固态成形原理讲义-板料

1、1 板材成形的基本变形方式1.1 板材成形中的应力应变状态及其几何表示方法 工程应变，主应变为：在塑性变形中，一般用对数应变（实际应变）： 0011llle0012bbbe01ln0llldlll02ln0bbbdbbb03ln0tttdttt0013ttte实际应变与工程应变关系： 111lne221lne331lne0321体积不变条件： 采用主轴表示法，可将应变分量减少为3个主应变分量 、 、 。由塑性变形体积不变条件，3个主应变中只有两个是独立的。一般规定把板面内代数值较大的那个主应变叫1，较小的叫2，板厚方向的主应变叫3。则在以1和2为坐标轴的直角坐标系上，变形板料内一点A的应变状态

2、，可用一点A来表示。（1）变形板料中一点，其应变或应力状态的几何表示方法123图1-1 一点应力应变状态的几何表示方法板料成形中，只要板面内两个主应力 1（代数值较大的一个）、2就可描述(垂直于板面的主应力 3=0 )。设2 / / 1=，则称为该点的应力状态参数。在简单加载情况下， 值也为常数。2/1为A点的应变状态参数： =2/1。 连线OA与1轴的夹角：1121tgtg变形板料中一点的应变状态和应力状态，是完全对应的。31132ii32232ii23222132iniiK21212线段习惯称呼应变状态特点值应力状态特点值OE平面等拉1 =20；3 =-21 01OF平面应变2=0；1=-

3、3 002=1/20.5OG单向拉伸10；2=3=-1/20；2 =00OH纯剪1=-2；3=0-11=-2-1OI单向压缩20； 1=3=-2/20-21=0；20 （2）板材冲压中的应力应变状态 图1-3 在冲压中所遇到的平面应力挤压区极限状态图1-4 在冲压中所遇到的应变状态厚度没变化的纯剪状态无限宽板单轴向拉伸2 板材成形过程中金属流动特点板材成形过程中金属流动特点 2.1 冲裁变形机理(1) 剪切区力态分析P1：、P2-凸、凹模对板料的垂直作用力；F1，F2 -凸、凹模对板料的侧压力；P1，P2 -凸、凹模端面与板料间的摩擦力，其方向与间隙大小有关，但一般指向模具刃口；F1、F2-凸

4、、凹模侧面与板料间的摩擦力。图3-5 冲裁时作用于材料上的力1-凹模2-材料3-凸模视频冲裁变形过程分为三个阶段：第一阶段：弹性变形阶段第一阶段：弹性变形阶段弯矩M的作用，材料不仅产生弹性压缩变形而且有穹弯，并稍有压入凹模腔口。第二阶段：塑性变形阶段第二阶段：塑性变形阶段在塑剪变形的同时还伴有纤维的弯曲与拉伸。第三阶段：断裂阶段第三阶段：断裂阶段当刃口附近应力达到破坏应力时，先后在凹、凸模刃口侧面产生裂纹，裂纹产生后沿最大剪应力方向向材料内层发展，使材料分离。冲裁变形过程图3-6 冲裁应力状态图凸模与凹模端面的静水压应力高于侧面，且凸模刃口附近的静水压应力高于凹模刃口附近的。图1-7 变形区内

5、等效应变分布图a)凸模行程比3%；b)凸模行程比17%；c)凸模行程比29%(2) 冲裁过程裂纹的形成与发展图1-8 典型裂纹成长模型图a)产生第一微裂纹b)第一微裂纹成长停止c)产生2、3微裂纹d)主裂纹的成长裂纹裂纹凹模凹模主裂纹主裂纹成长停止成长停止主裂纹主裂纹(3)剪切断面分析 由于冲裁变形的特点，使冲出的工件断面明显地分成三个特征区，即圆角带、光亮带与断裂带。 断裂带光亮带圆角带断裂带圆角带光亮带圆角带： 刃口刚压入材料，使刃口附近材料产生弯曲和伸长变形的结果。光亮带：材料发生塑剪变形，毛坯一部分相对另一部分发生移动过程中，模具侧压力将毛坯压平形成的光亮垂直断面。断裂带光亮带圆角带断

