沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)-電子教案第1章

第1章沖壓變形的理論根底

金屬塑性變形概述1.1影響塑性變形抗力的主要因素1.2金屬塑性變形的基本規(guī)律1.3冷沖壓材料及其沖壓成形性能1.4編輯課件1.1金屬塑性變形概述

材料的變形可以分為彈性變形和塑性變形。當(dāng)變形力去除后，能恢復(fù)原狀的變形稱為彈性變形，不能恢復(fù)原狀的變形稱為塑性變形。編輯課件金屬材料是一種兼具彈性、塑性的材料，在變形力的作用下，既能產(chǎn)生彈性變形，又能從彈性變形開展到塑性變形。當(dāng)塑性變形開展到一定程度時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生破壞。編輯課件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稱為塑性。編輯課件1.2影響塑性和變形抗力的

主要因素

影響金屬塑性的因素包括兩方面：①金屬本身的晶格類型、化學(xué)成分和金相組織等。②變形時(shí)的外部條件，如變形溫度、變形速度以及變形方式等。編輯課件塑性變形時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)沖壓成形時(shí)，外力通過(guò)模具作用于板料毛坯，使之產(chǎn)生塑性變形，同時(shí)在毛坯內(nèi)部引起對(duì)抗變形的內(nèi)力。編輯課件1．點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)是通過(guò)在該點(diǎn)沿某種坐標(biāo)系所取的單元體上各個(gè)互相垂直外表上的應(yīng)力來(lái)表示的，一般情況下每個(gè)面上都會(huì)有應(yīng)力，如圖1.1〔a〕所示。編輯課件這些應(yīng)力又可沿坐標(biāo)方向分解為九個(gè)應(yīng)力分量，其中包括三個(gè)正應(yīng)力和六個(gè)剪應(yīng)力，如圖1.1〔b〕所示。因?yàn)榛ハ啻怪逼矫嫔霞魬?yīng)力互等：τxy=τyx，τyz=τzy，τzx=τxz，所以，只要知道三個(gè)正應(yīng)力和三個(gè)剪應(yīng)力，該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)就可確定。編輯課件圖1.1點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)編輯課件圖1.1〔b〕中的坐標(biāo)系XYZ是任意選定的。對(duì)于不同的坐標(biāo)系，該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)并沒(méi)有改變，但是單元體上用來(lái)表示該點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的九個(gè)應(yīng)力分量就會(huì)與原來(lái)的數(shù)值不同。編輯課件對(duì)任何一種應(yīng)力狀態(tài)來(lái)說(shuō)，總存在這樣一種坐標(biāo)系，使得單元體各外表上只出現(xiàn)正應(yīng)力，而沒(méi)有剪應(yīng)力，如圖1.1〔c〕所示。這就大大簡(jiǎn)化了對(duì)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)的描述。編輯課件這時(shí)，1、2、3三個(gè)坐標(biāo)軸就稱為主軸；三個(gè)坐標(biāo)軸的方向就叫做主方向；三個(gè)正應(yīng)力就叫做主應(yīng)力，一般按其代數(shù)值大小依次用

1、

2和

3表示，即

1≥

2≥

3。

值可正可負(fù)，正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。三個(gè)主應(yīng)力的作用面稱為主平面。編輯課件一般情況下，單元體的三個(gè)主方向都有應(yīng)力，這種應(yīng)力狀態(tài)稱為三向應(yīng)力狀態(tài)或空間應(yīng)力狀態(tài)。但在板料成形中，厚度方向的應(yīng)力t與其他兩個(gè)方向的應(yīng)力比較，往往可以忽略不計(jì)，即將厚向應(yīng)力看作零。編輯課件這種應(yīng)力狀態(tài)可視為兩向應(yīng)力狀態(tài)或平面應(yīng)力狀態(tài)。平面應(yīng)力問(wèn)題的分析計(jì)算比三向應(yīng)力問(wèn)題簡(jiǎn)單，這為研究沖壓成形提供了方便。編輯課件如果三個(gè)主應(yīng)力中有兩個(gè)為零，只在一個(gè)方向有應(yīng)力，這就稱為單向應(yīng)力狀態(tài)。編輯課件如果三個(gè)主應(yīng)力大小都相等，即1=2=3，那么稱為球應(yīng)力狀態(tài)。這種應(yīng)力狀態(tài)不可能產(chǎn)生剪應(yīng)力，故所有方向都是主方向，而且所有方向的主應(yīng)力都相同。深水中微小物體承受的就是這樣一種應(yīng)力狀態(tài)〔三向等壓〕，通常將三向等壓應(yīng)力稱為靜水壓力。編輯課件

