冷沖壓變形基礎(chǔ)

1、第二章 冷沖壓變形基礎(chǔ)主講教師：林彩梅羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 本章內(nèi)容： 第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析 第二節(jié) 塑料與變形抗力及其影響因素 第三節(jié) 材料的沖壓成形性能及加工硬化現(xiàn)象第二章 冷沖壓變形基礎(chǔ)內(nèi)容簡介：內(nèi)容簡介： 本章講述沖壓變形的基礎(chǔ)知識。涉及變形、塑性、彈性變形、塑性變形、塑性條件、變形抗力、主應(yīng)力狀態(tài)、主應(yīng)變狀態(tài)等概念；沖壓成形基本原理和規(guī)律；沖壓成形性能。第二章 冷沖壓變形基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析教學(xué)目標(biāo)與要求 1、掌握主應(yīng)力狀態(tài)、主應(yīng)變狀態(tài)等概念；2、掌握塑性條件、塑性變形時(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、體積不變條件 。重點(diǎn)與難點(diǎn)主應(yīng)力狀態(tài)、主應(yīng)變狀態(tài)一、應(yīng)

2、力狀態(tài)1、應(yīng)力和應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)力。點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)：物體內(nèi)每一點(diǎn)上的受力情況（如圖2-1所示） 。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析圖2-1面力、內(nèi)力和應(yīng)力2、全應(yīng)力在A面上圍繞Q點(diǎn)取一很小的面積，設(shè)該面積上內(nèi)力的合力為P，則定義A面上Q點(diǎn)的全應(yīng)力S為： 全應(yīng)力S可以分解成兩個分量，一個垂直于A面，稱為正應(yīng)力，一般用表示；另一個平行于A面，稱為切應(yīng)力，用表示；面積dF稱為Q點(diǎn)在N方向上的微分面，S、 、則分別為Q點(diǎn)在N方向微分面上的全應(yīng)力、正應(yīng)力、切應(yīng)力。 dFdPFPFlim0第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析（2-1）現(xiàn)以單向均勻拉伸（如圖2-2所

3、示）進(jìn)行分析，設(shè)一斷面積為F0的均勻截面棒料承受拉力P，通過棒料內(nèi)一點(diǎn)Q作一切面A，其法線N與拉伸軸成角，將棒料切開并移去上半部。由于是均勻拉伸，故A面上的應(yīng)力是均勻分布的。設(shè)Q點(diǎn)在A面上的全應(yīng)力為S，則S的方向一定平行于拉伸軸，且大小為： 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析圖2-2單向拉伸時(shí)的應(yīng)力第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析正應(yīng)力分量及切應(yīng)力分量則分別為：coscoscos000FPFP20coscos S2sin21sin0 S第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析3、主應(yīng)力和切應(yīng)力應(yīng)力主平面：切應(yīng)力=0的切面。主應(yīng)力：應(yīng)力主平面上的正應(yīng)力

4、。單元體或微元體：為了研究物體內(nèi)每一點(diǎn)的受力情況，假想把物體切成無數(shù)個極其微小的六面體（在物體邊界上也可以是四面體或五面體），稱為單元體或微元體。 在變形體上的任意點(diǎn)取一個單元體（如圖2-3a）所示），取單元體的六個相互垂直的表面作為微分面，其上有大小相同、方向不同的全應(yīng)力Sx，Sy，Sz，每個全應(yīng)力又可分解為平行于坐標(biāo)軸的三個分量，即一個正應(yīng)力和兩個切應(yīng)力（如圖2-3b）所示）。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析圖2-3 單元體上的應(yīng)力狀態(tài)第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析切應(yīng)力互等定律：為了保持單元體的平衡，切應(yīng)力總是成對出現(xiàn)的,它們大小相等,分別作用在兩個

5、相互正交的微分面內(nèi),其方向共同指向或背離兩微分面的交線。 ； ； yxxyzyyzxzzx第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析任何一種應(yīng)力狀態(tài)來，總存在這樣一組坐標(biāo)系，使單元體各表面上只出現(xiàn)正應(yīng)力而不出現(xiàn)切應(yīng)力，如圖2-3c）所示，我們稱該坐標(biāo)系中的正應(yīng)力稱為主應(yīng)力（其數(shù)值有時(shí)也可能為零），一般按其代數(shù)值大小依次用 表示，且 ；帶正號的主應(yīng)力表示拉應(yīng)力，帶負(fù)號的主應(yīng)力表示壓應(yīng)力。321,321第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析圖2-4九種主應(yīng)力狀態(tài)圖4、主應(yīng)力狀態(tài)和狀態(tài)圖主應(yīng)力狀態(tài)：以主應(yīng)力表示的應(yīng)力狀態(tài)主應(yīng)力狀態(tài)圖：以主應(yīng)力表示其應(yīng)力個數(shù)及其符號的簡圖，主應(yīng)力狀

