沖壓工藝與沖模設(shè)計第二章課件

1、沖壓工藝與沖模設(shè)計 第2版 主編 翁其金 第二章冷沖壓變形基礎(chǔ) 第一節(jié)塑性、變形抗力及其影響因素1Q一、塑性變形、塑性、變形抗力的概念在沖壓技術(shù)中,經(jīng)常見到塑性變形、塑性、變形抗力、柔軟性等術(shù)語1)塑性變形:物體在外力作用下會產(chǎn)生變形,如果外力被取消后,物體不能恢復(fù)到原始的形狀和尺寸的變形。2)塑性:物體具有塑性變形的能力。3)變形抗力:在一定的加載條件和一定的變形溫度、速度條件下,引起塑性變形的單位變形力。4)柔軟性:應(yīng)理解為金屬對變形的抵抗能力,變形抗力越小,則柔軟性越好1Q二、影響金屬塑性和變形抗力的因素1.金屬組織 2.變形溫度3.變形速度 4.尺寸因素1Q 第二節(jié)沖壓成形的應(yīng)力和應(yīng)變

2、1Q一、應(yīng)力狀態(tài) 模具對材料施加的外力引起材料內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)力,單位面積上內(nèi)力的大小稱為應(yīng)力。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(圖2-1b)。1Q圖2-1點的應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力標(biāo)號a)、b)任意坐標(biāo)系c)主軸坐標(biāo)系1Q 以主應(yīng)力表示的應(yīng)力狀態(tài)稱為主應(yīng)力狀態(tài)。表示主應(yīng)力個數(shù)及其符號的簡圖,稱為主應(yīng)力狀態(tài)簡圖(簡稱主應(yīng)力圖)?？赡艹霈F(xiàn)的主應(yīng)力圖共有九種,其中四個為三向主應(yīng)力圖,三個為平面主應(yīng)力圖,兩個單向主應(yīng)力圖,如圖2-2所示。應(yīng)當(dāng)指出,對于一點的應(yīng)力狀態(tài)來說,三個主方向和三個主應(yīng)力的大小取決于該點的受力情況,與坐標(biāo)軸的選擇無關(guān)。換言之,一個應(yīng)力狀態(tài),只有一組主應(yīng)力。但坐標(biāo)系選擇不當(dāng),就會

3、使問題的分析計算過程復(fù)雜化。而主軸位置的確定可通過對變形過程的分析近似確定或試驗確定。1Q圖2-2主應(yīng)力圖1Q 單元體上三個主應(yīng)力的平均值稱為平均主應(yīng)力,用m表示,其值為m=(1+2+3)(2-1)如圖2-3所示。第一部分是以平均應(yīng)力m為各向應(yīng)力值的三向等應(yīng)力狀態(tài),其特點是只能改變物體的體積,不能改變物體的形狀。第二部分是以各向主應(yīng)力與m的差值為應(yīng)力值構(gòu)成的應(yīng)力狀態(tài),其特點是只能改變物體的形狀,不能改變物體的體積。經(jīng)試驗證明,應(yīng)力狀態(tài)對金屬的塑性有很大的影響。主應(yīng)力圖對金屬塑性的影響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)力數(shù)目及數(shù)值越小

4、,金屬的塑性越好。不僅如此,主應(yīng)力圖對金屬的變形抗力也是有影響的,在同號主應(yīng)力圖下引起變形,所需的變形抗力之值較大,而在異號主應(yīng)力圖下引起變形所需的變形抗力之值就比較小。1Q圖2-3應(yīng)力狀態(tài)的分解1Q圖2-4主應(yīng)力對金屬塑性影響的排列順序1Q主切應(yīng)力及其作用面共有三組,如圖2-5所示。主切應(yīng)力面上的應(yīng)力情況如圖2-6所示。圖2-5主切應(yīng)力面及主切應(yīng)力方向(用陰影線表示)1Q圖2-6主切應(yīng)力面上的應(yīng)力1Q(2-2)(2-3)其中絕對值最大的主切應(yīng)力稱為該點的最大切應(yīng)力,用max表示,若123,則max=(2-4)1Q二、塑性條件(屈服條件) 決定受力物體內(nèi)質(zhì)點由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)過渡的條件,簡稱