單元體上三個(gè)正應(yīng)力的平均值稱為平均應(yīng)力，用m表示。平均應(yīng)力的大小取決于該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，而與坐標(biāo)系的選取無(wú)關(guān)，即

〔1.1〕編輯課件任何一種應(yīng)力狀態(tài)都可以看成是由兩種應(yīng)力狀態(tài)疊加而成，如圖1.2所示。其中一種是大小等于平均應(yīng)力

m的球應(yīng)力狀態(tài)，另一種為偏應(yīng)力狀態(tài)。因球應(yīng)力狀態(tài)為三向等應(yīng)力狀態(tài)，不產(chǎn)生剪應(yīng)力，故不能改變物體的形狀，只能改變物體的體積。編輯課件偏應(yīng)力狀態(tài)的主軸方向和它所產(chǎn)生的剪應(yīng)力與原應(yīng)力狀態(tài)完全相同，故偏應(yīng)力狀態(tài)使物體發(fā)生的形狀改變也與原應(yīng)力狀態(tài)相同；但因偏應(yīng)力狀態(tài)的平均應(yīng)力為零，所以它不會(huì)引起物體體積的變化。編輯課件〔應(yīng)力張量〕分解為〔應(yīng)力球張量〕+〔應(yīng)力偏張量〕圖1.2應(yīng)力張量的分解編輯課件除主平面不存在剪應(yīng)力外，單元體其他方向的截面上都有剪應(yīng)力，而且在與主平面成45o的截面上剪應(yīng)力到達(dá)極大值，稱為主剪應(yīng)力。主剪應(yīng)力的作用面稱為主剪應(yīng)力面。編輯課件主剪應(yīng)力及其作用面共有三組，如圖1.3所示，其主剪應(yīng)力值分別為：

〔1.2〕編輯課件圖1.3主剪應(yīng)力面及主剪應(yīng)力方向〔用陰影線表示〕編輯課件其中絕對(duì)值最大的主剪應(yīng)力稱為該點(diǎn)的最大剪應(yīng)力，用τmax表示。假設(shè)規(guī)定1≥2≥3，那么

〔1.3〕編輯課件最大剪應(yīng)力對(duì)材料的塑性變形有重要意義。這里還有一個(gè)重要概念，就是等效應(yīng)力〔或稱為應(yīng)力強(qiáng)度〕i：

〔1.4〕編輯課件在單向應(yīng)力狀態(tài)下，

1≠0，而

2=

3=0，代入上式可得：

i=|

1|，即單向應(yīng)力狀態(tài)的等效應(yīng)力就等于該單向應(yīng)力值。編輯課件所謂等效，就是從能量角度將復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)“等效〞于一個(gè)與i相同的單向應(yīng)力狀態(tài)。等效應(yīng)力是衡量該應(yīng)力狀態(tài)受載程度的一個(gè)指標(biāo)。對(duì)物體中的某一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，如果在某瞬間i增大，也就是說(shuō)等效應(yīng)力增量di>0，那么這一瞬間是在加載。編輯課件反之，如果i減小，即di<0，那么該點(diǎn)處于卸載狀態(tài)。如果在加載過(guò)程中所有應(yīng)力分量均按同一比例增加，這種情況叫做比例加載或簡(jiǎn)單加載。簡(jiǎn)單加載時(shí)，三個(gè)應(yīng)力主軸的方向不會(huì)改變。編輯課件

