塑性加工原理

1、金屬塑性加工金屬塑性加工 緒 論 塑性加工原理 塑性加工工藝 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 金屬塑性加工原理金屬塑性加工原理 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。 2.特點(diǎn) 材料利用率高。 生產(chǎn)效率高。 產(chǎn)品質(zhì)量高，性能好，缺陷少。 加工精度和成形極限有限。 模具、設(shè)備費(fèi)用昂貴。 3.應(yīng)用 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 體積成形：

2、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。 軋制示意圖 板 材管 材 拉拔示意圖 實(shí)心空心 擠壓示意圖 正擠反擠 復(fù)合 擠 鍛造示意圖 鐓粗 開式閉式 鐓頭 拔長 拉深示意圖 脹形示意圖 彎曲示意圖 形彎脹彎 輥彎 剪切示意圖 修 邊切 斷 剁 切剝 皮 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。 1. 軋制、擠壓、拉拔、鍛造和板

3、材成形簡介。 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； (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：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。 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

4、法： （1）偏心軋輥軋制矩形試樣 （2）杯突試驗(yàn) 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)力個數(shù)越多、 數(shù)值越大，金屬的塑性越好。 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。 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 塑性與塑性變形 塑性：物體在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的 特性。 塑性指標(biāo)：塑性指標(biāo)： 單向拉伸延伸率； 單向壓縮斷面收

5、縮率。 金屬塑性影響因素：化學(xué)成分、金相組織、變 形溫度、變形速度。 塑性變形： 物體在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后仍有殘余變物體在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后仍有殘余變 形。形。 加工硬化加工硬化 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶 冷變形、熱變形、溫變形冷變形、熱變形、溫變形 不均勻變形不均勻變形 變形抗力與塑性圖變形抗力與塑性圖 應(yīng)力應(yīng)變曲線 應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖-） 真實(shí)應(yīng)力與對數(shù)應(yīng)變真實(shí)應(yīng)力與對數(shù)應(yīng)變 條件應(yīng)力條件應(yīng)力-應(yīng)變曲線和真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線和真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖應(yīng)變曲線（圖 5-6） 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線的簡化（圖應(yīng)變曲線的簡化（圖5-7） 二、塑性加工過程受力分析

6、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 整個過程中的受力, 而不是僅關(guān)注瞬時(shí)的受力。 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 （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 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.

7、 引起變形不均勻 d. 加劇模具的磨損，降低了模具的壽命 （3）描述接觸面上摩擦的數(shù)學(xué)模型 a. 庫侖定律： 摩擦應(yīng)力 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01 K金屬的屈服剪切強(qiáng)度 3. 工具形狀對作用力的影響 4. 關(guān)于內(nèi)力的分析要點(diǎn)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 （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。 （3）工件上近自由表面處的內(nèi)力 三、應(yīng)力和應(yīng)力狀態(tài) 外力和應(yīng)

8、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。 S= 2+ 2 0=S0=P/F0 =Pcos/A=Pcos/(F0/cos)=0cos2 =Psin/A=Psin/(F0/cos)= 0sin cos S = 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)一個切面上的應(yīng)力，就可確定過任意切面 上應(yīng)力。 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： 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

9、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 1 0 0 y yz 0 2 0 z 0 0 3 小結(jié)：描述一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的必要條件為 過該點(diǎn)三個互相垂直坐標(biāo)上的六個獨(dú)立 應(yīng)力分量或三個主應(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) 的一組三個互相垂直坐標(biāo)面上的六個應(yīng) 力分量或主坐標(biāo)面上的三個主應(yīng)力，則 與三個坐標(biāo)軸任意傾斜的平面上的應(yīng)力 都可求出。 )( 2 222 nlmnlmnml zxyzxyzyx

10、n 222 nn S 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。 0 zyzxz zyyxy zxyxx 0 32 2 1 3 JJJ )(2 )( 222 3 222 2 1 xyzzxyyzxzxyzxyzyx zxyzxyxzzyyx zyx J J J 求主應(yīng)力的特征方程 主應(yīng)力狀態(tài)圖： 雙向 三向 單向 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 23 應(yīng)力張量不變量的意義： J1平均應(yīng)力 J1的數(shù)值J

11、10 J10J10V2 3，則max（31）/2 對塑性變形有決定性的作用。 222 nn S 5. 八面體應(yīng)力與等效應(yīng)力 平均應(yīng)力 2 3 2 2 2 1 nml n 22 3 2 2 2 1 2 2 3 2 2 2 2 2 1 2 )(nmlnml n 3 1 nml )( 3 1 3218 2 13 2 32 2 218 )()()( 3 1 )()()( 2 1 2 3 2 13 2 32 2 218 6. 應(yīng)力偏量 m （ x+ y +z）/3 x xy xz ij yx y yz zx zy z x - m xy xz m 0 0 yx y - m yz + 0 m 0 zx zy

12、 z - m 0 0 m 應(yīng)力偏量 ij 應(yīng)力球張量 應(yīng)力偏量的三個主值： 應(yīng)力偏量的主剪應(yīng)力： 23（ 23）/2 （ 23）/2 31（31）/2 （31）/2 12 （12）/2 （12）/2 m m m 3 3 2 2 1 1 應(yīng)力偏量的三個不變量： 第一不變量：J1 1+ 2+3 1+ 2+33 m0 第二不變量： J2（ 1 2+ 2 3 + 3 1） (1- 2 )2+(2 -3 )2+(3 -1)2/6 第三不變量：J3 1 23 (21- 2 - 3 ) (22 -3 - 1) (23 -1- 2 )/27 塑性變形主要與應(yīng)力偏量有關(guān)。 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J2s2/3 受應(yīng)力點(diǎn)所 處狀態(tài) 彈性初始屈服加工硬化 J32 s3/272 s3/27