沖壓模具設(shè)計(jì)-第二章

本章學(xué)習(xí)要求：1.掌握金屬塑性變形的基本概念；2.掌握板料沖壓性能和常見(jiàn)的沖壓材料；3.了解塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)和沖壓成形方法的力學(xué)特點(diǎn)。內(nèi)容：第一節(jié)金屬塑性變形概述第二節(jié)影響塑性及變形抗力的主要因素第三節(jié)超塑性成形簡(jiǎn)介第四節(jié)金屬塑性變形的力學(xué)條件第五節(jié)沖壓成型中的變形趨向性及其控制第六節(jié)沖壓材料及其沖壓成形性能第一節(jié)金屬塑性變形概述一、金屬塑性變形的基本概念變形：在外力的作用下，金屬產(chǎn)生的形狀和尺寸變化。實(shí)質(zhì)是原子間的距離產(chǎn)生變化。變形分為：

彈性變形(elasticdeformation)

：卸載后變形可以恢復(fù)，可逆性塑性變形(plasticdeformation)

：產(chǎn)生永久變形，不可逆性

塑性變形的基本方式

單晶體：滑移（slip）、孿生（twinning）多晶體的塑性變形:晶內(nèi)變形、晶間變形

金屬受外力作用產(chǎn)生塑性變形后不僅形狀和尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的組織和性能也將發(fā)生變化。二、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響1、金屬的力學(xué)性能，隨著變形程度的增加，強(qiáng)度和硬度逐漸增加，而塑性和韌性逐漸降低，產(chǎn)生加工硬化或應(yīng)變剛現(xiàn)象；2、晶粒會(huì)沿變形方向伸長(zhǎng)排列形成纖維組織、晶粒位向因滑移面轉(zhuǎn)向趨向一致形成變形織構(gòu)，使材料產(chǎn)生各向異性；3、由于變形不均，會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，變形后作為殘余應(yīng)力保留在材料內(nèi)部。

沖壓件出現(xiàn)“桔皮”、“凸耳”現(xiàn)象。

第二節(jié)影響塑性及變形抗力的主要因素一、塑性與變形抗力的概念塑性：指金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力。塑性指標(biāo)：衡量金屬塑性高低的參數(shù)。常用塑性指標(biāo)為伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ。變形抗力：金屬在外力作用下抵抗塑性變形的能力。塑性與變形抗力是兩個(gè)不同的概念：

塑性：反映塑性變形的能力——變形程度的大小。變形抗力：反映塑性變形的難易程度。二、影響塑性變形的主要因素1、化學(xué)成分和組織對(duì)塑性變形的影響

碳鋼中碳和雜質(zhì)元素、合金元素；晶體結(jié)構(gòu)、晶粒的大小、單相/多相組織2、變形溫度對(duì)塑性變形的影響3、變形速度對(duì)塑性變形的影響4、變形方式/應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)對(duì)塑性變形的影響1．點(diǎn)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)

三、應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)及其對(duì)塑性變形的影響應(yīng)力——正應(yīng)力、切應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)：通常是圍繞該點(diǎn)取出一個(gè)微小（正）六面體（即所謂單元體），用該單元體上三個(gè)相互垂直面上的九個(gè)應(yīng)力分量來(lái)表示。主應(yīng)力狀態(tài)類(lèi)似有應(yīng)變狀態(tài)的概念。一般認(rèn)為金屬材料在塑性變形時(shí)體積不變，因此主應(yīng)變狀態(tài)圖只有三種。塑性變形可能出現(xiàn)九種主應(yīng)力狀態(tài)。平均應(yīng)力、球應(yīng)力狀態(tài)、偏應(yīng)力狀態(tài)、靜水壓力主切應(yīng)力最大切應(yīng)力等效應(yīng)力

幾個(gè)重要概念2．應(yīng)力狀態(tài)對(duì)塑性變形的影響

應(yīng)力狀態(tài)中的壓應(yīng)力個(gè)數(shù)多、壓應(yīng)力大，則塑性好；反之，壓應(yīng)力個(gè)數(shù)少、壓應(yīng)力小，甚至存在拉應(yīng)力，則塑性差。靜水壓力愈大，金屬塑性愈好。原因：1、壓應(yīng)力能有效抑制或消除晶體中由于塑性變形引起的晶內(nèi)滑移面上裂紋的擴(kuò)展，而拉應(yīng)力作用相反；

2、壓應(yīng)力有利于增加晶間結(jié)合力，抑制晶間變形引起的破壞，三向壓應(yīng)力能抵消不均勻變形引起的附加拉應(yīng)力，防止表面裂紋的產(chǎn)生。

