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1、冲压成形的基本理论1第1页，共30页，编辑于2022年，星期五1.2 冲压成形的基本理论第一节第一节 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 金属塑性变形的力学条件金属塑性变形的力学条件第四节第四节 冲压成形性能冲压成形性能2第2页，共30页，编辑于2022年，星期五 1.1金属塑性变形的基本概念金属塑性变形的基本概念 在外力外力的作用下，金属产生的的作用下，金属产生的形状和尺寸变化形状和尺寸变化称为称为变形变形，变形分，变形分为为弹性变形弹性变形(elastic deformation)与与塑性变形塑性变形(plas
2、tic deformation)弹性(elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。塑性(plasticity)：物体产生永久变形的能力，不可逆性。1.1.1塑性变形的物理概念塑性变形的物理概念 外力破坏原子间原有的平衡状态，造成原子外力破坏原子间原有的平衡状态，造成原子排列的畸变排列的畸变，引起金属形状，引起金属形状和尺寸的变化。变形的实质是原子间的距离产生变化。和尺寸的变化。变形的实质是原子间的距离产生变化。塑性变形：塑性变形：金属形状和尺寸产生永久改变，这种改变不可恢复，该金属形状和尺寸产生永久改变，这种改变不可恢复，该变形称为塑性变形。变形称为塑性变形。第一节第一节 金属塑性
3、变形概述金属塑性变形概述3第3页，共30页，编辑于2022年，星期五塑性塑性：表示材料塑性变形的能力。它是指金属材料在外力作用下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。产生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（物理变形方式（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）因素即变形温度与变形
4、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缩率和断面收缩率。4第4页，共30页，编辑于2022年，星期五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，用该单元体上三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。个相互垂直面上的九个应力分量来表示。已知该九个应已知该九个应
5、力分量，则过此点任意切面上的应力都可求得。力分量，则过此点任意切面上的应力都可求得。5第5页，共30页，编辑于2022年，星期五主应力状态主应力状态最大切应力最大切应力等效应力等效应力6第6页，共30页，编辑于2022年，星期五主应变状态主应变状态类似有应变状态的概念。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：7第7页，共30页，编辑于2022年，星期五一、应力应变曲线一、应力应变曲线第四节第
6、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8第8页，共30页，编辑于2022年，星期五 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。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，强度和硬度逐渐增加，而塑金属的机械性能，随着变形
7、程度的增加，强度和硬度逐渐增加，而塑性和韧性逐渐降低；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；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；由于变形不均，会在材料内部产生内应力，变形后作为残余由于变形不均，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。应力保留在材料内部。9第9页，共30页，编辑于2022年，星期五真实应力真实应力：金属材料在塑性变形过程中产生硬化，屈服应力不断变化，：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。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
8、态变形的基础上，真实地反映了塑性变形的：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。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：10第10页，共30页，编辑于2022年，星期五硬化曲线硬化曲线：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，表示硬应变曲线，表示硬化规律。化规律。这种变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。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11第11页，共30页，编辑于2022年，星期五二、二、屈
9、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。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，材料就当材料中的最大切应力达到某一定值时，材料就开始屈服。开始屈服。12第12页，共30页，编辑于2022年，星期五Mises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，材达到某一定值时，材料就开始屈服。料就开始屈服。应力状态应
10、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13第13页，共30页，编辑于2022年，星期五三、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，与的，与加载历史加载历史无关无关；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关系则是则是非线性非线性的、的、不可不可逆逆的，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
11、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，而与该瞬间的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。应变值无关。14第14页，共30页，编辑于2022年，星期五全量理论全量理论：在在简单加载简单加载条件下，塑性变形的每一瞬间，主应力差与条件下，塑性变形的每一瞬间，主应力差与主应变差成正比例。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，各应力分量一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长，又称比例加载。直按同一比例系数增长，又称比例加载。应力状态
12、可确定塑性应变分量。应力状态可确定塑性应变分量。15第15页，共30页，编辑于2022年，星期五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16第16页，共30页，编辑于2022年，星期五 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，变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。形量为伸长变形的两倍。单向拉应力：单
13、向拉应力：拉应力方向伸长变形，其余方向为压缩变形，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，变形量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为压缩变形的一半缩口变形的缩口变形的边缘边缘 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，变形量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。为压缩变形的两倍。17第17页，共30页，编辑于2022年，星期五 三向拉应力：三向拉应力：最大拉应
14、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18第18页，共30页，编辑于2022年，星期五（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，即拉应力不一定对即拉应力不一定对应拉应变，压应力不一定对应压应变；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
15、大小与应变分量的大小次序是相）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，即对应的，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，即若则对应的应变分量也相等，即若 1 2，则有，则有 1 2。几几 点点 结结 论论19第19页，共30页，编辑于2022年，星期五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，在这个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，这种冲压变形称为伸长类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。当作用于毛坯
16、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，这种冲压变在这个方向上的变形一定是压缩变形，这种冲压变形称为压缩类变形。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、拉形等属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。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
17、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。20第20页，共30页，编辑于2022年，星期五 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21第21页，共30页，编辑于2022年，星期五抗破裂性抗破裂性：材料在塑性变形过程中抵抗破裂
18、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
19、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。22第22页，共30页，编辑于2022年，星期五 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）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，贴模性和定形性：越小，材料容易屈服，成形后回弹小，贴模性和定形性越好。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长，
20、抗：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。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越大硬化效应大，越大硬化效应大，对后续变形不利，但抗缩颈能力强，抗破裂性也越好。对后续变形不利，但抗缩颈能力强，抗破裂性也越好。23第23页，共30页，编辑于2022年，星期五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变之比。：板料试样在试验中，试样的宽向和厚向应变之比。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异值反映了板厚方向和板料平面方
21、向之间变形难易程度的差异。r r值值大，板料平面方向容易变形，板厚方向较难变形，板料不易大，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。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，平面不同方向变形不同，易出现值大，平面不同方向变形不同，易出现“凸耳凸耳”现象，增加材现象，增加材料消耗，影响冲压件质量。应尽是降低料消耗，影响冲压件质量。应尽是降低 r值。值。24第24页，共30页，编辑于2022年，星期五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
22、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，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，成形时指标越高，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。25第25页，共30页，编辑于2022年，星期五3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
23、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，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。26第26页，共30页，编辑于2022年，星期五（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：500mmX1500mm500mmX150
24、0mm、900mmX1800mm900mmX1800mm、1000mmX2000mm1000mmX2000mm。用于大型。用于大型零件的冲压。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。27第27页，共30页，编辑于2022年，星期五思思 考考 题题与冲压成形性能密切相关的力学性能指标有哪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。些，请简要说明。28第28页，共30页，编辑于2022年，星期五影响金属塑性的因素影响金属塑性的因素29第29页，共30页，编辑于2022年，星期五加载历史不同，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30第30页，共30页，编辑于2022年，星期五