冲压成形的基本理论.ppt

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1、第二章 冲压变形的基本概念第一节第一节 金属塑性变形概述金属塑性变形概述第二节第二节 影响塑性及变形抗力的主要因素影响塑性及变形抗力的主要因素第三节第三节 超塑性成形简介超塑性成形简介第四节第四节 金属塑性变形的力学条件金属塑性变形的力学条件第五节第五节 冲压成形中的变形趋向性及其控制冲压成形中的变形趋向性及其控制第六节第六节 冷冲压材料及其冲压成形性能冷冲压材料及其冲压成形性能1第一节第一节 金属塑性变形概述金属塑性变形概述变形变形：当物体受到外力作用之后，它的形状和尺寸发生的变化。当物体受到外力作用之后，它的形状和尺寸发生的变化。变形的实质变形的实质：原子间的距离产生变化。原子间的距离产生

2、变化。弹性变形弹性变形：假如作用于物体的外力去除后，由外力引起的变形假如作用于物体的外力去除后，由外力引起的变形随之消失，物体能完全恢复自己的原始形状和尺寸，这样的变随之消失，物体能完全恢复自己的原始形状和尺寸，这样的变形称为弹性变形。形称为弹性变形。塑性变形塑性变形：如果作用于物体的外力去除后，物体并不能完全恢如果作用于物体的外力去除后，物体并不能完全恢复自己的原始形状和尺寸，这样的变形称为塑性变形。复自己的原始形状和尺寸，这样的变形称为塑性变形。2塑性塑性：表示材料塑性变形的能力。它是指金属材料在外力作用表示材料塑性变形的能力。它是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不被破坏的能力。下产生

3、永久变形而不被破坏的能力。第二节第二节 影响塑性及变形抗力的主要因素影响塑性及变形抗力的主要因素影响因素影响因素 内在因素内在因素金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织等。金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织等。外部因素外部因素变形方式（机械因素即应力状态与应变状态）、变形条件变形方式（机械因素即应力状态与应变状态）、变形条件（物理因素即变形温度与变形速度）（物理因素即变形温度与变形速度）变形抗力变形抗力：金属在外力作用下抵抗塑性变形的能力金属在外力作用下抵抗塑性变形的能力，它反映材料产生塑性变形的难易程度，一般用金属材料产生塑性变形的单位变形力表示其大小。塑性指标塑性指标：衡量金属塑性高低

4、的参数。常用塑性指标为延伸率衡量金属塑性高低的参数。常用塑性指标为延伸率和断面收和断面收缩率缩率。3点的应力与应变状态点的应力与应变状态应力状态应力状态：通常是围绕该点取出一个单元六面体，用该单元体上通常是围绕该点取出一个单元六面体，用该单元体上三个相互垂直面上的九个应力分量来表示。三个相互垂直面上的九个应力分量来表示。已知该九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。个应力分量，则过此点任意切面上的应力都可求得。4主应力状态主应力状态v 三向应力状态三向应力状态v 平面应力状态平面应力状态v 单向应力状态单向应力状态最大切应力最大切应力等效应力等效应力5主应变状态主应变状态类似有

5、应变状态的概念。类似有应变状态的概念。体积不变规律体积不变规律金属材料在塑性变形时，体积变化很小，可以忽略不计。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：一般认为金属材料在塑性变形时体积不变，可证明满足：v 三向应变状态三向应变状态v 平面应变状态平面应变状态6一、应力应变曲线一、应力应变曲线第四节第四节 金属塑性变形的力学条件金属塑性变形的力学条件OA 为弹性变形阶段为弹性变形阶段A点点 屈服点屈服点ABG 均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段G点点 失稳点失稳点K点点 断裂点断裂点7 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，

6、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。而且其内部的组织和性能也将发生变化。一般会产生一般会产生加工硬化加工硬化或或应变刚应变刚现象：现象：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 金属的机械性能，随着变形程度的增加，强度和硬度逐渐金属的机械性能，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；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；异性；由于变形不均，会在材料内部产生内应力，变形后作为残由于变形不均，会在材料内部产生内