2．點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)變形體內(nèi)存在應(yīng)力必定伴隨應(yīng)變，點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)是通過(guò)單元體的變形來(lái)表示的。當(dāng)采用主軸坐標(biāo)系時(shí)，單元體就只有三個(gè)主應(yīng)變分量

1、

2和

3，而沒(méi)有剪應(yīng)變分量。如圖1.4所示。編輯課件圖1.4主應(yīng)變圖編輯課件應(yīng)力狀態(tài)對(duì)塑性變形的影響由實(shí)踐可知，同一種材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下反映出不同的塑性，例如單向壓縮獲得的塑性變形比單向拉伸大得多；實(shí)心件正擠壓比拉絲〔拉拔〕能發(fā)揮更大的塑性。編輯課件大理石是脆性材料，在單向壓縮時(shí)縮短率不到1%就會(huì)破壞，但在7650個(gè)大氣壓力〔一個(gè)大氣壓為98.066kPa〕的靜水壓力下壓縮時(shí)，縮短率可達(dá)9%左右才破壞。編輯課件上述結(jié)果說(shuō)明，強(qiáng)化三向壓應(yīng)力狀態(tài)，能充分發(fā)揮材料的塑性，這實(shí)質(zhì)上是應(yīng)力狀態(tài)中的靜水壓力分量在起作用。應(yīng)力狀態(tài)中的壓應(yīng)力個(gè)數(shù)愈多、壓應(yīng)力愈大，那么其靜水壓力愈大，因而塑性愈好；反之，靜水壓力愈小，那么塑性就愈差。編輯課件1.3金屬塑性變形的根本規(guī)律

1.3.1金屬材料硬化規(guī)律〔真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線〕1.3.1.1彈塑性變形共存規(guī)律材料在塑性變形的同時(shí)也會(huì)有彈性變形存在。用最簡(jiǎn)單的拉伸試驗(yàn)就可以說(shuō)明這種彈塑性變形的共存現(xiàn)象。編輯課件低碳鋼試樣在單向拉伸時(shí)的拉伸試驗(yàn)曲線圖〔或條件應(yīng)力-應(yīng)變曲線〕如圖1.5所示。編輯課件圖1.5拉伸試驗(yàn)曲線圖〔條件應(yīng)力-應(yīng)變曲線〕編輯課件圖中，OA為彈性變形階段，A點(diǎn)為屈服點(diǎn)，

s為屈服強(qiáng)度，ABG為均勻塑性變形階段，G點(diǎn)處載荷最大，G點(diǎn)的

b為抗拉強(qiáng)度。同時(shí)G點(diǎn)也是失穩(wěn)點(diǎn)，從G點(diǎn)開始，材料出現(xiàn)縮頸。GK為不均勻變形階段，K點(diǎn)為斷裂點(diǎn)。編輯課件由拉伸圖可知，在彈性變形階段OA，外力與變形成正比關(guān)系，如果在這一階段卸載，那么外力與變形將按原路退回原點(diǎn)，不產(chǎn)生任何永久變形。編輯課件假設(shè)到達(dá)A點(diǎn)以后仍繼續(xù)拉伸，那么材料進(jìn)入均勻塑性變形階段。編輯課件如果在這一階段的B點(diǎn)卸載，那么外力與變形并不按原路OAB退回到原點(diǎn)，而是沿與OA平行的直線BC退回到C點(diǎn)，這時(shí)試樣的絕對(duì)伸長(zhǎng)量由加載到B點(diǎn)時(shí)的Δlb減小到卸載結(jié)束時(shí)的Δlc，Δlb與Δlc之差即為彈性變形量，而Δlc為加載到B點(diǎn)時(shí)的塑性變形量。編輯課件由此可見(jiàn)，在材料進(jìn)入塑性變形階段后，同時(shí)存在著彈性變形和塑性變形，這就是彈塑性變形共存規(guī)律。很顯然，在外力去除后，彈性變形得以恢復(fù)，塑性變形得以保存。編輯課件沖壓時(shí)，由于彈性變形的存在，使得別離或成形后的沖壓件的形狀和尺寸與模具的形狀和尺寸不盡相同，這種現(xiàn)象稱為回彈，是影響沖壓件精度的重要原因之一。編輯課件1.3.1.2真實(shí)應(yīng)力、真實(shí)應(yīng)變概念1．真實(shí)應(yīng)力應(yīng)力是指單位面積上的內(nèi)力。單向拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，試件橫截面上的拉應(yīng)力有兩種計(jì)算方法：編輯課件〔1〕不考慮橫截面積的變化〔F0—試樣初始截面積〕

