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1、机械与动力工程学院机械与动力工程学院LJHCQUST一、影响金属塑性和变形抗力的因素一、影响金属塑性和变形抗力的因素金属塑性变形概念：金属塑性变形概念：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，变形分为，变形分为弹性变形弹性变形与与塑塑性变形性变形。弹性：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。弹性：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。塑性：物体产生永久变形的能力，不可逆性。塑性：物体产生永久变形的能力，不可逆性。第二章第二章 冷冲压变形基础冷冲压变形基础2.1 2.1 冷冲压变形基本原理冷冲压变形基本原理塑性变形的内因塑性变形的内因 外力破坏原子间原
2、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，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。形状和尺寸的变化。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。金属的塑性与变形抗力金属的塑性与变形抗力1.塑性及其衡量指标塑性及其衡量指标 塑性：指金属在外力的作用下，能稳定的发挥塑性变形而不破坏塑性：指金属在外力的作用下，能稳定的发挥塑性变形而不破坏其完整性的能力。其完整性的能力。塑性指标：常用的塑性指
3、标有塑性指标：常用的塑性指标有 延伸率延伸率 断面收缩率断面收缩率 2.变形抗力变形抗力 金属抵抗变形的力称为变形抗力，常用屈服强度金属抵抗变形的力称为变形抗力，常用屈服强度s来表征。来表征。塑性与变形抗力是两个不同的概念：塑性与变形抗力是两个不同的概念：塑性：反映变形的塑性：反映变形的能力。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。%100LLL00K%10000AAAK 影响金属的塑性与变形抗力的主要因素影响金属的塑性与变形抗力的主要因素1.变形温度变形温度 1 1）温度升高，原子热运动加剧；）温度升高，原子热运动加剧；2 2）温度升高，回复与再结晶；）温度升高
4、，回复与再结晶；3 3）温度升高，晶界强度下降。）温度升高，晶界强度下降。总体而言，随着温度的升高，金属塑性增强，变形抗力下降。实际总体而言，随着温度的升高，金属塑性增强，变形抗力下降。实际情况下由于金属和合金种类繁多，温度变化引起的材料物理情况下由于金属和合金种类繁多，温度变化引起的材料物理化学化学状态的变化各不相同，所以温度对各种金属和合金塑性及变形抗力状态的变化各不相同，所以温度对各种金属和合金塑性及变形抗力的影响规律将更为复杂。（教材图例的影响规律将更为复杂。（教材图例2-12-1）对于塑性变形量比较大的成形工艺中，一般都采用加热的方法提高对于塑性变形量比较大的成形工艺中，一般都采用加
5、热的方法提高材料的塑性，同时降低材料的变形抗力，减轻设备和工装的负担。材料的塑性，同时降低材料的变形抗力，减轻设备和工装的负担。2.变形速度对塑性和变形抗力的影响变形速度对塑性和变形抗力的影响 速度大时，塑性变形来不及扩展，没有足够时间回复、再结晶，速度大时，塑性变形来不及扩展，没有足够时间回复、再结晶，塑性降低，变形抗力增大。另一方面，速度大时，发热效应显著，变塑性降低，变形抗力增大。另一方面，速度大时，发热效应显著，变形温度升高对塑性增加有利。形温度升高对塑性增加有利。3 3 应力、应变状态应力、应变状态 外力外力 内力内力 模具模具 毛坯毛坯 零件零件 毛坯的变形都是模具对毛坯施加外力所
6、引起内力或由毛坯的变形都是模具对毛坯施加外力所引起内力或由内力直接作用的结果。应力就是毛坯内单位面积上作用的内力直接作用的结果。应力就是毛坯内单位面积上作用的内力。应力应理解为一极小面积上的内力与该面积比值的内力。应力应理解为一极小面积上的内力与该面积比值的极限，即：极限，即：dFdPFPF0lim 其中，其中，P表示作用物体某一微元面积表示作用物体某一微元面积F上的内力，即上的内力，即应力应力是内力是内力P与面积与面积F当当F趋于零时比值的极限。趋于零时比值的极限。二、一点的应力与应变状态（补充）二、一点的应力与应变状态（补充）（）（）一点的应力状态：一点的应力状态：是指通过变形体内某点的单