7、应力，变形后作为残余应力保留在材料内部。余应力保留在材料内部。8真实应力真实应力：金属材料在塑性变形过程中产生硬化，屈服应：金属材料在塑性变形过程中产生硬化，屈服应力不断变化，这种变化着的实际屈服应力就是真实应力。力不断变化，这种变化着的实际屈服应力就是真实应力。真实应变真实应变：正确反映瞬态变形的基础上，真实地反映了塑：正确反映瞬态变形的基础上，真实地反映了塑性变形的积累过程。性变形的积累过程。瞬时真实应变瞬时真实应变：总的真实应变总的真实应变：9硬化曲线硬化曲线：实际应力实际应力-应变曲线或真实应力应变曲线或真实应力-应变曲线，表示应变曲线，表示硬化规律。硬化规律。这种变化规律可近似用指数

8、曲线表示。这种变化规律可近似用指数曲线表示。加工硬化导致变形抗力不断升高。加工硬化导致变形抗力不断升高。AG 均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段GK 已产生缩颈的变形阶段已产生缩颈的变形阶段10二、二、屈服条件屈服条件 屈服屈服塑性状态塑性状态 屈服条件屈服条件研究材料进入塑性状态的力学条件。即材料研究材料进入塑性状态的力学条件。即材料 开始屈服时各个应力分量之间的关系。也叫屈服准则、塑性条开始屈服时各个应力分量之间的关系。也叫屈服准则、塑性条件、塑性方程。件、塑性方程。Tresca屈服准则屈服准则：当材料中的最大切应力达到某一定值时，材当材料中的最大切应力达到某一定值时，材料就开始屈服。料就开

9、始屈服。11Mises屈服准则屈服准则：当材料中的等效应力当材料中的等效应力 i i达到某一定值时，达到某一定值时，材料就开始屈服。材料就开始屈服。应力状态应力状态应用举例应用举例1.0单向应力状态单向应力状态胀形、翻边胀形、翻边1.155平面应变状态平面应变状态宽板弯曲宽板弯曲 1.1其它应力状态其它应力状态缩口、拉深缩口、拉深12三、三、金属塑性变形时的应力应变关系金属塑性变形时的应力应变关系 弹性变形阶段：应力与应变之间的关系是弹性变形阶段：应力与应变之间的关系是线性线性的、的、可逆可逆的，的，与加载历史与加载历史无关无关；塑性变形阶段：塑性变形阶段：应力与应变之间的关系应力与应变之间的

10、关系则是则是非线性非线性的、的、不可逆不可逆的，与加载历史的，与加载历史有关有关。增量理论增量理论：每个应变分量的增量与对应的应力分量成正比。每个应变分量的增量与对应的应力分量成正比。每一瞬间的应力只与该瞬间的应变增量有关，而与该瞬每一瞬间的应力只与该瞬间的应变增量有关，而与该瞬间的应变值无关。间的应变值无关。13全量理论全量理论：在在简单加载简单加载条件下，塑性变形的每一瞬间，主应条件下，塑性变形的每一瞬间，主应力差与主应变差成正比例。力差与主应变差成正比例。简单加载：简单加载：在塑性变形发展的过程中，只加载，不卸载，各应在塑性变形发展的过程中，只加载，不卸载，各应力分量一直按同一比例系数增

11、长，又称比例加载。力分量一直按同一比例系数增长，又称比例加载。应力状态可确定塑性应变分量。应力状态可确定塑性应变分量。14全量理论全量理论体积不变规律体积不变规律分析冲压成形时板材的应力与应变分析冲压成形时板材的应力与应变 球应力状态：球应力状态：不产生塑性变形，仅有弹性变形存在不产生塑性变形，仅有弹性变形存在 平面变形：平面变形：中间应力为其他两个应力的平均值中间应力为其他两个应力的平均值宽板弯曲宽板弯曲15 双向等拉：双向等拉：拉应力方向为伸长变形，其余方向为压缩变形，拉应力方向为伸长变形，其余方向为压缩变形，变形量为伸长变形的两倍。变形量为伸长变形的两倍。单向拉应力：单向拉应力：拉应力方

12、向伸长变形，其余方向为压缩变形，拉应力方向伸长变形，其余方向为压缩变形，变形量为伸长变形的一半变形量为伸长变形的一半翻边变形翻边变形的边缘的边缘平面毛坯胀形平面毛坯胀形 单向压应力：单向压应力：压应力方向压缩变形，其余方向为伸长变形，压应力方向压缩变形，其余方向为伸长变形，变形量为压缩变形的一半变形量为压缩变形的一半缩口变形缩口变形的边缘的边缘 双向等压：双向等压：压应力方向为压缩变形，其余方向为拉伸变形，压应力方向为压缩变形，其余方向为拉伸变形，变形量为压缩变形的两倍。变形量为压缩变形的两倍。16 三向拉应力：三向拉应力：最大拉应力方向是伸长变形最大拉应力方向是伸长变形最小拉应力方向是压缩变

