冲压模具设计(1-3).ppt.ppt

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1、第三节 冲压变形理论基础塑性塑性(plasticity)：表示材料塑性变形能力。它是指固体材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性能力。金属塑性的大小，用金属在断裂前产生的最大变形程度来表示。它表示塑性加工时金属塑性变形的限度，叫“塑性极限”或“塑性指标”。一、塑性变形一、塑性变形(plastic deformation)的基本概念的基本概念塑性指标塑性指标：衡量金属塑性高低的参数。常用塑性指标为拉伸时的延伸率和断面收缩率。这两个指标越高，说明金属的塑性越好。变形变形：弹性变形(elastic deformation)、塑性变形。第一章第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述延伸率延伸率断面收缩率

2、断面收缩率(5%,低碳钢平均为20-30%)不能把塑性和柔软性混淆起来。柔软性反映金属的软硬程度，它用变形抗力的大小来衡量，表示变形的难易。室温下的铅，塑性很高而变形抗力又小。变形抗力小的金属塑性就好，或是变形抗力大的金属塑性就差。例如：例如：过热和过烧的金属与合金，其塑性很小，甚至完全失去塑性变形的能力，而变形抗力也很小；室温下奥氏体不锈钢的塑性很好，能经受很大的变形而不破坏，但它的变形抗力却非常大；不要认为：注意：变形抗力：变形抗力：使金属产生塑性变形的外力为变形力，金属使金属产生塑性变形的外力为变形力，金属抵抗塑性变形的力称为变形抗力。抵抗塑性变形的力称为变形抗力。塑性与变形抗力是两个不

3、同的概念：塑性与变形抗力是两个不同的概念：塑性：反映塑性变形塑性：反映塑性变形的能力的能力。变形抗力：变形抗力：是塑性变形的是塑性变形的难易程度。难易程度。第三节 冲压变形理论基础 金属受外力作用产生塑性变形后不仅形状和尺寸发生变化，而且其内部的组织和性能也将发生变化。一般会产生加工硬化加工硬化或应变刚应变刚现象：二、二、塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响 即:金属的机械性能，随着变形程度的增加，强度和硬度逐渐增加，而塑性和韧性逐渐降低；晶粒会沿变形方向伸长排列形成纤维组织使材料产生各向异性；此外，可以使晶粒得到细化（如晶粒破碎，热塑性变形可以使晶粒得到细化（如晶粒破

4、碎，热塑性变形使晶粒发生动态再结晶）使晶粒发生动态再结晶）由于变形不均，会在材料内部产生内应力，变形后作为残余应力保留在材料内部。第一章第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述 通常是围绕该点取出一个微小（正）六面体（即所谓单元体），用该单元体上三个相互垂直面上的九个应力分量来表示。已知该九个应力分量，则过此点任意切面上的应力都可求得。第三节 冲压变形理论基础1一点的应力与应变状态点的应力与应变状态 为了全面、完整地描述变形区内各点的受力和变形情况。三、塑性力学基础三、塑性力学基础应力正应力、剪应力应力状态应力状态：主应力状态主应力状态类似有主主应变状态应变状态的概念。一般认为金属材料在塑性变形时体体

5、积不变积不变，因此主应变状态图只有三种三种。塑性变形可能出现九种主应力状态。塑性变形可能出现九种主应力状态。第一章第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述第三节 冲压变形理论基础2金属的屈服条件金属的屈服条件(屈服准则屈服准则)三、塑性力学基础（续）三、塑性力学基础（续）屈服屈服塑性状态，塑性状态，主要取决于两方面的因素：主要取决于两方面的因素：（1 1）在一定的变形条件（变形温度和变形速度）下材料的物理机械性质转变的根据根据；（2 2）材料所处的应力状态）材料所处的应力状态转变的转变的条件条件(屈服准则屈服准则)。单向应力状态单向应力状态：=S 一般应力状态一般应力状态：1-3=S(Tresca屈服

6、准则和屈服准则和Mises屈服准则的通式屈服准则的通式)为应力状态系数，其值在1-1.155之间，单向应力状态及轴对称应力状态(双向等拉、双向等压)时取1；平面变形状态时取=1.155.在应力分量未知情况下，一般近似取=1.1。(在纯剪应力作用下，在纯剪应力作用下，两准则差别最大两准则差别最大)第一章第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述 屈雷斯加屈雷斯加H.Tresca屈服准则（最大剪应力屈服准则屈服准则（最大剪应力屈服准则,达到极限值）达到极限值）密席斯密席斯VonMises屈服准则屈服准则(形状改变比能形状改变比能,即畸变能达到某极限即畸变能达到某极限)回忆：回忆：相当应力或等效应力相当应力或

