第二章(冷冲模设计-机械版)分析.ppt

1,第二章冲压变形的基本概念,第一节金属塑性变形概述第二节影响塑性及变形抗力的主要因素第三节超塑性成形简介第四节金属塑性变形的力学条件第五节冲压成形中的变形趋向性及其控制第六节冷冲压材料及其冲压成形性能,2,第一节金属塑性变形概述,固体材料受到外力作用，如果发生形状和尺寸的变化，这种现象称为变形，使物体产生变形的外力称为变形力。变形力去除后，能恢复原状的变形称为弹性变形；变形力去除后，不能恢复原状的变形称为塑性变形。金属材料在变形力的作用下，既能产生弹性变形，又能从弹性变形发展到塑性变形，它是一种具有弹、塑性的工程材料。一般说来，金属体在弹性变形时，其内部的原子位置发生变化，表现为原子的间距有微小的改变，从而引起了物体尺寸和形状的变化，变形力去除后，原子回到原来的平衡位置，该金属体就完全恢复了原来的形状和尺寸。当金属体受力较大，使原子偏离其原来的稳定平衡位置，而达到邻近的稳定平衡位置。在变形力去除后，原子就不再回到其原来位置，而是停留在邻近的稳定平衡位置上，因而变形就成为不可恢复的永久变形，这就是金属的塑性变形。,3,在金属塑性变形过程中，金属的性能和组织都会发生变化。其中最重要的是加工硬化，即随着变形程度的增加，变形阻力增大，强度和硬度升高，而塑性、韧性下降。此外，由于变形不均匀，晶粒内部和晶粒之间会存在不同的内应力。变形后作为残余应力，保留在金属内部，使经冷变形后的零件在放置一段时间后，可能自动发生变形甚至开裂。金属塑性变形后的性能变化是其组织发生变化的结果。多晶体变形时各晶粒沿其变形最大的方向伸长，在变形程度很大时，则显著伸长，形成纤维组织；晶内变形会使晶粒破碎，形成许多小晶粒，即亚晶粒；晶间变形则在晶界造成许多破损；另外，在变形程度很大时，多晶体内各个晶粒的位向会因滑移面的转向而逐渐趋向一致，形成变形织构。由于变形织构的形成，使轧制后的板料出现各向异性，即使退火一般也难以消除，用这种材料冲出的工件厚薄不均，沿口不齐，会使拉深成形的杯形件口部形成凸耳。由此可见，金属塑性变形过程中的这些物理变化对冲压成形工艺有相当大的影响。,第一节金属塑性变形概述,4,第二节影响塑性及变形抗力的主要因素,一、塑性与变形抗力的概念二、金属成分与组织对塑性变形的影响三、变形温度对塑性变形的影响四、变形速度对塑性变形的影响五、应力、应变状态及其对塑性变形的影响,5,一、塑性与变形抗力的概念,（一）塑性,所谓塑性，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。塑性可用材料在不破坏条件下能获得的塑性变形的最大值来评定。同一种材料，在不同的变形条件下，其塑性是不一样的。,影响金属塑性的因素包括两方面：）金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织等。）变形时的外部条件，如变形温度、变形速度以及变形方式等。,（二）变形抗力,塑性和变形抗力是两个不同的概念。通常说某种材料的塑性好坏是指受力以后临近破坏时的变形程度的大小，而不是指变形抗力的大小。如奥氏体不锈钢允许的变形程度大，称为塑性好，但其变形抗力也大，需要较大的外力才能产生塑性变形。由此可见，变形抗力是从力的角度反映塑性变形的难易程度。,6,二、金属成分与组织对塑性变形的影响,（一）化学成分的影响,.碳钢中碳和杂质元素的影响,.合金元素对钢的塑性变形的影响,（二）组织的影响,金属材料的组织状态和其化学成分有密切关系，但这不是完全由化学成分所决定，它还和制造工艺（如冶炼、浇铸、锻轧、热处理）有关。