〔1.5〕編輯課件求得的

0稱為條件應(yīng)力。其條件就是只有當(dāng)變形不大時(shí)才能用這種方法近似計(jì)算。編輯課件〔2〕考慮橫截面積的變化材料拉伸試驗(yàn)屬于大變形，拉伸過(guò)程中，試件橫截面會(huì)明顯縮小，如仍按F0計(jì)算就會(huì)出現(xiàn)明顯的誤差，必須按每瞬間的實(shí)際橫截面積F來(lái)計(jì)算應(yīng)力，這樣求得的稱為真實(shí)應(yīng)力。編輯課件材料剛開始屈服時(shí)的應(yīng)力稱為初始屈服應(yīng)力。隨著塑性變形量的增多，材料會(huì)逐漸發(fā)生硬化，屈服應(yīng)力會(huì)逐漸增高。習(xí)慣上常將用真實(shí)應(yīng)力表示的每一瞬間的實(shí)際屈服應(yīng)力直接稱為該瞬間的“真實(shí)應(yīng)力〞，它反映了材料的塑性變形抗力。編輯課件2．真實(shí)應(yīng)變?cè)诶煸囼?yàn)時(shí)，試樣的軸向應(yīng)變常以試樣的相對(duì)伸長(zhǎng)〔或條件應(yīng)變〕δ表示：

〔1.6〕編輯課件式中，l0—試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度；l1—拉伸后標(biāo)距的長(zhǎng)度。由于δ不能真實(shí)地反映試樣大變形過(guò)程中的瞬時(shí)變形及變形的積累過(guò)程，于是又引入真實(shí)應(yīng)變的概念。編輯課件拉伸過(guò)程中，某瞬時(shí)的真實(shí)應(yīng)變〔即應(yīng)變?cè)隽俊碁?/p>

〔1.7〕式中，l—試樣的瞬時(shí)長(zhǎng)度；dl—瞬時(shí)的長(zhǎng)度改變量。編輯課件當(dāng)試樣從l0拉伸至l1時(shí)，總的真實(shí)應(yīng)變?yōu)?/p>

〔1.8〕編輯課件真實(shí)應(yīng)變?cè)谡_反映瞬態(tài)變形的根底上，真實(shí)地反映了塑性變形的積累過(guò)程，因而得到廣泛的應(yīng)用。由于它具有對(duì)數(shù)形式，因此亦稱為對(duì)數(shù)應(yīng)變。在均勻拉伸階段，真實(shí)應(yīng)變和相對(duì)伸長(zhǎng)存在以下關(guān)系：編輯課件