3、三向壓縮能抑制雜質(zhì)或組織缺陷的不利影響，拉應(yīng)力造成應(yīng)力集中。復(fù)習(xí)上次課內(nèi)容

1、沖壓設(shè)備的分類(lèi)及選擇

2、金屬塑性變形的基本概念

3、影響塑性及變形抗力的主要因素一、真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)（硬化曲線(xiàn)）第四節(jié)金屬塑性變形的力學(xué)條件低碳鋼拉深試驗(yàn)曲線(xiàn)圖真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)條件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)二、屈服條件/屈服準(zhǔn)則（塑性條件）屈服準(zhǔn)則：材料進(jìn)入塑性狀態(tài)的力學(xué)條件。當(dāng)材料中的某點(diǎn)的應(yīng)力滿(mǎn)足屈服準(zhǔn)則，該點(diǎn)就進(jìn)入塑性狀態(tài)。

1.屈雷斯加(H·Tresca)屈服準(zhǔn)則

2.密席斯(VonMises)屈服準(zhǔn)則

或或三、塑性變形時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

彈性變形階段：應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系是線(xiàn)性的、可逆的，與加載歷史無(wú)關(guān)；

塑性變形階段：應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系則是非線(xiàn)性的、不可逆的，與加載歷史有關(guān)。增量理論

全量理論應(yīng)用：全量理論分析應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

1)1=2=3=m，1=2=3=0

，不產(chǎn)生塑性變形；

2)設(shè)2=0時(shí)，稱(chēng)平面應(yīng)變(或稱(chēng)平面變形)，1=-

3

2=（1+3）/2

寬板彎曲；

3)平面等拉應(yīng)力1=2>0，3=0，1=2=-1/23

脹形

4)三向受壓（0>1>2>3），3方向壓縮，1方向伸長(zhǎng)

（1）應(yīng)力分量與應(yīng)變分量符號(hào)不一定一致，即拉應(yīng)力不一定對(duì)應(yīng)拉應(yīng)變，壓應(yīng)力不一定對(duì)應(yīng)壓應(yīng)變；（2）某方向應(yīng)力為零其應(yīng)變不一定為零；（3）在任何一種應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力分量的大小與應(yīng)變分量的大小次序是相對(duì)應(yīng)的，即1＞

2＞

3，則有ε1＞ε2＞ε3。（4）若有兩個(gè)應(yīng)力分量相等，則對(duì)應(yīng)的應(yīng)變分量也相等，即若

1＝

2，則有ε1＝ε2。幾點(diǎn)討論

1、硬化規(guī)律四、金屬塑性變形的一些基本規(guī)律加工硬化：硬化曲線(xiàn)：σ=Aεn塑性降低，變形抗力提高。能提高變形均勻性。

表示硬化規(guī)律。實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)或真實(shí)-應(yīng)變應(yīng)力曲線(xiàn)。這種變化規(guī)律可近似用冪函數(shù)曲線(xiàn)表示。

n值不同時(shí)的硬化曲線(xiàn)2、卸載彈性恢復(fù)規(guī)律和反載軟化現(xiàn)象反載軟化曲線(xiàn)

3、體積不變條件金屬材料在塑性變形時(shí)，體積變化很小，可以忽略不計(jì)。一般認(rèn)為金屬材料在塑性變形時(shí)體積不變，可證明滿(mǎn)足：ε1+ε2+ε3=0

4、最小阻力定律

在塑性變形中，破壞了金屬的整體平衡而強(qiáng)制金屬流動(dòng)，當(dāng)金屬質(zhì)點(diǎn)有向幾個(gè)方向移動(dòng)的可能時(shí)，它向阻力最小的方向移動(dòng)。

在沖壓加工中，板料在變形過(guò)程中總是沿著阻力最小的方向發(fā)展。這就是塑性變形中的最小阻力定律。弱區(qū)先變形，變形區(qū)為弱區(qū)；強(qiáng)區(qū)難變形，傳力區(qū)為強(qiáng)區(qū)。第五節(jié)沖壓成型中的變形趨向性及其控制變形毛坯的分區(qū)塑性變形區(qū)A、非變形區(qū)（已變形區(qū)B、待變形區(qū)、不變形區(qū)C）控制變形的趨向性：措施：（1）改變毛坯各部分的相對(duì)尺寸開(kāi)流和限流（2）改變模具工作部分的幾何形狀和尺寸（3）改變毛坯與模具的摩擦阻力（4）改變毛坯局部區(qū)域的溫度一、板料的沖壓成形性能第六節(jié)沖壓材料及其沖壓成形性能材料的沖壓性能好成形極限高——單個(gè)工序的、總的成形極限成形質(zhì)量好便于沖壓加工沖壓成形性能是一個(gè)綜合性的概念?？蛊屏研浴尚螛O限定形性（回彈?。┒x：材料對(duì)各種沖壓成形方法的適應(yīng)能力。貼模性（起皺翹曲?。O限拉深系數(shù)極限翻邊系數(shù)極限脹形系數(shù)二、沖壓成形性能的試驗(yàn)方法間接試驗(yàn)——拉伸試驗(yàn)，硬度試驗(yàn)，金相試驗(yàn)直接試驗(yàn)——模擬試驗(yàn)1、間接試驗(yàn)—拉伸試驗(yàn)反映沖壓成形性能的主要指標(biāo)：

