第一章 沖壓變形基本原理

1、沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求： 1.掌握金屬塑性變形的基本概念；掌握金屬塑性變形的基本概念； 2.掌握板料沖壓性能和常見的沖壓材料；掌握板料沖壓性能和常見的沖壓材料； 3.了解塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)和沖壓成形方法的力學(xué)特點(diǎn)。了解塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)和沖壓成形方法的力學(xué)特點(diǎn)。第一章第一章 沖壓變形的基本原理沖壓變形的基本原理沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.1金屬塑性變形的基本概念金屬塑性變形的基本概念1.2金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)1.3沖壓成形時(shí)變形毛坯的力學(xué)特點(diǎn)與分類沖壓成形時(shí)變形毛坯的力學(xué)特點(diǎn)與分類1.4板料沖壓成形性能及沖壓材料板

2、料沖壓成形性能及沖壓材料沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.1金屬塑性變形的基本概念金屬塑性變形的基本概念 在外力外力的作用下，金屬產(chǎn)生的的作用下，金屬產(chǎn)生的形狀和尺寸變化形狀和尺寸變化稱為稱為變形變形，變形分為變形分為彈性變形彈性變形(elastic deformation)與與塑性變形塑性變形(plastic deformation ) 彈性(elasticity)：卸載后變形可以恢復(fù)特性，可逆性。 塑性(plasticity)：物體產(chǎn)生永久變形的能力，不可逆性。1.1.1塑性變形的物理概念塑性變形的物理概念 外力破壞原子間原有的平衡狀態(tài)，造成原子外力破壞原子間原有的平衡狀態(tài)，造成原

3、子排列的畸變排列的畸變，引起金屬形狀和尺寸的變化。變形的實(shí)質(zhì)是原子間的距離產(chǎn)生引起金屬形狀和尺寸的變化。變形的實(shí)質(zhì)是原子間的距離產(chǎn)生變化。變化。 塑性變形：塑性變形：金屬形狀和尺寸產(chǎn)生永久改變，這種改變不可金屬形狀和尺寸產(chǎn)生永久改變，這種改變不可恢復(fù)，該變形稱為塑性變形?；謴?fù)，該變形稱為塑性變形。 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.1.2 塑性變形的基本方式塑性變形的基本方式 單晶體：?jiǎn)尉w：滑移滑移（slip)、孿生孿生 (twinning) 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形: 晶內(nèi)、晶間晶內(nèi)、晶間(如圖如圖) 變形后形成的組織改變：纖維組織、變形織構(gòu)變形后形成的組織改變：纖維組織、

4、變形織構(gòu)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.1.3金屬的塑性與變形抗力金屬的塑性與變形抗力1.塑性及塑性指標(biāo)塑性及塑性指標(biāo) 塑性：指金屬在外力的作用下，能穩(wěn)定的發(fā)揮塑性變形而不塑性：指金屬在外力的作用下，能穩(wěn)定的發(fā)揮塑性變形而不破壞其完整性的能力。破壞其完整性的能力。 塑性指標(biāo)：常用的塑性指標(biāo)有塑性指標(biāo)：常用的塑性指標(biāo)有 延伸率延伸率 斷面收縮率斷面收縮率 2.變形抗力變形抗力 金屬產(chǎn)生塑性變形的力為變形力，金屬抵抗變形的力稱為變金屬產(chǎn)生塑性變形的力為變形力，金屬抵抗變形的力稱為變形抗力。形抗力。 塑性與變形抗力是兩個(gè)不同的概念：塑性與變形抗力是兩個(gè)不同的概念： 塑性：反映變形塑性：反映

