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1、冲压工艺与模具设计Stamping Technology and Mould Design 第1章 冲压成形的基本理论【主要内容】1.1 塑性变形与应力应变 1.2 加工硬化与硬化曲线 1.3 板料的力学性能与冲压性能的关系 1.4 冲压用材料【重点】塑性条件 塑性变形时应力与应变之间的关系 板料的机械性能与冲压性能的关系第1章 冲压成形的基本理论21.1 塑性变形与应力应变一、应力应变状态 1.概念 单元体的应力状态可用相互垂直表面上的应力来表示：（回第5页）31.1 塑性变形与应力应变沿坐标方向可将这些应力分解为九个应力分量，包括三个正应 力和六个剪应力。根据互相垂直平面上切应力互等定律，
2、有。因此，若已知三个正应力和三个剪应力，那么该点的应力状态就可以确定了。v 主轴各表面上只有正应力而无剪应力时的坐标轴 v 主方向主轴所在的方向 v 主应力主轴坐标系下的正应力 v 主平面主应力作用面 （转3页看图）42.主剪应力 在与主平面成45截面上的剪应力达到极值时称为主剪应力。如果 则最大剪应力与材料的塑性变形关系很大。 3.应力状态的分类 v 三向应力状态三个主方向上都有应力的状态 v 平面应力状态三个主应力中有一个为零 v 单向应力状态三个主应力中有两个为零 1.1 塑性变形与应力应变54.应变状态 当采用主轴坐标系时，单元体六个面上只有三个主应变分量，而没有剪应变分量。 实践证明
3、：塑性变形时，单元体主要是发生形状的改变，而 体积的变化很小，可以忽略不计，即认为：体积不变定律，反映了三个主应变之间的相互关系。根 据体积不变定律，塑性变形时只可能有三向应变状态和平面 应变状态，而不可能有单向应变状态。 1.1 塑性变形与应力应变61.1 塑性变形与应力应变二、塑性条件 P15塑性条件又称为屈服准则或屈服条件，是描述不同应力状态下 变形体内质点开始产生塑性变形并使塑性变形继续进行所必须 遵循的条件。当材料中某点处于单向应力状态时，只要该点的应力达到材料 的屈服极限，该点就进入塑性状态。可是对于复杂的多向应力 状态，就不能仅根据某一个应力分量来判断该点是否达到塑性 状态，而要
4、同时考虑其他应力分量的作用。只有当各个应力分 量之间符合一定的关系时，该点才开始屈服，这种关系就是塑 性条件。 目前所公认的塑性条件有下面两种： 屈雷斯卡(HTresca) 塑性条件（最大剪应力理论） 密塞斯(von Mises) 塑性条件 71. 屈雷斯卡塑性条件（最大剪应力理论） 屈雷斯卡提出：任意应力状态下，只要最大剪应力达到某临界值 （与应力状态无关）后，材料就开始屈服。通过单向拉伸试验可 得出，此临界值等于材料屈服极限的一半。设 ，则最大剪应力理论可表示为：或 这一理论形式简单，与试验结果基本相符，用于分析板料成形问 题有足够的精度。但其忽略了中间应力的作用，因此不够完善。 1.1
5、塑性变形与应力应变82. 密塞斯塑性条件 密塞斯提出：任意应力状态下，当某点的等效应力 达到某 一临界值（与应力状态无关）时，材料就开始屈服。通过单向 拉伸试验可得出，此临界值等于材料的屈服极限 。等效应力：则密塞斯塑性条件可表达为： 1.1 塑性变形与应力应变9经过计算可知，两个条件之间差别很小。若把上式进行简化， 消去 ，可得下式： 是与应力状态有关的参数，它反映了中间主应力的影响，其取值范围为 。在应力分量未知的情况下， 可取近似平均值1.1。 1.1 塑性变形与应力应变101.1 塑性变形与应力应变三、塑性变形时应力与应变之间的关系 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