6、裂带圆角带光亮带断裂带光亮带圆角带断裂带圆角带光亮带断裂带：刃口处微裂纹在拉应力作用下扩展而形成的撕裂面。特点：断面粗糙、有斜度。影响三部分比例的因素：材料机械性能、凸凹模间隙、模具结构等。4）凸模与凹模之间的间隙a)间隙对冲裁件质量的影响对切断面的要求：对零件表面的要求：对尺寸精度的要求：影响冲裁件质量的因素：凸凹模间隙大小及分布的均匀性、模具刃口状态、模具结构与制造精度、材料性质等。间隙合理：凸、凹模刃口沿最大剪应力方向产生的裂纹将互相重合。冲出的制件(或孔)断面虽有一定斜度，但比较平直、光洁，毛刺很小，且冲裁力小。间隙过小 ：由凹模刃口处产生的裂纹进入凸模下面的压应力区后停止发展。凸模继

7、续下压，在上、下裂纹中间的部分将产生二次剪切。间隙过大：材料的弯曲与拉伸增大，拉应力增大，材料易被撕裂，且裂纹在离开刃口稍远的侧面上产生，致使制件光亮带减小，圆角与断裂斜度都增大，毛刺大而厚，难以去除。b) 间隙对尺寸精度的影响尺寸精度的定义： 间隙较大：落料尺寸小于凹模尺寸，冲孔孔径大于凸模直径 ；间隙较小：落料件尺寸增大，冲孔孔径变小。 2.2 弯曲图1-10 弯曲变形过程1-凸模；2-凹模视频变形特点：a)圆角附近部分：远离圆角的直边部分：靠近圆角处的直边：(b)在变形区内：纵向纤维bb：纵向纤维aa：应变中性层(图中oo层)：OO(c)变形区厚度情况变薄因数：(d)变形区的横断面情况：

8、1）宽板(板宽B与板厚t之比大于3)弯曲时：2）窄板(B3t)弯曲时：(2) 弯曲时的应力和应变1)弹性弯曲 在外加弯矩M的作用下，板料产生较小的弯曲变形。假定应变中性层的曲率半径为，弯曲角为，则距中性层为y处的纤维，其切向应变： 切向应力： yyy)1ln()(lnyEE 图1-12 弹性弯曲的应力分布 在弹性弯曲范围内，应力中性层与应变中性层是重合的，即 。在变形区的内外表面边缘，应力与应变最大。 弹性弯曲的条件： 即 或R-弯曲件的内表面圆角半径；t-弯曲件厚度；E-弹性模量；S-屈服极限2tR smaxstRE 21) 1(21sEtR应力中性层0：相对弯曲半径： 2)弹塑性弯曲和线性

9、纯塑性弯曲 (a) 没有硬化情况下)(f弯曲变形区内切向应变在厚度方向的分布：切向应力与切向应变的函数关系为： =f()yyDDss(b)有硬化情况下弹性变形范围内(见图1-12(d)的OA部分)切向应力值为：塑性变形范围内(AB部分)切向应力值为：对于线性纯塑性弯曲，硬化曲线取近似直线式，切向应力为：E)(ssDO3)立体纯塑性弯曲内区内区（压缩（压缩区）区）外区外区（拉伸（拉伸区）区）(a)应变状态纵向：外区拉伸应变，内区压缩应变。纵向应变()为绝对值最大的主应变。厚向：板料的外区，纵向主应变()为拉应变，厚度方向的应变(r)为压应变。而板料的内区，纵向主应变()为压应变，厚度方向的应变(

