1、 第2章 冷沖壓變形基礎知識內容簡介：本章講述沖壓變形的基礎知識。涉及塑性變形、塑性、變形抗力、主應力狀態、主應變狀態等概念；沖壓成形基本原理和規律；沖壓成形性能及常見沖壓材料及其在圖紙上的表示等。學習目的與要求：1、 掌握塑性變形、塑性、變形抗力、主應力狀態、主應變狀態等概念；2、掌握屈服準則、塑性變形時應力應變關系、體積不變條件、硬化規律、卸載彈性恢復規律和反載軟化現象、最小阻力定律等沖壓成形基本規律；3、了解沖壓成形性能指標，認識常見沖壓材料；重點：塑性變形、塑性、變形抗力、主應力狀態、主應變狀態等概念、沖壓成形基本規律及應用、沖壓成形性能指標、常見沖壓材料及其在圖紙上的表示；難點：沖壓

2、成形基本規律、沖壓成形性能。冷沖壓成形是金屬塑性加工的主要方法之一，冷沖壓成形的理論是建立在金屬塑性變形理論的基礎之上。因此，要掌握冷沖壓成形的加工技術，就必須對金屬的塑性變形性質、規律及材料的沖壓成形性能等有充分的認識。2.1 塑性變形理論基礎 2.1.1 影響金屬塑性和變形抗力的因素1、塑性變形、塑性與變形抗力的概念塑性變形：物體在外力作用下會產生變形，若外力去除以后，物體并不能完全恢復自己的原有形狀和尺寸；塑性：物體具有塑性變形的能力稱為塑性，塑性的好壞用塑性指標來評定。塑性指標是以材料開始破壞時的變形量表示，它可借助于各種試驗方法測定。變形抗力：在一定的變形條件（加載狀況、變形溫度及速

3、度）下，引起物體塑性變形的單位變形力。變形抗力反映了物體在外力作用下抵抗塑性變形的能力。塑性和變形抗力是兩個不同的概念。通常說某種材料的塑性好壞是指受力后臨近破壞時的變形程度的大小，而變形抗力是從力的角度反映塑性變形的難易程度。如奧氏體不銹鋼允許的塑性變形程度大，說明它的塑性好，但其變形抗力也大，說明它需要較大的外力才能產生塑性變形。2、塑性變形對金屬組織和性能的影響金屬受外力作用產生塑性變形后，不僅形狀和尺寸發生變化，而且其內部組織和性能也將發生變化，這些變化可以歸納為以下四個方面：(1)形成了纖維組織 (2)形成了亞組織 (3)產生了內應力 (4)產生了加工硬化 3、影響金屬塑性及變形抗力

4、的因素金屬的塑性不是固定不變的，影響因素很多，主要有以下幾個方面：(1)金屬的成分和組織結構 一般來說，組成金屬的元素越少(如純金屬和固熔體)、晶粒愈細小、組織分布愈均勻，則金屬的塑性愈好。(2)變形時的應力狀態 金屬變形時，壓應力的成分愈多，金屬愈不易破壞，其可塑性也就愈好。與此相反，拉應力則易于擴展材料的裂紋與缺陷，所以拉應力的成分愈大，愈不利于金屬可塑性的發揮。(3)變形溫度 變形溫度對金屬的塑性有重大影響。就大多數金屬而言，其總的趨勢是：隨著溫度的升高，塑性增加，變形抗力降低（金屬的軟化）。(4)變形速度 變形速度是指單位時間內應變的變化量，但在沖壓生產中不便控制和計量，故以壓力機滑塊

5、的移動速度來近似反映金屬的變形速度。 一般情況下：對于小型件的沖壓，一般可以不考慮速度因素，只需考慮設備的類型、標稱壓力和功率等；對于大型復雜件，宜采用低速成形（如采用液壓機或低速壓力機沖壓）。另外，對于加熱成形工序，變形速度比較敏感的材料（如不銹鋼、耐熱合金、鈦合金等），也宜低速成形。(5)尺寸因素 同一種材料，在其他條件相同的情況下，尺寸越大，塑性越差。這是因為材料尺寸越大，組織和化學成分越不一致，雜質分布越不均勻，應力分布也不均勻。例如厚板沖裁時，產生剪裂紋時凸模擠入板料的深度與板料厚度的比值(稱為相對擠入深度)比薄板沖裁時小。2.1.2 塑性變形時的體積不變定律在沖壓過程中，材料的塑性