6、系。 图示为材料单向拉伸加载曲线： 11由该曲线可以发现：材料屈服后，应力应变不再是线性关系；变形过程是不可逆的；在同一个应力下，加载历史不同，应变也不同。即在塑性变 形时，应变不仅与应力大小有关，而且与加载历史有着密切的 关系。一般来说在发生塑性变形时应力与应变之间不存在对应 关系。目前，用来解决塑性变形时应力与应变之间关系的理论有两种 增量理论和全量理论。 1.1 塑性变形与应力应变121.增量理论 撇开整个变形过程，取加载过程中某个微量时间间隔 来研 究，得出了应力与应变增量之间的关系，称为增量理论：（等效应变 ）若引入平均应力 ，可得：1.1 塑性变形与应力应变132.全量理论 加载过
7、程中所有的应力分量均按同一比例增加简单加载。在 简单加载情况下应力应变关系得到简化，得出了全量理论：若引入平均应力 ，可得：在板料成形中要严格满足简单加载条件是不现实的。实践证明： 工程问题的分析计算，只要近似满足简单加载条件，使用全量理 论是允许的，这样便大大简化了分析计算过程。1.1 塑性变形与应力应变143.应力应变关系分析 利用全量理论可得出以下结论： (1)应力分量与应变分量的性质不一定一致，即拉应力不一定对 应拉应变，压应力不一定对应压应变： v 当 时，可得在最大拉应力方向上一定是拉应 变，而在最小拉应力方向上一定是压应变； v 当 时，可得最小压应力(绝对值最大的压应 力)方向
8、上一定是压应变，而在最大压应力(绝对值最小的压应 力)方向上一定是拉应变。1.1 塑性变形与应力应变15(2)某方向应力为零，其应变不一定为零。 (3)在任何一种应力状态下，应力分量与应变分量的大小次序是 相对应的，即若 ，则 。 (4)若有两个应力分量相等，则对应的应变分量也相等。1.1 塑性变形与应力应变16由此可见，在多向应力状态下，应变状态不能只看该方向上的应 力性质，还要看其大小关系。由全量理论可以得出如下结论： 在多向应力状态下，应变状态（变形性质）可通过比较该方向的 应力与平均应力的大小关系（代数值）来确定大于平均应力 时一定产生拉应变（伸长变形），小于平均应力时一定产生压应 变
9、（压缩变形），等于平均应力时一定没有变形。1.1 塑性变形与应力应变171.1 塑性变形与应力应变生产中把板料成形的受力与变形状况概括为两大类： v 伸长类变形变形区的拉应力绝对值最大，主要变形为沿 该方向的伸长变形； v 压缩类变形变形区的压应力绝对值最大，主要变形为沿 该方向的压缩变形。181.2 加工硬化与硬化曲线一.加工硬化现象 材料在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，其变形抗力和 硬度提高而塑性下降。加工硬化对塑性变形的影响: v 不利的一面使所需的变形力增加，而且限制了材料进一步 的变形。 v 有利的一面板料硬化能够减小过大的局部变形，使变形趋 于均匀，从而增大成形极限，同时也提
10、高了材料的强度。191.2 加工硬化与硬化曲线二.硬化曲线 材料的变形抗力随变形程度变化的情况可用硬化曲线来表示。 低碳钢拉伸的应力-应变曲线： 201.2 加工硬化与硬化曲线但该曲线并未反映出材料加工硬化的真实情况： v 图中表示的应力都是以变形前试样的原始截面积计算的名义应 力，而没有考虑变形过程中试样截面积的减小。 v 横坐标的应变值是名义应变，只考虑了变形前、后两个状态试 样的尺寸，而未考虑材料变形是一个逐渐积累的过程，即应变 与材料变形的全过程有关。为了真实地反映出硬化规律，必须采用真实应力与真实应变来 表示： 真实应力真实应变211.2 加工硬化与硬化曲线按照真实应力和真实应变即可