5、變形的能力。的能力。 變形抗力：變形抗力：是塑性變形的是塑性變形的難易程度。難易程度。%100LLL00K%10000AAAK沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.1.4影響金屬的塑性與變形抗力的主要因素影響金屬的塑性與變形抗力的主要因素 1.化學(xué)成份和組織對(duì)塑性和變形抗力的影響化學(xué)成份和組織對(duì)塑性和變形抗力的影響 化學(xué)成分：鐵、碳、合金元素、雜質(zhì)元素?；瘜W(xué)成分：鐵、碳、合金元素、雜質(zhì)元素。 組織：?jiǎn)雾?xiàng)組織、多向組織。組織的不同塑性和變形抗力會(huì)組織：?jiǎn)雾?xiàng)組織、多向組織。組織的不同塑性和變形抗力會(huì)有很大的差別。有很大的差別。 鋼的制造工藝：鋼的制造工藝： 2.變形溫度對(duì)塑性和變形抗力的影響變

6、形溫度對(duì)塑性和變形抗力的影響 1）溫度升高，回復(fù)與再結(jié)晶；）溫度升高，回復(fù)與再結(jié)晶； 2）溫度升高，原子熱運(yùn)動(dòng)加??；溫度升高，原子熱運(yùn)動(dòng)加??； 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.1.4影響金屬的塑性與變形抗力的主要因素影響金屬的塑性與變形抗力的主要因素 2.變形溫度對(duì)塑性和變形抗力的影響變形溫度對(duì)塑性和變形抗力的影響 3）溫度升高，原子熱振動(dòng)加劇（熱塑性）；）溫度升高，原子熱振動(dòng)加劇（熱塑性）； 4）溫度升高，晶界強(qiáng)度下降；）溫度升高，晶界強(qiáng)度下降； 3.變形速度對(duì)塑性和變形抗力的影響變形速度對(duì)塑性和變形抗力的影響 速度大時(shí)，塑性變形來不及擴(kuò)展。沒有足夠時(shí)間回復(fù)、再結(jié)晶，速度大時(shí)，塑性

7、變形來不及擴(kuò)展。沒有足夠時(shí)間回復(fù)、再結(jié)晶，塑性降低變形抗力增大。塑性降低變形抗力增大。 速度大時(shí)，熱效應(yīng)顯著，變形體有溫度效應(yīng)對(duì)塑性增加有利。速度大時(shí)，熱效應(yīng)顯著，變形體有溫度效應(yīng)對(duì)塑性增加有利。 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.2 塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ) 外力外力 內(nèi)力內(nèi)力 模具模具 毛坯毛坯 零件零件 毛坯的變形都是模具對(duì)毛坯施加外力所引起內(nèi)力或由毛坯的變形都是模具對(duì)毛坯施加外力所引起內(nèi)力或由內(nèi)力直接作用的結(jié)果。應(yīng)力就是毛坯內(nèi)單位面積上作用的內(nèi)力直接作用的結(jié)果。應(yīng)力就是毛坯內(nèi)單位面積上作用的內(nèi)力。應(yīng)力應(yīng)理解為一極小面積上的內(nèi)力與該面積比值的內(nèi)力。應(yīng)力應(yīng)理解為一極小面

8、積上的內(nèi)力與該面積比值的極限，即：極限，即： dFdPFPF0lim 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.2.1 一點(diǎn)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)一點(diǎn)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài).一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)：一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)： 是指通過變形體內(nèi)某點(diǎn)的單元體所有截面上的應(yīng)力的是指通過變形體內(nèi)某點(diǎn)的單元體所有截面上的應(yīng)力的有或無、大小、方向等情況。有或無、大小、方向等情況。 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 圖1.2.2 九種主應(yīng)力狀態(tài)圖 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 2.一點(diǎn)的主應(yīng)變狀態(tài)一點(diǎn)的主應(yīng)變狀態(tài) 3.體積不變定律體積不變定律 該式說明：金屬塑性變形前后，只有形狀的變化，而無體該式說明：金屬塑性變形前后，只有