13、形最小拉应力方向是压缩变形 三向压应力：三向压应力：最小压应力（绝对值最大）方向是压缩变形最小压应力（绝对值最大）方向是压缩变形最大压应力（绝对值最小）方向是伸长变形最大压应力（绝对值最小）方向是伸长变形17（1）应力分量与应变分量符号不一定一致，）应力分量与应变分量符号不一定一致，即拉应力不一定即拉应力不一定对应拉应变，压应力不一定对应压应变；对应拉应变，压应力不一定对应压应变；（2）某方向应力为零其应变不一定为零；）某方向应力为零其应变不一定为零；（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）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，即小次序是相对应的

14、，即 1 2 3，则有，则有 1 2 3。（4）若有两个应力分量相等，）若有两个应力分量相等，则对应的应变分量也相等，即则对应的应变分量也相等，即若若 1 2，则有，则有 1 2。几几 点点 结结 论论18伸长类变形伸长类变形当作用于毛坯变形区内的拉应力的绝对值最大时，当作用于毛坯变形区内的拉应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是伸长变形，这种冲压在这个方向上的变形一定是伸长变形，这种冲压变形称为伸长类变形。变形称为伸长类变形。当作用于毛坯变形区内的压应力的绝对值最大时，当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，这种冲压在这个方向上的变形一定是压缩变形

15、，这种冲压变形称为压缩类变形。变形称为压缩类变形。一般以变形区板材变薄为特征。如胀形、圆孔翻边、扩口、一般以变形区板材变薄为特征。如胀形、圆孔翻边、扩口、拉形等属于伸长类变形。拉形等属于伸长类变形。压缩类变形压缩类变形一般以变形区板厚增加为特征。如筒形件拉深、缩口等属于一般以变形区板厚增加为特征。如筒形件拉深、缩口等属于压缩类变形。压缩类变形。容易使变形区在拉应力作用下过度变薄而破坏。容易使变形区在拉应力作用下过度变薄而破坏。容易使变形区在压应力作用下失稳而起皱。容易使变形区在压应力作用下失稳而起皱。19 1 1材料的冲压成形性能材料的冲压成形性能第六节第六节 冲压材料及其冲压成形性能冲压材料

16、及其冲压成形性能材料的冲压性能好材料的冲压性能好成形极限高成形极限高成形质量好成形质量好便于冲压加工便于冲压加工冲压成形性能是一个综合性的概念冲压成形性能是一个综合性的概念抗破裂性抗破裂性贴模性贴模性材料对各种冲压成形方法的适应能力。冲压加工的依据。材料对各种冲压成形方法的适应能力。冲压加工的依据。定形性定形性20抗破裂性抗破裂性：材料在塑性变形过程中抵抗破裂的能力。：材料在塑性变形过程中抵抗破裂的能力。贴模性贴模性：板料在冲压过程中取得与模具一致的能力。：板料在冲压过程中取得与模具一致的能力。定形性定形性：零件脱模后保持其在模内既得形状的能力。：零件脱模后保持其在模内既得形状的能力。材料抗破

17、裂性差会导致零件严重损坏且无法修复，因而它是材料抗破裂性差会导致零件严重损坏且无法修复，因而它是评价板料冲压成形性能的评价板料冲压成形性能的主要指标主要指标。一般抗破裂性是用冲压成形工艺中的最大变形程度即一般抗破裂性是用冲压成形工艺中的最大变形程度即成形极限成形极限来表示。来表示。影响贴模性的因素有成形中的鼓包、塌陷、起皱等几何缺陷。影响贴模性的因素有成形中的鼓包、塌陷、起皱等几何缺陷。影响贴模性的最主要因素是回弹。影响贴模性的最主要因素是回弹。21 2 2冲压成形性能的试验方法冲压成形性能的试验方法间接试验间接试验：拉伸试验、硬度试验、金相试验等。：拉伸试验、硬度试验、金相试验等。机械（力学

18、）性能指标：机械（力学）性能指标：伸长率伸长率：越大，塑性越好，抗破裂性越好。：越大，塑性越好，抗破裂性越好。屈服极限屈服极限 s s：越小，材料容易屈服，成形后回弹小，贴模性：越小，材料容易屈服，成形后回弹小，贴模性和定形性越好。和定形性越好。屈强比屈强比 s s b b：越小，材料由屈服到破裂前的塑性变形阶段：越小，材料由屈服到破裂前的塑性变形阶段长，抗破裂性越好，同时回弹小，定形性好。长，抗破裂性越好，同时回弹小，定形性好。硬化指数硬化指数n n：表示材料在塑性变形中的硬化程度。：表示材料在塑性变形中的硬化程度。n n越大硬越大硬化效应大，对后续变形不利，但抗缩颈能力强，抗破裂性化效应大