6、態(tài)圖有九種（如圖2-4所示）。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析5、主切應(yīng)力和主切應(yīng)力平面主切應(yīng)力平面：切應(yīng)力有極值的微分面。主切應(yīng)力：主切應(yīng)力平面上作用的切應(yīng)力。主切應(yīng)力平面共有三組，它們分別與一個應(yīng)力主軸平行并與另兩個應(yīng)力主軸成45，如圖2-5所示。 圖2-5主切應(yīng)力面 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析221122322321331第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析三個主切應(yīng)力的大小為：二、塑性條件（又稱屈服條件）圖2-7所示為單向拉伸時(shí)得到的應(yīng)力與應(yīng)變曲線。 圖2-7 單向拉伸時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變曲線 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變

7、狀態(tài)分析質(zhì)點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，只要單向應(yīng)力達(dá)到屈服極限，該質(zhì)點(diǎn)即由彈性變形狀態(tài)進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。而在多向應(yīng)力狀態(tài)下，則不能僅僅用某一個應(yīng)力數(shù)值與屈服極限的大小關(guān)系來判斷質(zhì)點(diǎn)是否進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，必須同時(shí)考慮其他應(yīng)力分量，而且只有當(dāng)各應(yīng)力分量之間符合一定條件時(shí)，質(zhì)點(diǎn)才進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析塑性條件：決定受力物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)由彈性變形狀態(tài)向塑性變形狀態(tài)過渡的條件。Tresca（屈雷斯加）的最大切應(yīng)力理論：在一定的變形條件下，材料中最大切應(yīng)力達(dá)到某一定值時(shí)就開始屈服。 222112s223223s221331s第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分

8、析設(shè) 則321ss3131max22第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析Mises（密塞斯）的常數(shù)形變能量理論；在一定的變形條件下，無論變形物體內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)所處的應(yīng)力狀態(tài)如何，只要該質(zhì)點(diǎn)三個主應(yīng)力的組合滿足以下的條件，物體便開始屈服。 22132322212s三、應(yīng)變狀態(tài)晶體：指原子（或分子）在三維空間作有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的固體。單元體的變形可分為兩種形式：正變形或線變形：線尺寸的伸長縮短。切變形或角變形：單元體發(fā)生偏斜。變形：物體在外力作用下，會產(chǎn)生形狀和尺寸的改變。彈性變形：外力取消后物體能恢復(fù)原狀（形狀和尺寸恢復(fù)到原來的狀態(tài)）的變形。塑性變形：外力取消后物體不能恢復(fù)原狀的變

9、形。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)也可以通過單元體的變形來表示，與應(yīng)力狀態(tài)一樣，當(dāng)采用主軸坐標(biāo)系時(shí)，單元體就只有三個主應(yīng)變分量1，2，3，而沒有切應(yīng)變分量，一種應(yīng)變狀態(tài)只有一組主應(yīng)變，如圖2-8所示。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析如圖2-9所示單元體：假設(shè)變形前的尺寸為l0，b0，t0，變形后的尺寸為ln，bn，tn 。則三個方向的主應(yīng)變?yōu)椋簩?shí)際應(yīng)變與相對應(yīng)變之間的關(guān)系為： 0001llllln1ln第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析0002bbbbbn0003tttttn 圖2-9 變形前后尺寸的變化圖2-8點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)

10、第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析塑性變形體積不變定律：塑性變形時(shí)的物體體積不變，塑性變形以前的體積等于其變形后的體積。即 0321第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析主應(yīng)變狀態(tài)圖只可能有三類：具有一個正應(yīng)變及兩個負(fù)應(yīng)變； 具有一個負(fù)應(yīng)變及兩個正應(yīng)變；一個主應(yīng)變?yōu)榱?，另兩個應(yīng)變之大小相等符號相反（如圖2-10所示） 圖2-10 主應(yīng)變狀態(tài)圖 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析四、塑性變形時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系 彈性變形用廣義虎克定律來表示。進(jìn)入塑性變形階段，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系是非線性的、不可逆的，應(yīng)力和應(yīng)變分量之間均不能簡單疊加。為了建立物體受力與變形之

