冲压工艺及模具－设计与实践第2章冲压成形工艺及模具设计的基本理论基础.ppt

第2章 冲压成形工艺及模具设计的基本理论基础,2.1 金属塑性变形及其对金属性能的影响 2.1.1 金属塑性与塑性变形基本概念 在金属材料中，原子之间作用着相当大的力，足以抵抗重力的作用。当物体受到其他外力作用后，物体的形状和尺寸将发生变化，称为变形。 若作用于物体的外力卸载后，由外力引起的变形随之消失，能完全恢复到原有的形状和尺寸，变称为弹性变形。若作用于物体的外力卸载后，不能完全恢复到原有形状和尺寸，称为塑性变形。 金属塑性，是指金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。 金属塑性的大小通常用塑性指标来衡量。对应于拉伸试验的塑性指标通常用延伸长率和断面收缩率表示。 2.1.2 影响金属塑性的因素 金属的塑性主要包括金属本身的内在因素和变形时的外部条件。,1. 金属的成分和组织结构。组成金属的晶格类型，杂质的性质、数量及分布情况，晶粒大小、形状及晶界强度等不同，金属的塑性就不同。 2. 变形温度。变形温度的趋势是：温度升高，塑性增加，变形抗力降低。 使金属加热软化，以增加板料的变形程度，降低板料的变形抗力。 碳钢加热到200400之间时，因为时效作用(夹杂物以沉淀的形式在晶界滑移面上析出)使塑性降低，变形抗力增加，脆性增大，这个温度范围称为蓝脆区。而在800950范围内，会出现热脆，使塑性降低，原因是铁与硫形成的化合物FeS几乎不溶丁固体铁中，形成低熔点的共晶体(Fe + FeS+FeO)，如果处在晶粒边界的共晶体熔化，就会破坏晶粒间的结合。 3. 变形速度。所谓变形速度是指单位时间内应变的变化量，塑性成形设备的加载速度在一定程度上反映了金属的变形速度。 4. 应力状态。压应力有利封闭裂纹阻止继续扩展，减小或阻止晶间变形。,2.1.3 塑性变形对金属组织和性能的影响 1. 组织变化 1）显微组织发生变化，产生了纤维组织。当变形量很大时，晶粒呈现出一片如纤维状得条纹，称为纤维组织。 2）亚结构细化。金属塑性变形过程中，当变形很小时，晶粒内部位错分布相对比较均匀。 3）出现变形织构。塑性变形使晶粒具有优取向的组织称为“变形织构”。 2. 性能变化 1）出现加工硬化现象。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性降低，这种现象称为加工硬化或形变强化。 如图2.1所示，金属薄板在冲压过程，弯角处变形最严重。,图2.1 冲压示意图 2）物理性能和化学性能发生变化。 金属材料经塑性变形后，物理性能和化学性能也发生明显变化。如使金属及合金的比电阻增加，导电性能和电阻温度系数下降，导热系数也略为下降。塑性变形还使导磁率、磁饱和度下降，但磁滞和矫顽力增加。,3. 残余应力 金属在塑性变形时，每个晶粒都有不同程度的变形，即附加应力。变形终止后，附加应力残留在金属内部形成残余应力。 残余应力的存在对金属材料的性能来说是有害的，它导致金属材料及工件的变形、开裂和应力腐蚀。对于承受单向扭转载荷的零件（如某些汽车中的扭力轴）沿载荷方向进行适量的超载预扭，可以使工件表面层产生相当数量的与载荷方向相反的残余应力。 2.2 金属塑性变形时的应力应变状态及其对金属变形的影响 2.2.1 金属塑性变形时的应力应变状态 在冲压加工过程中，外力通过模具作用于材料，使之产生塑性变形，同时在材料内部引起反抗变形的内力。,1. 点的应力状态 材料在外力的作用下，各部各个质点间就会产生相互作用的力，称为内力。单位面积上内力称为应力。 一点的应力状态是通过在该点沿某种坐标系所取的单元体上各个互相垂直表面上的应力来表示的，如图2.2a所示。应力可沿坐标方向分解为九个应力分量，包括三个正应力和六个剪应力，如图2.2b所示。写成矩阵形式为： 图2.2点的应力状态,其中，3个正应力和6个剪应力互等，即 因此，只要知道3个正应力和3个剪应力，该点的应力状态就可确定。写成矩阵形式为,需要注意的是图2.2a和图2.2b中的坐标系XYZ是任意的。使得单元体各表面上只出现正应力，而没有剪应力，如图2.2c所示，1、2、3三个坐标轴称为主轴；三个坐标轴的方向就称为主方向；三个正应力就称为主应力，一般按其代数值大小依次用 和 表示，即 。值可正可负，正值表示拉应力，负值表示压应力。三个主应力的作用面称为主平面。 3个主应力大小都相等，即 ，则称为球应力状态。这种应力状态不产生剪应力，故所有方向都可看做是主方向，而且所有方向的主应力都相同。 单元体上三个正应力的平均值称为平均应力，用 表示。平均应力的大小取决于该点的应力状态，而与坐标系的选取无关，平均应力为,如图2.3所示，任何一种应力状态都可以看成是球应力状态和偏应力状态两种应力状态的叠加。 图2.3 应力状态的分解 主切应力的作用面称为主切应力面。主切应力及其作用面共有三组，如图2.4所示，其主切应力值分别为,图2.4 主切应力及主切应力面（阴影部分）,2. 点的应变状态 变形体内存在应力必伴随有应变，点的应变状态也是通过单元体的变形来表示的。