10、r)为拉应变。宽向：对于窄板Bt3，由于材料沿宽向流动受到阻碍，几乎不能变形，可以认为内区和外区在宽度方向的应变(B)为零。(b)应力状态纵向： 外区受拉应力，内区受压应力。纵向应力为绝对值最大的主应力。厚向：表1-1 立体塑性弯曲时变形区的应力应变状态(3) 宽板立体纯塑性弯曲时的应力分布与应力中性层位置1) 外区的三个主应力(a)微分平衡方程 在板料的纵向剖面内，微体只有、r两个未知主应力的作用，微体切向应力()对称相等，半径为r处的径向应力为(r)。（b）塑性条件（板书）：（c）平面应变条件：中间主应力即宽度方向的主应力(B)为其余两个主应力和的一半。 （板书）2) 内区的三个主应力 )

11、ln(1155. 1Rrs)ln(155. 1Rrsr)ln21 (2155. 1RrsB3）弯曲时应力中性层位置（板书）)5 . 0 tR R当R/t5：应力中性层与毛坯中心层重合（ ）。当R/t5时，应变中性层位于板厚的中央，即R/t5时，应变中性层的位置，根据弯曲变形前后体积不变的条件决定。弯曲前变形区的体积为弯曲后变形区的体积为 2tR BtLBtV01222)(BRRV设=1，则可得应变中性层半径： 应力中性层半径： 应变中性层半径大于应力中性层的半径。ttR)2(2RR 21222)2()()2()2(tRRRR5) 弯曲区板料厚度的变薄R/t的影响：6) 板料长度的增加7)板料横

12、截面的畸变、翘曲和拉裂 图1-16 板料弯曲后的畸变和拉裂(4) 窄板弯曲时的应力应变状态分析应力状态：切向：宽度方向：径向：btr br内层内层rbr外层外层(5)弯曲件回弹现象的理论分析弯曲件的回弹:原因:影响回弹的因素:1)材料的机械性能 板料的弹性模量越小，屈服极限和抗拉强度等与变形抗力有关的数值越大，则回弹也越大。 E2E12)相对弯曲半径Rt：3)弯曲中心角： 4)工件形状：U形件的回弹0.5(D-dm)。视频（2）金属流动情况 变形结果：原来的同心圆变为筒壁上的水平圆筒线，其间距a增大了，愈靠近筒的上部增大愈多，即，a1 a2 a3a原来等分度的辐射线变成了筒壁上的垂直平行线，其

13、间距完全相等，即b1= b2= b3= b（3）应力应变状态 V筒底部分特点：341132IV凸模圆角部分危险端面-213412筒壁部分特点：平面应变状态，且厚向应力2为零， 312。12134II凹模圆角部分，过渡区。变形的情况：3212134I凸缘部分，变形的主要区域。材料径向受拉应力1的作用，切向受压应力3的作用；若有压力圈，还由于压边圈的作用而产生压应力2。3212134(4)起皱与防皱措施拉深时突缘起皱与板条的受压失稳相似。dDtt是否起皱切向压应力的大小变形区抵抗失稳起皱的能力材料的机械性质与突缘变形区的相对厚度 。受压失稳：凸缘外径凸缘内径 生产中用下列简单的公式作为判断压延时突

14、缘不会起皱的近似条件：tdD220)1 (5 . 41000mDtm-压延系数， ，m愈小，压延时板料的变形程度愈大。 愈大，不起皱的极限压延系数可愈小。 0Ddm 0Dt外皱:内皱: (1)固定压边圈(或刚性压边圈) 1-内滑块；2-外滑块；3-拉深凸模；4-落料压边圈；5-落料凹模；6-拉深凹模(2)弹性压边圈1一凹模；2一毛料；3一凸模；4压边圈；5、9一顶杆；6一模座；7一杯体；8、10、13一传力板；11一橡皮；12一心杆；14一调力螺帽。(5)拉断与极限压延系数 1）压延件的壁厚分布与危险断面拉断的位置在危险断面；发生拉断危险的时刻在压延过程的起始阶段，最大压延力出现以前。顺利进行