7、等效应力:满足屈服条件表明材料处于塑性状态。材料要进行塑性变形，必须始终满足屈服条件。必须始终满足屈服条件。对于应变硬化材料，材料要由弹性变形转为塑性变形，必须满足的屈服条件叫初始屈服条件；而初始屈服条件；而塑性变形要继续发展，必须满足的屈服条件则叫塑性变形要继续发展，必须满足的屈服条件则叫做后继屈服条件。做后继屈服条件。在一般应力状态下，塑性变形过程的发生、发展，实质上可以理解为一系列的弹性极限状态的突破一系列的弹性极限状态的突破-初始屈服和后继屈服。初始屈服和后继屈服。第三节 冲压变形理论基础3 3金属塑性变形时的应力金属塑性变形时的应力-应变关系应变关系三、塑性力学基础（续）三、塑性力学

8、基础（续）弹性变形阶段：应力与应变之间的关系是线性线性的、可逆可逆的，与加载历史无关无关；第一章第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述 塑性变形阶段：应力与应变之间的关系则是非线性非线性的、不可逆不可逆的，与加载历史有关有关。塑性变形的全量理论塑性变形的全量理论认为在简单加载条件下（只加载不卸载，各应力分量一直按照同一比例系数增长，又称比例加载），塑性变形的每一瞬间，主应力差与主应变差成比例，即：为非负比例系数，是一个与材料性质和变形程度有关的函数，与变形体所处的应力状态无关。(说明：应力状态确定的是塑性变形的全量，而非增量)第三节 冲压变形理论基础（1）应力分量与应变分量符号不一定一致，即拉应力不

9、一定对应拉应变，压应力不一定对应压应变；举例。（2）某方向应力为零其应变不一定为零不一定为零；（3）在任何一种应力状态下，应力分量的大小与应变分量的大小次序是相对应的，即123，则有123。（4）若有两个应力分量相等，则对应的应变分量也相等，即若12，则有12。几点讨论结论几点讨论结论3 3金属塑性变形时的应力应变关系（续）金属塑性变形时的应力应变关系（续）三、塑性力学基础（续）三、塑性力学基础（续）第一章第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述第三节 冲压变形理论基础 1硬化规律四、四、金属塑性变形的一些基本规律金属塑性变形的一些基本规律对于金属材料来说，在进行塑性变形过程中，随着变形程度的增加，其

10、变形抗力是不断增高的，硬度也将提高，其结果是引起材料力学性能的变化，其表现为材料的强度指标(屈服强度和抗拉强度)随变形程度的增加而增加；塑性指标(伸长率与延伸率)随之降低，这种现象叫做加加工硬化工硬化。第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述第三节 冲压变形理论基础 1硬化规律(续续)四、四、金属塑性变形的一些基本规律金属塑性变形的一些基本规律加工硬化：硬化曲线硬化曲线：=An塑性降低，变形抗力提高。能提高变形均匀性能提高变形均匀性。表示变形抗力随变形程度增加而变化的曲线表示变形抗力随变形程度增加而变化的曲线,称为硬化曲线称为硬化曲线.也称作实际应力曲线实际应力曲线或真实应力曲线。表示硬化规律。这种变

11、化规律可近似用指数曲线表示。这种变化规律可近似用指数曲线表示。第一章第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述n为硬化指数为硬化指数,n大表示冷变形过程中,材料变形抗力随变形程度的增加而迅速增加,材料均匀变形能力强.A为材料系数。软钢软钢:A=710-750Mpa,n=0.19-0.22;硬铝硬铝:A=320-380Mpa,n=0.12-0.13第三节 冲压变形理论基础2卸载弹性恢复规律和反载软化现象四、四、金属塑性变形的一些基本规律（续）金属塑性变形的一些基本规律（续）反载软化曲线反载软化曲线第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述第三节 冲压变形理论基础 3体积不变规律四、四、金属塑性变形的一些基本规律（续