6、變形都是模具對材料施加的外力所引起的內力或內力直接作用的結果。一定的力的作用方式和大小都對應著一定的變形，所以為了研究和分析金屬材料的變形性質和變形規律，控制變形的發展，就必須了解材料內各點的應力與應變狀態以及它們之間的相互關系。即 1+2+3=0 (2-1)這就是塑性變形時的體積不變定律，它反映了三個主應變之間的數值關系。根據體積不變定律，可以得出如下結論： 塑性變形時，物體只有形狀和尺寸發生變化，而體積保持不變。 不論應變狀態如何，其中必有一個主應變的符號與其他兩個主應變的符號相反，這個主應變的絕對值最大，稱為最大主應變。 當已知兩個主應變數值時，便可算出第三個主應變。 任何一種物體的塑性

7、變形方式只有三種，與此相應的主應變狀態圖也只有三種，如圖1-1所示。圖2-1三種主應變圖2.1.3 塑性條件(屈服條件)決定受力物體內質點由彈性狀態向塑性狀態過渡的條件，稱為塑性條件或屈服條件。金屬由彈性變形過渡到塑性變形，主要取決于在一定變形條件(變形溫度與變形速度)下金屬的物理力學性質和所處的應力狀態。一般來說，在材料性質和變形條件一定的情況下，塑性條件主要決定于物體的應力狀態。當物體內某點處于單向應力狀態時，只要該向應力1達到材料的屈服點s，該點就開始屈服，由彈性狀態進入塑性狀態，即此時的塑性條件是1s。但是對復雜應力狀態 ，就不能僅僅根據一個應力分量來判斷該點是否已經屈服，而要同時考慮

8、其他應力分量的作用。只有當各個應力分量之間符合一定關系時，該點才開始屈服。 法國工程師屈雷斯加(H·Tresca)通過對金屬擠壓的研究，于1864年提出：在一定的變形條件下，當材料中的最大切應力達到某一定值時，材料就開始屈服。并通過單向拉壓等簡單的試驗，該定值就是材料屈服點應力值s的一半，即s/2。設123，則屈雷斯加屈服條件可表達為：max=或 1- 3= s (2-2)屈雷斯加屈服條件又稱最大切應力理論。該條件公式簡單，在事先知道主應力大小的情況下使用很方便。但該條件顯然忽略了中間主應力2的影響，實際上在一般三向應力狀態下，2對于材料的屈服也是有影響的。德國力學家密席斯(Von

9、Mises)于1913年在對屈雷斯加條件加以修正的基礎上提出：在一定的變形條件下，無論變形物體所處的應力狀態如何，只要其三個主應力的組合滿足一定條件，材料便開始屈服。該條件為：(1- 2)2+(2- 3)2+(3- 1)2 = 2s2 (2-3)密席斯屈服條件又稱常量形變能量理論。因密席斯條件考慮了中間主應力2的影響，實踐證明，對于大多數金屬材料(特別是韌性材料)來說，應用密席斯屈服條件更符合實際情況。密席斯屈服條件雖然在數學表達方法上比較完善，但在方程中同時包含了全部應力分量，實際運算比較繁鎖。為了使用上的方便，可將密席斯屈服條件改寫成如下簡單形式：1- 3=s (2-4)式中，為反映中間主

10、應力2影響的系數，其范圍為11.155，具體取值見表1-1。表2-1 值中 間 應 力應 力 狀 態應 用 舉 例2=1或2=31.0單向應力疊加三向等應力軟凸模脹形、外緣翻邊2=(1+3)/21.155平面應變狀態寬板彎曲1不屬于上面兩種情況1.1其他應力狀態(如平面應力狀態等)縮口、拉深由表1-1可知，在單向應力疊加三向等應力狀態下，=1，密席斯屈服條件與屈雷斯加屈服條件是一致的；在平面應變狀態下，兩個屈服條件相差最大，為15.5%。2.1.4 塑性變形時應力與應變的關系物體彈性變形時，應力和應變之間的關系可以通過廣義虎克定律來表示。但物體進入塑性變形以后，其應力與應變的關系就不同了。在單

