金属塑性加工.ppt

1、金属塑性加工,绪 论 塑性加工原理 塑性加工工艺,金属塑性加工的定义、特点、应用状况 金属塑性加工分类 本章目的及内容,绪 论,金属塑性加工原理,一、金属塑性加工的定义、特点、应用状况,1. 定义： 金属塑性加工是利用金属的塑性，通过外力使金属铸锭、金属粉末或各种金属坯料发生塑性变形，成为具有所需形状、尺寸和性能的制品的加工方法。,2.特点 材料利用率高。 生产效率高。 产品质量高，性能好，缺陷少。 加工精度和成形极限有限。 模具、设备费用昂贵。 3.应用,二、金属塑性加工分类,轧制 体积成形 挤压 拉拔 锻造 剪切 板料成形 弯曲 拉深 胀形,体积成形：坯料一般为棒材或扁坯，坯料经受很大的塑

2、性变形，坯料的形状或横截面以及表面积与体积之比发生显著的变化。 板料成形：坯料是各种板材或用板材预先加工成的中间坯料，板材的形状发生显著变化，但其横截面形状基本上不变。,轧制示意图,拉拔示意图,挤压示意图,锻造示意图,拉深示意图,胀形示意图,弯曲示意图,剪切示意图,三、本章目的及内容,目 的 掌握基本理论、基本知识，能够正确选择加工方法。 内 容 塑性加工基本理论：应力、应变状态分析，屈服准则等。 轧制、挤压、拉拔、锻造和板材成形简介。,第一节 塑性加工基础,任务：阐明金属在各种塑性成型时的共同性； 目的：为下面的工艺分析作理论准备，也为合理制订塑性成型工艺规范及选择设备、设计模具奠定理论基础

3、。 对金属塑性成型工艺应提出如下要求： (1)使金属具有良好的塑性； (2)使变形抗力小；,(3)保证塑性成型件质量：组织均匀、晶粒细小、强度高、残余应力小等； (4)能了解变形力，以便为选择成型设备、设计模具提供理论依据。 要求：讲述塑性成型的物理基础和力学基础，即掌握金属塑性变形体内的应力场、应变场、应力应变之间的关系及塑性变形时的力学条件。,一、金属在塑性加工过程中的塑性行为,1. 模拟实际塑性加工过程的试验方法： （1）偏心轧辊轧制矩形试样 （2）杯突试验,2. 影响金属塑性的因素： （1）金属的化学成分和组织 （2）变形温度 （3）应变速率 （4）变形力学条件： 应力状态：在主应力状

4、态下，压应力个数越多、数值越大，金属的塑性越好。,应变状态：压缩应变有利于塑性的发挥，拉伸应变对塑性不利。,3. 提高金属塑性的基本途径 （1）提高材料成分和组织的均匀性 （2）合理选择变形温度和应变速率 （3）选择三向压缩性较强的变形方式 挤压、开式模锻、自由锻 （4）减少变形的不均匀性,二、塑性加工过程受力分析 1.正压力的分析要点 正压力是指工具与工件接触面上的垂直作用力。 注意：塑性变形过程中接触面的变化以及约束 面上存在着的反压力。同时注意塑性变形整个过程中的受力, 而不是仅关注瞬时的受力。,2.摩擦力的分析要点 （1）塑性加工过程中摩擦的特点 a. 伴随有变形金属的塑性流动 b.

5、各处摩擦力方向可能不同 c. 接触面上压强高 d. 真实接触面积大 e. 不断有新的摩擦面产生 f. 常在高温下发生摩擦,（2）摩擦对塑性加工过程的影响 有利的一面：轧制咬入、开式模锻金属充填、板料拉深防裂,不利的一面： a. 增加能量消耗 b. 改变应力状态，增加变形抗力，影响金属流动性及其充填过程 c. 引起变形不均匀 d. 加剧模具的磨损，降低了模具的寿命,（3）描述接触面上摩擦的数学模型 a. 库仑定律： 摩擦应力 摩擦系数 摩擦面上的正应力 b. 常摩擦力假设 mK m摩擦因子，取值01 K金属的屈服剪切强度,3. 工具形状对作用力的影响,4. 关于内力的分析要点 内力产生情况： 为

