第一章 冲压变形基本原理

1、冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 本章学习要求：本章学习要求： 1.掌握金属塑性变形的基本概念；掌握金属塑性变形的基本概念； 2.掌握板料冲压性能和常见的冲压材料；掌握板料冲压性能和常见的冲压材料； 3.了解塑性变形的力学基础和冲压成形方法的力学特点。了解塑性变形的力学基础和冲压成形方法的力学特点。第一章第一章 冲压变形的基本原理冲压变形的基本原理冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.1金属塑性变形的基本概念金属塑性变形的基本概念1.2金属塑性变形的力学基础金属塑性变形的力学基础1.3冲压成形时变形毛坯的力学特点与分类冲压成形时变形毛坯的力学特点与分类1.4板料冲压成形性能及冲压材料板

2、料冲压成形性能及冲压材料冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.1金属塑性变形的基本概念金属塑性变形的基本概念 在外力外力的作用下，金属产生的的作用下，金属产生的形状和尺寸变化形状和尺寸变化称为称为变形变形，变形分为变形分为弹性变形弹性变形(elastic deformation)与与塑性变形塑性变形(plastic deformation ) 弹性(elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。 塑性(plasticity)：物体产生永久变形的能力，不可逆性。1.1.1塑性变形的物理概念塑性变形的物理概念 外力破坏原子间原有的平衡状态，造成原子外力破坏原子间原有的平衡状态，造成原

3、子排列的畸变排列的畸变，引起金属形状和尺寸的变化。变形的实质是原子间的距离产生引起金属形状和尺寸的变化。变形的实质是原子间的距离产生变化。变化。 塑性变形：塑性变形：金属形状和尺寸产生永久改变，这种改变不可金属形状和尺寸产生永久改变，这种改变不可恢复，该变形称为塑性变形。恢复，该变形称为塑性变形。 冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.1.2 塑性变形的基本方式塑性变形的基本方式 单晶体：单晶体：滑移滑移（slip)、孪生孪生 (twinning) 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形: 晶内、晶间晶内、晶间(如图如图) 变形后形成的组织改变：纤维组织、变形织构变形后形成的组织改变：纤维组织、

4、变形织构冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.1.3金属的塑性与变形抗力金属的塑性与变形抗力1.塑性及塑性指标塑性及塑性指标 塑性：指金属在外力的作用下，能稳定的发挥塑性变形而不塑性：指金属在外力的作用下，能稳定的发挥塑性变形而不破坏其完整性的能力。破坏其完整性的能力。 塑性指标：常用的塑性指标有塑性指标：常用的塑性指标有 延伸率延伸率 断面收缩率断面收缩率 2.变形抗力变形抗力 金属产生塑性变形的力为变形力，金属抵抗变形的力称为变金属产生塑性变形的力为变形力，金属抵抗变形的力称为变形抗力。形抗力。 塑性与变形抗力是两个不同的概念：塑性与变形抗力是两个不同的概念： 塑性：反映变形塑性：反映

5、变形的能力。的能力。 变形抗力：变形抗力：是塑性变形的是塑性变形的难易程度。难易程度。%100LLL00K%10000AAAK冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.1.4影响金属的塑性与变形抗力的主要因素影响金属的塑性与变形抗力的主要因素 1.化学成份和组织对塑性和变形抗力的影响化学成份和组织对塑性和变形抗力的影响 化学成分：铁、碳、合金元素、杂质元素。化学成分：铁、碳、合金元素、杂质元素。 组织：单项组织、多向组织。组织的不同塑性和变形抗力会组织：单项组织、多向组织。组织的不同塑性和变形抗力会有很大的差别。有很大的差别。 钢的制造工艺：钢的制造工艺： 2.变形温度对塑性和变形抗力的影响变

6、形温度对塑性和变形抗力的影响 1）温度升高，回复与再结晶；）温度升高，回复与再结晶； 2）温度升高，原子热运动加剧；温度升高，原子热运动加剧； 冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.1.4影响金属的塑性与变形抗力的主要因素影响金属的塑性与变形抗力的主要因素 2.变形温度对塑性和变形抗力的影响变形温度对塑性和变形抗力的影响 3）温度升高，原子热振动加剧（热塑性）；）温度升高，原子热振动加剧（热塑性）； 4）温度升高，晶界强度下降；）温度升高，晶界强度下降； 3.变形速度对塑性和变形抗力的影响变形速度对塑性和变形抗力的影响 速度大时，塑性变形来不及扩展。没有足够时间回复、再结晶，速度大时，塑性