19、，对后续变形不利，但抗缩颈能力强，抗破裂性也越好。也越好。22板厚方向性系数板厚方向性系数r r：板料试样在试验中，试样的宽向和厚向应：板料试样在试验中，试样的宽向和厚向应变之比。变之比。r r值反映了板厚方向和板料平面方向之间变形难易程度的差值反映了板厚方向和板料平面方向之间变形难易程度的差异异。r r值大，板料平面方向容易变形，板厚方向较难变形，值大，板料平面方向容易变形，板厚方向较难变形，板料不易拉裂和起皱，抗破裂性和贴模性较好。板料不易拉裂和起皱，抗破裂性和贴模性较好。板平面方向性系数板平面方向性系数 r：板料平面上存在的各向异性。：板料平面上存在的各向异性。r r值大，平面不同方向变

20、形不同，增加材料消耗，影响值大，平面不同方向变形不同，增加材料消耗，影响冲压件质量。冲压件质量。23直接试验直接试验：直接模拟某一类实际成形方式来成形小尺寸：直接模拟某一类实际成形方式来成形小尺寸的试样。也叫模拟试验。的试样。也叫模拟试验。胀形成形性能试验胀形成形性能试验：测定或评价板料胀形成形性能。：测定或评价板料胀形成形性能。拉深成形性能试验拉深成形性能试验：测定或评价板料拉深成形性能。：测定或评价板料拉深成形性能。板料的机械性能与冲压成形性能的关系板料的机械性能与冲压成形性能的关系板料的板料的强度强度指标越高，产生相同变形量的指标越高，产生相同变形量的力力就越大；就越大；塑性塑性指标越高

21、，成形时所能承受的极限指标越高，成形时所能承受的极限变形量变形量就越大；就越大；刚度刚度指标越高，指标越高，成形时成形时抵抗抵抗失稳起皱的能力就越大。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不同冲压工序对板料的机械性能的具体要求有所不同。243常用冲压材料常用冲压材料（1 1）对冲压材料的基本要求）对冲压材料的基本要求c c对材料厚度公差的要求对材料厚度公差的要求b b对表面质量的要求对表面质量的要求a a对冲压成形性能的要求对冲压成形性能的要求良好的抗破裂性、良好的贴模性和定形性良好的抗破裂性、良好的贴模性和定形性。材料表面光洁、平整，无缺陷损伤材料表面光洁、平整

22、，无缺陷损伤。材料的厚度应符合国家标准材料的厚度应符合国家标准。25（2 2）材料的种类）材料的种类金属材料金属材料非金属材料：胶木板、塑料板、纤维板等。非金属材料：胶木板、塑料板、纤维板等。黑色金属：碳素钢、合金钢黑色金属：碳素钢、合金钢有色金属：纯铜、黄铜、青铜、铝合金等有色金属：纯铜、黄铜、青铜、铝合金等（3 3）材料的规格）材料的规格板料：板料：500mmX1500mm500mmX1500mm、900mmX1800mm900mmX1800mm、1000mmX2000mm1000mmX2000mm。用于。用于大型零件的冲压。大型零件的冲压。条料：由板料剪裁而成。用于中、小型零件的冲压。条

23、料：由板料剪裁而成。用于中、小型零件的冲压。带料（卷料）：成卷状供应的薄料。适用于大批量生产的自动送料。带料（卷料）：成卷状供应的薄料。适用于大批量生产的自动送料。块料：用于单件小批生产和价值昂贵的有色金属的冲压。块料：用于单件小批生产和价值昂贵的有色金属的冲压。26思思 考考 题题1.1.利用全量理论和体积不变规律分析冲压成形利用全量理论和体积不变规律分析冲压成形过程中毛坯的变形和应力的性质。过程中毛坯的变形和应力的性质。2.2.与冲压成形性能密切相关的力学性能指标有与冲压成形性能密切相关的力学性能指标有哪些，请简要说明。哪些，请简要说明。27影响金属塑性的因素影响金属塑性的因素28加载历史不同，应力应变关系加载历史不同，应力应变关系不确定示意图不确定示意图29