金屬塑性加工

關(guān)于金屬塑性加工金屬塑性加工的定義、特點(diǎn)、應(yīng)用狀況金屬塑性加工分類本章目的及內(nèi)容緒論第2頁,共90頁，2024年2月25日，星期天金屬塑性加工原理第3頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

一、金屬塑性加工的定義、特點(diǎn)、應(yīng)用狀況1.定義：金屬塑性加工是利用金屬的塑性，通過外力使金屬鑄錠、金屬粉末或各種金屬坯料發(fā)生塑性變形，成為具有所需形狀、尺寸和性能的制品的加工方法。

第4頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

2.特點(diǎn)①材料利用率高。②生產(chǎn)效率高。③產(chǎn)品質(zhì)量高，性能好，缺陷少。④加工精度和成形極限有限。⑤模具、設(shè)備費(fèi)用昂貴。

3.應(yīng)用第5頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、金屬塑性加工分類軋制體積成形擠壓拉拔鍛造剪切板料成形彎曲拉深脹形第6頁,共90頁，2024年2月25日，星期天體積成形：坯料一般為棒材或扁坯，坯料經(jīng)受很大的塑性變形，坯料的形狀或橫截面以及表面積與體積之比發(fā)生顯著的變化。板料成形：坯料是各種板材或用板材預(yù)先加工成的中間坯料，板材的形狀發(fā)生顯著變化，但其橫截面形狀基本上不變。第7頁,共90頁，2024年2月25日，星期天軋制示意圖第8頁,共90頁，2024年2月25日，星期天拉拔示意圖第9頁,共90頁，2024年2月25日，星期天擠壓示意圖第10頁,共90頁，2024年2月25日，星期天鍛造示意圖第11頁,共90頁，2024年2月25日，星期天拉深示意圖第12頁,共90頁，2024年2月25日，星期天脹形示意圖第13頁,共90頁，2024年2月25日，星期天彎曲示意圖第14頁,共90頁，2024年2月25日，星期天剪切示意圖第15頁,共90頁，2024年2月25日，星期天三、本章目的及內(nèi)容目的掌握基本理論、基本知識，能夠正確選擇加工方法。內(nèi)容塑性加工基本理論：應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)分析，屈服準(zhǔn)則等。軋制、擠壓、拉拔、鍛造和板材成形簡介。第16頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)塑性加工基礎(chǔ)任務(wù)：闡明金屬在各種塑性成型時(shí)的共同性；目的：為下面的工藝分析作理論準(zhǔn)備，也為合理制訂塑性成型工藝規(guī)范及選擇設(shè)備、設(shè)計(jì)模具奠定理論基礎(chǔ)。對金屬塑性成型工藝應(yīng)提出如下要求：(1)使金屬具有良好的塑性；(2)使變形抗力小；第17頁,共90頁，2024年2月25日，星期天(3)保證塑性成型件質(zhì)量：組織均勻、晶粒細(xì)小、強(qiáng)度高、殘余應(yīng)力小等；(4)能了解變形力，以便為選擇成型設(shè)備、設(shè)計(jì)模具提供理論依據(jù)。要求：講述塑性成型的物理基礎(chǔ)和力學(xué)基礎(chǔ)，即掌握金屬塑性變形體內(nèi)的應(yīng)力場、應(yīng)變場、應(yīng)力－應(yīng)變之間的關(guān)系及塑性變形時(shí)的力學(xué)條件。第18頁,共90頁，2024年2月25日，星期天一、金屬在塑性加工過程中的塑性行為1.模擬實(shí)際塑性加工過程的試驗(yàn)方法：（1）偏心軋輥軋制矩形試樣（2）杯突試驗(yàn)第19頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.影響金屬塑性的因素：（1）金屬的化學(xué)成分和組織（2）變形溫度（3）應(yīng)變速率（4）變形力學(xué)條件：應(yīng)力狀態(tài)：在主應(yīng)力狀態(tài)下，壓應(yīng)力個(gè)數(shù)越多、數(shù)值越大，金屬的塑性越好。第20頁,共90頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)變狀態(tài)：壓縮應(yīng)變有利于塑性的發(fā)揮，拉伸應(yīng)變對塑性不利。第21頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3.提高金屬塑性的基本途徑（1）提高材料成分和組織的均勻性（2）合理選擇變形溫度和應(yīng)變速率（3）選擇三向壓縮性較強(qiáng)的變形方式擠壓、開式模鍛、自由鍛（4）減少變形的不均勻性第22頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、塑性加工過程受力分析1.正壓力的分析要點(diǎn)正壓力是指工具與工件接觸面上的垂直作用力。