11、向受拉或受壓時，應力與應變關系可用硬化曲線來表示，然而在受到雙向或三向應力作用時，變形區的應力與應變關系相當復雜。經研究，當采用簡單加載(加載過程中只加載不卸載，且應力分量之間按一定比例遞增)時，塑性變形的每一瞬間，主應力與主應變之間存在下列關系： (2-4)式中，C為非負數的比例常數。在一定的條件下，C只與材料性質及變形程度有關，而與物體所處的應力狀態無關，故C值可用單向拉伸試驗求出。式(1-12)也可表示為： (2-5)上述物理方程又稱為塑性變形時的全量理論，它是在簡單加載條件下獲得的，通常用于研究小變形問題。但對于沖壓成形中非簡單加載的大變形問題，只要變形過程中是加載，主軸方向變化不大，

12、主軸次序基本不變，實踐表明，應用全量理論也不會引起太大的誤差。全量理論是沖壓成形中各種工藝參數計算的基礎，而且利用全量理論還可以對有些變形過程中坯料的變形和應力的性質作出定性的分析和判斷，例如： 由式(1-13)可知，判斷某方向的主應變是伸長還是縮短，并不是看該方向是受拉應力還是受壓應力，而是要看該方向應力值與平均應力m的差值。差值為正時是拉應變，為負時是壓應變。 若1=2=3=m,由式(1-13)可知，1=2=3=0，這說明在三向等拉或等壓的球應力狀態下，坯料不產生任何塑性變形(但有微小的體積彈性變化)。 由式(1-12)可知，三個主應力分量和三個主應變分量代數值的大小、次序互相對應，即若1

13、23，則有123。 當坯料單向受拉時，即10、2=3=0時，因為1-m=1-1/30，由式(1-13)可知10，2=3=-1/2。這說明在單向受拉時，拉應力作用方向為伸長變形，另外兩個方向則為等量的壓縮變形，且伸長變形為每一個壓縮變形的2倍。如翻孔時，坯料孔邊緣的變形就屬于這種情況。同樣，當坯料單向受壓時，壓應力作用方向上為壓縮變形，另外兩方向為等量的伸長變形，且壓縮變形為每一個伸長變形的2倍。如縮口、拉深時，坯料邊緣的變形即屬于此種情況。 坯料受雙向等拉的平面應力作用，即1=20、3=0時，由式(1-13)可知，1=2=-3/2。這說明當坯料受雙向等拉的平面應力作用時，在兩個拉應力作用的方向

14、為等量的伸長變形，而在另一個沒有主應力作用的方向為壓縮變形，其值為每個伸長變形的2倍。平板坯料脹形時的中心部位就屬于這種情況。 由式(1-13)可知，當2- m=0時，必有2=0，根據體積不變定律，則有1=-3。這說明在主應力等于平均應力的方向上不產生塑性變形，而另外兩個方向上的塑性變形數值相等、方向相反。這種變形稱為平面變形，且平面變形時必有2=m=(1+2+3)/3，即2=(1+3)/2。如寬板彎曲時，板料寬度方向變形為0，該方向上的主應力即為其余兩個方向主應力之和的一半。 當坯料三向受拉，且1230時，在最大拉應力1方向上的變形一定是伸長變形，在最小拉應力3方向上的變形一定是壓縮變形。同