由于以上原因，金属材料的组织很不相同，除了基体金属的晶体结构存在不同以外，还有晶粒的大小以及单相组织和多相组织的差别等。这些组织上的差异对材料的塑性和变形抗力的影响也不能忽视。另外，晶粒的细化有利于提高金属的塑性，但也使其变形抗力提高。,7,三、变形温度对塑性变形的影响,变形温度对金属的塑性变形有很大影响。就大多数金属而言，其总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加，变形抗力降低。其主要原因如下：,）随着温度的升高，发生了回复与再结晶。回复使变形金属得到一定程度的软化，再结晶则完全消除了加工硬化效应，使金属的塑性显著提高，变形抗力显著降低。）温度升高，临界切应力降低，滑移系增加。由于温度升高，原子的热振动加强，原子间的结合力变弱，使临界切应力降低。同时，在高温时还可能出现新的滑移系。多晶体滑移系的增加，大大提高了金属的塑性。）新的塑性变形方式热塑性的产生。温度升高时，原子的热振动加剧，晶格中的原子处于一种不稳定的状态。）温度升高导致晶界的切变抗力显著降低，晶界易于滑动；又由于扩散作用的加强，及时消除了晶界滑动所引起的微裂纹。这一切使金属在高温下具有良好的塑性和低的变形抗力。,8,四、变形速度对塑性变形的影响,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应了金属的变形速度。变形速度对塑性变形的影响是多方面的。一方面，在高速变形下，要同时驱使更多的位错更快地运动，使金属晶体的临界切应力升高，变形抗力增加；同时，由于多晶体的塑形变形机理复杂，塑性变形的扩展，需要一定的时间，难以在瞬间完成，这也使金属的变形抗力增加，塑性降低。另一方面，由于变形速度大，变形体吸收的变形能迅即转化为热能，使变形体温度升高，这种所谓的温度效应一般说来有使金属软化的效果。,9,五、应力、应变状态及其对塑性变形的影响,（一）塑性变形时的应力、应变状态,.点的应力状态,模具对材料施加的外力引起材料产生内力，单位面积上内力的大小称为应力。坯料内每一点上的受力情况，通常称为点的应力状态。以主应力表示点的应力状态称为主应力状态。表示主应力个数及其符号的简图，称为主应力状态图，简称主应力图。,10,图-应力状态的分解,图-主切应力面及主切应力方向（用阴影线表示）,11,.点的应变状态,12,（二）应力状态对塑性变形的影响,由实践可知，单向压缩允许的变形程度比单向拉伸大得多；三向压应力状态的挤压比二向压缩一向拉伸的拉拔能发挥更大的塑性。德国学者卡尔曼对通常认为是脆性材料的大理石和红砂石进行了试验，试验结果是：大理石在单向压缩时缩短率不到%就会破坏，但在个大气压力（.）的静水压力下压缩时，缩短率可达%左右才破坏。上述结果表明，强化三向压应力状态，能充分发挥材料的塑性，这实质上是应力状态中的静水压力分量在起作用。应力状态中的压应力个数多、压应力大，也就是静水压力大，则塑性好；反之，压应力个数少、压应力小，甚至存在拉应力，则塑性就差。为什么静水压力愈大，金属的塑性会愈好呢？这是由于压应力能有效抑制或消除晶体中由于塑性变形引起的晶内滑移面上裂纹的扩展；而拉应力则相反，它促使裂纹发展、扩大。如图-所示，滑移面上的破损点爛，在拉应力作用下将扩大；在压应力作用下将闭合或消除。,13,此外，压应力还有利于增加晶间结合力，抑制晶间变形引起的破坏，三向压应力还能抵消由于不均匀变形所引起的附加拉应力，防止表面裂纹的产生。这些都说明增加静水压力有利于改善材料塑性。,14,第四节金属塑性变形的力学条件,一、真实应力-应变曲线（硬化曲线）二、屈服条件三、塑性变形时的应力、应变关系,15,1硬化规律,冲压生产一般都在常温下进行。