5、為塑性條件。金屬由彈性變形過渡到塑性變形,主要取決于在一定變形條件(變形溫度與變形速度)下金屬的物理力學(xué)性質(zhì)和所處的應(yīng)力狀態(tài)。物理力學(xué)性質(zhì)是金屬內(nèi)在的本質(zhì)。不同的應(yīng)力狀態(tài)則是促使金屬屈服而施加的不同外部條件。當(dāng)外部條件與內(nèi)因相符時,金屬即會從彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形。1Q 1864年法國學(xué)者屈雷斯加提出了最大切應(yīng)力理論,他認(rèn)為:在一定的變形條件下,材料中最大切應(yīng)力達(dá)到某一定值時就開始屈服。這里所指的某一定值,實際上就是材料單向拉伸時屈服強度值s的一半。屈雷斯加屈服條件可表達(dá)為(2-5) 這三對主切應(yīng)力中,無論何者最先達(dá)到屈服強度值的一半,材料即開始屈服。1Q 1913年德國力學(xué)家密塞斯將最大切應(yīng)力

6、理論加以修正,他提出:在一定的變形條件下,無論變形物體所處的應(yīng)力狀態(tài)如何,只要其三個主應(yīng)力的組合滿足以下的條件,材料便開始屈服,即(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2=2(2-6)這個條件稱密塞斯屈服條件,又稱常數(shù)形變能量理論。1Q如前所述在板料成形中,坯料塑性變形區(qū)內(nèi)各點的應(yīng)力狀態(tài)往往都可近似看成料厚方向應(yīng)力為零的平面應(yīng)力狀態(tài)。在平面應(yīng)力狀態(tài)下,如3=0,則屈雷斯加屈服條件變?yōu)?2-7)密塞斯屈服條件則變?yōu)?-12=(2-8)1Q密塞斯的屈服條件雖然在數(shù)學(xué)表達(dá)方法上比較完善,但是方程中同時包含了全部應(yīng)力分量,實際運算不免繁復(fù)。在確定了主應(yīng)力大小次序的前提下,如主應(yīng)力的大小次序為123,或

7、123,則密塞斯屈服條件可以寫成如下簡化形式,即1-3=s或max-min=s(2-9)式中反映中間主應(yīng)力影響的系數(shù),其變化范圍為11.155。當(dāng)2=(1+3)/2時,=1.155;當(dāng)2=1或2=3時,=1;當(dāng)應(yīng)力間的相對關(guān)系不明,不能判斷中間主應(yīng)力2時,取平均值1.1,這樣不致引起大的誤差。1Q三、應(yīng)變狀態(tài)一點的應(yīng)變狀態(tài)也是通過微元體的變形來表示的。與應(yīng)力狀態(tài)一樣,當(dāng)采用主軸坐標(biāo)系時,微元體就只有三個主應(yīng)變分量1、2和3,而沒有切應(yīng)變分量(圖2-7)。一種應(yīng)變狀態(tài)只有一組主應(yīng)變。兩部分,如圖2-8所示。第一部分是以平均應(yīng)變m為各向應(yīng)變值的三向等應(yīng)變狀態(tài)m=(1+2+3)/3,表示了微元體體積

8、的變化;第二部分是以各向主應(yīng)變與m的差值為應(yīng)變值構(gòu)成的應(yīng)變狀態(tài),表示了微元體形狀的變化。1Q圖2-7點的應(yīng)變狀態(tài)1Q圖2-8應(yīng)變狀態(tài)的分解1Q(2-10)應(yīng)變可以通過物體變形前后尺寸的比較來表示(圖2-9)。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)?Q這樣求得的應(yīng)變稱為相對主應(yīng)變(又稱條件應(yīng)變)。相對應(yīng)變只考慮了物體變形前后尺寸的變化量,根本沒有考慮材料的變形是一個逐漸積累的過程。因為在實際變形過程中,尺寸l0系經(jīng)過無窮多個中間數(shù)值而逐漸變成ln,用微積分的方法,設(shè)dl是每一變形階段的長度增量,則總的變形程度為(2-11)1、2和3反映了物體變形

9、的實際情況,故稱之為實際應(yīng)變或?qū)?shù)應(yīng)變。為正值表示伸長變形,為負(fù)值則為壓縮變形。1Q圖2-9變形前后尺寸的變化1Q圖2-10主應(yīng)變圖1Q四、塑性變形時應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系物體彈性變形時,其變形是可以恢復(fù)的,變形過程是可逆的,與變形物體的加載過程無關(guān),應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系可以通過廣義胡克定律來表示。但是,當(dāng)外載荷所引起的應(yīng)力超過了物體的屈服強度以后,其應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系就不同了。1Q在單向受拉或單向受壓時的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系可以用硬化曲線或用硬化曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示(參見本章第三節(jié))。在受到二向以上應(yīng)力作用時的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下,其應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系是相當(dāng)復(fù)雜的。經(jīng)研究,當(dāng)采取簡單加載(加載過程中只能加載不