15、压延的必要条件：为什么此处是危险断面？2）危险断面强度与极限压延系数 r为材料的厚向异性指数，r愈大p 也愈大。对于没有厚向异性的材料，r=1，其p恰为1.155b 。亦即压延时危险断面的强度。bprr211极限压延系数mmin：(6) 影响极限压延系数的因素1）材料的机械性能材料的强化率（ 、n、D等)与厚向异性(r)。2)压延条件压延条件：指与压延模具的有关几何参数、摩擦与润滑情况，以及压边力的大小等因素。3）板料的相对厚度t/D0 t/D0愈大，压延时抵抗失稳起皱的能力愈大。因而可以减小压边力，减少摩擦损耗。有利于极限压延系数的降低。 bs2.4 胀形变形情况： 图1-23 胀形成形图1

16、-24 胀形时的应力和应变图1-25 胀形时的应变分布图与应变状态图a)应变分布图b)应变状态图3 3 板料冲压性能的工艺试验与指标板料冲压性能的工艺试验与指标3.1 3.1 板料冲压性能的工艺试验板料冲压性能的工艺试验板料的冲压性能：冲压工序分为:以伸长为主的变形方式（如胀形、翻边和弯曲变形的外区等）和以压缩为主的变形方式（如拉深、管材缩口和弯曲变形的内区等）两大类。以下几种试验方法可用来鉴别板料对两类变形方式的适应能力。btPFPbttbFFll0000lnlnln图2-2试样截取的方位(1) 板料的拉伸试验图2-1 拉伸试样硬化应力曲线方程： （2-1）将上两边取对数 （2-2） nCl

17、glglgnC )/ln()/ln(lglg01021122lllllPlPn 图2-3 n值的求法 (2)板料的双向拉伸（胀形）试验 原理： 在杯突试验时，破裂点的确定、工具尺寸、表面粗糙度、压边力、润滑、凸模速度等因素都影响试验值。（3）模拟试验1)反复弯曲试验这种试验主要用于鉴定5mm以下板料的弯曲性能。 2)球形冲头锥形杯拉深试验图2-6 球形冲头锥形件拉深试验1-试样；2-凹模；3-球形冲头；4-试样定位器CCV值(即锥形杯值Conical Cup Value), ：锥形件在底部发生破裂时的上口直径，用以表示板料的冲压性能。CCV值愈小，则成形性能愈好。 由于板料有方向性，故锥形件上

18、口直径有差别，通常取平均值，即 式中 与 为锥形件破裂时上口的最大值和最小值的算术平均值，mm。通常取球形冲头直径dP与试样直径D的比值为dPD0.29。 2minmaxDDCCVmaxDminD（4）相似试验 金属塑性变形的相似条件包含三方面内容：物理相似 试样材料与实际材料有相同的化学成分、金相组织、热处理状态、机械性能，试验时具有相同的变形温度和速度以及相同的外摩擦条件。几何相似 试样和模具的形状、尺寸与实际生产中的情况有相似比例。力学相似 试样与实际情况之间有相同的加载条件与应力分布。Swift的筒形件拉深试验工作原理：用相差1.25 mm的不同直径的圆形试样在图2-7所示的模具中逐个

19、进行拉深试验。取侧壁不破裂的条件下可能拉深成功的最大试样直径(D0)max与冲头直径dP的比值表示拉深性能的指标。即 pdDLDRmax0)(图2-7 Swift的筒形件拉深试验1-冲头；2-压边圈；3-凹模；4-试样3.2 板料机械性能指标与冲压性能之间的关系板料机械性能指标与冲压性能之间的关系3.2.1 厚向异性系数r（1）厚向异性系数r的定义与意义 (1) 在板材试样的简单拉伸中，根据宽度和厚度变化，r可用下式表示： （2）根据体积不变条件， 用下式求r值： 由式（2）可知： r1： r0，凸耳在0与90方向；r0，凸耳在45 方向。影响凸耳的因素：消除凸耳的方法：表34 三代冲压用钢板

