伸長率δ或斷裂收縮率Ψ）均勻伸長率δj是在拉伸試驗(yàn)中開始產(chǎn)生局部集中變形（即剛出現(xiàn)縮頸時）的伸長率(即相對應(yīng)變)，它表示板料產(chǎn)生均勻變形或穩(wěn)定變形的能力。一般情況下，沖壓成形都在板料的均勻變形范圍內(nèi)進(jìn)行，故δj對沖壓性能有較為直接的意義。斷后伸長率δ是在拉伸試驗(yàn)中試樣拉斷時的伸長率。通常δj和δ愈大，材料允許的塑性變形程度也愈大。(4)各向異性指標(biāo)（板厚方向性系數(shù)r、板平面方向性系數(shù)Δr）板厚方向系數(shù)r是指板料試樣拉伸時，寬度方向與厚度方向的應(yīng)變之比，即 (29)式中，b0、b、t0、t分別為變形前后試件的寬度與厚度。r值的大小反映了在相同受力條件下板料平面方向與厚度方向的變形性能差異，r值越大，說明板平面方向上越容易變形，而厚度方向上越難變形，這對拉深成形是有利的。如在復(fù)雜形狀的曲面零件拉深成形時，若r值大，板料中部在拉應(yīng)力作用下，厚度方向變形較困難，則變薄量小，而在板平面與拉應(yīng)力相垂直的方向上的壓縮變形比較容易，則板料中部起皺的趨向性降低，因而有利于拉深的順利進(jìn)行和沖壓件質(zhì)量的提高。由于板料經(jīng)軋制后晶粒沿軋制方向被拉長，使平行于纖維方向和垂直于纖維方向材料的力學(xué)性能不同，因此在板平面上存在各向異性，其程度一般用板厚方向性系數(shù)在幾個特殊方向上的平均差值Δr（稱為板平面方向性系數(shù)）來表示，即Δr=(r0+r902r45)/2 (210)式中，r0、r90、r45分別為板料的縱向（軋制方向）、橫向及45176。方向上的板厚方向性系數(shù)。Δr值越大，則方向性越明顯，對沖壓成形性能的影響也越大。例如彎曲，當(dāng)彎曲件的折彎線與板料纖維方向垂直時，允許的極限變形程度就大，而當(dāng)折彎線平行于纖維方向時，允許的極限變形程度就小，且方向性越明顯，差異就越大。由此可見，生產(chǎn)中應(yīng)盡量設(shè)法降低板料的Δr值。由于存在板平面方向性，實(shí)際應(yīng)用中板厚方向性系數(shù)一般也采用加權(quán)平均值來表示，即=(r0+r90+2r45)/4 (211)2．直接試驗(yàn)直接試驗(yàn)（又稱模擬試驗(yàn)）是直接模擬某一種沖壓方式進(jìn)行的，故試驗(yàn)所得的結(jié)果能較為可靠地鑒定板料的沖壓成形性能。直拉試驗(yàn)的方法很多，下面簡要介紹幾種較為重要的試驗(yàn)方法。(1)彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)的目的是鑒定板料的彎曲性能。常用的彎曲試驗(yàn)是往復(fù)彎曲試驗(yàn)，如圖111所示，將試樣夾持在專用試驗(yàn)設(shè)備的鉗口內(nèi)，反復(fù)折彎直至出現(xiàn)裂紋。彎曲半徑r越小，往復(fù)彎曲的次數(shù)越多，材料的成形性能就越好。這種試驗(yàn)主要用于鑒定厚度在2mm以下的板料。圖211往復(fù)彎曲試驗(yàn)(2)脹形試驗(yàn)鑒定板料脹形成形性能的常用試驗(yàn)方法是杯突試驗(yàn)，試驗(yàn)原理如圖112所示。試驗(yàn)時將符合試驗(yàn)尺寸的板料試樣2放在壓料圈4與凹模1之間壓緊，使凹?？卓谕馐軌翰糠值陌辶蠠o法流動。然后用試驗(yàn)規(guī)定的球形凸模3將試樣壓入凹模，直至試樣出現(xiàn)裂紋為止，測量此時試樣上的凸包深度IE作為脹形性能指標(biāo)。IE值越大，表示板料的脹形性能越好。圖212脹形試驗(yàn)（杯突試驗(yàn)）1凹模 1試樣 3球形凸模 4壓料圈(3)拉深試驗(yàn)鑒定板料拉深成形性能的試驗(yàn)方法主要有筒形件拉深試驗(yàn)和球底錐形件拉深試驗(yàn)兩種。圖122所示為筒形件拉深試驗(yàn)（又稱沖杯試驗(yàn)）的原理，依次用不同直徑的圓形試樣(直徑級差為1mm)放在帶壓邊裝置的試驗(yàn)用拉深模中進(jìn)行拉深，在試樣不破裂的條件下，取可能拉深成功的最大試樣直徑Dmax與凸模直徑dp的比值Kmax作為拉深性能指標(biāo)，即Kmax=Dmax/dp(212)Kmax稱為最大拉深程度。Kmax越大，則板料的拉深成形性能越好。圖113筒形件拉深試驗(yàn)(沖杯試驗(yàn))圖114球底錐形件拉深試驗(yàn)（福井試驗(yàn)）圖114所示為球底錐形件拉深試驗(yàn)（又稱福井試