10、能卸載,應(yīng)力分量之間應(yīng)按一定的比例增加)時,塑性變形的每一瞬間,主應(yīng)力與主應(yīng)變之間存在下列關(guān)系:=C(2-14)式中,比值C稱比例常數(shù),在一定的變形條件下,它只與材料的性質(zhì)和變形程度有關(guān),而與變形物體所處的應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)。簡言之,材料一定,變形程度一定,C值也一定。故C值可用單向拉伸試驗求出。1Q式(2-14)也可以表示為=C(2-15)上述塑性變形時的物理方程稱為全應(yīng)變理論,是在簡單加載的條件下建立起來的,一般用來研究小變形問題。但對于沖壓成形中非簡單加載的大變形問題,只要變形過程中是加載,主軸方向變化不太大,主軸次序基本不變,實踐表明,應(yīng)用全應(yīng)變理論也不會引起太大的誤差。換句話說,在沖壓成形

11、的工程計算問題中,只要加載過程近似于簡單加載,就可以引用上述關(guān)系。1Q第三節(jié)冷沖壓成形中的硬化現(xiàn)象1Q二、硬化曲線 在冷變形中材料的變形抗力隨變形程度變化的情況是用硬化曲線來表示的。硬化曲線可以通過拉伸、壓縮或板料的液壓脹形試驗等多種方法求得。繪制硬化曲線時,如果應(yīng)力指標(biāo)采用假象應(yīng)力來表示則稱為假象應(yīng)力曲線。假象應(yīng)力是按各加載瞬間之載荷F除以變形前試樣的原始截面積A0計算的,而沒有考慮變形過程中試樣截面積的變化,因此F/A0并不能反映試件在各變形瞬間的真正應(yīng)力。這種應(yīng)力曲線多用于材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)中,以描述變形程度極小時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。真實應(yīng)力曲線與假象應(yīng)力曲線的不同之處可以從圖2-11中看出

12、。一、硬化現(xiàn)象1Q圖2-11金屬的應(yīng)力應(yīng)變圖1真實應(yīng)力曲線2假象應(yīng)力曲線1Q圖2-12各種材料的硬化曲線 圖2-12是用實驗求得的幾種金屬在室溫下的硬化曲線。1Q用直線代替硬化曲線的實質(zhì)是:在實際應(yīng)力()實際應(yīng)變()坐標(biāo)系中的硬化曲線上,于細(xì)頸點處作一切線來近似代替實際硬化曲線,如圖2-13所示。該硬化直線方程式為=0+D (2-16)1Q三、拉伸試驗的卸載規(guī)律和反載軟化現(xiàn)象1.加載卸載規(guī)律 拉伸實際應(yīng)力曲線所代表的是單向拉伸加載時材料的拉應(yīng)力與拉應(yīng)變之間的關(guān)系1Q如果加載以后卸載,這時應(yīng)力與應(yīng)變之間的變化規(guī)律是怎樣的呢?由圖2-14可知,拉伸變形在彈性范圍內(nèi),應(yīng)力與應(yīng)變是直線關(guān)系,在彈性變形

13、范圍內(nèi)卸載,應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)匀话凑胀恢本€回到原點O,沒有殘余變形;如果將試樣拉伸至超過屈服點A,到達(dá)B點(B,B),再逐漸減少拉力,這時應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系則沿BC直線逐漸降低,直至載荷為零,而不再沿BAO路線返回。卸載直線BC正好與加載時彈性變形的直線段相平行,于是加載時的總應(yīng)變B就會在卸載后一部分(t)因彈性回復(fù)而消失,另一部分(s)仍然保留下來成為永久變形,即B=t+s。彈性回復(fù)的應(yīng)變量為t=(2-18)1Q圖2-13硬化直線1Q圖2-14拉伸卸載實際應(yīng)力曲線1Q2.卸載重新加載應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律材料在變形程度為B時的屈服點,進(jìn)而可以認(rèn)為,在塑性變形階段,實際應(yīng)力曲線上每一點的應(yīng)力值都可理解為材料在相

14、應(yīng)的變形程度下的屈服點。1Q第四節(jié)冷沖壓材料及其沖壓成形性能1Q一、材料的沖壓成形性能 材料對各種沖壓加工方法的適應(yīng)能力稱為材料的沖壓成形性能。材料的沖壓性能好,就是指其便于沖壓加工,一次沖壓工序的極限變形程度和總的極限變形程度大,生產(chǎn)率高,容易得到高質(zhì)量的沖壓件,模具使用壽命長等。由此可見,沖壓成形性能是一個綜合性的概念,它涉及的因素很多,但就其主要內(nèi)容來看,有兩個方面,即一是成形極限;另一是成形質(zhì)量。成形極限與成形質(zhì)量也正是沖壓工藝與沖模設(shè)計所要研究的兩個核心課題。1Q1.成形極限在沖壓成形過程中,材料的最大變形限度稱為成形極限。對于不同的成形工序,成形極限是采用不同的極限變形系數(shù)來表示的