注意：塑性變形過程中接觸面的變化以及約束面上存在著的反壓力。同時(shí)注意塑性變形整個(gè)過程中的受力,而不是僅關(guān)注瞬時(shí)的受力。第23頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.摩擦力的分析要點(diǎn)（1）塑性加工過程中摩擦的特點(diǎn)

a.伴隨有變形金屬的塑性流動

b.各處摩擦力方向可能不同

c.接觸面上壓強(qiáng)高

d.真實(shí)接觸面積大

e.不斷有新的摩擦面產(chǎn)生

f.常在高溫下發(fā)生摩擦第24頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第25頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（2）摩擦對塑性加工過程的影響有利的一面：軋制咬入、開式模鍛金屬充填、板料拉深防裂第26頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第27頁,共90頁，2024年2月25日，星期天不利的一面：

a.增加能量消耗

b.改變應(yīng)力狀態(tài)，增加變形抗力，影響金屬流動性及其充填過程

c.引起變形不均勻

d.加劇模具的磨損，降低了模具的壽命第28頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（3）描述接觸面上摩擦的數(shù)學(xué)模型

a.庫侖定律：

＝μ

—摩擦應(yīng)力

μ—摩擦系數(shù)

—摩擦面上的正應(yīng)力

b.常摩擦力假設(shè)

＝mK

m—摩擦因子，取值0～1K—金屬的屈服剪切強(qiáng)度第29頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3.工具形狀對作用力的影響第30頁,共90頁，2024年2月25日，星期天4.關(guān)于內(nèi)力的分析要點(diǎn)內(nèi)力產(chǎn)生情況：為了平衡外力工件中變形區(qū)與非變形區(qū)之間的相互作用變形區(qū)的各部分變形不均（1）受拉與受壓

第31頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第32頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（2）徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力小結(jié)：薄壁回轉(zhuǎn)體受均勻的徑向應(yīng)力時(shí)，必產(chǎn)生絕對值大得多的切向應(yīng)力。內(nèi)側(cè)受力

r與

異號，外側(cè)受力

r與

同號。第33頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（3）工件上近自由表面處的內(nèi)力第34頁,共90頁，2024年2月25日，星期天三、應(yīng)力和應(yīng)力狀態(tài)外力和應(yīng)力面力或接觸力體積力：重力、磁力、慣性力內(nèi)力：在外力作用下，物體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相互作用的力。應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)力，稱為應(yīng)力。第35頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第36頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

S=2+2

0=S0=P/F0

=Pcos/A=Pcos/(F0/cos)=0cos2

=Psin/A=Psin/(F0/cos)=0sin

cosS

=0cos小結(jié)：在單向均勻拉伸的情況下，通過一點(diǎn)的不同切面上，應(yīng)力是不同的。只要已知過一點(diǎn)一個(gè)切面上的應(yīng)力，就可確定過任意切面上應(yīng)力。第37頁,共90頁，2024年2月25日，星期天復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下描述一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的必要條件：第38頁,共90頁，2024年2月25日，星期天一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)表示方法：