〔1.9〕在變形較小時(shí)，可用δ近似表示應(yīng)變值，但變形較大時(shí)，那么必須采用真實(shí)應(yīng)變。編輯課件1.3.2屈服條件當(dāng)物體中某點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，只要該向應(yīng)力到達(dá)材料的屈服應(yīng)力值，該點(diǎn)就開始屈服，由彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)。編輯課件但對(duì)于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，就不能僅僅根據(jù)某個(gè)應(yīng)力分量來(lái)判斷一點(diǎn)是否已經(jīng)屈服，而要同時(shí)考慮其他應(yīng)力分量的作用。只有當(dāng)各個(gè)應(yīng)力分量之間符合一定的關(guān)系時(shí)，該點(diǎn)才開始屈服。這種關(guān)系就稱為屈服準(zhǔn)那么，或稱屈服條件或塑性條件。編輯課件法國(guó)工程師屈雷斯加〔H.Tresca〕通過(guò)對(duì)金屬擠壓的研究，于1864年提出：當(dāng)材料〔質(zhì)點(diǎn)〕中的最大切應(yīng)力到達(dá)材料屈服強(qiáng)度的一半時(shí)，材料就開始屈服。編輯課件設(shè)1≥2≥3，那么按上述觀點(diǎn)可得屈雷斯加屈服準(zhǔn)那么的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：或 〔1.11〕編輯課件屈雷斯加準(zhǔn)那么形式簡(jiǎn)單，概念明確，如果事先知道主應(yīng)力的次序，使用該準(zhǔn)那么是十分方便的。然而該準(zhǔn)那么忽略了中間主應(yīng)力2，而中間主應(yīng)力2對(duì)于材料的屈服實(shí)際上也是有影響的。編輯課件德國(guó)力學(xué)家密席斯〔VonMises〕于1913年提出另一屈服準(zhǔn)那么，該準(zhǔn)那么指出：當(dāng)材料〔質(zhì)點(diǎn)〕中的等效應(yīng)力i到達(dá)材料的屈服強(qiáng)度s時(shí)，材料就開始屈服。編輯課件按此觀點(diǎn)寫出密席斯屈服準(zhǔn)那么的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：或 〔1.12〕編輯課件試驗(yàn)說(shuō)明，對(duì)于絕大多數(shù)金屬材料，密席斯準(zhǔn)那么較之屈雷斯加準(zhǔn)那么更接近于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。編輯課件這兩個(gè)屈服準(zhǔn)那么實(shí)際上相當(dāng)接近，對(duì)有兩個(gè)主應(yīng)力相等的應(yīng)力狀態(tài)來(lái)說(shuō)，兩個(gè)準(zhǔn)那么完全一致。編輯課件為了使用上的方便，密席斯準(zhǔn)那么可以改寫成類似于屈雷斯加準(zhǔn)那么的形式：