7、元体所有截面上的应力的是指通过变形体内某点的单元体所有截面上的应力的有或无、大小、方向等情况。有或无、大小、方向等情况。应力是个张量，一点的全应力应力是个张量，一点的全应力可可分解为三个应力分量：分解为三个应力分量：一个正应力（与平面垂直）和两个一个正应力（与平面垂直）和两个剪切力（与平面相切）剪切力（与平面相切）zzyzxyzyyxxzxyx 九种主应力状态图九种主应力状态图 总可以找到三个互相垂直的平面，其上仅有正应力而无剪应力，这三总可以找到三个互相垂直的平面，其上仅有正应力而无剪应力，这三个应力叫主应力（个应力叫主应力（1、2、3）。反过来，只要三个主应力是已知的，就）。反过来，只要三
8、个主应力是已知的，就可以计算出任意平面上作用的正应力与剪应力，也就是说该点的应力状态可以计算出任意平面上作用的正应力与剪应力，也就是说该点的应力状态是已知的。主应力的作用方向成为主轴。显然，主轴的方向仅仅决定于该是已知的。主应力的作用方向成为主轴。显然，主轴的方向仅仅决定于该点的应力状态，而与座标轴的选取是无关的。点的应力状态，而与座标轴的选取是无关的。（2 2）一点的应变状态）一点的应变状态 塑性变形过程中，毛坯的形状和尺寸都发生变化，变化的塑性变形过程中，毛坯的形状和尺寸都发生变化，变化的大小可用应变表示。大小可用应变表示。1）相对应变）相对应变 相对应变为变形长度与原始长度之比相对应变为
9、变形长度与原始长度之比 这种变形表示方法没有考虑材料的变形是一个逐渐积累的这种变形表示方法没有考虑材料的变形是一个逐渐积累的过程，因此其计算结果与实际情况比较是有误差的，且变过程，因此其计算结果与实际情况比较是有误差的，且变形量越大，误差越大，只能用于小变形中（形量越大，误差越大，只能用于小变形中（1 时，板材厚度方向上的变形比宽度方向上的变形困难，起皱趋时，板材厚度方向上的变形比宽度方向上的变形困难，起皱趋向性降低，利于拉深成形。向性降低，利于拉深成形。考虑到板材方向性，可取考虑到板材方向性，可取nA00/ln/lnttbbrtb90450241rrrr三、板料的力学性能与冲压成形性能的关系
10、三、板料的力学性能与冲压成形性能的关系 6.板平面方向性指数（凸耳参数）板平面方向性指数（凸耳参数）r 224590rrrr板料经轧制后其力学、物理性能在板平面内出现各项异性，称为板板料经轧制后其力学、物理性能在板平面内出现各项异性，称为板平面方向性。在表示板料力学性能的各项指标中，板厚方向性系数平面方向性。在表示板料力学性能的各项指标中，板厚方向性系数对冲压性能的影响比较明显，故板平面方向性一般用板厚方向性系对冲压性能的影响比较明显，故板平面方向性一般用板厚方向性系数数 r 在几个方向上的平均值差在几个方向上的平均值差r来衡量。来衡量。r大，板材方向性强，引起塑性变形分布不均，拉深件出现突耳
11、，因大，板材方向性强，引起塑性变形分布不均，拉深件出现突耳，因此，此，r大对冲压成形不利。大对冲压成形不利。r 值值 大，大，r亦大，而亦大，而r 值大有利于拉深变形，值大有利于拉深变形，r大不利于拉深变形，大不利于拉深变形，故选材时，对故选材时，对 r 值的影响要综合考虑。值的影响要综合考虑。三、板料的力学性能与冲压成形性能的关系三、板料的力学性能与冲压成形性能的关系四、成形极限图及其应用四、成形极限图及其应用1.概念概念及试验方法及试验方法对于大型复杂薄板冲压件成形时，凹模内毛坯产生破裂的情况较多。这对于大型复杂薄板冲压件成形时，凹模内毛坯产生破裂的情况较多。这一部分毛坯一般是在拉应力作用
12、下成形的，变形区内产生的断裂是延性一部分毛坯一般是在拉应力作用下成形的，变形区内产生的断裂是延性断裂。掌握板材拉伸失稳理论，利用成形极限图，可以对这种破坏问题断裂。掌握板材拉伸失稳理论，利用成形极限图，可以对这种破坏问题较快地作出判断，找出原因，提出相应的解决办法。较快地作出判断，找出原因，提出相应的解决办法。成形极限图（成形极限图（FLD）也称成形极限线（）也称成形极限线（FLC），是对板材成形性能的一），是对板材成形性能的一种定量描述，也是对冲压工艺成败性的一种判断曲线。它比用总体成形种定量描述，也是对冲压工艺成败性的一种判断曲线。它比用总体成形极限参数，如胀形系数、翻边系数等来判断是否能