x

xy

xz在法線方向?yàn)閤的面上所作用的應(yīng)力

yx

y

yz在法線方向?yàn)閥的面上所作用的應(yīng)力

zx

zy

z在法線方向?yàn)閦的面上所作用的應(yīng)力應(yīng)力作用線沿z軸方向應(yīng)力作用線沿y軸方向應(yīng)力作用線沿x軸方向

xy＝

yx

xz＝

zx

yz＝

zy

x

xy

xz

100

·

y

yz0

20

··

z00

3第39頁,共90頁，2024年2月25日，星期天小結(jié)：描述一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的必要條件為過該點(diǎn)三個(gè)互相垂直坐標(biāo)上的六個(gè)獨(dú)立應(yīng)力分量或三個(gè)主應(yīng)力。2.任意斜面上的應(yīng)力

——描述一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的充分條件可以證明：只要已知受力物體上過某一點(diǎn)的一組三個(gè)互相垂直坐標(biāo)面上的六個(gè)應(yīng)力分量或主坐標(biāo)面上的三個(gè)主應(yīng)力，則與三個(gè)坐標(biāo)軸任意傾斜的平面上的應(yīng)力都可求出。第40頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第42頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3.應(yīng)力張量、主應(yīng)力及應(yīng)力不變量張量：指由一組坐標(biāo)系變換到另一組坐標(biāo)系時(shí)，研究對象的分量若能按照一定規(guī)律變化，則稱這些分量的集合為張量。第43頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第44頁,共90頁，2024年2月25日，星期天－－求主應(yīng)力的特征方程第45頁,共90頁，2024年2月25日，星期天主應(yīng)力狀態(tài)圖：第46頁,共90頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)力張量不變量：第一不變量：J1＝

1+

2+3第二不變量：J2＝－（

1

2+2

3+3

1）第三不變量：J3＝

1

2

3第47頁,共90頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)力張量不變量的意義：

J1—平均應(yīng)力J1的數(shù)值J1＝0J1>0J1<0體積變化

V＝0

V>0

V<0對多孔材料的壓實(shí)無效果反效果效果好塑性反映材料自身塑性偏低偏高作用在工具上單位力的絕對值小較大大或很大第48頁,共90頁，2024年2月25日，星期天4.主剪應(yīng)力和最大剪應(yīng)力將式以n2＝1-l2-m2代入，分別對l、m求偏導(dǎo)

23＝±（

2－3）/2

31＝±（3－1）/2

12＝

±（1－2）/2

若1>2>3，則max＝±（3－1）/2對塑性變形有決定性的作用。第49頁,共90頁，2024年2月25日，星期天5.八面體應(yīng)力與等效應(yīng)力

——平均應(yīng)力

第50頁,共90頁，2024年2月25日，星期天6.應(yīng)力偏量

m＝（x+

y+z）/3

x

xy

xz

ij＝y(tǒng)x

y

yz

zx

zy

z

x-m

xy

xz

m00

＝y(tǒng)x

y-m

yz+0m0

zx

zy

z-m00m

應(yīng)力偏量'ij應(yīng)力球張量

第51頁,共90頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)力偏量的三個(gè)主值：應(yīng)力偏量的主剪應(yīng)力：

'23＝±（

'2－'3）/2＝±（

2－3）/2

'31＝±（'3－'1）/2＝±（3－1）/2

'12＝

±（'1－'2）/2＝

±（1－2）/2第52頁,共90頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)力偏量的三個(gè)不變量：第一不變量：J'1＝

'1+

'2+'3

＝

1+

2+3－3m＝0第二不變量：

J'2＝－（

'1

'2+'2

'3+'3

'1）＝[(

1-

2)2+(2-3)2+(3-1)2]/6第三不變量：J'3＝

'1

'2

'3＝[(2

1-

2-3)

(22-3-1)