15、。2.成形質(zhì)量沖壓件的質(zhì)量指標(biāo)主要是尺寸精度、厚度變化、表面質(zhì)量以及成形后材料的物理力學(xué)性能等。影響工件質(zhì)量的因素很多,不同沖壓工序的情況又各不相同,這里只對一些共性的規(guī)律作簡略介紹。1Q二、板料的沖壓成形性能試驗 板料的沖壓性能試驗方法很多,大致可分為間接試驗和直接試驗兩類。1.間接試驗 間接試驗方法有拉伸試驗、剪切試驗、硬度試驗、金相試驗等1Q 板料的拉伸試驗:在待試驗板料的不同部位和方向上截取試料,按標(biāo)準(zhǔn)制成如圖2-15所示的拉伸試樣,然后在萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸。根據(jù)試驗結(jié)果或利用自動記錄裝置,可得如圖2-16所示的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系曲線,即拉伸曲線。圖2-15拉伸試驗用的標(biāo)準(zhǔn)試樣

16、1Q圖2-16拉伸曲線1Q通過拉伸試驗可測得板料的各項力學(xué)性能指標(biāo)。板料的力學(xué)性能與沖壓成形性能有很緊密的關(guān)系,現(xiàn)就其中較為重要的幾項說明如下:(1)總伸長率與均勻伸長率b是在拉伸試驗中試樣破壞時的伸長率,稱為總伸長率,簡稱伸長率。 b表示板料產(chǎn)生均勻變形或稱穩(wěn)定變形的能力。一般情況下,沖壓成形都在板材的均勻變形范圍內(nèi)進(jìn)行,故b對沖壓性能有較為直接的意義。在伸長類變形工序,如翻孔、擴(kuò)口、彎曲(指外區(qū))、脹形等工序中,b越大,則極限變形程度越大。1Q(2)屈強比(s/b)s/b是材料的屈服強度與抗拉強度的比值,稱為屈強比。在壓縮類變形工藝中,例如,拉深時,當(dāng)屈強比小,即材料的屈服強度s低時,則變

17、形區(qū)的切向壓應(yīng)力較小,板料失穩(wěn)起皺的趨勢小,防止起皺所需的壓料力和需要克服的摩擦力也相應(yīng)減小,從而降低了總的變形力,也就減輕了傳力區(qū)的載荷。而抗拉強度b高,則傳力區(qū)的承載能力大,所以說屈強比小有利于成形極限的提高。(3)硬化指數(shù)n硬化指數(shù)n表示材料在冷塑性變形中材料硬化的強度。1Q(4)板厚方向性系數(shù)rr=(2-19)(5)板平面方向性板料經(jīng)軋制后其力學(xué)、物理性能在板平面內(nèi)出現(xiàn)各向異性,稱為板平面方向性。 板平面方向性主要表現(xiàn)為力學(xué)性能在板平面不同方向上的差別,但在表示板材力學(xué)性能的各項指標(biāo)中,板厚方向性系數(shù)對沖壓性能的影響比較明顯,故板平面方向性的大小一般用板厚方向性系數(shù)r在幾個方向上的平1

18、Q2.直接試驗在沖壓性能的直接試驗中,試樣所處的應(yīng)力狀態(tài)和變形特點基本上與實際生產(chǎn)的沖壓過程相同(故又稱模擬試驗),所以能較為可靠地鑒定板料的沖壓成形性能。下面簡要介紹幾種較為重要的試驗方法。(1)彎曲試驗彎曲試驗的目的主要是為了鑒定板料對彎曲成形的適應(yīng)性。1Q圖2-17往復(fù)彎曲試驗(2)脹形試驗(杯突試驗)脹形試驗的原理如圖2-19所示。(3)拉深性能試驗確定板料拉深性能的試驗方法主要有下面幾種形式1Q1)拉楔試驗。圖2-18彎曲試驗1Q圖2-19脹形試驗1Q圖2-20拉楔試驗1Q圖2-21確定最大拉深程度的試驗2)確定最大拉深程度的試驗。1Q3)拉深力對比試驗。T=100%(2-23)4)球底錐形件拉深試驗(福井試驗)大部分空心件拉深時,凸緣區(qū)材料向內(nèi)流動的拉深變形和傳力區(qū)材料變薄的脹形變形都是同時進(jìn)行的。圖2-22拉深力對比試驗1Q圖2-23球底錐形件拉深試驗1Q三、對冷沖壓材料的基本要求沖壓所用的材料,不僅要滿足產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)要求,還應(yīng)當(dāng)滿足沖壓工藝的要求和沖壓后的加工要求(如切削加工、電鍍、焊接等)。沖壓工藝對材料的基本要求主要是:1.對沖壓成形性能的要求 對于成形工序,為了有利于沖壓變形和制