15、樣，當坯料三向受壓，且0123時，在最小壓應力3(絕對值最大)方向上的變形一定是壓縮變形，而在最大壓應力1(絕對值最小)方向上的變形一定是伸長變形。2.1.5 加工硬化與硬化曲線1.硬化現象與硬化曲線加工硬化：一般常用的金屬材料，隨著塑性變形程度的增加，其強度、硬度和變形抗力逐漸增加，而塑性和韌性逐漸降低。材料的硬化規律可以用硬化曲線來表示。硬化曲線實際上就是材料變形時的應力隨應變變化的曲線，可以通過拉伸、壓縮或脹形試驗等多種方法求得。圖1-2所示為拉伸試驗時獲得的兩條應力一應變曲線，其中曲線1的應力是以各加載瞬間的載荷F與該瞬間試件的截面面積A之比F/A來表示的，它考慮了變形過程中材料截面積

16、的變化，真實反映了硬化規律，故稱之為實際應力曲線(又稱硬化曲線或變形抗力曲線)。曲線2的應力是按各加載瞬間的截荷F與變形前試樣的原始截面積A0之比F/A0來表示的，它沒有考慮變形過程中材料截面積的變化，因此應力F/A0并不能反應材料在各變形瞬間的真實應力，所以稱之為假象應力曲線。圖2-2 金屬的應力一應變曲線1實際應力曲線 2假象應力曲線s屈服點應力 j(b)縮頸點應力 d斷裂點應力圖2-3所示是用試驗求得的幾種金屬在室溫下的硬化曲線。從曲線的變化規律來看，幾乎所有的硬化曲線都具有一個共同的特點，即在塑性變形的開始階段，隨著變形程度的增大，實際應力劇烈增加，但當變形程度達到某些值以后，變形的增

17、加不再引起實際應力的顯著增加，也就是說，隨著變形程度的增大，材料的硬化強度d/d(或稱硬化模數)逐漸降低。圖2-3 幾種金屬在室溫下的硬化曲線一般來說，硬化曲線所表達的應力應變關系不是簡單的函數關系，這給求解塑性力學問題帶來了困難。為了實用上的需要，常用直線或指數曲線來近似代替實際硬化曲線。用直線代替硬化曲線的實質是：在實際應力應變所表示的硬化曲線上，于縮頸點處作一切線來近似代替實際硬化曲線，如圖1-4所示。該硬化直線的方程式為：= 0+D (2-6)式中 0近似屈服強度(硬化直線在縱坐標軸上的截距)；D硬化模數(硬化直線的斜率)。圖2-4 硬化直線顯然，用直線代替硬化曲線是非常近似的，僅在縮

18、頸點附近精確度較高，當變形程度很小或很大時，硬化直線與實際硬化曲線之間存在很大的差別。所以在沖壓生產中常用指數曲線表示硬化曲線，其方程式為： = An (2-7)式中 A系數；n硬化指數。A和n與材料的種類和性能有關，可通過拉伸試驗求得，其值列于表1-2。指數曲線與材料的實際硬化曲線比較接近。表2-2 幾種金屬材料的A與n值材 料A/MPan材 料A/MPan軟銅7107500.190.22銀4700.31黃銅(wZn40%)9900.46銅4204600.270.34黃銅(wZn35%)7608200.390.44硬鋁3203800.120.13磷青銅11000.22鋁1602100.250

19、.27磷青銅(低溫退火)8900.52 硬化指數n(又稱n值)是表明材料塑性變形時硬化性能的重要參數。n值大時，表示變形過程中材料的變形抗力隨變形程度的增加而迅速增大，因而對板料的沖壓成形性能及沖壓件的質量都有較大的影響。2.卸載規律與反載軟化現象硬化曲線(實際應力應變曲線)反映了單向拉伸加載時材料的應力與應變(或變形抗力與變形程度)之間的變化規律。如果加載一定程度時卸載，這時應力與應變之間如何變化呢？如圖1-5所示，拉伸變形在彈性范圍內的應力與應變是線性關系，若在該范圍內卸載，則應力、應變仍按同一直線回到原點O，沒有殘留變形。如果將試件拉伸使其應力超過屈服點A，例如達到B點(B、B)，再逐漸