(23-1-2)]/27塑性變形主要與應(yīng)力偏量有關(guān)。第53頁,共90頁，2024年2月25日，星期天J2—反映變形體內(nèi)切應(yīng)力的綜合影響，屈服準(zhǔn)則用到。J3—決定應(yīng)變類型。(

s=(3J2')1/2)J2值J2<

s2/3J2=

s2/3J2>

s2/3受應(yīng)力點(diǎn)所處狀態(tài)彈性初始屈服加工硬化J3'2

s3/27－2

s3/27

02

s3/27>J3'>00>J3'>－2

s3/27應(yīng)變類型簡單拉伸類d

1=d

3=－d

2/2簡單壓縮類d

1=d

2=－d

3/2平面應(yīng)變類d

2＝0拉伸類d

1>0d

2<0d

3<0壓縮類d

1>0d

2>0d

3<0第54頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第55頁,共90頁，2024年2月25日，星期天小結(jié)：盡管主應(yīng)力的數(shù)目不等，符號不一，但由于應(yīng)力偏量相似，所以產(chǎn)生類似的變形，即軸向伸長，橫向收縮。第56頁,共90頁，2024年2月25日，星期天7.應(yīng)力莫爾圓

——一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的幾何表示（1）平面應(yīng)力狀態(tài)莫爾圓第57頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第58頁,共90頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)力面與應(yīng)力莫爾圓

第59頁,共90頁，2024年2月25日，星期天①物理平面上一對正交面上的應(yīng)力

x、

xy和

y、

yx在莫爾圓上可用相互成

角的A和A'兩點(diǎn)表示，莫爾圓上正方向的剪應(yīng)力表示物理平面上的順時(shí)針的剪應(yīng)力。②直徑AA'與

坐標(biāo)軸的交點(diǎn)必為莫爾圓的圓心，莫爾圓與

坐標(biāo)軸的交點(diǎn)表示該平面應(yīng)力狀態(tài)的兩個(gè)主應(yīng)力

1和

2，過圓心C與

軸垂直的直線與莫爾圓的交點(diǎn)D和D'表示該應(yīng)力狀態(tài)的最大和最小剪應(yīng)力。③上圖中與

x面成

角斜面上的應(yīng)力在應(yīng)力莫爾圓上則用與AA'成2

角的坐標(biāo)點(diǎn)B表示。第60頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（a）單向拉伸（b）單向壓縮（c）純剪應(yīng)力

典型應(yīng)力狀態(tài)的莫爾圓

第61頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（2）三向應(yīng)力莫爾圓第62頁,共90頁，2024年2月25日，星期天四、塑性加工應(yīng)變分析1.應(yīng)變狀態(tài)的表示方法微元體在xy坐標(biāo)面的正應(yīng)變與剪應(yīng)變第63頁,共90頁，2024年2月25日，星期天正應(yīng)變：指線元單位長度的變化量。第64頁,共90頁，2024年2月25日，星期天剪應(yīng)變：表示變形體剪切變形大小的物理量。一點(diǎn)應(yīng)變狀態(tài)表示：第65頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.應(yīng)變與相對位移的關(guān)系第66頁,共90頁，2024年2月25日，星期天過一點(diǎn)的三正交線元的正應(yīng)變和剪應(yīng)變與相對位移的關(guān)系：小應(yīng)變幾何方程—已知位移場,可求得應(yīng)變場第67頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3.塑性變形時(shí)的體積不變條件體積的變化主要取決于靜水壓力

m，

—泊桑比，E—彈性模量第68頁,共90頁，2024年2月25日，星期天說明一點(diǎn)應(yīng)變狀態(tài)的三個(gè)線應(yīng)變不可能是同號應(yīng)變。用主應(yīng)變表示的應(yīng)變狀態(tài)只有以下三種：拉伸類壓縮類純剪類（平面變形）