12、）金属塑性变形的一些基本规律（续）金属材料在塑性变形时，体积变化很小，可以忽略不计。一般认为金属材料在塑性变形时体积不变，可证明满足：1+2+3=0 第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述该式说明：金属塑性变形前后，只有形状的变化，而无体积的变化。该式说明：金属塑性变形前后，只有形状的变化，而无体积的变化。三个推论：三个推论：塑性变形时，只有形状的变化，而无体积的变化；塑性变形时，只有形状的变化，而无体积的变化；不论什么应变状态，其中一个主应变的符号与另外两个主应变不论什么应变状态，其中一个主应变的符号与另外两个主应变的符号相反；的符号相反；已知两个应变就可求第三个应变已知两个应变就可求第三个应变。

13、第三节 冲压变形理论基础 4最小阻力定律四、四、金属塑性变形的一些基本规律（续）金属塑性变形的一些基本规律（续）由于塑性变形破坏了金属的整体平衡而强制金属流动，因此，金属质点有向几个方向移动的可能(即存在变形趋向性)，但金属金属材料向阻力最小的方向流动材料向阻力最小的方向流动。即做最少的功，走最短的路。即做最少的功，走最短的路。在冲压加工中，板料在变形过程中总是沿着阻力最小的方向发展。这就是塑性变形中的最小阻力定律最小阻力定律。第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述冲压成形必须正确控制金属流动即：开流开流和限流限流(如矩形件拉深如矩形件拉深)第三节 冲压变形理论基础 5变形趋向性及其控制变形趋向性及

14、其控制四、四、金属塑性变形的一些基本规律（续）金属塑性变形的一些基本规律（续）影响金属流动的因素主要是：影响金属流动的因素主要是：（1）材料本身的特性。（2）板料的应力状态，应力状态又与三个因素有关，即：即：冲压工序的性质工艺参数模具结构参数（如凸模、凹模工作部分的圆角半径，摩擦和间隙等。第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述变形趋向性变形趋向性：弱区先变形，先变形区必为弱区。变形区变形抗：弱区先变形，先变形区必为弱区。变形区变形抗力最小。力最小。第三节 冲压变形理论基础 1冲压成形性能五、冲压材料及其冲压成形性能五、冲压材料及其冲压成形性能材料的冲压成形性能：材料的冲压性能好是指便于冲压加工材料的

15、冲压性能好是指便于冲压加工,具体而言指具体而言指:成形极限高成形极限高(成形过程中材料能达到的最大变形程度,即抗破裂性好抗破裂性好)成形质量好成形质量好(形状尺寸精度,厚度变化,表面质量以及成形后的物理机械性能)冲压成形性能是一个综合性的概念，包含两方面内容：成形极限成形质量材料对各种冲压加工方法的适应能力材料对各种冲压加工方法的适应能力。（冲压加工的依据）。第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述第三节 冲压变形理论基础 2冲压成形性能的试验方法五、冲压材料及其冲压成形性能（续）五、冲压材料及其冲压成形性能（续）间接试验间接试验(拉伸、剪切、硬度、金相等)和直接试验或工艺性实验直接试验或工艺性实验(

16、反复弯曲、胀形性能、拉深性能等)间接实验内容间接实验内容(以以拉伸拉伸为例为例)：总伸长率和均匀伸长率，屈强比，弹性模量，硬化指数n，板厚方向性指数，板平面方向性指数及其影响。3板料的机械性能与冲压成形性能的关系板料的强度强度指标越高，产生相同变形量的力力就越大；塑性塑性指标越高，成形时所能承受的极限变形量变形量就越大；刚度刚度指标越高，成形时抵抗抵抗失稳起皱的能力就越大。不同冲压工序对板料的机械性能的具体要求有所不同。(失稳失稳)第一章第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述方便，易行直接反映，但需直接反映，但需专业设备或工装专业设备或工装是指板料试样单向拉伸时，宽向应变与厚向应变之比(又称塑性应变

17、比)式中,b0,b,t0,t分别为变形前后试样的宽度与厚度。一般规定r值按照伸长率为20%时试样测量的结果进行计算.r值大小反映平面方向和厚度方向变形难易程度的比较值大小反映平面方向和厚度方向变形难易程度的比较.由于不同方向上 r值不同,因此通常取平均值，即：取平均值，即：r0,r90,r45分别为板料在纵向、横向和45方向上的板厚方向性指数。板材厚方向性指数板材厚方向性指数(r r)：对拉深件质量的影响 板料经轧制后其力学、物理性能在板平面方向上出现各板料经轧制后其力学、物理性能在板平面方向上出现各向异性，称为板平面各向异性（板平面方向性）。向异性，称为板平面各向异性（板平面方向性）。板平面