20、卸下載荷，這時應力與應變則沿BC直線逐漸降低，而不再沿加載經過的路線BAO返回。卸載直線BC正好與加載時彈性變形的直線段平行，于是加載時的總應變B就會在卸載后一部分(t)因彈性回復而消失，另一部分(s)仍然保留下來成為永久變形，即B=t+s。彈性回復的應變量為：t=B/E (2-8)式中，E為材料的彈性模量。上述卸載規律反映了彈塑性變形共存規律，即在塑性變形過程中不可避免地會有彈性變形存在。在實際沖壓時，分離或成形后的沖壓件的形狀和尺寸與模具工作部分形狀和尺寸不盡相同，就是因卸載規律引起的彈性回復(簡稱回彈)造成的，因此式(1-8)對我們考慮沖壓成形時的回彈很有實際意義。圖2-5拉伸卸載曲線如

21、果卸載后再重新加載，則隨著載荷的加大，應力應變的關系將沿直線CB逐漸上升，到達B點應力B時，材料又開始屈服，按照應力應變關系繼續沿著加載曲線BE變化，如圖1-14中虛線所示，所以B又可理解為材料在變形程度為B時的屈服點。推而廣之，在塑性變形階段，硬化曲線上每一點的應力值都可理解為材料在相應變形程度下的屈服點。如果卸載后反向加載，即將試件先拉伸然后改為壓縮，其應力應變關系將沿曲線OABCAE規律變化，如圖1-6所示。試驗表明，反向加載時應力應變之間基本按拉伸時的曲線規律變化，但材料的屈服點s較拉伸時的屈服點s有所降低，這就是所謂的反載軟化現象。反載軟化現象對分析某些沖壓工藝(如拉彎)很有實際意義

22、。圖2-6 反載軟化曲線2.1.6 沖壓成形中的變形趨向性及其控制（自學）1.沖壓成形中的變形趨向性在沖壓成形過程中，坯料的各個部分在同一模具的作用下，卻有可能發生不同形式的變形，即具有不同的變形趨向性。在這種情況下，判斷坯料各部分是否變形和以什么方式變形，以及能否通過正確設計沖壓工藝和模具等措施來保證在進行和完成預期變形的同時，排除其他一切不必要的和有害的變形等等，則是獲得合格的高質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、設計沖壓模具以及分析沖壓過程中出現的某些產品質量問題等，都有非常重要的實際意義。一般情況下，總是可以把沖壓過程中

23、的坯料劃分成為變形區和傳力區。沖壓設備施加的變形力通過模具，并進一步通過坯料傳力區作用于變形區，使其發生塑性變形。如圖1-7所示的拉深和縮口成形中，坯料的A區是變形區，B區是傳力區，C區則是已變形區。由于變形區發生塑性變形所需的力是由模具通過傳力區獲得的，而同一坯料上的變形區和傳力區都是相毗鄰的，所以在變形區和傳力區分界面上作用的內力性質和大小是完全相同的。在這樣同一個內力的作用下，變形區和傳力區都有可能產生塑性變形，但由于它們之間的尺寸關系及變形條件不同，其應力應變狀態也不相同，因而它們可能產生的塑性變形方式及變形的先后是不相同的。通常，總有一個區需要的變形力比較小，并首先滿足塑性條件進入塑

24、性狀態，產生塑性變形，我們把這個區稱之為相對的弱區。 如圖1 -7a所示的拉深變形，雖然變形區A和傳力區B都受到徑向拉應力r作用，但A區比B區還多一個切向壓應力的作用，根據屈雷斯加塑性條件1-3s，A區中1-3=+r，B區中1-3=r，因+rr，所以在外力F的作用下，變形區A最先滿足塑性條件產生塑性變形，成為相對弱區。圖2-7沖壓成形時坯料的變形區與傳力區a)拉深 b)縮口A變形區 B傳力區 C已變形區為了保證沖壓過程的順利進行，必須保證沖壓工序中應該變形的部分(變形區)成為弱區，以便在把塑性變形局限于變形區的同時，排除傳力區產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論：在沖