对金属材料来说，在这种条件下进行塑性变形，必然要引起加工硬化，塑性降低，变形抗力提高。材料不同，变形条件不同，其加工硬化的程度也就不同。材料加工硬化对冲压成形的影响既有有利的方面，也有不利的方面。有利的是板材的硬化能够减少过大的局部集中变形，使变形趋向均匀，增大成形极限，尤其对伸长类变形有利；不利的是变形抗力的增加，使变形变得困难，对后续变形工序不利，有时不得不增加中间退火工序以消除硬化。因此应了解材料的硬化现象及其规律，并在实际生产中应用。,16,表示变形抗力随变形程度增加而变化的曲线叫做硬化曲线，也称实际应力曲线或真实应力曲线，它可以通过拉伸等实验方法求得。实际应力曲线与材料力学中所学的工程应力曲线（也称假象应力曲线）是有所区别的，假象应力曲线的应力指标是采用假象应力来表示的，即应力是按各加载瞬间的载荷F除以变形前试样的原始截面积A0计算，没有考虑变形过程中试样截面积的变化，显然是不准确的；而实际应力曲线的应力指标是采用真实应力来表示的，即应力是按各加载瞬间的载荷F除以该瞬间试样的截面积A计算。实际应力曲线与假象应力曲线如图1.3.4所示。从图中可以看出，实际应力曲线能真实反映变形材料的加工硬化现象。,17,（二）真实应力、真实应变概念,.真实应力,材料开始塑性变形时的应力在材料力学中称为屈服应力。一般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，也即前面提及的变形抗力。在室温下，低速拉伸金属试样，使之均匀变形时，真实应力就是作用于试样瞬时断面积上的应力，表示为,18,.真实应变,19,.真实应力应变曲线（硬化曲线）及其表达式,20,几种金属在室温下的真实应力-应变曲线,图1.3.5是用实验方法求得的几种金属在室温下的硬化曲线。从曲线的变化规律来看，几乎所有的硬化曲线都具有一个共同的特点，即在塑性变形的开始阶段，随变形程度的增大，实际应力剧烈增加，当变形程度达到某些值以后，变形的增加不再引起实际应力值的显著增加。这种变化规律可近似用指数曲线表示，其函数关系如下：,21,二、屈服条件,从材料力学的研究范围来看，总的来说是弹性变形的范畴，不希望材料出现塑性变形，因为材料的塑性变形意味着破坏的开始。材料力学中的第三、第四强度理论阐述的就是引起塑性材料流动破坏的力学条件。然而从冲压工艺来看，恰恰是金属材料在模具作用下产生塑性变形的特点才使冲压成形工艺成为可能。金属塑性变形是各种压力加工方法得以实现的基础。因此，金属塑性成形理论所研究的对象已超出弹性变形而进入塑性变形的范畴，屈服条件正是研究材料进入塑性状态的力学条件，因而它从形式上来讲和材料力学中的第三、第四强度理论是一致的。,22,23,三、塑性变形时的应力、应变关系,（一）塑性变形时的体积不变规律,24,（二）塑性变形的全量理论及其应用,在拉伸试验时的弹性变形阶段，无论加载或卸载，应力都与应变成正比。显然，弹性变形时，应力应变关系与加载历史无关。,在变形过程中的任一时刻，变形体的应力状态只与该时刻的受力情况有关，与整个加载过程无关，而此时的塑性应变值却是该时刻以前经历过的变形过程中应变积累的结果，两者并不存在对应关系，二者的主轴方向也不可能一致。为了建立物体受力和变形之间的关系，只有撇开整个变形过程而取某一微小时间间隔t来研究。在t时间内，受力的单元体的每个应变分量都将产生一个应变增量。研究表明，每个应变增量的分量与对应的偏应力分量成正比，这就是增量理论。,25,第五节冲压成形中的变形趋向性及其控制,在冲压过程中，毛坯的各个部分在同一模具的作用下，有可能以不同的方式变形，即具有不同的变形趋向。如何使毛坯获得预期的变形，从而得到合格的冲件。