9、形狀的變化，而無體積的變化。積的變化。 三個(gè)推論：三個(gè)推論： 塑性變形時(shí)，只有形狀的變化，而無體積的變化；塑性變形時(shí)，只有形狀的變化，而無體積的變化； 不論什么應(yīng)變狀態(tài)，其中一個(gè)主應(yīng)變的符號(hào)與另外兩個(gè)不論什么應(yīng)變狀態(tài)，其中一個(gè)主應(yīng)變的符號(hào)與另外兩個(gè)主應(yīng)變的符號(hào)相反；主應(yīng)變的符號(hào)相反； 已知兩個(gè)應(yīng)變就可求第三個(gè)應(yīng)變已知兩個(gè)應(yīng)變就可求第三個(gè)應(yīng)變。0321主變形圖只可能有三種形式主變形圖只可能有三種形式圖1.2.3三種主應(yīng)變狀態(tài)圖沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.2.2 屈服準(zhǔn)則（塑性條件）屈服準(zhǔn)則（塑性條件） 屈服準(zhǔn)則屈服準(zhǔn)則：材料進(jìn)入塑性狀態(tài)的力學(xué)條件。當(dāng)材料中材料進(jìn)入塑性狀態(tài)的力學(xué)條件

10、。當(dāng)材料中的某點(diǎn)的應(yīng)力滿足屈服準(zhǔn)則，該點(diǎn)就進(jìn)入塑性狀態(tài)。的某點(diǎn)的應(yīng)力滿足屈服準(zhǔn)則，該點(diǎn)就進(jìn)入塑性狀態(tài)。 1.屈雷斯加屈雷斯加(HTresca)屈服準(zhǔn)則屈服準(zhǔn)則 屈雷斯加于屈雷斯加于1864年提出：當(dāng)材料中的最大剪應(yīng)力達(dá)到某一定值時(shí)，材料即年提出：當(dāng)材料中的最大剪應(yīng)力達(dá)到某一定值時(shí)，材料即行屈服。因此，該準(zhǔn)則又稱為最大剪應(yīng)力屈服準(zhǔn)則。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：行屈服。因此，該準(zhǔn)則又稱為最大剪應(yīng)力屈服準(zhǔn)則。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： K)(21minmaxmax沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.2.2 屈服準(zhǔn)則（塑性條件）屈服準(zhǔn)則（塑性條件） 2. 密席斯密席斯(Von Mises)屈服準(zhǔn)則屈服準(zhǔn)則 密席斯于

11、密席斯于1913年提出了另一屈服準(zhǔn)則：當(dāng)材料中的等效應(yīng)力達(dá)到某年提出了另一屈服準(zhǔn)則：當(dāng)材料中的等效應(yīng)力達(dá)到某一定值時(shí)，材料就開始屈服。由單向拉伸試驗(yàn)可確定該值，該值為材料一定值時(shí)，材料就開始屈服。由單向拉伸試驗(yàn)可確定該值，該值為材料的屈服點(diǎn)的屈服點(diǎn)s。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 3.屈服準(zhǔn)則的幾何表示屈服準(zhǔn)則的幾何表示 在平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，屈服準(zhǔn)則可用屈服軌跡來表示（在平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，屈服準(zhǔn)則可用屈服軌跡來表示（如如圖圖1.2.4）。）。 si213232221)()()(21沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)1.2.4 屈服準(zhǔn)則的幾何表示（a）平面上兩屈服準(zhǔn)則表達(dá) (b) 主應(yīng)力空間

12、兩屈服準(zhǔn)則表達(dá)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.2.3 塑性變形時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系塑性變形時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系 物體受力產(chǎn)生變形，所以應(yīng)力與應(yīng)變之間一定存在著某種關(guān)系。物體受力產(chǎn)生變形，所以應(yīng)力與應(yīng)變之間一定存在著某種關(guān)系。 彈性變形時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系是線性的、可逆的，變形是可彈性變形時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系是線性的、可逆的，變形是可以恢復(fù)的。以恢復(fù)的。 （胡克定律胡克定律 ） 單向拉伸應(yīng)力單向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線(如圖如圖1.2.5) 塑性變形時(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是非線性的、不可逆的。塑性變形時(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是非線性的、不可逆的。 E沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.2.3