25、壓成形過程中，需要最小變形力的區是個相對的弱區，而且弱區必先變形，因此變形區應為弱區。“弱區必先變形，變形區應為弱區”的結論，在沖壓生產中具有很重要的實用意義。很多沖壓工藝的極限變形參數的確定、復雜形狀件的沖壓工藝過程設計等，都是以這個道理作為分析和計算依據的。如圖1 -7a中的拉深變形，一般情況下A區是弱區而成為變形區，B區是傳力區。但當坯料外徑D太大、凸模直徑d太小而使得A區凸緣寬度太大時，由于要使A區產生切向壓縮變形所需的徑向拉力很大，這時可能出現B區會因拉應力過大率先發生塑性變形甚至拉裂而成弱區。因此，為了保證A區成為弱區，應合理確定凸模直徑與坯料外經的比值d/D(即拉深系數)，使得B

26、區拉應力還未達到塑性條件以前，A區的應力先達到塑性條件而發生拉壓塑性變形。當變形區或傳力區有兩種以上的變形方式時，則首先實現的變形方式所需的變形力最小。因此，在工藝和模具設計時，除要保證變形區為弱區外，同時還要保證變形區必須實現的變形方式具有最小的變形力。例如，在圖1-16b所示的縮口成形過程中，變形區A可能產生的塑性變形是切向收縮的縮口變形和在切向壓應力作用下的失穩起皺，傳力區B可能產生的塑性變形是筒壁部分鐓粗和失穩彎曲。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d/D和在模具結構上采取增加傳力區的支承剛性等措施)，才能使縮口變形正常進行。又如在沖

27、裁時，在凸模壓力的作用下，坯料具有產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，便可在只發生很小的彎曲變形的情況下實現剪切，提高了沖件的尺寸精度。2.控制變形趨向性的措施在實際生產當中，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 實踐證明，變形坯料各部分的相對尺寸關系，是決定變形趨向性的最重要因素，因而改變坯料的尺寸關系，是控制坯料變形趨向性的有效方法。如圖1-8所示，模具對環形坯料進行沖壓時，當坯料的外徑D、內徑d0及凸模直徑dT具有不同的相對關系時，就可能具有三種不同的變形趨向(即拉深、翻孔和

28、脹形)，從而形成三種形狀完全不同的沖件：當D、d0都較小，并滿足條件D/dT1.52、d0/dT0.15時，寬度為(D-dT)的環形部分產生塑性變形所需的力最小而成為弱區，因而產生外徑收縮的拉深變形，得到拉深件(見圖1-8b)；當D、d0都較大，并滿足條件D/dT2.5、d0/dp0.20.3時，寬度為(dT-d0)的內環形部分產生塑性變形所需的力最小而成為弱區，因而產生內孔擴大的翻孔變形，得到翻孔件(見圖1 -8c)；當D較大、d0較小甚至為0，并滿足條件D/dT2.5、d0/dT0.15時，這時坯料外環的拉深變形和內環的翻孔變形阻力都很大，結果使凸、凹模圓角及附近的金屬成為弱區而產生厚度變

29、薄的脹形變形，得到脹形件(見圖1-8 d )。脹形時，坯料的外徑和內孔尺寸都不發生變化或變化很小，成形僅靠坯料的局部變薄來實現。(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2-8 環形坯料的變形趨向a)變形前的坯料與模具 b)拉深 c)翻孔 d)脹形如在圖1 -8a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現。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現。(3)改變坯料與模具接觸面之間的摩擦阻力 如在圖1-8中，若加大坯料與壓料圈及坯

30、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，結果不利于實現拉深變形而利于實現翻孔或脹形變形。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，則有利于實現拉深變形。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的變形抗力或提高傳力區強度，從而實現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的方法，使變形區軟化，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的方法來增大其承載能力

31、，從而達到增大變形程度的目的。2.2 冷沖壓材料冷沖壓所用的材料是冷沖壓生產的三要素之一。事實上，先進的冷沖壓工藝與模具技術，只有采用沖壓性能良好的材料 ，才能成形出高質量的沖壓件。因此，在冷沖壓工藝及模具設計中，懂得合理選用材料，并進一步了解材料的沖壓成形性能，是非常必要的。2.2.1 材料的沖壓成形性能（自學）材料對各種沖壓成形方法的適應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，生產率高，容易得到高質量的沖壓件，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，但就其主要內容