18、方向性主要表现为力学性能在板面内不同方向上的差别，但在表示板材力学性能的各项指标中，板厚方向性指数对冲压性能的影响比较明显，因此板平面方向性的大小一般用板厚方向性指数r在几个方向的平均差值r来衡量，规定为：板平面方向性指数：板平面方向性指数：生产中要尽量降低板材的生产中要尽量降低板材的r。沸腾钢板沸腾钢板:r=1.16,r=0.5不锈钢板不锈钢板:r=1.16-1.25;0.74-1.34半硬铝半硬铝:r=0.87,r=-0.54拉伸试验用的标准试样拉伸试验用的标准试样和拉伸曲线和拉伸曲线第三节 冲压变形理论基础 4 4冲压材料冲压材料五、冲压材料及其冲压成形性能（续）五、冲压材料及其冲压成形

19、性能（续）（1 1）对冲压材料的要求）对冲压材料的要求b对材料厚度公差的要求(最小间隙与板厚有关)c对表面质量的要求(光洁平整、无锈斑、氧化皮等)表面质量好的材料，冲压时不易破裂，不易擦伤模具，工件表面质量好a对冲压成形性能的要求要求(良好的塑性，屈强比小，弹性模量高)（2 2）常用冲压材料常用冲压材料第一章第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述冲压材料规格有冲压材料规格有：板料(大型零件)、条料(中小型)、卷(带)料(自动送料)、块料(少数钢号和价格昂贵的有色金属的冲压)黑色金属：黑色金属：普通碳素结构钢(Q195,Q275,Q235),优质碳素结构钢(08,15,20,45等)，合金结构钢，碳素

20、工具钢等。对于厚度在4mm以下的轧制薄钢板，国家标准规定钢板的厚度精度可分为A(A(高级精度高级精度),B(),B(较高精度较高精度),C(),C(普通精度普通精度)级级。对优质碳素结构薄钢板，国家标准规定，钢板的表面质量可分为(特别高级的精整表面),(高级的精整表面),(较高的精整表面),(普通的精整表面)组；每组按拉深级别又可分为z(z(最深拉深最深拉深),s(),s(深拉深深拉深),p(),p(普通拉深普通拉深)级级。有色金属：有色金属：铜及其合金、铝及其合金、镁合金、钛合金等。铜及其合金、铝及其合金、镁合金、钛合金等。非金属材料：非金属材料：纸板、胶木板、塑料板、纤维板和云母等。纸板、

21、胶木板、塑料板、纤维板和云母等。（2 2）常用冲压材料）常用冲压材料(续续)冲压加工对板材总的要求：冲压加工对板材总的要求：良好的塑性、屈强比小、弹性模量高、板厚方向良好的塑性、屈强比小、弹性模量高、板厚方向性指数大、板平面方向性指数小。性指数大、板平面方向性指数小。不同冲压工序对板材性能的具体要求是不同冲压工序对板材性能的具体要求是：冲裁冲裁：具有良好的塑性，在进行冲裁时板料不开裂；材料的硬具有良好的塑性，在进行冲裁时板料不开裂；材料的硬度一般应低于冲模工作部分的硬度。度一般应低于冲模工作部分的硬度。弯曲：弯曲：具有足够的塑性、较低的屈服极限和较高的弹性模量具有足够的塑性、较低的屈服极限和较

22、高的弹性模量。拉深：拉深：高塑性、屈服极限低和板厚方向性系数大，板料的屈强高塑性、屈服极限低和板厚方向性系数大，板料的屈强比小，板平面方向性系数小比小，板平面方向性系数小。点的应力状态a）任意坐标系 b）主轴坐标系 第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述9种主应力状态图第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述3种主应变状态图第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述如挤压和拉拔。如挤压和拉拔。如宽度较大的板带轧制如宽度较大的板带轧制如自由锻压如自由锻压金属的应力-应变图1-实际应力曲线 2-假象应力曲线 第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述硬化曲线第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述塑性变形的特点塑性变形的特点:弹塑性共存弹