7、变形来不及扩展。没有足够时间回复、再结晶，塑性降低变形抗力增大。塑性降低变形抗力增大。 速度大时，热效应显著，变形体有温度效应对塑性增加有利。速度大时，热效应显著，变形体有温度效应对塑性增加有利。 冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.2 塑性变形的力学基础塑性变形的力学基础 外力外力 内力内力 模具模具 毛坯毛坯 零件零件 毛坯的变形都是模具对毛坯施加外力所引起内力或由毛坯的变形都是模具对毛坯施加外力所引起内力或由内力直接作用的结果。应力就是毛坯内单位面积上作用的内力直接作用的结果。应力就是毛坯内单位面积上作用的内力。应力应理解为一极小面积上的内力与该面积比值的内力。应力应理解为一极小面

8、积上的内力与该面积比值的极限，即：极限，即： dFdPFPF0lim 冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.2.1 一点的应力与应变状态一点的应力与应变状态.一点的应力状态：一点的应力状态： 是指通过变形体内某点的单元体所有截面上的应力的是指通过变形体内某点的单元体所有截面上的应力的有或无、大小、方向等情况。有或无、大小、方向等情况。 冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 图1.2.2 九种主应力状态图 冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 2.一点的主应变状态一点的主应变状态 3.体积不变定律体积不变定律 该式说明：金属塑性变形前后，只有形状的变化，而无体该式说明：金属塑性变形前后，只有

9、形状的变化，而无体积的变化。积的变化。 三个推论：三个推论： 塑性变形时，只有形状的变化，而无体积的变化；塑性变形时，只有形状的变化，而无体积的变化； 不论什么应变状态，其中一个主应变的符号与另外两个不论什么应变状态，其中一个主应变的符号与另外两个主应变的符号相反；主应变的符号相反； 已知两个应变就可求第三个应变已知两个应变就可求第三个应变。0321主变形图只可能有三种形式主变形图只可能有三种形式图1.2.3三种主应变状态图冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.2.2 屈服准则（塑性条件）屈服准则（塑性条件） 屈服准则屈服准则：材料进入塑性状态的力学条件。当材料中材料进入塑性状态的力学条件

10、。当材料中的某点的应力满足屈服准则，该点就进入塑性状态。的某点的应力满足屈服准则，该点就进入塑性状态。 1.屈雷斯加屈雷斯加(HTresca)屈服准则屈服准则 屈雷斯加于屈雷斯加于1864年提出：当材料中的最大剪应力达到某一定值时，材料即年提出：当材料中的最大剪应力达到某一定值时，材料即行屈服。因此，该准则又称为最大剪应力屈服准则。其数学表达式为：行屈服。因此，该准则又称为最大剪应力屈服准则。其数学表达式为： K)(21minmaxmax冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.2.2 屈服准则（塑性条件）屈服准则（塑性条件） 2. 密席斯密席斯(Von Mises)屈服准则屈服准则 密席斯于

11、密席斯于1913年提出了另一屈服准则：当材料中的等效应力达到某年提出了另一屈服准则：当材料中的等效应力达到某一定值时，材料就开始屈服。由单向拉伸试验可确定该值，该值为材料一定值时，材料就开始屈服。由单向拉伸试验可确定该值，该值为材料的屈服点的屈服点s。其数学表达式为：。其数学表达式为： 3.屈服准则的几何表示屈服准则的几何表示 在平面应力状态时，屈服准则可用屈服轨迹来表示（在平面应力状态时，屈服准则可用屈服轨迹来表示（如如图图1.2.4）。）。 si213232221)()()(21冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计1.2.4 屈服准则的几何表示（a）平面上两屈服准则表达 (b) 主应力空间

12、两屈服准则表达冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.2.3 塑性变形时应力与应变的关系塑性变形时应力与应变的关系 物体受力产生变形，所以应力与应变之间一定存在着某种关系。物体受力产生变形，所以应力与应变之间一定存在着某种关系。 弹性变形时，应力与应变之间的关系是线性的、可逆的，变形是可弹性变形时，应力与应变之间的关系是线性的、可逆的，变形是可以恢复的。以恢复的。 （胡克定律胡克定律 ） 单向拉伸应力单向拉伸应力-应变曲线应变曲线(如图如图1.2.5) 塑性变形时应力应变关系是非线性的、不可逆的。塑性变形时应力应变关系是非线性的、不可逆的。 E冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.2.3

13、 塑性变形时应力与应变的关系塑性变形时应力与应变的关系 增量理论增量理论 ： 瞬间的应变增量与相应应力的关系瞬间的应变增量与相应应力的关系 全量理论全量理论 ： 主应力差与主应变差成比例主应力差与主应变差成比例 全量理论的应用全量理论的应用C131332322121Cdddddd131332322121时，022/ )(312时，且0, 03211321)2/1 (, 0冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.2.4硬化与硬化曲线硬化与硬化曲线 1.硬化硬化 材料的强度指标随变形程度的增加而增加材料的强度指标随变形程度的增加而增加,塑性随之降低塑性随之降低。 2.硬化曲线硬化曲线 实际应力曲