与点的应力状态一样，当采用主轴坐标系时，单元体就只有三个主应变分量 ，而没有切应变分量，如图2.5所示。,其中绝对值最大的主切剪应力称为该点的最大切应力，用 表示。若,图2.5 点的应变状态,任何一种主应变状态与应力状态一样，分解成平均主应变 为 应变值的三向等应变状态和以各向主应变与应变的平均主应变差值为应变值构成的偏应变状态，如图2.6所示。 图2.6 应变状态的分解 通过实践证明，塑性变形时，变形体主要发生了形状和尺寸的改变，而无体积大小的变化，即：,根据体积不变定律，可以得出如下结论: 1）塑性变形时，物体只有形状和尺寸发生变化，而体积保持不变。 2）不论应变状态如何，其中必有一个主应变的符号与其他两个主应变的符号相反，这个主应变的绝对值最大，称为最大主应变。 3）当已知两个主应变数值时，便可求出第三个主应变。 4）任何一种物体的塑性变形方式只有三种，与此相应的主应变状态图也只有三种，如图2.7所示。 图2.7 三种主应变图,3.应力和应变之间的关系 由单向拉伸试验可知，金属在弹性变形阶段，应力与应变之间的关系是线性的、可逆的，与加载历史无关。 目前常用的塑性变形应力与应变关系的理论主要有两类：一类简称增量理论；另一类简称全量理论，它认为在简单加载（即在塑性变形发展的过程中，只加载，不卸载。 全量理论认为在简单加载条件下，塑性变形的每一瞬间，主应力差与主应变差成比例，比例系数为一常量，称为非负比例系数，用C来表示，有： 式中：,C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，由单向拉伸试验求出。 通过塑性变形时应力应变关系的分析，可得出以下结论： 1）应力分量与应变分量符号不一定一致，即拉应力不一定对应拉应变，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； 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 ； 4）两个应力分量相等，对应的应变分量相等，即若 。 2.2.2 应力应变状态对金属塑性变形的影响 大理石是脆性材料，在单向压缩时缩短率不到1%就会破坏，但在7 650个大气压力（lat=98.066kPa）静水压力下压缩时，缩短率可达9%左右才破坏。静水压力越小，则塑性就越差。,2.3 冲压成形中的变形趋向性及其控制 在冲压成形过程中，板料的各个部分在模具的作用下，可能发生不同形式的变形，即具有不同的变形趋向性。 2.3.1 工件冲压成形时区域划分 变形区是正在进行特定变形的部分。非变形区又包含几种情况：已变形区、待变形区、不变形区和传力区。图2.8为冲压成形时板料各区域划分举例，具体划分情况如表2.1所示。 图2.8 冲压成形时板料各区域划分举例,表2.1 冲压成形时板料各区域划分情况 在同一个变形力作用下，变形区己屈服，开始塑性变形，非变形区则没有屈服变形，因此变形区通常被称为弱区，非变形区称为强区。 2.3.2 冲压成形时的变形趋向性 在冲压过程中，弱区所需塑性变形力最小，所以弱区一般先进行塑性变形。得出一个十分重要的结论：在冲压成形过程中，需要最小变形力的区是个相对的弱区，变形区应为弱区，即为冲压成形时的变形趋向性。,如图2.9所示，毛坯在同一个模具中加工，当改变其外径D0、内孔d0及凸模直径d凸的相互比例时，就可能出现多种互不相同的变形方式，即具有不同的变形趋向性。 1. 拉深（图2.9b）：当D0/d凸和d0/d凸都较小时，外环（凸缘）宽度不大，成为弱区，于是出现拉深变形。 2. 翻边（图2.9c）：当D0/d凸和d0/d凸都较大时，外环（凸缘）宽度较大，成为强区，而内环（底孔周围）宽度较小，成为弱区，于是出现翻边变形。 3. 胀形（图2.9d）：当D0/d凸较大而d0/d凸很小，甚至等于零（没有底孔）时，外环拉深和底孔翻边的变形阻力都较大，而凸、凹模圆角附近的变形阻力较小，于是出现胀形变形。,2.3.3 冲压成形时变形趋向性的控制 冲压过程中，毛坯上的弱区、强区以及变形方式都是由应力状态和材料性能决定的。而应力状态和材料性能又与很多因素有关，改变上述这些因素，就 可以实现对变形趋向性的控制。 1.改变毛坯各部分的相对尺寸 如图2.9所示带底孔的圆形板坯，当D0/d凸1.52，d0/d凸0.15时环形部分产生塑性变形所需的力最小而成为弱区，因而产生外径收缩的拉深变形，得到拉伸件，如图2.9b所示；当D0/d凸2.5，d0/d凸0.20.3时，内环形部分产生塑性变形所需的力最小而成为弱区，因而产生内孔扩大的翻孔变形，得到翻孔件，如图2.9c所示；当D0/d凸2.5，d0/d凸0.15时，外环的拉深变形和内环的翻孔变形阻力都很大，结果使凸、凹模圆角及附近的金属成为弱区而产生厚度变薄的胀形变形，得到胀形件, 如图2.9d所示。,图2.9 环形毛坯的变形趋势,2. 改变模具工作部分的几何形状与尺寸 增大凸、凹模圆角半径，可以减少材料流动的阻力，因此，增大拉深凹模圆角半径有利于拉深变形，增大翻孔凸模圆角半径有利于翻孔变形。 如在图2.