塑性理论绪论课件

1、塑塑 性性 理理 论论 Theory of Plasticity航空宇航工程学院飞行器制造工程（钣金与模具）2008.03 n学时：学时：40学时，学时，n考试方式：考试方式：期末闭期末闭卷考试，平时成绩占卷考试，平时成绩占总成绩总成绩n联系方式：航宇馆联系方式：航宇馆-4楼楼-塑性成形教研室塑性成形教研室n电话：电话主讲教师：万良辉主讲教师：万良辉 本课程的性质和教学目的本课程的性质和教学目的 n性质：性质：本课程为飞行器制造工程专业的专业基本课程为飞行器制造工程专业的专业基础课础课 n目的：目的： 金属产生塑性变形时在金属学和力学等方面有着共同金属产生塑性变形时在

2、金属学和力学等方面有着共同的基础和规律。的基础和规律。在对成形工件进行应力和应变分析的在对成形工件进行应力和应变分析的基础上建立求解成形问题的变形力学方程，从而确定基础上建立求解成形问题的变形力学方程，从而确定材料成形的力能参数和工艺变形参数以及影响这些参材料成形的力能参数和工艺变形参数以及影响这些参数的主要因素数的主要因素，为学习后续的工艺课程作理论准备，为学习后续的工艺课程作理论准备，也为合理制订塑性成形工艺规范及选择设备、设计模也为合理制订塑性成形工艺规范及选择设备、设计模具奠定理论基础。具奠定理论基础。本课程的任务本课程的任务 n掌握金属塑性变形的物理基础，即掌握影响金属性能掌握金属塑

3、性变形的物理基础，即掌握影响金属性能的主要因素及原理；的主要因素及原理；n掌握金属塑性力学的基础知识，即掌握金属塑性变形掌握金属塑性力学的基础知识，即掌握金属塑性变形体内的应力场、应变场、应力应变之间关系、塑性体内的应力场、应变场、应力应变之间关系、塑性变形时的力学条件等塑性理论基础知识。掌握塑性成变形时的力学条件等塑性理论基础知识。掌握塑性成形问题的几种主要解法（包括解析和数值解法）；形问题的几种主要解法（包括解析和数值解法）；n掌握对成形质量进行定性分析及提高成形质量的方法。掌握对成形质量进行定性分析及提高成形质量的方法。 教材及参考书教材及参考书 n教材：教材： 王平王平 金属塑性成形力

4、学金属塑性成形力学 冶金工业出版社冶金工业出版社 2006年年08月月 n参考书：参考书：汪大年主编，高等教育出版社，金属塑性汪大年主编，高等教育出版社，金属塑性成形原理，成形原理，1986 n参考书：参考书：王仲仁王仲仁 塑性成形力学塑性成形力学 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学出版社出版社 1989年年1月月 n参考书：参考书：万胜狄万胜狄 金属塑性成形原理金属塑性成形原理 机械工业出版机械工业出版社社 1994年年9月月 要求要求 n作业必须按时交，如果有三次以上不交作业者，取消作业必须按时交，如果有三次以上不交作业者，取消考试资格。考试资格。 做好课堂笔记，本课程中将有部分补充内做好课堂笔

5、记，本课程中将有部分补充内容，要求大家记笔记。容，要求大家记笔记。n要求上课前预习，本课程内容较难，且内容多，课时要求上课前预习，本课程内容较难，且内容多，课时少，信息量较大，要求大家自觉预习。少，信息量较大，要求大家自觉预习。 n遵守课堂纪律，本课程不允许迟到早退遵守课堂纪律，本课程不允许迟到早退。第一章：绪论第一章：绪论 n本章内容：本章内容：n11 金属塑性加工的特点及其应用金属塑性加工的特点及其应用n12 金属塑性成形方法的分类金属塑性成形方法的分类n1. 3 金属塑性成形理论的发展概况金属塑性成形理论的发展概况11 金属塑性加工的特点及其应用金属塑性加工的特点及其应用n塑性：塑性：在

6、外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力称为塑性。是指材料的永久变形能力。n弹性弹性：材料的可恢复变形的能力 。n塑性成形：塑性成形：使材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成形并获得一定力学性能的加工方法，称为塑性成形（塑性加工或压力加工）,是金属加工的方法之一 。n弹塑性：弹塑性：弹性+塑性。 金属塑性加工的基本成形方式：金属塑性加工的基本成形方式：n锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等，简称“锻、轧、挤、拉、冲、弯、剪”，都是利用金属的塑性而得以实现的。轧制拉拔 生产型材、板材、管材、线材等等，属于冶金工业挤压锻造生产轴类、曲柄、连杆，杯件、壳体等