13、 塑性變形時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系塑性變形時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系 增量理論增量理論 ： 瞬間的應(yīng)變?cè)隽颗c相應(yīng)應(yīng)力的關(guān)系瞬間的應(yīng)變?cè)隽颗c相應(yīng)應(yīng)力的關(guān)系 全量理論全量理論 ： 主應(yīng)力差與主應(yīng)變差成比例主應(yīng)力差與主應(yīng)變差成比例 全量理論的應(yīng)用全量理論的應(yīng)用C131332322121Cdddddd131332322121時(shí)，022/ )(312時(shí)，且0, 03211321)2/1 (, 0沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.2.4硬化與硬化曲線硬化與硬化曲線 1.硬化硬化 材料的強(qiáng)度指標(biāo)隨變形程度的增加而增加材料的強(qiáng)度指標(biāo)隨變形程度的增加而增加,塑性隨之降低塑性隨之降低。 2.硬化曲線硬化曲線 實(shí)際應(yīng)力曲

14、線與假象應(yīng)力曲線實(shí)際應(yīng)力曲線與假象應(yīng)力曲線 （如圖如圖1.2.6） 幾種常用沖壓板料的硬化曲線（幾種常用沖壓板料的硬化曲線（如圖如圖1.2.7） 硬化指數(shù)硬化指數(shù)是表明材料冷變形硬化的重要參數(shù)，對(duì)板料的沖是表明材料冷變形硬化的重要參數(shù)，對(duì)板料的沖壓性能以及沖壓件的質(zhì)量都有較大的影響。壓性能以及沖壓件的質(zhì)量都有較大的影響。 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.3沖壓成形時(shí)變形毛坯的力學(xué)特點(diǎn)與分類沖壓成形時(shí)變形毛坯的力學(xué)特點(diǎn)與分類 1.3.1 變形毛坯的分區(qū)變形毛坯的分區(qū)(如圖如圖1.3.1)1.3.2 變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)1. 沖壓毛坯兩向受拉應(yīng)力的作用沖壓毛坯兩向受拉

15、應(yīng)力的作用 (可分兩種情況可分兩種情況)： （如圖（如圖1.3.2象限）象限）2.沖壓毛坯變形區(qū)受兩向壓應(yīng)力的作用沖壓毛坯變形區(qū)受兩向壓應(yīng)力的作用 （如圖（如圖1.3.2象限）象限）0, 00, 0trtr且且0, 00, 0trtr且且沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 3.沖壓毛坯變形區(qū)受異號(hào)應(yīng)力的作用，而且拉應(yīng)力的絕對(duì)值沖壓毛坯變形區(qū)受異號(hào)應(yīng)力的作用，而且拉應(yīng)力的絕對(duì)值大于壓應(yīng)力的絕對(duì)值。大于壓應(yīng)力的絕對(duì)值。(可以分為兩種情況可以分為兩種情況) （如圖（如圖1.3.2）4.沖壓毛坯變形區(qū)受異號(hào)應(yīng)力的作用，而且壓應(yīng)力的絕對(duì)值沖壓毛坯變形區(qū)受異號(hào)應(yīng)力的作用，而且壓應(yīng)力的絕對(duì)值大于拉應(yīng)力的絕