32、來看，有兩個方面：一是成形極限，二是成形質量。1成形極限成形極限：是指材料在沖壓成形過程中能達到的最大變形程度。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來表示的。當作用于坯料變形區的拉應力為絕對值最大的應力時，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、擴口、圓孔翻孔等；當作用于坯料變形區的壓應力的絕對值最大時，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，變形區的拉應力占主導地位，坯料厚度變薄，表面積增大，有產生破裂的可能性；在壓縮類變形中，變形區的壓應力占主導地位，坯料厚度增厚，表面積減小，有產生失穩

33、起皺的可能性。由于這兩類變形的變形性質和出現的問題完全不同，因而影響成形極限的因素和提高極限變形參數的方法就不同。伸長類變形的極限變形參數主要決定于材料的塑性，壓縮類變形的極限變形參數一般受傳力區承載能力的限制，有時則受變形區或傳力區失穩起皺的限制。所以提高伸長類變形的極限變形參數的方法有：提高材料塑性；減少變形的不均勻性；消除變形區的局部硬化或其他引起應力集中而可能導致破壞的各種因素，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的方法有：提高傳力區的承載能力，降低變形區的變形抗力或摩擦阻力；采取壓料等措施防止變形區失穩起皺等。2成形質量成形質量：是指材料經沖壓成形以后所得到的沖壓件

34、能夠達到的質量指標，包括尺寸精度、厚度變化、表面質量及物理力學性能等。影響沖壓件質量的因素很多，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，當沖壓結束載荷卸除以后，由于材料的彈性回復，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，必須掌握回彈規律，控制回彈量。材料經過沖壓成形以后，一般厚度都會發生變化，有的變厚，有的減薄。厚度變薄后直接影響沖件的強度和使用，因此對強度有要求時，往往要限制其最大變薄量。材料經過塑性變形以后，除產生加工硬化現象外，還由于變形不均勻，材料內部將產

35、生殘余應力，從而引起沖件尺寸和形狀的變化，嚴重時還會引起沖件的自行開裂。消除硬化及殘余應力的方法是沖壓后及時安排熱處理退火工序。2.2.2 板料的沖壓成形性能試驗（自學）板料的沖壓成形性能是通過試驗來確定的。板料沖壓成形性能的試驗方法很多，但概括起來可分為直接試驗和間接試驗兩類。在直接試驗中，板料的應力狀態和變形情況與實際沖壓時基本相同，試驗所得結果比較準確。而在間接試驗中，板料的受力情況和變形特點都與實際沖壓時有一定的差別，所得結果只能在分析的基礎上間接地反映板料的沖壓成形性能。1間接試驗間接試驗有拉伸試驗、剪切試驗、硬度試驗和金相試驗等。其中拉伸試驗簡單易行，不需專用板料試驗設備，而且所得

36、的結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方法。板料拉伸試驗的方法是：在待試驗的板料的不同部位和方向上截取試料，制成如圖1-9所示的標準拉伸試樣，然后在萬能材料試驗機上進行拉伸。拉伸過程中，應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，開始屈服時應進行間斷加載，并隨時記錄載荷大小和試樣截面尺寸。當開始出現縮頸后宜改用手動加載，并爭取記錄載荷及試樣截面尺寸12次。根據試驗結果或利用自動記錄裝置可繪得板料拉伸時的實際應力應變曲線(如圖1-10的實線所示)及假象應力應變曲線（即拉伸曲線，如圖1-10的虛線所示）。圖1-9 拉伸試驗用標準試樣通過拉伸試驗，可以

37、測得板料的強度、剛度、塑性、各向異性等力學性能指標。根據這些性能指標，即可定性估計板料的沖壓成形性能，現簡述如下：圖2-10實際應力曲線與假象應力曲線 (1)強度指標（屈服點s、抗拉強度b或縮頸點應力j） 強度指標對沖壓成形性能的影響通常用屈服點與抗拉強度的比值s/b(稱為屈強比)來表示。一般屈強比愈小，則s與b之間的差值愈大，表示材料允許的塑性變形區間愈大，成形過程的穩定性愈好，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。因此，s/b愈小，材料的沖壓成形性能愈好。(2)剛度指標（彈性模量E、硬化指數n） 彈性模量E愈大或屈服點與彈性模量的比值s/E（稱為屈彈比）愈小，在成形

