冲压模具设计-第二章

本章学习要求：1.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；3.了解塑性变形的力学基础和冲压成形方法的力学特点。内容：第一节金属塑性变形概述第二节影响塑性及变形抗力的主要因素第三节超塑性成形简介第四节金属塑性变形的力学条件第五节冲压成型中的变形趋向性及其控制第六节冲压材料及其冲压成形性能第一节金属塑性变形概述一、金属塑性变形的基本概念变形：在外力的作用下，金属产生的形状和尺寸变化。实质是原子间的距离产生变化。变形分为：

弹性变形(elasticdeformation)

：卸载后变形可以恢复，可逆性塑性变形(plasticdeformation)

：产生永久变形，不可逆性

塑性变形的基本方式

单晶体：滑移（slip）、孪生（twinning）多晶体的塑性变形:晶内变形、晶间变形

金属受外力作用产生塑性变形后不仅形状和尺寸发生变化，而且其内部的组织和性能也将发生变化。二、塑性变形对金属组织和性能的影响1、金属的力学性能，随着变形程度的增加，强度和硬度逐渐增加，而塑性和韧性逐渐降低，产生加工硬化或应变刚现象；2、晶粒会沿变形方向伸长排列形成纤维组织、晶粒位向因滑移面转向趋向一致形成变形织构，使材料产生各向异性；3、由于变形不均，会在材料内部产生内应力，变形后作为残余应力保留在材料内部。

冲压件出现“桔皮”、“凸耳”现象。

第二节影响塑性及变形抗力的主要因素一、塑性与变形抗力的概念塑性：指金属材料在外力作用下，产生永久变形而不被破坏的能力。塑性指标：衡量金属塑性高低的参数。常用塑性指标为伸长率δ和断面收缩率ψ。变形抗力：金属在外力作用下抵抗塑性变形的能力。塑性与变形抗力是两个不同的概念：

塑性：反映塑性变形的能力——变形程度的大小。变形抗力：反映塑性变形的难易程度。二、影响塑性变形的主要因素1、化学成分和组织对塑性变形的影响

碳钢中碳和杂质元素、合金元素；晶体结构、晶粒的大小、单相/多相组织2、变形温度对塑性变形的影响3、变形速度对塑性变形的影响4、变形方式/应力、应变状态对塑性变形的影响1．点的应力与应变状态

三、应力、应变状态及其对塑性变形的影响应力——正应力、切应力点的应力状态：通常是围绕该点取出一个微小（正）六面体（即所谓单元体），用该单元体上三个相互垂直面上的九个应力分量来表示。主应力状态类似有应变状态的概念。一般认为金属材料在塑性变形时体积不变，因此主应变状态图只有三种。塑性变形可能出现九种主应力状态。平均应力、球应力状态、偏应力状态、静水压力主切应力最大切应力等效应力

几个重要概念2．应力状态对塑性变形的影响

应力状态中的压应力个数多、压应力大，则塑性好；反之，压应力个数少、压应力小，甚至存在拉应力，则塑性差。静水压力愈大，金属塑性愈好。原因：1、压应力能有效抑制或消除晶体中由于塑性变形引起的晶内滑移面上裂纹的扩展，而拉应力作用相反；

2、压应力有利于增加晶间结合力，抑制晶间变形引起的破坏，三向压应力能抵消不均匀变形引起的附加拉应力，防止表面裂纹的产生。

3、三向压缩能抑制杂质或组织缺陷的不利影响，拉应力造成应力集中。复习上次课内容

1、冲压设备的分类及选择

2、金属塑性变形的基本概念

3、影响塑性及变形抗力的主要因素一、真实应力-应变曲线（硬化曲线）第四节金属塑性变形的力学条件低碳钢拉深试验曲线图真实应力-应变曲线条件应力-应变曲线二、屈服条件/屈服准则（塑性条件）屈服准则：材料进入塑性状态的力学条件。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。

1.屈雷斯加(H·Tresca)屈服准则

2.密席斯(VonMises)屈服准则

或或三、塑性变形时的应力应变关系

弹性变形阶段：应力与应变之间的关系是线性的、可逆的，与加载历史无关；

塑性变形阶段：应力与应变之间的关系则是非线性的、不可逆的，与加载历史有关。增量理论

全量理论应用：全量理论分析应力应变关系

1)1=2=3=m，1=2=3=0

，不产生塑性变形；

2)设2=0时，称平面应变(或称平面变形)，1=-

3

2=（1+3）/2

宽板弯曲；

3)平面等拉应力1=2>0，3=0，1=2=-1/23

胀形

4)三向受压（0>1>2>3），3方向压缩，1方向伸长

（1）应力分量与应变分量符号不一定一致，即拉应力不一定对应拉应变，压应力不一定对应压应变；（2）某方向应力为零其应变不一定为零；（3）在任何一种应力状态下，应力分量的大小与应变分量的大小次序是相对应的，即1＞