伸長(zhǎng)率δ(δb)

↗容許的變形程度大，抗破裂性好

屈服點(diǎn)s

↘易變形，回彈小，貼模性好，定形性好

屈強(qiáng)比s

/

b

↘塑性變形延長(zhǎng)，回彈也小，抗破裂性好、貼模性好，定形性好

硬化指數(shù)n

↗抗縮頸能力強(qiáng)，抗破裂性強(qiáng)，提高變形均勻性

板厚方向性系數(shù)（r值）

寬向應(yīng)變與厚向應(yīng)變之比

加權(quán)平均值

r值↗，板料平面方向易變形，厚度變薄較難，利于拉深。

抗破裂性和貼模性好。

板平面方向性系數(shù)（r值）——塑性各向異性

r對(duì)拉深件質(zhì)量的影響r值↗，板料各向異性愈嚴(yán)重，易導(dǎo)致突耳；拉深、翻邊、脹形時(shí)易引起變形不均勻；彎曲時(shí)折彎線(xiàn)與纖維方向平行或基本平行，會(huì)顯著降低成形極限。越小越好

2、直接試驗(yàn)—模擬試驗(yàn)脹形成形性能試驗(yàn)：杯突試驗(yàn)（S20小球)凸包高度IE值愈大，脹形成形性能愈好

拉深成形性能試驗(yàn)：沖杯試驗(yàn)

LDR=Dmax/d凸極限拉深比愈大，拉深成形性能愈好彎曲、擴(kuò)孔、拉深-脹形復(fù)合成形性能試驗(yàn)生產(chǎn)中：應(yīng)變分析網(wǎng)格法（1）對(duì)沖壓材料的要求b．對(duì)材料厚度公差的要求c．對(duì)表面質(zhì)量的要求a．對(duì)沖壓成形性能的要求（2）常用沖壓材料黑色金屬：Q235、08F（08）、10、DT3、D32

電工純鐵電工硅鋼有色金屬：T1，H62，QSn4-4-2.5，1060，2A12，3004，3104

純銅黃銅青銅杜拉鋁非金屬材料：紙板，橡膠板，塑料板，纖維板三、沖壓常用材料（3）材料的規(guī)格：板料、條料、帶料、塊料小結(jié)基本概念（變形、變形力、彈性變形、塑性變形、塑性、變形抗力等）影響塑性及變形抗力的主要因素（金屬成分與組織、變形溫度、變形速度、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)）應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的含義屈服條件（屈雷斯加屈服準(zhǔn)則、密席斯屈服準(zhǔn)則）金屬塑性變形的一些基本規(guī)律（硬化規(guī)律、卸載彈性恢復(fù)規(guī)律和反載軟化現(xiàn)象、體積不變條件、最小阻力定律）沖壓成形中的變形趨向性及其控制板料的沖壓成形性能和試驗(yàn)方法、冷沖壓常用材料思考題晶體的塑性變形

（a）未變形（b）滑移（c）孿生點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)

（a）受力物體（b）任意坐標(biāo)系（c）主軸坐標(biāo)系9種主應(yīng)力狀態(tài)圖3種主應(yīng)變狀態(tài)圖應(yīng)力狀態(tài)的分解滑移面的破損受拉應(yīng)力及壓應(yīng)力作用示意圖金屬的應(yīng)力-應(yīng)變圖1-實(shí)際應(yīng)力曲線(xiàn)

2-假象應(yīng)力曲線(xiàn)

硬化曲線(xiàn)幾種常用沖壓板料的硬化曲線(xiàn)n值不同時(shí)的硬化曲線(xiàn)方板拉深試驗(yàn)——最小阻力定律試驗(yàn)1、D-d較大，h較?。悍?、D-d較小，h較大：拉深、切底邊增大D翻邊、切外邊緣環(huán)形毛坯的變形趨向(a)變形前的工具與毛坯(b)拉深(c)翻邊(d)脹形實(shí)例表平板環(huán)形毛坯的變形趨向尺寸關(guān)系成形方式（變形趨向）備