38、過程中抗壓失穩的能力愈強，卸載后的回彈量小，有利于提高沖件的質量。硬化指數n可根據拉伸試驗結果求得。n值大的材料，硬化效應就大，這對于伸長類變形來說是有利的。因為n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一步發展，具有擴展變形區、使變形均勻化和增大極限變形程度的作用。(3)塑性指標（均勻伸長率j或細頸點應變j、斷后伸長率或斷裂收縮率） 均勻伸長率j是在拉伸試驗中開始產生局部集中變形（即剛出現縮頸時）的伸長率(即相對應變)，它表示板料產生均勻變形或穩定變形的能力。一般情況下，沖壓成形都在板料的均勻

39、變形范圍內進行，故j對沖壓性能有較為直接的意義。斷后伸長率是在拉伸試驗中試樣拉斷時的伸長率。通常j和愈大，材料允許的塑性變形程度也愈大。(4)各向異性指標（板厚方向性系數r、板平面方向性系數r） 板厚方向系數r是指板料試樣拉伸時，寬度方向與厚度方向的應變之比，即 (2-9)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。如在復雜形狀的曲面零件拉深成形時，若r值大，板料中部在拉應力作用下，厚度方向變形較困難，則變薄量小，而在板平面與拉

40、應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行和沖壓件質量的提高。由于板料經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在幾個特殊方向上的平均差值r（稱為板平面方向性系數）來表示，即r=(r0+r90-2r45)/2 (2-10)式中，r0、r90、r45分別為板料的縱向（軋制方向）、橫向及45°方向上的板厚方向性系數。r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，而當折彎

41、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，生產中應盡量設法降低板料的r值。由于存在板平面方向性，實際應用中板厚方向性系數一般也采用加權平均值來表示，即=(r0+r90+2r45)/4 (2-11)2直接試驗直接試驗（又稱模擬試驗）是直接模擬某一種沖壓方式進行的，故試驗所得的結果能較為可靠地鑒定板料的沖壓成形性能。直拉試驗的方法很多，下面簡要介紹幾種較為重要的試驗方法。(1)彎曲試驗 彎曲試驗的目的是鑒定板料的彎曲性能。常用的彎曲試驗是往復彎曲試驗，如圖1-11所示，將試樣夾持在專用試驗設備的鉗口內，反復折彎直至出現裂紋。彎曲半徑r越小，往復彎曲的次數越多

42、，材料的成形性能就越好。這種試驗主要用于鑒定厚度在 2mm以下的板料。圖2-11往復彎曲試驗(2)脹形試驗 鑒定板料脹形成形性能的常用試驗方法是杯突試驗，試驗原理如圖1-12所示。試驗時將符合試驗尺寸的板料試樣2放在壓料圈4與凹模1之間壓緊，使凹模孔口外受壓部分的板料無法流動。然后用試驗規定的球形凸模3將試樣壓入凹模，直至試樣出現裂紋為止，測量此時試樣上的凸包深度IE作為脹形性能指標。IE值越大，表示板料的脹形性能越好。圖2-12脹形試驗（杯突試驗）1-凹模 1-試樣 3-球形凸模 4-壓料圈(3)拉深試驗 鑒定板料拉深成形性能的試驗方法主要有筒形件拉深試驗和球底錐形件拉深試驗兩種。圖1-22所示為筒形件拉深試驗（又稱沖杯試驗）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用拉深模中進行拉深，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，即Kmax=Dmax/dp (2-12)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1-13 筒形件拉深試驗(沖杯試驗) 圖1-14 球底錐形件拉深試驗（福井試驗）圖1-14所示為球底錐形件拉深試驗（又稱福井試驗）的原理，用球形凸模和60°角的錐形凹模，在不用壓料的條件下對直徑為D的圓形試樣進行拉深，使之成為無凸緣的球