Transcript 第二章冷冲压变形基础
第二章 冷冲压变形基 础 主讲教师：林彩梅 罗定职业技术学院机电工程系 第二章 • • • • 冷冲压变形基础 本章内容： 第一节 应力与应变状态分析 第二节 塑料与变形抗力及其影响因素 第三节 材料的冲压成形性能及加工硬化现象 第二章 冷冲压变形基础 内容简介： 本章讲述冲压变形的基础知识。涉及变形、 塑性、弹性变形、塑性变形、塑性条件、变形抗力、 主应力状态、主应变状态等概念；冲压成形基本原 理和规律；冲压成形性能。 第一节 应力与应变状态分析 教学目标与要求 1、掌握主应力状态、主应变状态等概念； 2、掌握塑性条件、塑性变形时应力应变关系、 体积不变条件 。 重点与难点 主应力状态、主应变状态 第一节 应力与应变状态分析 一、应力状态 1、应力和应力状态 应力：单位面积上的内力。 点的应力状态：物体内每一 点上的受力情况（如图2-1 所示） 。 图2-1面力、内力和应 力 第一节 应力与应变状态分析 2、全应力 在A面上围绕Q点取一很小的面积，设该面积上 内力的合力为△P，则定义A面上Q点的全应力S 为： P dP Ｓ＝ lim dF F 0 F （2-1） 全应力S可以分解成两个分量，一个垂直于A面， 称为正应力，一般用σ表示；另一个平行于A面， 称为切应力，用τ表示；面积dF称为Q点在N方向 上的微分面，S、σ 、τ则分别为Q点在N方向微 分面上的全应力、正应力、切应力。 第一节 应力与应变状态分析 现以单向均匀拉伸（如图2-2所示）进行分 析，设一断面积为F0的均匀截面棒料承受拉力P， 通过棒料内一点Q作一切面A，其法线N与拉伸轴 成θ角，将棒料切开并移去上半部。由于是均 匀拉伸，故A面上的应力是均匀分布的。设Q点 在A面上的全应力为S，则S的方向一定平行于拉 伸轴，且大小为： 第一节 应力与应变状态分析 图2-2单向拉伸时的应力 第一节 应力与应变状态分析 P P cos 0 cos Ｓ＝ F F0 0 cos 正应力分量及切应力分量则分别为： S cos 0 cos 2 1 S sin 0 sin 2 2 第一节 应力与应变状态分析 3、主应力和切应力 应力主平面：切应力=0的切面。 主应力：应力主平面上的正应力。 单元体或微元体：为了研究物体内每一点的受力 情况，假想把物体切成无数个极其微小的六面体 （在物体边界上也可以是四面体或五面体），称为 单元体或微元体。 在变形体上的任意点取一个单元体（如图23a）所示），取单元体的六个相互垂直的表面作为 微分面，其上有大小相同、方向不同的全应力Sx， Sy，Sz，每个全应力又可分解为平行于坐标轴的三 个分量，即一个正应力和两个切应力（如图2-3b） 所示）。 第一节 应力与应变状态分析 图2-3 单元体上的应力状态 第一节 应力与应变状态分析 切应力互等定律：为了保持单元体的平衡， 切应力总是成对出现的,它们大小相等,分别作用 在两个相互正交的微分面内,其方向共同指向或 背离两微分面的交线。 xy yx ； yz zy ； zx xz 第一节 应力与应变状态分析 任何一种应力状态来，总存在这样一组坐 标系，使单元体各表面上只出现正应力而不出 现切应力，如图2-3c）所示，我们称该坐标系 中的正应力称为主应力（其数值有时也可能为 零），一般按其代数值大小依次用 1 , 2 , 3表示， 1 2；带正号的主应力表示拉应力，带 3 且 负号的主应力表示压应力。 第一节 应力与应变状态分析 4、主应力状态和状态图 主应力状态：以主应力表示的应力状态 主应力状态图：以主应力表示其应力个数及其符号 的简图，主应力状态图有九种（如图2-4所示）。 图2-4九种主应力状态图 第一节 应力与应变状态分析 5、主切应力和主切应力平面 主切应力平面：切应力有极值的微分面。 主切应力：主切应力平面上作用的切应力。 