11、做出真实应力应变曲线： 221.2 加工硬化与硬化曲线比较：两者在屈服点以前的直线段几乎没有区别，但在缩颈处的 真实应力并不是最大值，产生缩颈后，其真实应力继续增加，至 k点断裂，此时的真实应力值 称为断裂强度。真实应力应变曲 线更符合塑性变形的实际情况，故在板料成形中被广泛采用。231.2 加工硬化与硬化曲线生产中应用的是近似硬化曲线硬化直线和指数曲线：1.硬化直线硬化曲线上缩颈点处的切线。两种： 硬化直线 用真实应力与名义应变建立坐标系，硬化曲线上缩颈点处的切线 斜率为 。该直线在应变轴上的截距为1，在应力轴上的截距为 ，即直线方程为：241.2 加工硬化与硬化曲线 硬化直线 用真实应力与
12、真实应变建立坐标系，硬化曲线上缩颈点处的切线 斜率为 。该直线在应变轴上的截距为 ，在应力轴上的截距为 即直线方程为：251.2 加工硬化与硬化曲线由上可知，硬化直线制作简单，只需要缩颈点的应力与应变即可确立。但用其代替硬化曲线时仅在缩颈处误差较小，当变形 较大或较小时，实际硬化曲线和硬化直线之间差异很大，所以 板料成形中经常采用指数曲线。 261.2 加工硬化与硬化曲线2.指数曲线表达式为： C塑性系数； 硬化指数。C和 取决于材料种类和性能，可通过拉伸试验获得。是表示材料冷变形时硬化性能的重要参数，对板料的冲压成 形性能及冲压质量都有很大影响。 271.3 板料的机械性能与冲压性能的关系
13、一、板料的冲压性能 是指板料对各种冲压成形工艺的适应能力。 板料在成形过程中可能出现两种失稳现象： v 拉伸失稳板料在拉应力作用下局部出现缩颈或断裂； v 压缩失稳板料在压应力作用下出现起皱。281.3 板料的机械性能与冲压性能的关系 板料在失稳前可以达到的最大变形程度称为成形极限，分为总体 成形极限和局部成形极限: v 总体成形极限反映板料失稳前总体尺寸可以达到的最大变形程 度，如极限拉深系数、极限胀形高度和极限翻孔系数等，通常 作为规则形状零件冲压工艺设计的重要依据。 v 局部成形极限反映板料失稳前局部尺寸可以达到的最大变形程 度。由于复杂零件变形的不均匀性，板料各处的变形差别很大 ，因此
14、必须用局部成形极限来描绘零件上各点的变形程度。291.3 板料的机械性能与冲压性能的关系 板料的冲压性能包括抗破裂性、贴模性和定形性等几个方面： v 抗破裂性冲压过程中产生开裂的难易程度。 v 贴模性冲压过程中取得与模具形状一致性的能力。成形过 程中发生的起皱、塌陷等缺陷，均会降低零件的贴模性。 v 定形性零件脱模（离开模具）后保持其在模具内既得形状 的能力。影响定形性的主要因素是回弹。贴模性和定形性是决定零件形状和尺寸精度的重要因素。但当材 料抗破裂性差，会导致零件严重破坏，且难于修复，因此，在冲 压生产中主要用抗破裂性作为评定板料冲压成形性能的指标。301.3 板料的机械性能与冲压性能的关
15、系 二、板料的机械性能与冲压性能的关系对冲压成形性能影响较大的机械性能指标有以下七项：1屈服极限 小好屈服极限小，材料容易屈服，则变形抗力小，产生相同变形所需变形力就小。在压缩变形时，因易于变形而不易出现起皱； 对弯曲变形则回弹小，即贴模性与定形性均好。 311.3 板料的机械性能与冲压性能的关系 2屈强比 小好屈强比对板料成形性能有较大的影响。屈强比小即 小而 大，在这种情况下容易产生塑性变形而不易产生拉裂，也就是 说，从产生屈服至拉裂有较大的塑性变形区间。尤其是对压缩 类变形中的拉深成形具有重大影响，当变形抗力小而强度高时 ，变形区的材料易于变形不易出现起皱，而传力区的材料又有 较高强度而不易出现拉裂，因而有利于提高拉深成形的变形程 度。 321.3 板料的机械性能与冲压性能的关系 3均匀延伸率 大好试样开始产生局部集中变形(缩颈)时的延伸率称均匀延伸率，表示板料产生均匀的或稳定的塑性变形的能力，直接决定板料 在伸长类变形中的冲压成形性能。实验证明，延伸率或均匀延 伸率是影响翻孔或扩孔成形性能的最主
