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冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.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。第1章冲压变形的基本原理冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.1金属塑性变形的基本概念1.2金属塑性变形的力学基础1.3冲压成形时变形毛坯的力学特点与分类1.4板料冲压成形性能及冲压材料冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.1金属塑性变形的基本概念在外力的作用下，金属产生的形状和尺寸变化称为变形，变形分为弹性变形(elasticdeformation)与塑性变形(plasticdeformation)．弹性(elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。塑性(plasticity)：物体产生永久变形的能力，不可逆性。1.1.1塑性变形的物理概念外力破坏原子间原有的平衡状态，造成原子排列的畸变，引起金属形状和尺寸的变化。变形的实质是原子间的距离产生变化。塑性变形：金属形状和尺寸产生永久改变，这种改变不可恢复，该变形称为塑性变形。冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.1.2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、晶间(如图)变形后形成的组织改变：纤维组织、变形织构冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.1.3金属的塑性与变形抗力1.塑性及塑性指标塑性：指金属在外力的作用下，能稳定的发挥塑性变形而不破坏其完整性的能力。塑性指标：常用的塑性指标有延伸率断面收缩率2.变形抗力金属产生塑性变形的力为变形力，金属抵抗变形的力称为变形抗力。塑性与变形抗力是两个不同的概念：塑性：反映变形的能力。变形抗力：是塑性变形的难易程度。%100LLL00K%10000AAAK冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.1.4影响金属的塑性与变形抗力的主要因素1.化学成份和组织对塑性和变形抗力的影响化学成分：铁、碳、合金元素、杂质元素。组织：单项组织、多向组织。组织的不同塑性和变形抗力会有很大的差别。钢的制造工艺：2.变形温度对塑性和变形抗力的影响1）温度升高，回复与再结晶；2）温度升高，原子热运动加剧；冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.1.4影响金属的塑性与变形抗力的主要因素2.变形温度对塑性和变形抗力的影响3）温度升高，原子热振动加剧（热塑性）；4）温度升高，晶界强度下降；3.变形速度对塑性和变形抗力的影响速度大时，塑性变形来不及扩展。没有足够时间回复、再结晶，塑性降低变形抗力增大。速度大时，热效应显著，变形体有温度效应对塑性增加有利。冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.2塑性变形的力学基础外力内力模具毛坯零件毛坯的变形都是模具对毛坯施加外力所引起内力或由内力直接作用的结果。应力就是毛坯内单位面积上作用的内力。应力应理解为一极小面积上的内力与该面积比值的极限，即：dFdPFPF0lim冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.2.1一点的应力与应变状态１.一点的应力状态：是指通过变形体内某点的单元体所有截面上的应力的有或无、大小、方向等情况。冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.图1.2.2九种主应力状态图冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.2.一点的主应变状态3.体积不变定律该式说明：金属塑性变形前后，只有形状的变化，而无体积的变化。三个推论：﹡塑性变形时，只有形状的变化，而无体积的变化；﹡不论什么应变状态，其中一个主应变的符号与另外两个主应变的符号相反；﹡已知两个应变就可求第三个应变。0321主变形图只可能有三种形式图1.2.3三种主应变状态图冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.2.2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)屈服准则屈雷斯加于1864年提出：当材料中的最大剪应力达到某一定值时，材料即行屈服。因此，该准则又称为最大剪应力屈服准则。其数学表达式为：K)(21minmaxmax冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.2.2屈服准则（塑性条件）2.密席斯(VonMises)屈服准则密席斯于1913年提出了另一屈服准则：当材料中的等效应力达到某一定值时，材料就开始屈服。由单向拉伸试验可确定该值，该值为材料的屈服点σs。其数学表达式为：3.屈服准则的几何表示在平面应力状态时，屈服准则可用屈服轨迹来表示（如图1.2.4）。si213232221)()()(21冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.2.4屈服准则的几何表示（a）平面上两屈服准则表达(b)主应力空间两屈服准则表达冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.2.3塑性变形时应力与应变的关系物体受力产生变形，所以应力与应变之间一定存在着某种关系。