7、等，属于机械制造工业冲压靠压力作用使金属产生变形的方式有锻造、轧制靠压力作用使金属产生变形的方式有锻造、轧制和挤压（又称压力加工）和挤压（又称压力加工）：n锻造：锻造：是用锻锤锤击或用压力机的压头压缩工件，分为自由锻和模锻。可生产各种形状的锻件，如各种轴类、曲柄和连杆等。n轧制轧制：坯料通过转动的轧辊受到压缩，使横断面减小，形状改变，长度增加。可生产板带材、简单断面和异型断面型材与管材、回转体（如变断面轴和齿轮等）。各种周期断面型材、丝杠、麻花钻头和钢球等。n挤压：挤压：把坯料放在挤压筒中，垫片在挤压轴推动下，迫使成形材料从一定形状和尺寸的模孔中挤出。用挤压法可生产各种断面的型材和管材。主要靠

8、拉力作用使材料成形的方式有拉拔、冲压主要靠拉力作用使材料成形的方式有拉拔、冲压（拉延）和拉伸成形：（拉延）和拉伸成形：n拉拔：拉拔：用拉拔机的夹钳把成形材料从一定形状和尺寸的模孔中拉出，可生产各种断面的型材、线材和管材。n冲压：冲压：靠压力机的冲头把板料冲入凹模中进行拉延，可生产各种杯件和壳体（如汽车外壳等）。 主要靠弯矩和剪力作用使材料成形的方式有弯曲主要靠弯矩和剪力作用使材料成形的方式有弯曲和剪切：和剪切：n弯曲：弯曲：材料在弯矩作用下成形，如板带弯曲成形和金属材的矫直等。n剪切：剪切：材料在剪力作用下进行剪切变形，如板料的冲剪和金属的剪切等。零件的机械制造方法零件的机械制造方法铸铸造造零

9、零件件机机械械制制造造方方法法切切削削加加工工压压力力加加工工塑塑性性成成形形特特种种加加工工锻锻造造冲冲压压车车、铣铣、刨刨、磨磨、钻钻、铰铰、插插等等自自由由锻锻、模模锻锻拉拉深深、弯弯曲曲、冲冲裁裁、翻翻边边、拉拉型型等等切削加工和塑性加工比较：切削加工和塑性加工比较：n车、铣、铆、刨等，切削加工过程虽然也往往伴随有性变形，但其基本特点是通过切削以分离某些“多余”部分，因而是一种本体质量减少的成形方法。而塑性加工中的成形，则是在本体质量不变条件下进行的，当材料密度不变时则是在体积不变条件下进行的。例：齿轮的齿部成形：例：齿轮的齿部成形：可以用切削加工方法也可以用塑性加工方法两种加工方法的

10、比较：n采用切削加工方法成形齿部时：采用切削加工方法成形齿部时：所选用坯料的外径通常要大于至少等于齿顶圆外径，经切削加工将齿间部分金属变成切屑，剩下的部分即成为所需的轮齿。n采用塑性加工方法成形齿部时（可以用精锻或轧制的方法）：采用塑性加工方法成形齿部时（可以用精锻或轧制的方法）：则所需毛坯的外径小于齿顶圆，在加工过程中将一部分金属“移走”形成齿谷，同时，相邻部分隆起形成齿顶。此时，并没有材料被剥离，而是通过流动将材料重新分布成所需的形状和尺寸。这种方法所采用的坯料外径要小于齿项圆的外径，若不计轴向流动则F1F2。n切削加工后的齿轮在齿形部分流线被切断，而塑性加工方法所得的齿形流线是连续的且与

11、外廓相似，这对于提高疲劳强度是十分有利的。铸造铸造铣床摩擦压力机切削加工种类切削加工种类ZT023数控低速走丝电火花线切割机数控低速走丝电火花线切割机8轴数控电火花高速小孔加工专用设备轴数控电火花高速小孔加工专用设备 该机床是为航空发动机制造业研制的专用设备，主要用于发动机中特殊材料工件空间位置复杂的深小孔加工12 金属塑性成形方法的分类金属塑性成形方法的分类金属塑性成形的特点：金属塑性成形的特点：n金属材料经过相应的塑性加工后，其组织、性能得到改善和提高，特别是对于铸造组织的改善，效果更为显著；n金属塑性成形主要是靠金属在塑性状态下的体积转移来实现，不产生切屑，因而材料利用率高，可以节约大量