16、對(duì)值。大于拉應(yīng)力的絕對(duì)值。 (可以分為兩種情況可以分為兩種情況) 綜上所述：沖壓變形可分為伸長(zhǎng)類變形和壓縮類變形綜上所述：沖壓變形可分為伸長(zhǎng)類變形和壓縮類變形（如圖如圖1.3.3）。）。rtrrtr0,00,0且且rtrrtr0,00,0且且沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.3.3 沖壓成形過程中變形趨向性及其控制沖壓成形過程中變形趨向性及其控制1.變形趨向性變形趨向性( (如圖如圖1.3.4) ) 弱區(qū)必先變形，變形區(qū)應(yīng)為弱區(qū)弱區(qū)必先變形，變形區(qū)應(yīng)為弱區(qū)2.變形趨向性的控制變形趨向性的控制 合理地確定毛坯尺寸（合理地確定毛坯尺寸（圖圖1.3.5 圖圖1.3.6 ） 正確設(shè)計(jì)模具工作部

17、分形狀和尺寸正確設(shè)計(jì)模具工作部分形狀和尺寸 改變毛坯與模具表面的摩擦條件改變毛坯與模具表面的摩擦條件 其他工藝措施其他工藝措施 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 1.4 板料沖壓成形性能及沖壓材料板料沖壓成形性能及沖壓材料 1.4.1 板料的沖壓成形性能板料的沖壓成形性能 沖壓成形性能沖壓成形性能: 板料對(duì)各種沖壓成形加工的適應(yīng)能力。板料對(duì)各種沖壓成形加工的適應(yīng)能力。 抗破裂性、抗破裂性、 貼模性、定形性貼模性、定形性 成形極限成形極限 沖壓件形狀尺寸精度沖壓件形狀尺寸精度1.4.2板材沖壓成形試驗(yàn)的試驗(yàn)方法板材沖壓成形試驗(yàn)的試驗(yàn)方法 板料沖壓性能試驗(yàn)方法通常分為三種類型：板料沖壓性能試驗(yàn)

18、方法通常分為三種類型：力學(xué)試驗(yàn)力學(xué)試驗(yàn)、金金屬學(xué)試驗(yàn)屬學(xué)試驗(yàn)（統(tǒng)稱間接試驗(yàn)）和（統(tǒng)稱間接試驗(yàn)）和工藝試驗(yàn)工藝試驗(yàn)（直接試驗(yàn)）。（直接試驗(yàn)）。 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 拉伸試驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)試樣和拉伸曲線（拉伸試驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)試樣和拉伸曲線（圖圖1.4.1） 1.屈服極限屈服極限 屈服極限屈服極限 小小,材料容易屈服材料容易屈服,則變形抗力小則變形抗力小.2.屈強(qiáng)比屈強(qiáng)比 屈強(qiáng)比小屈強(qiáng)比小,說明說明 值小而值小而 值大值大3.總延伸率總延伸率 與均勻延伸率與均勻延伸率 拉伸實(shí)驗(yàn)中拉伸實(shí)驗(yàn)中,試樣拉斷時(shí)的伸長(zhǎng)率稱總伸長(zhǎng)率試樣拉斷時(shí)的伸長(zhǎng)率稱總伸長(zhǎng)率1.4.3 板料的力學(xué)性能與沖壓成形性能的關(guān)系

19、板料的力學(xué)性能與沖壓成形性能的關(guān)系ssbu沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)圖1.4.1 拉伸試驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)試樣和拉伸曲線沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 4.硬化指數(shù)硬化指數(shù) 單向拉伸硬化曲線可寫成單向拉伸硬化曲線可寫成 ，其中，其中 為硬化指為硬化指數(shù)。數(shù)。 5.厚向異性指數(shù)厚向異性指數(shù) 厚向異性指數(shù)是指單向拉伸試樣寬度應(yīng)變和厚度厚向異性指數(shù)是指單向拉伸試樣寬度應(yīng)變和厚度應(yīng)變之比應(yīng)變之比 6.板平面各向異性指數(shù)板平面各向異性指數(shù)nktb/2/ )2(45900 對(duì)拉深件質(zhì)量的影響對(duì)拉深件質(zhì)量的影響 （圖圖1.4.2）n沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)圖1.4.2 對(duì)拉深件質(zhì)量的影響 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)沖壓工藝