23、塑性共存,加载卸载过程不同加载卸载过程不同NOTE:旧牌号:LY11;新牌号:硬铝合金2A11方板拉深试验最小阻力定律试验第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述措施：措施：开流开流和限流和限流变形趋向性对冲压工艺的影响第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述 环形毛坯的变形趋向（）变形前的模具与毛坯（）拉深（）翻边（）胀形 压边圈压边圈胀形胀形:表面积变大，底部表面积变大，底部中间部分厚度变薄中间部分厚度变薄第一章 冲压工艺概述冲压工艺概述D0/dT1.5-2;d0/dT2.5;d0/dT2.5;d0/dT0.2-0.3（翻边）与主变形相对应的应力图示与主变形相对应的应力图示试确定与这三个主应力相对应的变形

24、图示。试确定与这三个主应力相对应的变形图示。例：从变形体内任一点截取的微元体各主平面上分别作用从变形体内任一点截取的微元体各主平面上分别作用的主应力。的主应力。因因此此，与与这这三三个个应应力力相相对对应应的的变变形形图图示示：1 1和和2 2是伸长，而是伸长，而3 3 是缩短。是缩短。解：=例：轧制板带时轧制板带时2 2=0=0，试确定三个主应力之间的，试确定三个主应力之间的关系。关系。解解：即即结结论论：在平面变形情况下，主变形为零的方向，主应力不为零，在此方向上的应力为：温度对碳素钢塑性的影响用用、表示塑性降低区，表示塑性降低区，1 1、2 2、3 3表示塑性增高区表示塑性增高区 。兰脆

25、区兰脆区热脆区热脆区过热或过烧过热或过烧冷变形使原子动能增加冷变形使原子动能增加再结晶和扩散过程发生再结晶和扩散过程发生均匀一致的奥氏体均匀一致的奥氏体用、表示塑性降低区，1、2、3表示塑性增高区。区区钢的塑性很低，在零下200时塑性几乎完全丧失，这是由于原子热运动能力极低所致。区区位于200400之间，此区域亦称为兰脆区，即在钢材的断裂部分呈现兰色的氧化色，因此称为“兰脆”。区区位于800950之间，称为热脆区。区区接近于金属的熔化温度，此时晶粒迅速长大，晶间强度逐渐削弱，继续加热有可能使金属产生过热或过烧现象。1区位于100200之间，塑性增加是由于在冷变形时原子动能增加的缘故（热振动）。

26、2区位于700800之间，由于有再结晶和扩散过程发生，这两个过程对塑性都有好的作用。3区位于9501250的范围内，在此区域中没有相变，钢的组织是均匀一致的奥氏体。冷加工的温度则应为冷加工的温度则应为1 1区。区。变形速度对塑性的影响变形速度对塑性的影响区，即变形速度小于临界变形速度，该区随变形速度的增加，区，即变形速度小于临界变形速度，该区随变形速度的增加，塑性是随之下降的。塑性是随之下降的。区，是在大于临界变形速度的情况下，随变形速度的增加，区，是在大于临界变形速度的情况下，随变形速度的增加，塑性是增加的。塑性是增加的。变形速度的提高，单位时间内的发热率增加，有利于软化变形速度的提高，单位

27、时间内的发热率增加，有利于软化的产生，使变形抗力降低。的产生，使变形抗力降低。另一方面，提高变形速度缩短了变形时间，塑性变形时位另一方面，提高变形速度缩短了变形时间，塑性变形时位错运动的发生与发展不足，使变形抗力增加。一般情况下，错运动的发生与发展不足，使变形抗力增加。一般情况下，随着变形速度的增大，金属和合金的抗力提高，但提高的随着变形速度的增大，金属和合金的抗力提高，但提高的程度与变形温度密切相关。冷变形时，变形速度的提高，程度与变形温度密切相关。冷变形时，变形速度的提高，使抗力有所增加，或者说抗力对速度不是非常敏感。而在使抗力有所增加，或者说抗力对速度不是非常敏感。而在热变形时，变形速度的提高，会引起抗力明显波动，即抗热变形时，变形速度的提高，会引起抗力明显波动，即抗力对速度敏感。力对速度敏感。一般而言：一般而言：FFF首先产生塑性变形的区为弱区首先产生塑性变形的区为弱区(所需要的变形力较小所需要的变形力较小)。把塑性变形限制在弱区，排除传力区产生塑性变形的可能性。把塑性变形限制在弱区，排除传力区产生塑性变形的可能性。退回