主切应力平面共有三组，它们分别与一个 应力主轴平行并与另两个应力主轴成45°，如 图2-5所示。 图2-5主切应力面 第一节 应力与应变状态分析 三个主切应力的大小为： 12 23 31 1 2 2 2 3 2 3 1 2 第一节 应力与应变状态分析 二、塑性条件（又称屈服条件） 图2-7所示为单向拉伸时得到的应力与应变 曲线。 图2-7 单向拉伸时的应力与应变曲线 第一节 应力与应变状态分析 质点处于单向应力状态时，只要单向应力 达到屈服极限，该质点即由弹性变形状态进入 塑性变形状态。而在多向应力状态下，则不能 仅仅用某一个应力数值与屈服极限的大小关系 来判断质点是否进入塑性变形状态，必须同时 考虑其他应力分量，而且只有当各应力分量之 间符合一定条件时，质点才进入塑性变形状态。 第一节 应力与应变状态分析 塑性条件：决定受力物体内质点由弹性变形状 态向塑性变形状态过渡的条件。 Tresca（屈雷斯加）的最大切应力理论：在一定 的变形条件下，材料中最大切应力达到某一定 值时就开始屈服。 12 1 2 2 s 2 23 2 3 2 s 2 31 设 1 2 3 则 max 1 3 2 s 2 1 3 s 3 1 2 s 2 第一节 应力与应变状态分析 Mises（密塞斯）的常数形变能量理论； 在一定的变形条件下，无论变形物体内的质点 所处的应力状态如何，只要该质点三个主应力 的组合满足以下的条件，物体便开始屈服。 1 2 2 3 3 1 2 2 2 2 s 2 第一节 应力与应变状态分析 三、应变状态 晶体：指原子（或分子）在三维空间作有规则的周期 性重复排列的固体。 单元体的变形可分为两种形式： 正变形或线变形：线尺寸的伸长缩短。 切变形或角变形：单元体发生偏斜。 变形：物体在外力作用下，会产生形状和尺寸的 改变。 弹性变形：外力取消后物体能恢复原状（形状和 尺寸恢复到原来的状态）的变形。 塑性变形：外力取消后物体不能恢复原状的变形。 第一节 应力与应变状态分析 点的应变状态也可以通过单元体的变 形来表示，与应力状态一样，当采用主轴 坐标系时，单元体就只有三个主应变分量 ε1，ε2，ε3，而没有切应变分量，一种应 变状态只有一组主应变，如图2-8所示。 第一节 应力与应变状态分析 如图2-9所示单元体：假设变形前的尺寸为 l0，b0，t0，变形后的尺寸为ln，bn，tn 。则三个 方向的主应变为： 1 l n l 0 l l0 l0 bn b0 b 2 b0 b0 t n t 0 t 3 t0 t0 实际应变与相对应变之间的关系为： ln 1 第一节 应力与应变状态分析 图2-8点的应变状态 图2-9 变形前后尺寸的变化 第一节 应力与应变状态分析 塑性变形体积不变定律：塑性变形时 的物体体积不变，塑性变形以前的体积等 于其变形后的体积。即 1 2 3 0 第一节 应力与应变状态分析 主应变状态图只可能有三类： ①具有一个正应变及两个负应变； ②具有一个负应变及两个正应变； ③一个主应变为零，另两个应变之大小相等符 号相反（如图2-10所示） 图2-10 主应变状态 图 第一节 应力与应变状态分析 四、塑性变形时应力与应变的关系 弹性变形用广义虎克定律来表示。 进入塑性变形阶段，应力和应变的关 系是非线性的、不可逆的，应力和应变分 量之间均不能简单叠加。为了建立物体受 力与变形之间的关系，只能取加载过程中 某个微量时间间隔来研究，从而得到应力 与应变增量之间的关系式，即增量理论。 第一节 应力与应变状态分析 增量理论： d 3 d 1 d 2 常数 1 m 2 m 3 m 全量理论： 3 1 2 常数 1 m 2 m 3 m 为此可利用全量理论对冲压成形时，坯料中 某些特定的、有代表性位置上金属的变形和应 力的性质作出大致的定性分析。 