塑性加工原理

1、金属塑性加工金属塑性加工 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：

2、坯料一般为棒材或扁坯，坯料 经受很大的塑性变形，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 板 材管 材 拉拔示意图 实心空心 挤压示意图 正挤反挤 复合 挤 锻造示意图 镦粗 开式闭式 镦头 拔长 拉深示意图 胀形示意图 弯曲示意图 形弯胀弯 辊弯 剪切示意图 修 边切 断 剁 切剥 皮 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。 1. 轧制、挤压、拉拔、锻造和板

3、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。 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：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

4、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 塑性与塑性变形 塑性：物体在外力作用下产生永久变形而不破坏的 特性。 塑性指标：塑性指标： 单向拉伸延伸率； 单向压缩断面收

5、缩率。 金属塑性影响因素：化学成分、金相组织、变 形温度、变形速度。 塑性变形： 物体在外力作用下产生变形，当外力去除后仍有残余变物体在外力作用下产生变形，当外力去除后仍有残余变 形。形。 加工硬化加工硬化 回复与再结晶回复与再结晶 冷变形、热变形、温变形冷变形、热变形、温变形 不均匀变形不均匀变形 变形抗力与塑性图变形抗力与塑性图 应力应变曲线 应力应变曲线（图应力应变曲线（图-） 真实应力与对数应变真实应力与对数应变 条件应力条件应力-应变曲线和真实应力应变曲线和真实应力-应变曲线（图应变曲线（图 5-6） 应力应力-应变曲线的简化（图应变曲线的简化（图5-7） 二、塑性加工过程受力分析

6、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. 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.

7、 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关于内力的分析要点 内力产生情况： 为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

8、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：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

9、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. 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。 )( 2 222 nlmnlmnml zxyzxyzyx

10、n 222 nn S 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。 0 zyzxz zyyxy zxyxx 0 32 2 1 3 JJJ )(2 )( 222 3 222 2 1 xyzzxyyzxzxyzxyzyx zxyzxyxzzyyx zyx J J J 求主应力的特征方程 主应力状态图： 双向 三向 单向 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 J1的数值J

11、10 J10J10V2 3，则max（31）/2 对塑性变形有决定性的作用。 222 nn S 5. 八面体应力与等效应力 平均应力 2 3 2 2 2 1 nml n 22 3 2 2 2 1 2 2 3 2 2 2 2 2 1 2 )(nmlnml n 3 1 nml )( 3 1 3218 2 13 2 32 2 218 )()()( 3 1 )()()( 2 1 2 3 2 13 2 32 2 218 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

12、 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 m m m 3 3 2 2 1 1 应力偏量的三个不变量： 第一不变量：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) J2值J2s2/3 受应力点所 处状态 弹性初始屈服加工硬化 J32 s3/272 s3/27