6、了平衡外力 工件中变形区与非变形区之间的相互作用 变形区的各部分变形不均 （1）受拉与受压,（2）径向应力与切向应力,小结：薄壁回转体受均匀的径向应力时，必产生绝对值大得多的切向应力。内侧受力r与异号，外侧受力r与同号。,（3）工件上近自由表面处的内力,三、应力和应力状态,外力和应力 面力或接触力 体积力：重力、磁力、惯性力 内力：在外力作用下，物体内各质点之间产生相互作用的力。 应力：单位面积上的内力，称为应力。,S= 2+ 2 0=S0=P/F0 =Pcos/A=Pcos/(F0/cos)=0cos2 =Psin/A=Psin/(F0/cos)= 0sin cos S = 0cos 小结：

7、在单向均匀拉伸的情况下，通过一点的不同切面上，应力是不同的。只要已知过一点一个切面上的应力，就可确定过任意切面上应力。,复杂应力状态下描述一点应力状态的必要条件：,一点应力状态表示方法： x xy xz 在法线方向为x的面上所作用的应力 yx y yz 在法线方向为y的面上所作用的应力 zx zy z 在法线方向为z的面上所作用的应力 应力作用线沿z轴方向 应力作用线沿y轴方向 应力作用线沿x轴方向 xy yx xz zx yz zy x xy xz 1 0 0 y yz 0 2 0 z 0 0 3,小结：描述一点应力状态的必要条件为过该点三个互相垂直坐标上的六个独立应力分量或三个主应力。 2

8、. 任意斜面上的应力 描述一点应力状态的充分条件 可以证明：只要已知受力物体上过某一点的一组三个互相垂直坐标面上的六个应力分量或主坐标面上的三个主应力，则与三个坐标轴任意倾斜的平面上的应力都可求出。,3. 应力张量、主应力及应力不变量 张量：指由一组坐标系变换到另一组坐标系时，研究对象的分量若能按照一定规律变化，则称这些分量的集合为张量。,求主应力的特征方程,主应力状态图：,应力张量不变量： 第一不变量：J1 1+ 2+3 第二不变量：J2（ 1 2+ 2 3 + 3 1） 第三不变量：J3 1 23,应力张量不变量的意义： J1平均应力,4.主剪应力和最大剪应力 将 式以 n21-l2-m2

9、代入，分别对l、m求偏导 23（ 23）/2 31（31）/2 12 （12）/2 若1 2 3，则max（31）/2 对塑性变形有决定性的作用。,5. 八面体应力与等效应力 平均应力,6. 应力偏量 m （ x+ y +z）/3 x xy xz ij yx y yz zx zy z x - m xy xz m 0 0 yx y - m yz + 0 m 0 zx zy z - m 0 0 m 应力偏量 ij 应力球张量,应力偏量的三个主值： 应力偏量的主剪应力： 23（ 23）/2 （ 23）/2 31（31）/2 （31）/2 12 （12）/2 （12）/2,应力偏量的三个不变量： 第一

10、不变量：J1 1+ 2+3 1+ 2+33 m0 第二不变量： J2（ 1 2+ 2 3 + 3 1） (1- 2 )2+(2 -3 )2+(3 -1)2/6 第三不变量：J3 1 23 (21- 2 - 3 ) (22 -3 - 1) (23 -1- 2 )/27 塑性变形主要与应力偏量有关。,J2反映变形体内切应力的综合影响，屈服准则用到。 J3决定应变类型。 (s=(3J2)1/2),小结： 尽管主应力的数目不等，符号不一，但由于应力偏量相似，所以产生类似的变形，即轴向伸长，横向收缩。,7. 应力莫尔圆 一点应力状态的几何表示 （1）平面应力状态莫尔圆,应力面与应力莫尔圆, 物理平面上一