14、线与假象应力曲线实际应力曲线与假象应力曲线 （如图如图1.2.6） 几种常用冲压板料的硬化曲线（几种常用冲压板料的硬化曲线（如图如图1.2.7） 硬化指数硬化指数是表明材料冷变形硬化的重要参数，对板料的冲是表明材料冷变形硬化的重要参数，对板料的冲压性能以及冲压件的质量都有较大的影响。压性能以及冲压件的质量都有较大的影响。 冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.3冲压成形时变形毛坯的力学特点与分类冲压成形时变形毛坯的力学特点与分类 1.3.1 变形毛坯的分区变形毛坯的分区(如图如图1.3.1)1.3.2 变形区的应力应变特点变形区的应力应变特点1. 冲压毛坯两向受拉应力的作用冲压毛坯两向受拉

15、应力的作用 (可分两种情况可分两种情况)： （如图（如图1.3.2象限）象限）2.冲压毛坯变形区受两向压应力的作用冲压毛坯变形区受两向压应力的作用 （如图（如图1.3.2象限）象限）0, 00, 0trtr且且0, 00, 0trtr且且冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 3.冲压毛坯变形区受异号应力的作用，而且拉应力的绝对值冲压毛坯变形区受异号应力的作用，而且拉应力的绝对值大于压应力的绝对值。大于压应力的绝对值。(可以分为两种情况可以分为两种情况) （如图（如图1.3.2）4.冲压毛坯变形区受异号应力的作用，而且压应力的绝对值冲压毛坯变形区受异号应力的作用，而且压应力的绝对值大于拉应力的绝

16、对值。大于拉应力的绝对值。 (可以分为两种情况可以分为两种情况) 综上所述：冲压变形可分为伸长类变形和压缩类变形综上所述：冲压变形可分为伸长类变形和压缩类变形（如图如图1.3.3）。）。rtrrtr0,00,0且且rtrrtr0,00,0且且冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.3.3 冲压成形过程中变形趋向性及其控制冲压成形过程中变形趋向性及其控制1.变形趋向性变形趋向性( (如图如图1.3.4) ) 弱区必先变形，变形区应为弱区弱区必先变形，变形区应为弱区2.变形趋向性的控制变形趋向性的控制 合理地确定毛坯尺寸（合理地确定毛坯尺寸（图图1.3.5 图图1.3.6 ） 正确设计模具工作部

17、分形状和尺寸正确设计模具工作部分形状和尺寸 改变毛坯与模具表面的摩擦条件改变毛坯与模具表面的摩擦条件 其他工艺措施其他工艺措施 冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 1.4 板料冲压成形性能及冲压材料板料冲压成形性能及冲压材料 1.4.1 板料的冲压成形性能板料的冲压成形性能 冲压成形性能冲压成形性能: 板料对各种冲压成形加工的适应能力。板料对各种冲压成形加工的适应能力。 抗破裂性、抗破裂性、 贴模性、定形性贴模性、定形性 成形极限成形极限 冲压件形状尺寸精度冲压件形状尺寸精度1.4.2板材冲压成形试验的试验方法板材冲压成形试验的试验方法 板料冲压性能试验方法通常分为三种类型：板料冲压性能试验

18、方法通常分为三种类型：力学试验力学试验、金金属学试验属学试验（统称间接试验）和（统称间接试验）和工艺试验工艺试验（直接试验）。（直接试验）。 冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 拉伸试验用的标准试样和拉伸曲线（拉伸试验用的标准试样和拉伸曲线（图图1.4.1） 1.屈服极限屈服极限 屈服极限屈服极限 小小,材料容易屈服材料容易屈服,则变形抗力小则变形抗力小.2.屈强比屈强比 屈强比小屈强比小,说明说明 值小而值小而 值大值大3.总延伸率总延伸率 与均匀延伸率与均匀延伸率 拉伸实验中拉伸实验中,试样拉断时的伸长率称总伸长率试样拉断时的伸长率称总伸长率1.4.3 板料的力学性能与冲压成形性能的关系

19、板料的力学性能与冲压成形性能的关系ssbu冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计图1.4.1 拉伸试验用的标准试样和拉伸曲线冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计 4.硬化指数硬化指数 单向拉伸硬化曲线可写成单向拉伸硬化曲线可写成 ，其中，其中 为硬化指为硬化指数。数。 5.厚向异性指数厚向异性指数 厚向异性指数是指单向拉伸试样宽度应变和厚度厚向异性指数是指单向拉伸试样宽度应变和厚度应变之比应变之比 6.板平面各向异性指数板平面各向异性指数nktb/2/ )2(45900 对拉深件质量的影响对拉深件质量的影响 （图图1.4.2）n冲压工艺与模具设计冲压工艺与模具设计图1.4.2 对拉深件质量的影响 冲压工艺与模具设计冲压工艺