第 6 章塑性成形技术

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。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 基本塑性形成方法分类

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。

(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。

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。

（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 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6-7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。（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。

（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。 时，称为窄板，弯曲时，宽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；板料称为宽板，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。

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。（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6-11 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。（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。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。

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

（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。（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。（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。

（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。（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

（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。（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。当 或时，制件会开裂。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。

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 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。（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。（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。

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。(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。(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。

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:(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。

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。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。

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