第二章沖壓加工理論基礎

第二章

沖壓加工理論基礎塑性：表示材料塑性變形能力。它是指固體材料在外力作用下發(fā)生永久變形而不破壞其完整性能力。

一、塑性變形的基本概念塑性指標：衡量金屬塑性高低的參數。常用塑性指標為延伸率δ和斷面收縮率ψ。變形：彈性變形、塑性變形。金屬受外力作用產生塑性變形后不僅形狀和尺寸發(fā)生變化，而且其內部的組織和性能也將發(fā)生變化。一般會產生加工硬化或應變現象：二、塑性變形對金屬組織和性能的影響金屬的機械性能，隨著變形程度的增加，強度和硬度逐漸增加，而塑性和韌性逐漸降低；晶粒會沿變形方向伸長排列形成纖維組織使材料產生各向異性；由于變形不均，會在材料內部產生內應力，變形后作為殘余應力保留在材料內部。

1．點的應力與應變狀態(tài)為了全面、完整地描述變形區(qū)內各點的受力和變形情況。三、塑性力學基礎應力——正應力、剪應力應力狀態(tài)：主應力狀態(tài)類似有應變狀態(tài)的概念。一般認為金屬材料在塑性變形時體積不變，因此主應變狀態(tài)圖只有三種。通常是圍繞該點取出一個微?。ㄕ┝骟w（即所謂單元體），用該單元體上三個相互垂直面上的九個應力分量來表示。已知該九個應力分量，則過此點任意切面上的應力都可求得。

塑性變形可能出現九種主應力狀態(tài)。2．金屬的屈服條件三、塑性力學基礎（續(xù)）屈服——塑性狀態(tài)，主要取決于兩方面的因素：（1）在一定的變形條件（變形溫度和變形速度）下材料的物理機械性質——轉變的根據；

（2）材料所處的應力狀態(tài)——轉變的條件。2.1.1應力狀態(tài)沖壓變形是由沖壓設備提供變形載荷，然后通過模具對毛坯施加外力，進而轉化為毛坯的內力、使之產生塑性變形。因此，研究和分析金屬的塑性變形過程，應首先了解毛坯內力作用和塑性變形之間的關系。點的應力狀態(tài)a）任意坐標系

b）主軸坐標系

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冷沖壓模具設計與制造基礎在一般情況下，變形毛坯內各質點的變形和受力狀態(tài)是不相同的。一點的應力狀態(tài)可用一個平行六面體（單元體）來表示，將各應力分量均表示在前3個可視面（即x面、y面、z面）上，每個面上有一個正應力、兩個剪應力，共9個應力分量，再考慮剪應力的互等性（τxy=τyx，τyz=τzy，τzx=τxz)，則僅有6個獨立的應力分量；正應力分量方向的含義是，箭頭指向平行六面體之外，符號為正，為拉應力；反之，符號為負，為壓應力。對同一點應力狀態(tài)，6個應力分量的大小與所選坐標有關，不同坐標系所表現的6個應力分量的數值是不同的存在這樣一個（僅有一個）坐標系，按該坐標系做平行六面體，則應力分量只有3個正應力分量，而無剪應力分量，那么稱這3個正應力為主應力，稱該坐標系為主坐標系,3個坐標軸為主應力軸