20、的性能比较钢 种s (Mpa)b (Mpa)t (%)值值沸腾钢18019029031044481.01.2-0.22铝镇静钢16018029030044501.41.8-0.22钢10015025030045551.82.80.230.283.2.2 应变硬化指数n （1）定义：nK应变强化在成形中的作用：n值的测定：45900n2nn41n(2)值的确定两点法（前面已讲述，此处略）阶梯试件法 用三阶段宽度不同（W0 W1 W2）的阶梯试件，进行拉伸直至宽度最小的一段拉断，测出未断裂的其余二段长度方向的应变2、1，利用下式计算出n值。121221lnln)()/ln(WWn式中 W1、W2初

21、始宽度；1、2为断裂时宽度为W1、W2二段的应变。3.2.3 3.2.3 屈强比（屈强比（ S S/ / b b）屈强比小，拉深时法兰变形区的切向压应力小，材料起皱的趋势小，所需的压边力及摩擦损失都可相应地减小，从而可使极限变形程度提高。 低碳钢的S/b 0.75，其极限拉深系数m=0.48-0.50；65Mn的S/b 0.63，其极限拉深系数为m=0.68-0.7。 3.2.4 3.2.4 u u与与 u:均匀延伸率，是在拉伸试验中开始产生局部集中变形时的延伸率。 u是表示板材产生均匀的或称稳定的塑性变形的能力，可以用u间接地表示伸长类变形的极限变形程度。4 4 板材塑性变形的失稳板材塑性变

22、形的失稳压缩失稳:影响因素：刚度参数。主要表现：坯料的弯曲和起皱，在弹性或塑性范围内都可能产生。拉伸失稳：影响因素：强度参数。主要表现：明显的非均匀伸长变形，在坯料上产生局部变薄（或变细）现象，其进一步发展是坯料的拉断或破裂。只产生于塑性变形范围内。4.1 板材变形的受压失稳临界力：弹性状态下平衡微分方程：pydxydEI2222LEIPK E材料的弹性模数；I压杆的惯性矩。塑性失稳条件： 根据内力矩与外力矩相等的平衡条件的临界状态下的微分方程式：yPdxydEIK22202LIEPK22LIDPK22LEIPK对于直径为d的圆截面杆 ：224)(84LdDdPK22)(8LdDK对于宽为b，

23、厚为t的矩形板条 ：22)(12LtDbtPK22)(12LtDK（1）压应力引起的失稳起皱圆筒形零件拉深时突缘变形区的起皱，曲面零件成形时悬空部分的起皱，属于这种类型。（2）剪应力引起的失稳起皱图3-4 压缩力及剪切力引起失稳时临界应力比较（3）不均匀拉应力引起的失稳起皱平板受不均匀拉应力作用，在板坯内产生不均匀内变形，拉应力的不均匀程度越大，越易产生失稳起皱。皱纹产生在拉应力最大的部位，其走向与拉伸方向相同。 (4)板平面内弯曲力引起的失稳起皱4.2 板材塑性变形的拉伸失稳4.2.1 塑性拉伸失稳的概念和类型概念:图6-15 单向拉伸试验曲线（1）分散性颈缩(diffuse necking) 塑性变形达到一定程度后，变形开始集中在材料内某些性能较弱的部位。（2）集中性颈缩(localized necking) 塑性变形集中在一个狭窄的条带区域（图），此时应变硬化不足以使这种颈缩发生转移，应力增长率远小于承载面积的减小速度，载荷随变形程度增大而急剧下降。4.2.2 颈缩条件（1）分散性颈缩条件 1）单向拉伸