13、成形更为方便而准确。极限参数，如胀形系数、翻边系数等来判断是否能成形更为方便而准确。成形极限图是板材在不同应变路径下的局部失稳极限应变成形极限图是板材在不同应变路径下的局部失稳极限应变1和和2构成的构成的条带形区域或曲线（图条带形区域或曲线（图2-19）。它全面反映了板材在单向和双向拉应力）。它全面反映了板材在单向和双向拉应力作用下的局部成形极限。在板材成形中，作用下的局部成形极限。在板材成形中，板平面内的两主应变板平面内的两主应变的任意组的任意组合，只要落在成形极限图中的成形极限曲线上，板材变形时就会产生破合，只要落在成形极限图中的成形极限曲线上，板材变形时就会产生破裂；反之则是安全。图裂；
14、反之则是安全。图2-19中的条带形区域称为临界区，变形如位于临中的条带形区域称为临界区，变形如位于临界区，表明此处板材有濒临于破裂的危险。由此可见，界区，表明此处板材有濒临于破裂的危险。由此可见，FLD是判断和评是判断和评定板材成形性能的最为简便和直观的方法，是解决板材冲压成形问题的定板材成形性能的最为简便和直观的方法，是解决板材冲压成形问题的一个非常有效的工具。一个非常有效的工具。目前，试验确定板材成形极限图的方法是：在毛坯（试样）表面预先作目前，试验确定板材成形极限图的方法是：在毛坯（试样）表面预先作出一定形状的网格。冲压成形后，观察、测定网格尺寸的变化量，经过出一定形状的网格。冲压成形后
15、，观察、测定网格尺寸的变化量，经过计算，即可得到网格所在位置的应变。对破裂部位附近变形区内各点网计算，即可得到网格所在位置的应变。对破裂部位附近变形区内各点网格尺寸的变化进行测量与计算，可得到应变的分布。网格图形如图格尺寸的变化进行测量与计算，可得到应变的分布。网格图形如图2-21所示。圆形网格在变形后网格变成椭圆形状，椭圆的长、短轴方向就是所示。圆形网格在变形后网格变成椭圆形状，椭圆的长、短轴方向就是主轴方向。再改变润滑条件、毛坯尺寸、成形力等，以改变应变状态从主轴方向。再改变润滑条件、毛坯尺寸、成形力等，以改变应变状态从而获得不同应变状态下的极限应变值。最终绘制出成形极限图而获得不同应变状
16、态下的极限应变值。最终绘制出成形极限图2-19。011lndd022lndd四、成形极限图及其应用四、成形极限图及其应用1.概念概念及试验方法及试验方法成形极限图与应变分析网格法结合在一起，可以分析解决许多生产实际成形极限图与应变分析网格法结合在一起，可以分析解决许多生产实际问题。这种方法用于分析解决问题的原理是：首先通过试验方法获得研问题。这种方法用于分析解决问题的原理是：首先通过试验方法获得研究零件所用板材的成形极限图；再将网格系统印制在待研究零件毛坯的究零件所用板材的成形极限图；再将网格系统印制在待研究零件毛坯的表面，划出变形危险区；坯料成形为零件后，测定其网格的变化量，计表面，划出变形
17、危险区；坯料成形为零件后，测定其网格的变化量，计算出应变值。将应变值标注在所用材料的成形极限图上。这时零件的变算出应变值。将应变值标注在所用材料的成形极限图上。这时零件的变形危险区域便可准确加以判断。形危险区域便可准确加以判断。成形极限图的应用大致有以下几方面：成形极限图的应用大致有以下几方面：1）解决冲模调试中的破裂问题；解决冲模调试中的破裂问题；2）判断所设计工艺过程的安全裕度，选用合适的冲压材料；判断所设计工艺过程的安全裕度，选用合适的冲压材料；3）可用于冲压成形过程的监视和寻找故障。可用于冲压成形过程的监视和寻找故障。四、成形极限图及其应用四、成形极限图及其应用2.成形极限图的应用成形极限图的应用五、五、冷冲压材料及其在图样上表示方法冷冲压材料及其在图样上表示方法1、冲压加工常用的板料种类（表、冲压加工常用的板料种类（表2-5）2、常用板料规格、常用板料规格91GB13237S0888GB708150010001.0B钢板尺寸精度等级尺寸精度等级钢板尺钢板尺寸寸国标国标钢材牌号钢材牌号表面质量等级表面质量等级冲压性能等级冲压性能等级国标国标9119GB/T13237P208819GB/T708150010001.5B钢板
冲压工艺及冲模设计_02冷冲压变形基础01_LJH