11、間的關(guān)系，只能取加載過程中某個微量時(shí)間間隔來研究，從而得到應(yīng)力與應(yīng)變增量之間的關(guān)系式，即增量理論。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析增量理論：全量理論：為此可利用全量理論對沖壓成形時(shí)，坯料中某些特定的、有代表性位置上金屬的變形和應(yīng)力的性質(zhì)作出大致的定性分析。3121m2m3mddd常數(shù)3121m2m3m常數(shù)第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)分析教學(xué)目標(biāo)與要求、掌握變形、彈性變形、塑性變形、塑性、變形抗力等概念；、熟練應(yīng)用最小阻力定律。重點(diǎn)與難點(diǎn) 、塑性變形、塑性、變形抗力等概念； 、塑性與變形抗力及其影響因素； 3、最小阻力定律的應(yīng)用。第二節(jié)塑性與變形抗力及其影響

12、因素一、塑性及塑性指標(biāo)塑性塑性:是指固體材料在外力作用下發(fā)生塑性變形（永久變形），而不破壞其完整性的能力。塑性指標(biāo)塑性指標(biāo):是以金屬材料開始破壞時(shí)的塑性變形量來表示。為了衡量金屬塑性的高低，需要一種數(shù)量上的指標(biāo)來表示，即塑性指標(biāo)。 第二節(jié)塑性與變形抗力及其影響因素常用的塑性指標(biāo)有： 伸長率：斷面收縮率：00100%KLLL00100%KAAA二、變形抗力及其指標(biāo)二、變形抗力及其指標(biāo)物體發(fā)生變形是需要外力的。變形力:使金屬產(chǎn)生變形的外力.變形抗力:金屬抵抗變形的力.或者說在一定的加載條件和一定的變形溫度、速度條件下，引起變形的單位變形力稱為變形抗力。變形抗力反映了使材料產(chǎn)生變形的難易程度；變形抗

13、力和變形力數(shù)值相等，方向相反，一般以作用在金屬和工具接觸面上的平均單位面積上的變形力表示其大小。第二節(jié)塑性與變形抗力及其影響因素最小阻力定律最小阻力定律：在塑性變形過程中，外力破壞了金屬的整體而強(qiáng)制金屬發(fā)生流動，當(dāng)金屬有幾個質(zhì)點(diǎn)或每個質(zhì)點(diǎn)有幾個方向移動的可能時(shí)，它總是在阻力最小的地方且沿阻力最小的方向移動（弱區(qū)先變形）。第二節(jié)塑性與變形抗力及其影響因素三、影響金屬變形抗力主要因素塑性反映材料變形的能力，變形抗力則反映材料變形的難易程度。塑性加工中的一個重要問題就是如何充分利用金屬的塑性并在最小變形抗力的情況下獲得所需要的工件。第二節(jié)塑性與變形抗力及其影響因素1、金屬組織 組成金屬的晶格類型，化

14、學(xué)成分，組織狀態(tài)，晶粒大小，形狀及晶界強(qiáng)度等不同，金屬的塑性就不同。碳、硫、磷的影響。、變形溫度 變形溫度對金屬和合金的塑性與變形抗力有著重要影響。就大多數(shù)金屬和合金而言，其總的趨勢是：隨著溫度升高，塑性增加，變形抗力降低。 第二節(jié)塑性與變形抗力及其影響因素3、變形速度變形速度:是指單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)變的變化量。變形速度對金屬和合金的塑性和變形抗力的影響是一個十分復(fù)雜的問題，隨著變形速度的增加，即有使金屬的塑性減低和變形抗力增加的一面，又有作用相反的一面。而且不同學(xué)者的研究結(jié)果出入很大，難以提供確切的資料，一般憑經(jīng)驗(yàn)而定。第二節(jié)塑性與變形抗力及其影響因素4、尺寸因素 同一種材料，在其他條件相同時(shí)，尺

15、寸越大，組織和化學(xué)成分越不一致，雜質(zhì)成分及分布越不均勻，應(yīng)力分布越不均勻，塑性越差。5、應(yīng)力狀態(tài) 應(yīng)力狀態(tài)對金屬的塑性有很大的影響，主應(yīng)力狀態(tài)圖對金屬塑性可按順序排列為如圖2-4所示的形式，圖中序號越小，塑性越好；其規(guī)律是壓應(yīng)力的數(shù)目及數(shù)值越大和拉應(yīng)力的數(shù)目和數(shù)值越小，金屬的塑性越好。 第二節(jié)塑性與變形抗力及其影響因素教學(xué)目標(biāo)：、掌握硬化規(guī)律；、了解沖壓成形性能指標(biāo)。重點(diǎn)及難點(diǎn)：、沖壓成形基本規(guī)律及應(yīng)用；、沖壓成形性能指標(biāo) 。第三節(jié) 材料的沖壓性能及加工硬化現(xiàn)象一、板料的沖壓成形性能與成形極限1、材料的沖壓成形性能沖壓成形性能:板料對沖壓成形工藝的適應(yīng)能力。板料的沖壓成形性能包括成形極限和成形