为了达到这一目的，有必要研究变形趋向性及其控制的问题。冲压成形时，毛坯内各处的应力应变关系都不相同，在应力状态满足屈服准则的区域内将产生塑性变形，此区称为塑性变形区，没有满足屈服准则的区域不会产生塑性变形，称为非变形区。非变形区进一步又可分为已变形区、待变形区和不变形区。,26,如图1.3.9所示，进行缩口成形时，开始随着凹模下降变形区不断扩大，传力区不断减小，金属不断从传力区转移到变形区。当变形发展到一定阶段后（如图（），变形区的尺寸不再发生变化，从传力区进入变形区的金属体积和从变形区转移出去的金属体积相等，即达到稳定的变形过程。此时，传力区不断减小，已变形区不断扩大，变形区的尺寸及其应力分布的数值与规律不变。在变形区与传力区之间的分界面上的内力，其性质与大小完全相同。但在同一内力作用下所产生的变形方式不同，因而必定有一个区所需的变形力较小而首先进入塑性状态产生变形。首先产生塑性变形（即所需变形力较小）的区称为弱区。为了使冲压生产过程顺利进行，必须保证制件上首先变形的部分为弱区，以把塑性变形局限于变形区，并排除在传力区产生塑性变形的可能性。,图1.3.9缩口加工中制件各区的划分传力区变形区已变形区,27,在设计工艺方案，确定工序和半成品尺寸时，必须遵循弱区先变形，变形区为弱区的条件。如图1.3.10所示制件，当D-d较大而较小时，其成形方法可采用带孔的环形坯料通过翻边制成；当D-d较小而h较大时，此时进行翻边就不能保证外环为强区和内环为弱区的条件，成形过程中必然造成外径收缩使翻边难以成形。为此，冲压工艺必然要改变为拉深后切底和切边缘，或将坯料D0增大，进行翻边后再冲切外边缘。当变形区或传力区存在两种以上的变形方式时，首先发生变形的方式一定是所需的变形力为最小。在设计冲压工艺和模具时，除要保证变形区为弱区外，还要保证所需的变形方式要求的变形力为最小。例如，冲载时在冲压力的作用下，板料具有产生剪切分离和弯曲变形两种趋向。当冲载间隙小到一定程度时，建立起对弯曲变形不利而对剪切有利的条件，此时便可以在产生很小弯曲变形的情况下实现剪切。,影响,图1.3.10变形趋向性对冲压工艺和,28,钢球活座套的冲压工艺实例）落料）拉深）冲孔）翻边,29,第六节冷冲压材料及其冲压成形性能,一、板料的冲压成形性能和试验方法二、冷冲压常用材料,30,一、板料的冲压成形性能和试验方法,材料对各种冲压成形方法的适应能力称为材料的冲压成形性能。材料的冲压成形性能好，就是指其便于冲压加工，单个冲压工序的极限变形程度和总的极限变形程度大，生产率高，成本低，容易得到高质量的冲压件。板料冲压成形性能是一个综合性的概念，它包括抗破裂性、贴模性和定形性。抗破裂性涉及板料在各种冲压成形工艺中的最大变形程度即成形极限，本书以后述及的极限拉深系数、极限胀形系数、极限翻边系数等都与材料的抗破裂性有关。板料的冲压成形性能愈好，板料的抗破裂性也愈好，其成形极限就愈高。板料的贴模性是指板料在冲压过程中取得模具形状的能力。在冲压成形过程中，由于各方面因素的影响，板料会产生内皱、翘曲、塌陷和鼓起等几何面缺陷，使贴模性降低。,31,.间接试验,间接试验方法有拉伸试验、硬度试验、金相试验等，尤其是拉伸试验简单易行。虽然试验时试样的受力情况和变形特点与实际冲压变形有一定的差别，但研究表明，这种试验能从不同角度反映板材的冲压成形性能，因此板材的拉伸试验是一种很重要的试验方法。,32,.直接试验,直接试验也称模拟试验，是直接模拟某一类实际成形方式来成形小尺寸的试样。由于应力应变状态基本相同，故试验结果能更确切的反映这类成形方式下板料的冲压成形性能。,杯突试验（）凹模试样压边圈凸模,33,二、