冷冲压变形基础

1、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 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：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。第二章 冷冲压变形基础第一节第一节 应力与应变状态分析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、主应变状态一、应

2、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） 。第一节第一节 应力与应变状态分析应力与应变状态分析图2-1面力、内力和应力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： 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，一般用表示；另一个平行于A面，称为切应力，用表示；面积dF称为Q点在N方向上的微分面，S、 、则分别为Q点在N方向微分面上的全应力、正应力、切应力。 dFdPFPFlim0第一节第一节 应力与应变状态分析应力与应变状态分析（2-1）现以单向均匀拉伸（如图2-2所

3、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： 第一节第一节 应力与应变状态分析应力与应变状态分析图2-2单向拉伸时的应力第一节第一节 应力与应变状态分析应力与应变状态分析正应力分量及切应力分量则分别为：coscoscos000FPFP20coscos S2sin21sin0 S第一节第一节 应力与应变状态分析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

4、。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2-3a）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）。第一节第一节 应力与应变状态分析应力与应变状态分析图2-3 单元体上的应力状态第一节第一节 应力与应变状态分析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

5、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。 ； ； yxxyzyyzxzzx第一节第一节 应力与应变状态分析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 表示，且 ；带正号的主应力表示拉应力，带负号的主应力表示压应力。321,321第一节第一节 应力与应变状态分析应力与应变状态分析图2-4九种主应力状态图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

6、态图有九种（如图2-4所示）。第一节第一节 应力与应变状态分析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 第一节第一节 应力与应变状态分析应力与应变状态分析221122322321331第一节第一节 应力与应变状态分析应力与应变状态分析三个主切应力的大小为：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 第一节第一节 应力与应变状态分析应力与应变

7、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。第一节第一节 应力与应变状态分析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。 222112s223223s221331s第一节第一节 应力与应变状态分析应力与应变状态分

8、析设 则321ss3131max22第一节第一节 应力与应变状态分析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。 22132322212s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

9、形。第一节第一节 应力与应变状态分析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1，2，3，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。 第一节第一节 应力与应变状态分析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：实际应变与相对应变之间的关系为： 0001llllln1ln第一节第一节 应力与应变状态分析应力与应变状态分析0002bbbbbn0003tttttn 图2-9 变形前后尺寸的变化图2-8点的应变状态

10、第一节第一节 应力与应变状态分析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 0321第一节第一节 应力与应变状态分析应力与应变状态分析主应变状态图只可能有三类：具有一个正应变及两个负应变； 具有一个负应变及两个正应变；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 第一节第一节 应力与应变状态分析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

11、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。 第一节第一节 应力与应变状态分析应力与应变状态分析增量理论：全量理论：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。3121m2m3mddd常数3121m2m3m常数第一节第一节 应力与应变状态分析应力与应变状态分析教学目标与要求、掌握变形、弹性变形、塑性变形、塑性、变形抗力等概念；、熟练应用最小阻力定律。重点与难点 、塑性变形、塑性、变形抗力等概念； 、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

12、因素一、塑性及塑性指标塑性塑性: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。 第二节塑性与变形抗力及其影响因素常用的塑性指标有： 伸长率：断面收缩率：00100%KLLL00100%KAAA二、变形抗力及其指标二、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

13、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

14、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。、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

15、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。 第二节塑性与变形抗力及其影响因素教学目标：、掌握硬化规律；、了解冲压成形性能指标。重点及难点：、冲压成形基本规律及应用；、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

16、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）。（）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

17、）。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：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s（s=b-t）。第三节 材料的冲压性能

18、及加工硬化现象硬化指数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板厚方向系数 ：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）。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， 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