16、質(zhì)量兩個方面成形極限：指板料在發(fā)生失穩(wěn)前所能達(dá)到的最大變形程度第三節(jié) 材料的沖壓性能及加工硬化現(xiàn)象成形質(zhì)量成形質(zhì)量：指尺寸和形狀精度、厚度變化、表面質(zhì)量及成形后材料的物理性能等。2、板料的沖壓成形性能試驗(yàn)方法板料的沖壓成形性能試驗(yàn)方法通常分為三種：力學(xué)試驗(yàn)、金屬學(xué)試驗(yàn)（又稱間接試驗(yàn)）、和工藝試驗(yàn)（直接試驗(yàn)）。（）板料拉伸試驗(yàn)板料拉伸試驗(yàn)按圖2-11所示準(zhǔn)備拉伸試樣，拉伸結(jié)果得到如圖2-12所示的拉伸曲線，第三節(jié) 材料的沖壓性能及加工硬化現(xiàn)象圖2-11 拉伸試樣 圖2-12不同材料的拉伸曲線 第三節(jié) 材料的沖壓性能及加工硬化現(xiàn)象材料的力學(xué)性能：材料在外力作用下所表現(xiàn)的一些性能（強(qiáng)度、剛度、韌性等

17、）。剛度：材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力，它表示材料彈性變形的難易程度。材料剛度的大小，通常用彈性模量來評價(jià)。彈性模量越大，材料的剛度越大，彈性變形越不容易進(jìn)行。強(qiáng)度：是金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。第三節(jié) 材料的沖壓性能及加工硬化現(xiàn)象當(dāng)通過單向試驗(yàn)可以得到以下力學(xué)性能指標(biāo)：總伸長率和均勻伸長率?？偵扉L率：試樣破壞時(shí)的伸長率。均勻伸長率：試樣開始產(chǎn)生局部變形時(shí)的伸長率。均勻伸長率表示材料產(chǎn)生均勻或穩(wěn)定的塑性變形的能力，直接決定材料在伸長類變形中的沖壓成形性能。如圖2-2所示，包含彈性變形，如果外力取消后，則彈性變形發(fā)生回復(fù)，而塑性變形保留下來，得到相應(yīng)的s（s=b-t）。第三節(jié) 材料的沖壓性能

18、及加工硬化現(xiàn)象硬化指數(shù)n：表示材料在塑性變形時(shí)加工硬化的強(qiáng)度。n大時(shí)，說明材料在變形過程中的加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，真實(shí)應(yīng)力增加過大。拉伸變形過程中比較有利，因?yàn)樽冃慰偸亲裱枇ψ钚《伞?材料在拉伸時(shí)，整個過程的變形是不均勻的，按弱區(qū)先變形原則，變形區(qū)就不斷轉(zhuǎn)移，即變形不是集中在某一局部進(jìn)行,其結(jié)果在宏觀上表現(xiàn)為均勻變形。第三節(jié) 材料的沖壓性能及加工硬化現(xiàn)象板厚方向系數(shù) ：板厚方向系數(shù)是指板料試樣在單向拉伸時(shí)，寬向和厚向應(yīng)變之比（又稱塑性應(yīng)變比）。值的大小反應(yīng)了板料平面方向和厚度方向變形的難易程度， 值越大，則板料平面方向變形越容易，而厚度方向變形越困難。這對拉深變形過程極為有利，因?yàn)榘辶掀矫娣较蛉菀鬃冃味怀霈F(xiàn)起皺，板厚方向變形困難而避免變薄甚至拉裂，提高拉深變時(shí)的變形程度。第三節(jié) 材料的沖壓性能及加工硬化現(xiàn)象（2）彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)的目的是為了鑒定板料對彎曲成形的適應(yīng)性。如圖2-13所示的彎曲試驗(yàn)是將夾在特制鉗口的板料作反復(fù)彎曲，依次向右側(cè)及左側(cè)彎曲90直至斷裂或達(dá)到技術(shù)中規(guī)定的彎曲次數(shù)。彎曲半徑越小，反復(fù)彎曲的次數(shù)越多，其成形性能越好。第三節(jié) 材料的沖壓性能及加工硬化現(xiàn)象(3)脹形試驗(yàn)（又稱杯突試驗(yàn)）脹形試驗(yàn)的原理如