12、的金属材料；n金属塑性成形方法具有很高的生产率，适于大量生产。 如高速冲，400-1000次/每分钟 ；1.用塑性成形方法得到的工件可以达到较高的精度 。 金属塑性成形方法的分类金属塑性成形方法的分类 一般将金属塑性成形分为块料成形（又称体积成形）和板料成形两大类，每类又包括多种加工方法，形成各自的工艺领域。塑塑性性成成形形金金属属成成形形锻锻压压理理论论块块料料成成形形冲冲压压理理论论板板料料成成形形非非金金属属成成形形塑塑料料、陶陶瓷瓷等等块料加工块料加工n轧制：型材、板材、管材n挤压：型材、管材或零件n拉拔：棒材、管材和线材n自由锻：结构件n模锻：结构件挤压型材挤压型材挤压型材模具挤压型

13、材模具板料成形板料成形板料成形一般称为冲压。它是对厚度较小的板料，利用专门的模具，使金属板料通过一定模孔而产生塑性变形，从而获得所需零件。冲裁拉深弯曲翻边拉型落压喷丸折弯滚弯拉弯冲压胀形、旋压、管成形、超塑成形、蠕变按照成形时工件的受力和变形方式进行分类见表按照成形时工件的受力和变形方式进行分类见表1-1：各种加工方法的应力和应变分析：各种加工方法的应力和应变分析：飞边飞边工件工件下模下模上模上模锤锤砧台砧台模锻模锻块料加工块料加工:工件工件驱动辊驱动辊导向辊导向辊蕊辊蕊辊端面辊端面辊环轧示意图环轧示意图轧板生产线轧板生产线典型冲压件典型冲压件板料成形板料成形:蒙皮拉形蒙皮拉形飞豹拉弯件飞豹拉

14、弯件灭火燃油供氧环控数控弯管数控弯管 主要靠压力作用使金属产生变形的方式有锻造、轧制和主要靠压力作用使金属产生变形的方式有锻造、轧制和挤压挤压： n锻造：锻造：是用锻锤锤击或用压力机的压头压缩工件，分为自由锻和模锻。可生产各种形状的锻件，如各种轴类、曲柄和连杆等。锻造通常分为自由锻造和模锻。n自由锻自由锻一般是在锻锤或水压机上，利用简单的工具将金属锭或炔料锻成所需形状和尺寸的加工方法。自由锻时不使用专用模具，因而锻件的尺寸精度低，生产率也不高，主要用于单件、小批量生产、大锻件生产或冶金厂的开坯。n模锻模锻是在摸锻锤或热模锻压力机上利用模具来成形。由于金属的成形受模具控制，用此模锻件有相当精确的

15、外形和尺寸，也有相当高的生产率，适合于大批量生产。 轧制：轧制：坯料通过转动的轧辊受到压缩，使横断面减小，形状改变，长度增加。可分为纵轧、横轧和斜轧。n纵轧时，两工作轧辊旋转方向相反，轧件的纵轴线与轧辊轴垂直；n横轧肘，两工作轧辊旋转方向相同，轧件的纵轴线与轧辊轴线平行；n斜轧时，两工作轧辊旋转方向相同，轧件的纵轴线与轧辊轴线成一定的倾斜角。用轧制方法可生产板带材、型材、管材以及周期断面型材、变断面轴及钢球等。 挤压：挤压：把坯料放在挤压筒中，垫片在挤压轴推动下，迫使成形材料从一定形状和尺寸的模孔中挤出。n正挤压挤压轴的运动方向和从模孔中挤出材料的前进方向一致；n反挤压挤压轴的运动方向和从楼孔