11、对正交面上的应力x 、xy和y 、yx在莫尔圆上可用相互成角的A和A两点表示，莫尔圆上正方向的剪应力表示物理平面上的顺时针的剪应力。 直径AA与坐标轴的交点必为莫尔圆的圆心，莫尔圆与坐标轴的交点表示该平面应力状态的两个主应力1和2，过圆心C与轴垂直的直线与莫尔圆的交点D和D表示该应力状态的最大和最小剪应力。 上图中与x面成角斜面上的应力在应力莫尔圆上则用与AA成2 角的坐标点B表示。,（a）单向拉伸 （b）单向压缩 （c）纯剪应力 典型应力状态的莫尔圆,（2）三向应力莫尔圆,四、塑性加工应变分析,1. 应变状态的表示方法 微元体在xy坐标面的正应变与剪应变,正应变：指线元单位长度的变化量。,剪

12、应变：表示变形体剪切变形大小的物理量。 一点应变状态表示：,2. 应变与相对位移的关系,过一点的三正交线元的正应变和剪应变与相对位移的关系： 小应变几何方程已知位移场,可求得应变场,3. 塑性变形时的体积不变条件 体积的变化主要取决于静水压力m， 泊桑比，E弹性模量,说明一点应变状态的三个线应变不可能是同号应变。 用主应变表示的应变状态只有以下三种： 拉伸类 压缩类 纯剪类 （平面变形）,4. 用网格尺寸变化表示应变,应变增量和应变速率张量 为了分析和求解大塑性变形，往往取从某一瞬时开始产生的应变微小变化量，称此为应变的增量。 应变速率是指应变对时间的变化率，也属于瞬时应变。,应变速率表示变形

13、体内质点距离改变的快慢，也即各点位移速度的差别。应变速率不仅取决于工具速度，而且与变形体的几何形状、尺寸以及边界条件有关。因此，不能只根据工具速度来衡量变形体内质点的应变速率大小。,五、屈服准则,屈服准则的概念 描述不同应力状态下变形体进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须遵守的条件。 单向拉伸：s 复杂应力状态：f（ 1，2，3）C f（ J1，J2，J3）C f（ J2，J3）C,2. Tresca屈服准则 最大剪应力准则 根据单向拉伸实验，材料进入屈服时 则有：,3. Mises屈服准则 能量屈服准则 单向拉伸屈服时： 1 s， 230， C2s2 纯剪屈服时： 1-3K， 20， C6

14、K2,J2 (1- 2 )2+(2 -3 )2+(3 -1)2/6 Mises屈服准则又可表示为： J2 s2 /3 另外，塑性变形时单元金属体积的单位形状变化弹性位能Uf,4. 屈服准则的几何表示,小结： 两个屈服面实际相差不多，最大误差15.5。 屈服面内为弹性区，屈服面上为塑性区。 当物体承受三向等拉或三向等压应力状态时（OE线），不管其绝对值多大，都不可能发生塑性变形。,例1：一个两端封闭的薄管经受到的内压力为35MPa，薄壁管的平均半径为300mm。 （1）如果材料的s700MPa，根据Tresca屈服准则，为保证薄壁管处于弹性状态，管壁最小的厚度为多少？ （2）如果材料的剪切屈服极

15、限为K280MPa，根据Tresca准则，管壁的最小厚度应是多少？ 例2：用Mises准则解上题。,5. 屈服准则在塑性加工中的实际应用 （1）关于屈服准则的正确选用问题 对于Mises准则，通常选用其简化表达式： 1 3 s （ 为应力修正系数） 确定1， 3的方法：异号应力状态，拉应力为1，压应力为3；平面应力的同号应力状态，径向应力的绝对值总小于切向应力的绝对值；三向同号应力状态根据应力应变顺序对应规律，由应变可以反推应力顺序，即对应于主伸长方向的应力就是1，对应于主缩短方向的应力即为3。 在单向受拉或受压及轴对称应力状态， 1； 在纯切状态和平面应变状态， 1.15,（2）关于控制变形在所需要的部位产生的实例,五、塑性变形时应力应变关系,弹性变形应力应变关系：虎克定律 1.增量理论（流动理论） 2.全量理论,增量理论主要论述变形过程中的应变增量与应力的关系，强调变形瞬时的应变增量与应力的关系，考虑加载对变形过程的影响，加载条件不限； 应变分量的增量与应力偏量成比例 全量理论主要论述变形全过程的应变分量与应力的关系，没有考虑加载过程的影响，但是要求加载为比例加载。 应变速率分量与应力偏量成比例,