第二节 塑性与变形抗力及其影响因素 教学目标与要求 １、掌握变形、弹性变形、塑性变形、塑性、 变形抗力等概念； ２、熟练应用最小阻力定律。 重点与难点 １、塑性变形、塑性、变形抗力等概念； ２、塑性与变形抗力及其影响因素； 3、最小阻力定律的应用。 第二节 塑性与变形抗力及其影响因素 一、塑性及塑性指标 塑性:是指固体材料在外力作用下发生塑性 变形（永久变形），而不破坏其完整性的能力。 塑性指标:是以金属材料开始破坏时的塑性 变形量来表示。为了衡量金属塑性的高低，需 要一种数量上的指标来表示，即塑性指标。 常用的塑性指标有： LK L0 伸长率： L 100% 0 断面收缩率： A0 AK 100% A0 第二节 塑性与变形抗力及其影响因素 二、变形抗力及其指标 物体发生变形是需要外力的。 变形力:使金属产生变形的外力. 变形抗力:金属抵抗变形的力.或者说在一定 的加载条件和一定的变形温度、速度条件下， 引起变形的单位变形力称为变形抗力。 变形抗力反映了使材料产生变形的难易程度；变 形抗力和变形力数值相等，方向相反，一般以 作用在金属和工具接触面上的平均单位面积上 的变形力表示其大小。 第二节 塑性与变形抗力及其影响因素 最小阻力定律：在塑性变形过程中，外 力破坏了金属的整体而强制金属发生流动， 当金属有几个质点或每个质点有几个方向 移动的可能时，它总是在阻力最小的地方 且沿阻力最小的方向移动（弱区先变形）。 第二节 塑性与变形抗力及其影响因素 三、影响金属变形抗力主要因素 塑性反映材料变形的能力，变形抗力 则反映材料变形的难易程度。塑性加工中 的一个重要问题就是如何充分利用金属的 塑性并在最小变形抗力的情况下获得所需 要的工件。 第二节 塑性与变形抗力及其影响因素 1、金属组织 组成金属的晶格类型，化学成分，组织状态， 晶粒大小，形状及晶界强度等不同，金属的塑 性就不同。 碳、硫、磷的影响。 ２、变形温度 变形温度对金属和合金的塑性与变形抗力有着 重要影响。就大多数金属和合金而言，其总的 趋势是：随着温度升高，塑性增加，变形抗力 降低。 第二节 塑性与变形抗力及其影响因素 3、变形速度 变形速度:是指单位时间内应变的变 化量。 变形速度对金属和合金的塑性和变形 抗力的影响是一个十分复杂的问题，随着 变形速度的增加，即有使金属的塑性减低 和变形抗力增加的一面，又有作用相反的 一面。而且不同学者的研究结果出入很大， 难以提供确切的资料，一般凭经验而定。 第二节 塑性与变形抗力及其影响因素 4、尺寸因素 同一种材料，在其他条件相同时，尺寸越大， 组织和化学成分越不一致，杂质成分及分布越 不均匀，应力分布越不均匀，塑性越差。 5、应力状态 应力状态对金属的塑性有很大的影响，主应力状 态图对金属塑性可按顺序排列为如图2-4所示的 形式，图中序号越小，塑性越好；其规律是压 应力的数目及数值越大和拉应力的数目和数值 越小，金属的塑性越好。 第三节 材料的冲压性能及加工硬化现象 教学目标： １、掌握硬化规律； ２、了解冲压成形性能指标。 重点及难点： １、冲压成形基本规律及应用； ２、冲压成形性能指标 。 第三节 材料的冲压性能及加工硬化现象 一、板料的冲压成形性能与成形极限 1、材料的冲压成形性能 冲压成形性能:板料对冲压成形工艺 的适应能力。 板料的冲压成形性能包括成形极限和 成形质量两个方面． 成形极限：指板料在发生失稳前所能 达到的最大变形程度． 第三节 材料的冲压性能及加工硬化现象 成形质量：指尺寸和形状精度、厚度变化、 表面质量及成形后材料的物理性能等。 2、板料的冲压成形性能试验方法 板料的冲压成形性能试验方法通常分为三 种：力学试验、金属学试验（又称间接试验）、 和工艺试验（直接试验）。 （１）板料拉伸试验 板料拉伸试验按图2-11所示准备拉伸试样，拉伸 结果得到如图2-12所示的拉伸曲线， 第三节 材料的冲压性能及加工硬化现象 图2-11 拉伸试样 图2-12不同材料的拉伸曲线 第三节 材料的冲压性能及加工硬化现象 • • • 材料的力学性能：材料在外力作用下所表现 的一些性能（强度、刚度、韧性等）。 刚度：材料在受力时抵抗弹性变形的能力， 它表示材料弹性变形的难易程度。材料刚度 的大小，通常用弹性模量来评价。弹性模量 越大，材料的刚度越大，弹性变形越不容易 进行。 强度：是金属抵抗永久变形和断裂的能力。 第三节 材料的冲压性能及加工硬化现象 • • • • • 当通过单向试验可以得到以下力学性能指标： ①总伸长率和均匀伸长率。 总伸长率：试样破坏时的伸长率。 均匀伸长率：试样开始产生局部变形时的伸长 率。均匀伸长率表示材料产生均匀或稳定的塑 性变形的能力，直接决定材料在伸长类变形中 的冲压成形性能。 如图2-2所示，包含弹性变形，如果外力取消 后，则弹性变形发生回复，而塑性变形保留下 来，得到相应的δs（δs=δb-δt）。 第三节 材料的冲压性能及加工硬化现象 • • • ③硬化指数n：表示材料在塑性变形时加工硬化 的强度。n大时，说明材料在变形过程中的加工 硬化现象严重，真实应力增加过大。 拉伸变形过程中比较有利，因为变形总是遵循阻 力最小定律。 材料在拉伸时，整个过程的变形是不均 匀的，按弱区先变形原则，变形区就不断转移， 即变形不是集中在某一局部进行,其结果在宏观 上表现为均匀变形。 第三节 材料的冲压性能及加工硬化现象 • • • ④板厚方向系数γ ：板厚方向系数是指板料试样 在单向拉伸时，宽向和厚向应变之比（又称塑性 应变比）。 γ值的大小反应了板料平面方向和厚度方向变形 的难易程度， γ值越大，则板料平面方向变形越 容易，而厚度方向变形越困难。 这对拉深变形过程极为有利，因为板料平面方向 容易变形而不出现起皱，板厚方向变形困难而避 免变薄甚至拉裂，提高拉深变时的变形程度。 第三节 材料的冲压性能及加工硬化现象 （2）弯曲试验 弯曲试验的目的是为了鉴定板料对弯曲成 形的适应性。如图2-13所示的弯曲试验是将夹 在特制钳口的板料作反复弯曲，依次向右侧及 左侧弯曲90°直至断裂或达到技术中规定的弯 曲次数。弯曲半径越小，反复弯曲的次数越多， 其成形性能越好。 第三节 材料的冲压性能及加工硬化现象 (3)胀形试验（又称杯突试验） 胀形试验的原理如图2-14所示。试验时将 符合试验尺寸的板料试样放在凹模与压边圈之 间压死，使受压部分金属无法流动，然后用试 验所规定的球形凸模将试样压入凹模，直至破 裂并停止试验，测量此时凸模的压入深度h作为 试验结果。h值越大,胀形成形性能越好。 第三节 材料的冲压性能及加工硬化现象 图2-13 弯曲试验 图2-14 杯突试验 第三节 材料的冲压性能及加工硬化现象 二、冷冲压成形中的硬化现象和硬化现象 1、硬化现象 加工硬化：金属材料在常温下产生塑性 变形，材料的强度指标（屈服强度与抗拉强度） 随着变形程度的增加而增加，塑性指标（伸长 率与端面收缩率）随之降低的现象。 加工硬化有利的方面：加工硬化能够减少 过大的局部变形，如胀形时，使变形趋于均匀， 增大成形极限，同时也提高了材料的强度。 第三节 材料的冲压性能及加工硬化现象 加工硬化不利的方面：使进一步变形变得 困难，如翻孔时，冲孔边缘的硬化导致开裂， 则降低了变形程度。 2、硬化曲线 假象应力：按各加载瞬间载荷F除以变形前 试样的原始截面积A0计算，F/ A0没有考虑变形 过程中试样截面面积的变化。 假象应力曲线：采用假象应力来表示的 曲线（如图2-15所示） 。 第三节 材料的冲压性能及加工硬化现象 真实应力：按各加载之载荷F除以该瞬间试样的 截面积A计算，即F/A。 真实应力曲线：真实应力与相对应变或实际应 变之间的关系曲线，又称硬化曲线或变形抗力。 图2-15条件应力—应变曲线与真实应力—应变曲线