16、中挤出材料的前进方向相反。n用挤压法可生产各种断面的型材和管材。n因为挤压是在很强的三向压应力状态下的成形过程，因而允许采用很大的变形量，更适于低塑性材料成形。） 主要靠拉力作用使金属产生变形的方式有拉拔、冲压主要靠拉力作用使金属产生变形的方式有拉拔、冲压（拉深等成形工序）和拉形。（拉深等成形工序）和拉形。n拉拔：拉拔：用拉拔机的夹钳把成形材料从一定形状和尺寸的模孔中拉出，可生产各种断面的型材、线材和管材。n冲压（拉深等）：冲压（拉深等）：靠压力机的冲头把板料冲入凹模中进行拉延，可生产各种杯件和壳体（如汽车外壳等）。n拉形：拉形：拉形是板料两端在拉力作用下沿一定形状的凸模贴模成形，如飞机蒙皮等

17、大型曲面零件。带材的拉力矫直也属于这种方式。 主要靠弯矩和剪力作用使金属产生变形的方式有弯曲和主要靠弯矩和剪力作用使金属产生变形的方式有弯曲和剪切。剪切。n弯曲：弯曲是坯料在弯矩的作用下成形弯曲：弯曲是坯料在弯矩的作用下成形，如板料在模具中的弯曲成形、板带材的折弯成形等。n剪切：坯料在剪力作用下进行剪切变形剪切：坯料在剪力作用下进行剪切变形，如板料在模具中的冲孔、落料、切边冲孔、落料、切边、板材和钢材的剪切等。 组合加工变形：组合加工变形： 随着生产技术的发展，上述基本加工变形方式互相渗随着生产技术的发展，上述基本加工变形方式互相渗透，而产生新的组合加工变形方式。透，而产生新的组合加工变形方式

18、。n锻轧：锻轧：锻造和轧制的组合，可生产各种变断面零件以扩大轧制品种和提高锻造加工效率；n轧挤：轧挤：轧制和挤压的组合，可以生产铝型材，纵轧压力穿孔也是这种组合过程，它可以对斜轧法难以穿孔的连铸坯进行穿孔，并可使用方坯代替圆断面型材。n拔轧：拔轧：轧制和拉拔的组合，其轧辊不用电机驱动而靠拉拔工件带动，能生产精度较高的各种断面型材。冷轧带材时带前后张力轧制也是一种拔轧组合，它可减小轧制力； 组合加工变形：组合加工变形：n辊弯：辊弯：轧制和弯曲组合的辊弯过程，使带材通过一系列轧辊构成的孔型进行弯曲成形，可生产各种断面的薄壁冷弯或热弯型材。n搓轧（或异步轧制）：搓轧（或异步轧制）：轧制和剪切组合的搓

19、轧过程，因上下工作辊旋转速度不等而造成上下辊面对轧件摩擦力方向相反的搓轧条件，可显著降低轧制力，能生产高精度极薄带材。n旋压：旋压：冲压和轧制组合的旋压工艺，可生产各种薄壁空心回转体零件；液态铸轧：液态铸轧：铸造和轧制的组合（）铸铁板液态铸轧；）铝带液态铸轧 一盛钢桶；一流钢槽；一水冷轧辊；一冷却钢带； 一轧件； 一导辊； 一轧辊粉末轧制：粉末轧制：粉末冶金和轧制组合的粉末轧制的组合 一料斗； 粉末； 一轧辊； 一未烧结的带坯；一预烧结； 一次冷轧； 一烧结炉；一二次冷轧； 9、一退火炉；一三次冷轧 塑性加工按成形时工件的温度还可以分为热成形、冷成塑性加工按成形时工件的温度还可以分为热成形、冷

20、成形和温成形三类。形和温成形三类。 n热成形：热成形： 是在充分进行再结晶的温度以上所完成的加工，如热轧、热是在充分进行再结晶的温度以上所完成的加工，如热轧、热锻、热挤压等。锻、热挤压等。热变形是为了改善产品的组织性能，常常要控制加热温度、变形终了温度、变形程度和成形后产品的冷却速度，从而提高产品的强韧性。n冷成形：是在不产生回复和再结晶的温度以下进行的加工，如冷轧、冷成形：是在不产生回复和再结晶的温度以下进行的加工，如冷轧、冷冲压、冷挤压、冷锻等。冷冲压、冷挤压、冷锻等。冷变形的实质是冷变形一退火一冷变形成品退火的过程，可以得到表面光洁、尺寸精确、组织性能良好的产品。n温成形：温成形： 是在介于冷热成形之间的温度下进行的加工，如温锻、温是在介于冷热成形之间的温度下进行的加工，如温锻、温挤压等。挤压等。 温变形的目的有的是为了降低金属的变形抗力，有的是