第69頁,共90頁，2024年2月25日，星期天4.用網(wǎng)格尺寸變化表示應(yīng)變第70頁,共90頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)變增量和應(yīng)變速率張量為了分析和求解大塑性變形，往往取從某一瞬時(shí)開始產(chǎn)生的應(yīng)變微小變化量，稱此為應(yīng)變的增量。應(yīng)變速率是指應(yīng)變對時(shí)間的變化率，也屬于瞬時(shí)應(yīng)變。第71頁,共90頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)變速率表示變形體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)距離改變的快慢，也即各點(diǎn)位移速度的差別。應(yīng)變速率不僅取決于工具速度，而且與變形體的幾何形狀、尺寸以及邊界條件有關(guān)。因此，不能只根據(jù)工具速度來衡量變形體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)變速率大小。第72頁,共90頁，2024年2月25日，星期天五、屈服準(zhǔn)則屈服準(zhǔn)則的概念描述不同應(yīng)力狀態(tài)下變形體進(jìn)入塑性狀態(tài)并使塑性變形繼續(xù)進(jìn)行所必須遵守的條件。單向拉伸：＝s復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)：f（1，2，3）＝Cf（J1，J2，J3）＝Cf（J'2，J'3）＝C

第73頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.Tresca屈服準(zhǔn)則

——最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則根據(jù)單向拉伸實(shí)驗(yàn)，材料進(jìn)入屈服時(shí)則有：第74頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3.Mises屈服準(zhǔn)則

——能量屈服準(zhǔn)則單向拉伸屈服時(shí)：

1＝s，2＝3＝0，C＝2s2純剪屈服時(shí)：1＝-3＝K，2＝0，

C＝6K2第75頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

J'2

＝[(

1-

2)2+(2-3)2+(3-1)2]/6Mises屈服準(zhǔn)則又可表示為：

J'2

＝s2

/3另外，塑性變形時(shí)單元金屬體積的單位形狀變化彈性位能Uf第76頁,共90頁，2024年2月25日，星期天4.屈服準(zhǔn)則的幾何表示第77頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第78頁,共90頁，2024年2月25日，星期天小結(jié)：兩個(gè)屈服面實(shí)際相差不多，最大誤差15.5％。屈服面內(nèi)為彈性區(qū)，屈服面上為塑性區(qū)。當(dāng)物體承受三向等拉或三向等壓應(yīng)力狀態(tài)時(shí)（OE線），不管其絕對值多大，都不可能發(fā)生塑性變形。第79頁,共90頁，2024年2月25日，星期天例1：一個(gè)兩端封閉的薄管經(jīng)受到的內(nèi)壓力為35MPa，薄壁管的平均半徑為300mm。（1）如果材料的

s＝700MPa，根據(jù)Tresca屈服準(zhǔn)則，為保證薄壁管處于彈性狀態(tài)，管壁最小的厚度為多少？（2）如果材料的剪切屈服極限為K＝280MPa，根據(jù)Tresca準(zhǔn)則，管壁的最小厚度應(yīng)是多少？例2：用Mises準(zhǔn)則解上題。第80頁,共90頁，2024年2月25日，星期天5.屈服準(zhǔn)則在塑性加工中的實(shí)際應(yīng)用（1）關(guān)于屈服準(zhǔn)則的正確選用問題對于Mises準(zhǔn)則，通常選用其簡化表達(dá)式：

1－

3＝s（為應(yīng)力修正系數(shù)）?確定1，

3的方法：異號應(yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力為1，壓應(yīng)力為3；平面應(yīng)力的同號應(yīng)力狀態(tài)，徑向應(yīng)力的絕對值總小于切向應(yīng)力的絕對值；三向同號應(yīng)力狀態(tài)根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變順序?qū)?yīng)規(guī)律，由應(yīng)變可以反推應(yīng)力順序，即對應(yīng)于主伸長方向的應(yīng)力就是1，對應(yīng)于主縮短方向的應(yīng)力即為3。?在單向受拉或受壓及軸對稱應(yīng)力狀態(tài)，＝1；在純切狀態(tài)和平面應(yīng)變狀態(tài)，＝1.15第81