如果用主坐標系表示質點的應力狀態(tài)，單元體上僅承受拉應力或壓應力，則可將主應力狀態(tài)分為如圖2-2所示的9種類型。圖中，第一行為單向應力狀態(tài)：單向拉和單向壓；第二行為兩向應力狀態(tài)．或稱作平面應力狀態(tài)兩向拉、兩向壓或一拉一壓；第三行為三向應力狀態(tài)，或稱作復雜應力狀態(tài)：三向拉、三向壓、一壓兩拉或一拉兩壓。對于板料沖壓工藝，第二行應力狀態(tài)居多。2.1.2應變狀態(tài)將質點的變形狀態(tài)稱為點的應變狀態(tài)。一點的應變狀態(tài)可用一個平行六面體來表示，有6個獨立的應變分量。正應變分量方向的含義是，箭頭指向平行六面體之外，符號為正，則表示伸長，反之，符號為負，則為壓縮（收縮）。對同一點的應變狀態(tài)，6個應變分量的大小與所選坐標有關，不同的坐標系所表現的6個應變分量數值不同。存在這樣一個（僅有一個）坐標系，按該坐標系做平行六面體，則應變分量只有3個正應變分量，而無剪應變分量，那么稱這3個正應變?yōu)橹鲬?如果用主坐標系表示質點的應變狀態(tài)，即單元體上僅有正應變，而無剪應變。由于塑性變形中要滿足體積不變條件，即3個正應變（當然，主應變也是正應變）之和為零，因此，絕對值最大的主應變值應等于另兩個主應變絕對值之和，但符號相反；也就是說，絕對值最大的主應變，永遠與另外兩個主應變符號相反。故可將應變狀態(tài)大致分為三類：一向伸長一向收縮、一向伸長兩向收縮、一向收縮兩向伸長，如圖2-3所示。圖中，最上面的應變狀態(tài)是：一個主應變?yōu)榱?，另兩個絕對值相等，符號相反，稱為平面應變狀態(tài)；第二行左邊的應變狀態(tài)是一向伸長兩向收縮，即拉伸類；第二行右邊的應變狀態(tài)是一向收縮兩向伸長，即收縮類。第三行僅為第二行的特例，左邊的應變狀態(tài)是一向伸長和兩向相等的收縮，稱之為簡單拉伸；右邊的應變狀態(tài)是一向收縮和兩向相等的伸長，稱之為簡單壓縮。2.1.3應力與應變關系由上述的敘述可知，應力狀態(tài)與應變狀態(tài)具有相似性。對于應力與應變關系，我們從方向和大小兩方面進行敘述。首先討論應力方向與應變方向之間的關系。對剪應力和剪應變，可用圖2-4來表示。圖（a）的剪應力方向對應于圖（b）的剪應變方向，這很容易理解。而對于正應力和正應變的方向，就不是這樣簡單了。正應力為正值（受拉）時，正應變未必是正值（未必伸長）；正應力為負值（受壓）時，正應變未必是負值（未必收縮）；正應力為零時，正應變未必為零（可能有伸長或收縮）。為說明正應力和正應變方向的對應關系，也為說明應力分量與應變分量數值大小之間的關系，需要了解小變形時的應力應變關系，它可敘述為：小變形時的應變分量正比于應力偏量。即2.1.4引例利用上述應力應變關系，可以很方便地研究沖壓過程中毛坯內應力的作用特點及分布規(guī)律。在筒形件拉深過程中，壓料板對凸緣部位的毛坯有摩擦力，但與內應力相比，可略去不計，其應力狀態(tài)如圖2-5所示。圖中的平行六面體采用圓柱坐標（r，θ，z)截取，屬于一拉一壓的應力狀態(tài)（平面應力狀態(tài)）。若σ1=σr=80MPa，σ3=σθ=-140MPa，而σ2=σz=0，20MPa，σ′3＝-140-（-20）=－120MPa，依照（2-la）式，ε1:ε2:ε3＝σ′1:σ′2:σ′3＝100:20:（-120）=10:2:（-12）＝5:1:（-6）。這里，雖然沒有求出3個主應變值，但揭示了3個主應變值之間的比例關系及變形狀態(tài)。該點的應變屬于兩向伸長，一向收縮，即徑向和厚度方向出現伸長變形，而切向出現收縮。將應變狀態(tài)表示在圖2-5的左上角，可以看出，厚度方向雖然無應力作用，但有伸長變形，即厚度增加了。由拉深凸緣部位的應力應變狀態(tài)可以發(fā)現，絕對值最大的主應力如果是負值（壓應力），則該方向的應變一定是負值（收縮變形），稱之為壓縮類變形；同理，絕對值最大的主應力如果是正值（拉應力），則該方向的應變一定是正值（伸長變形），稱之為伸長類變形。因此，可由絕對值最大的主應力符號來判斷其變形的類型，故拉深凸緣部位屬于壓縮類變形。2.2板料機械性能指標及其對沖壓性能的影響2.2.1板料機械性能指標對板料進行拉伸試驗是測試板材機械性能的最常用、最簡單的方法。由機械性能的指標值可間接地反映材質的沖壓性能。1.屈服極限σs