2＞

3，则有ε1＞ε2＞ε3。（4）若有两个应力分量相等，则对应的应变分量也相等，即若

1＝

2，则有ε1＝ε2。几点讨论

1、硬化规律四、金属塑性变形的一些基本规律加工硬化：硬化曲线：σ=Aεn塑性降低，变形抗力提高。能提高变形均匀性。

表示硬化规律。实际应力-应变曲线或真实-应变应力曲线。这种变化规律可近似用幂函数曲线表示。

n值不同时的硬化曲线2、卸载弹性恢复规律和反载软化现象反载软化曲线

3、体积不变条件金属材料在塑性变形时，体积变化很小，可以忽略不计。一般认为金属材料在塑性变形时体积不变，可证明满足：ε1+ε2+ε3=0

4、最小阻力定律

在塑性变形中，破坏了金属的整体平衡而强制金属流动，当金属质点有向几个方向移动的可能时，它向阻力最小的方向移动。

在冲压加工中，板料在变形过程中总是沿着阻力最小的方向发展。这就是塑性变形中的最小阻力定律。弱区先变形，变形区为弱区；强区难变形，传力区为强区。第五节冲压成型中的变形趋向性及其控制变形毛坯的分区塑性变形区A、非变形区（已变形区B、待变形区、不变形区C）控制变形的趋向性：措施：（1）改变毛坯各部分的相对尺寸开流和限流（2）改变模具工作部分的几何形状和尺寸（3）改变毛坯与模具的摩擦阻力（4）改变毛坯局部区域的温度一、板料的冲压成形性能第六节冲压材料及其冲压成形性能材料的冲压性能好成形极限高——单个工序的、总的成形极限成形质量好便于冲压加工冲压成形性能是一个综合性的概念。抗破裂性—成形极限定形性（回弹小）定义：材料对各种冲压成形方法的适应能力。贴模性（起皱翘曲小）极限拉深系数极限翻边系数极限胀形系数二、冲压成形性能的试验方法间接试验——拉伸试验，硬度试验，金相试验直接试验——模拟试验1、间接试验—拉伸试验反映冲压成形性能的主要指标：

伸长率δ(δb)

↗容许的变形程度大，抗破裂性好

屈服点s

↘易变形，回弹小，贴模性好，定形性好

屈强比s

/

b

↘塑性变形延长，回弹也小，抗破裂性好、贴模性好，定形性好

硬化指数n

↗抗缩颈能力强，抗破裂性强，提高变形均匀性

板厚方向性系数（r值）

宽向应变与厚向应变之比

加权平均值

r值↗，板料平面方向易变形，厚度变薄较难，利于拉深。

抗破裂性和贴模性好。

板平面方向性系数（r值）——塑性各向异性

r对拉深件质量的影响r值↗，板料各向异性愈严重，易导致突耳；拉深、翻边、胀形时易引起变形不均匀；弯曲时折弯线与纤维方向平行或基本平行，会显著降低成形极限。越小越好

2、直接试验—模拟试验胀形成形性能试验：杯突试验（S20小球)凸包高度IE值愈大，胀形成形性能愈好

拉深成形性能试验：冲杯试验

LDR=Dmax/d凸极限拉深比愈大，拉深成形性能愈好弯曲、扩孔、拉深-胀形复合成形性能试验生产中：应变分析网格法（1）对冲压材料的要求b．对材料厚度公差的要求c．对表面质量的要求a．对冲压成形性能的要求（2）常用冲压材料黑色金属：Q235、08F（08）、10、DT3、D32

电工纯铁电工硅钢有色金属：T1，H62，QSn4-4-2.5，1060，2A12，3004，3104

纯铜黄铜青铜杜拉铝非金属材料：纸板，橡胶板，塑料板，纤维板三、冲压常用材料（3）材料的规格：板料、条料、带料、块料小结基本概念（变形、变形力、弹性变形、塑性变形、塑性、变形抗力等）影响塑性及变形抗力的主要因素（金属成分与组织、变形温度、变形速度、应力应变状态）应力-应变曲线的含义屈服条件（屈雷斯加屈服准则、密席斯屈服准则）金属塑性变形的一些基本规律（硬化规律、卸载弹性恢复规律和反载软化现象、体积不变条件、最小阻力定律）冲压成形中的变形趋向性及其控制板料的冲压成形性能和试验方法、冷冲压常用材料思考题晶体的塑性变形

（a）未变形（b）滑移（c）孪生点的应力状态

（a）受力物体（b）任意坐标系（c）主轴坐标系9种主应力状态图3种主应变状态图应力状态的分解滑移面的破损受拉应力及压应力作用示意图金属的应力-应变图1-实际应力曲线

2-假象应力曲线

硬化曲线几种常用冲压板料的硬化曲线n值不同时的硬化曲线方板拉深试验——最小阻力定律试验1、D-d较大，h较小：翻边2、D-d较小，h较大：拉深、切底边增大D翻边、切外边缘环形毛坯的变形趋向(a)变形前的工具与毛坯(b)拉深(c)翻边(d)胀形实例表平板环形毛坯的变形趋向尺寸关系成形方式（变形趋向）备