弹性变形时，应力与应变之间的关系是线性的、可逆的，变形是可以恢复的。（胡克定律）单向拉伸应力-应变曲线(如图1.2.5)塑性变形时应力应变关系是非线性的、不可逆的。E冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.2.3塑性变形时应力与应变的关系增量理论：瞬间的应变增量与相应应力的关系全量理论：主应力差与主应变差成比例全量理论的应用C131332322121Cdddddd131332322121时，022/)(312时，且0,03211321)2/1(,0冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.2.4硬化与硬化曲线1.硬化材料的强度指标随变形程度的增加而增加,塑性随之降低。2.硬化曲线实际应力曲线与假象应力曲线（如图1.2.6）几种常用冲压板料的硬化曲线（如图1.2.7）硬化指数是表明材料冷变形硬化的重要参数，对板料的冲压性能以及冲压件的质量都有较大的影响。冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.3冲压成形时变形毛坯的力学特点与分类1.3.1变形毛坯的分区(如图1.3.1)1.3.2变形区的应力应变特点1.冲压毛坯两向受拉应力的作用(可分两种情况)：（如图1.3.2Ⅰ象限）2.冲压毛坯变形区受两向压应力的作用（如图1.3.2Ⅲ象限）0,00,0trθtθr且且0,00,0trθtθr且且冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.3.冲压毛坯变形区受异号应力的作用，而且拉应力的绝对值大于压应力的绝对值。(可以分为两种情况)（如图1.3.2）4.冲压毛坯变形区受异号应力的作用，而且压应力的绝对值大于拉应力的绝对值。(可以分为两种情况)综上所述：冲压变形可分为伸长类变形和压缩类变形（如图1.3.3）。rtrθθrtθrθ0,00,0且且θrtrθrtθr0,00,0θ且且冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.3.3冲压成形过程中变形趋向性及其控制1.变形趋向性(如图1.3.4)弱区必先变形，变形区应为弱区2.变形趋向性的控制﹡合理地确定毛坯尺寸（图1.3.5图1.3.6）﹡正确设计模具工作部分形状和尺寸﹡改变毛坯与模具表面的摩擦条件﹡其他工艺措施冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.4板料冲压成形性能及冲压材料1.4.1板料的冲压成形性能冲压成形性能:板料对各种冲压成形加工的适应能力。抗破裂性、贴模性、定形性成形极限冲压件形状尺寸精度1.4.2板材冲压成形试验的试验方法板料冲压性能试验方法通常分为三种类型：力学试验、金属学试验（统称间接试验）和工艺试验（直接试验）。冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.拉伸试验用的标准试样和拉伸曲线（图1.4.1）1.屈服极限屈服极限小,材料容易屈服,则变形抗力小.2.屈强比屈强比小,说明值小而值大3.总延伸率与均匀延伸率拉伸实验中,试样拉断时的伸长率称总伸长率1.4.3板料的力学性能与冲压成形性能的关系ssbu冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.图1.4.1拉伸试验用的标准试样和拉伸曲线冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.4.硬化指数单向拉伸硬化曲线可写成，其中为硬化指数。5.厚向异性指数厚向异性指数是指单向拉伸试样宽度应变和厚度应变之比6.板平面各向异性指数nktb/2/)2(45900对拉深件质量的影响（图1.4.2）n冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.图1.4.2△γ对拉深件质量的影响冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.4.4常用冲压材料及其力学性能1.冲压常用的材料黑色金属金属材料冲压材料有色金属非金属材料2.冲压用新材料及其性能1）高强度钢板2）耐腐蚀钢板3）双相钢板4）涂层板5）复合板材冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.图1.1.1晶格畸变(a)无外力作用；(b)外力作用产生弹性畸变；(c)晶格滑移或孪动；(d)外力卸去后的永久变形冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.图1.2.1一点的应力状态（a）受力物体（b）任意坐标系（c）主轴坐标系冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.1.2.4屈服准则的几何表示（a）平面上两屈服准则表达(b)主应力空间两屈服准则表达冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.图1.2.5单向拉应力－应变曲线冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.图1.2.6实际应力曲线与假象应力曲线冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.图1.2.7几种常用冲压板料的硬化曲线冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.图1.3.2冲压应力图冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducation,Inc.图1.3.2冲压应力图冲压工艺与模具设计Copyright©2003PearsonEducati