(σ0.2)通常將屈服極限σs定義為“屈服平臺”最低點處所對應的條件應力。2.強度極限σb強度極限σb是拉伸過程中條件應力應變曲線最高點的條件應力。但要注意，它不是拉伸過程中作用于實際截面的最大應力，即不是真實應力應變曲線最高點的應力。3.硬化指數n在冷塑性變形中的硬化強度，n值大，硬化效應就大，抗縮頸能力就強，抗破裂性就強。4.塑性應變比r沖壓生產所用的板材都是經過軋制的，其縱向（即軋制纖維方向）、橫向及其他方向的性能不同，在不同方向上的r值也不一樣，這種現象稱為平面方向上的“各向異性”。5.凸耳系數△r凸耳系數△

r也叫“板平面方向性”。為了表示板材縱向、橫向及其他方向上的性能差異，描述板平面上的方向性，特提出凸耳系數的概念。2．2．2機械性能指標對板料的影響拉伸試驗所得到的機械性能指標值與沖壓性能有密切的關系，現將重要的幾項簡述如下。1.延伸率延伸率又分為總延伸率δ和均勻變形的延伸率δu

?？傃由炻师呐c試樣的初始標距相關，如果對于各種板材均采用相同形狀和尺寸的試樣，也可以用總延伸率δ來評價其沖壓性能。但是，在一般情況下，沖壓變形是板材在均勻變形范圍內進行的，所以均勻變形的延伸率δu對沖壓性能有較為直接的影響。δu表示板材產生均勻的或稱穩(wěn)定的塑性變形的能力，它直接決定板材在伸長類變形中的沖壓性能，δu值愈大，則翻邊、擴孔、彎曲、脹形等極限變形程度愈大。2.屈強比σs/σb

(σ0.2/σb

)屈強比是材料屈服極限與強度極限之比。較小的屈強比幾乎對所有的沖壓成形都是有利的。拉深凸緣部位屬于壓縮類成形。小的屈強比意味著屈服極限σs低，則變形所需要的切向壓應力較小，材料起皺的趨勢小，所以防止起皺所必需的壓邊力和摩擦損失都要相應降低，其結果會提高拉深的極限變形程度。對于伸長類成形，如脹形及汽車覆蓋件拉延等，小的屈強比意味著成形所必需的拉力與破壞時的拉斷力之差較大，塑性變形容許的階段長，必然會導致極限變形程度的增大。彎曲變形時，屈服極限愈小，卸載后的回彈愈小，有利于提高彎曲件的尺寸精度。當材料的種類相同，而且延伸率相近時，較小的屈強比表明硬化指數n大，所以有時可簡單地用σs/σb代替n值。金屬的應力-應變圖1-實際應力曲線

2-假象應力曲線

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冷沖壓模具設計與制造基礎3.硬化指數n硬化指數n表示材料塑性變形中的硬化強度，它與沖壓成形性能的關系最為密切。通常認為,n值愈大，抗破裂能力愈強，對脹形性能尤其有利。這表明n值與愛利克辛試驗值（見2.3)有正比例關系。n值大，不僅會提高板料的局部應變能力，而且能使應變分布均勻化，提高板料成形時的總體成形極限。當然，硬化指數n大必然伴隨著所需要的變形力加大。§2—3硬化及硬化曲線

一、（加工）硬化現象1．概念：隨著塑性變形程度的增加，材料的強度增加，而塑性降低的現象稱為加工硬化。2．影響：（加工）硬化使變形抗力增大，毛坯繼續(xù)塑性變形困難，為繼續(xù)塑性變形往往需增加中間退火工序以消除硬化。但（加工）硬化也有有利的一方面，如提高局部頸縮失穩(wěn)的能力，使拉伸變形趨向均勻，成形極限增大等。研究這一現象及規(guī)律很有必要。

4.塑性應變比rr值與n值一樣，與板料成形性能十分密切，它們常被視為兩個特定的成形性能指標。r值作為寬度真實應變εb與厚度真實