〔1.13〕編輯課件1.3.3塑性變形時(shí)的體積不變規(guī)律在外力作用下，金屬材料的變形包括體積變化和形狀變化。編輯課件球應(yīng)力狀態(tài)引起體積變化，偏應(yīng)力狀態(tài)引起形狀變化，形狀變化中包括彈性變形和塑性變形，但體積變化中那么只有彈性變形，因?yàn)樗苄宰冃嗡鸬捏w積變化很小，可以忽略不計(jì)。因此，一般認(rèn)為塑性變形時(shí)體積不變。編輯課件1.3.5沖壓成形中的變形趨向性及其控制1.3.5.1變形區(qū)和非變形區(qū)的概念沖壓成形時(shí)，毛坯內(nèi)各處的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)都不相同。編輯課件從變形過(guò)程中的某瞬間來(lái)看，在應(yīng)力狀態(tài)滿足屈服準(zhǔn)那么的區(qū)域內(nèi)將產(chǎn)生塑性變形，此區(qū)稱為塑性變形區(qū)，沒(méi)有滿足屈服準(zhǔn)那么的區(qū)域不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，稱為非變形區(qū)。編輯課件非變形區(qū)進(jìn)一步又可分為已變形區(qū)、待變形區(qū)和不變形區(qū)。圖1.9所舉各例中，A為變形區(qū)，B、C為非變形區(qū)，其中B為已變形區(qū)，C為不變形區(qū)或待變形區(qū)。編輯課件如圖1.9〔c〕所示，C的上部為待變形區(qū)，C的下部為不變形區(qū)。模具作用在毛坯上的變形力，可以直接作用在變形區(qū)，也可通過(guò)非變形區(qū)再傳到變形區(qū)。編輯課件在同一個(gè)變形力作用下，變形區(qū)已屈服，開始塑性變形，非變形區(qū)那么沒(méi)有屈服變形，因此，變形區(qū)通常被稱為弱區(qū)，非變形區(qū)稱為強(qiáng)區(qū)。因?yàn)槿鯀^(qū)所需塑性變形力最小，所以該區(qū)可以先行屈服變形。編輯課件圖1.9沖壓成形時(shí)毛坯各區(qū)劃分舉例編輯課件1.3.5.2變形的趨向性所謂變形的趨向性，就是指毛坯的弱區(qū)在什么部位，將會(huì)按哪種變形方式變形。例如圖1.10所示毛坯在同一個(gè)模具中加工，當(dāng)改變其外徑D0、內(nèi)孔d0及凸模直徑d凸的相互比例時(shí)，就可能出現(xiàn)多種互不相同的變形方式，即具有不同的變形趨向性。編輯課件圖1.10環(huán)形毛坯的變形趨向編輯課件①拉深〔圖1.10〔b〕〕：當(dāng)D0/d凸和d0/d凸都較小時(shí)，外環(huán)〔凸緣〕寬度不大，成為弱區(qū)，于是出現(xiàn)拉深變形。編輯課件②翻邊〔圖1.10〔c〕〕：當(dāng)D0/d凸和d0/d凸都較大時(shí)，外環(huán)〔凸緣〕寬度較大，成為強(qiáng)區(qū)，而內(nèi)環(huán)〔底孔周圍〕寬度較小，成為弱區(qū)，于是出現(xiàn)翻邊變形。編輯課件③脹形〔圖1.10〔d〕〕：當(dāng)D0/d凸較大而d0/d凸很小，甚至等于零〔沒(méi)有底孔〕時(shí)，外環(huán)拉深和底孔翻邊的變形阻力都較大，而凸、凹模圓角附近的變形阻力較小，于是出現(xiàn)脹形變形。編輯課件1.3.5.3變形趨向性的控制也可以從流動(dòng)的角度來(lái)分析問(wèn)題，塑性變形是通過(guò)材料的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)對(duì)材料流動(dòng)趨向性的控制，其實(shí)就是對(duì)變形趨向性的控制，一切導(dǎo)流措施均有利于強(qiáng)區(qū)向弱區(qū)轉(zhuǎn)化。反之，一切阻流措施，均有利于弱區(qū)轉(zhuǎn)化為強(qiáng)區(qū)。編輯課件在沖壓生產(chǎn)中，為了使毛坯能“按需變形〞〔即按制件所需的變形部位及變形方式來(lái)變形，不需變形的部位不得變形〕，經(jīng)常采取下述工藝措施來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變形趨向性的控制。編輯課件1．改變毛坯形狀與尺寸如圖1.10所示帶底孔的圓形板坯，當(dāng)D0/d凸<1.5～2，d0/d凸<0.15時(shí)為拉深變形；當(dāng)D0/d凸>2.5，d0/d凸>0.2～0.3時(shí)為翻邊變形，當(dāng)D0/d凸>2.5，d0/d凸<0.15時(shí)為脹形變形。在盒形件首次拉深時(shí)，毛坯形狀和尺寸更是保證拉深合格制件的關(guān)鍵。編輯課件2．改變模具工作局部的幾何形狀與尺寸增大凸、凹模圓角半徑，可以減少材料流動(dòng)的阻力，因此，增大拉深凹模圓角半徑有利于拉深變形，增大翻孔凸模圓角半徑有利于翻孔變形。編輯課件盒形件拉深時(shí)，為了防止角部材料的堆聚和拉裂，必需改善角部材料的流動(dòng)條件，為此，除增大凸、凹模角部圓角半徑外，還要增大凸、凹模角部間隙。編輯課件3．改變毛坯和模具間的摩擦阻力加大壓邊力，增設(shè)拉深筋，不用潤(rùn)滑劑，均可增大摩擦力，有利于阻流。