塑性成型工艺（冲压）主讲:刘建---版权所有(2008-2009)主要内容：一、冲压变形的基本原理概述二、冲压材料及其冲压成形性能学习目的与要求：◆掌握金属塑性变形的基本概念◆掌握板料冲压性能和常见的冲压材料；◆了解塑性变形的力学基础和冲压成形方法的力学特点教学难点与重点：◆重点：塑性变形、塑性、变形抗力、主应力状态、主应变状态等概念、冲压成形基本规律及应用、冲压成形性能指标、常见冲压材料及其在图纸上的表示；◆难点：冲压成形基本规律、冲压成形性能。

1、金属塑性变形的基本概念在外力的作用下，金属产生的形状和尺寸变化称为变形，变形分为弹性变形(elastic deformation )与塑性变形(plastic deforma tion )．弹性(elasticity )：卸载后变形可以恢复特性，可逆性 塑性(plasticity )：物体产生永久变形的能力，不可逆性1.1 塑性变形的物理概念外力破坏原子间原有的平衡状态，造成原子排列的畸变，引起金属形状和尺寸的变化。

变形的实质是原子间的距离产生变化。

塑性变形：金属形状和尺寸产生永久改变，这种改变不可恢复，该变形称为塑性变形。

弹性变形：作用于物体的外力去除后，由于外力引起的变形随之消失，物体能完全恢复自己的原始形状和尺寸。

1.2塑性变形的基本方式单晶体：滑移（slip)、孪生(twinning)多晶体的塑性变形: 晶内、晶间变形后形成的组织改变：纤维组织、变形织构1.3 金属的塑性与变形抗力1.塑性及塑性指标塑性：指金属在外力的作用下，能稳定的发挥塑性变形而不破坏其完整性的能力。

塑性指标：常用的塑性指标有延伸率断面收缩率2.变形抗力金属产生塑性变形的力为变形力，金属抵抗变形的力称为变形抗力。

%100L L L 00K ⨯-=δ%10000⨯-=A A A K ψ塑性与变形抗力是两个不同的概念：塑性：反映变形的能力。

变形抗力：是塑性变形的难易程度。

4）尺寸因素：对同一材料，在其他条件相同时，尺寸越大，塑性越差，变形抗力越小。

1）变形温度：一般随温度升高，塑性增加，变形抗力下降。

2、影响金属塑性和变形抗力的因素2）应变速率：应变速率是指单位时间内应变的变化量。

应变速率太大变形抗力增加，塑性降低。

3）应力、应变状态：在主应力状态中，静水压力越大，塑性越好；静水应力的绝对值越大，变形抗力越大。

静水应力：1233m σσσσ++=弹性变形时，物体体积的变化与平均应力成正比。

塑性变形的物体的体积保持不变，塑性变形前的体积等于其变形后的体积。

1230εεε++=3、塑性变形体积不变条件推论：﹡塑性变形时，只有形状的变化，而无体积的变化；﹡不论什么应变状态，其中一个主应变的符号与另外两个主应变的符号相反,这个主应变的绝对值最大，称为最大主应变；﹡已知两个应变就可求第三个应变。

﹡任何一种物质的塑性变形方式只有三种，与此对应的主应变状态图也只有三种。

塑性条件是指受力物体内不同应力状态下的质点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所需遵守的条件，也称屈服准则。

1）屈雷斯加（H.Tresca ）准则max min max 22s σσστ-==4、塑性条件（屈服准则）又称最大切应力不变条件2）米塞斯（Von.Mises ）准则13s σσβσ-=工程上一般用：4、塑性条件（屈服准则）（续）或又称常量形变能量准则屈服准则的几何表示：在平面应力状态时，屈服准则可用屈服轨迹来表示。

试验表明，对于绝大多数金属材料，米塞斯准则较之屈雷斯加准则更接近于实验数据。

这两个屈服准则实际上相当接近，对有两个主应力相等的应力状态来说，两个准则完全一致。

5、金属塑性变形时的应力应变关系弹性变形阶段：应力与应变之间的关系是线性的、可逆的、变形是可恢复的，与加载历史无关。

塑性变形阶段：应力与应变之间的关系则是非线性的、不可逆的，与加载历史有关。

εσE =（虎克定律）5、金属塑性变形时的应力应变关系（续）1）增量理论（流动理论）增量理论仅适用于理想刚塑性材料，虽比较严密，但在解决实际问题时颇为不便。

专业学者又提出了全量理论。

312123m m md d d d λεεεσσσσσσ===---——瞬间的应变增量与相应应力的关系、金属塑性变形时的应力应变关系（续）2）全量理论（流动理论）λσσεεσσεεσσεε=--=--=--mm m m m m 332211由于塑性变形时体积不变，即，所以上式可写成：0=m ελσσεσσεσσε=-=-=-mm m 332211——主应变差与主应力差成比例5、金属塑性变形时的应力应变关系(续）假如塑性变形过程中的主应力方向不变，而且各应力之间的比例也保持不变，全量理论与增量理论的计算结果是一致的。

所以在这种情况下完全可以应用全量理论。

在不进行详细的理论与计算的条件下，利用全量理论,并结合塑性变形体积不变定律，可以对塑性变形中某些特定的、有代表性的应变和应力的性质作出大致的分析和判断。

如：1322σσσ+=1）平面应变时，必定有如宽板弯曲时，宽度方向的变形为零，即属于这种情况。

123mσσσσ===2）当时，毛坯受三向等拉或三向等压应力状态作用。

毛坯不产生塑性变形，仅有弹性变形。

3）当10σ>而且230σσ==毛坯受单向拉伸，有10ε>12322εεε=-=-如翻边工艺。

10σ<而且230σσ==毛坯受单向压缩，有10ε<32122εεε-==如缩口工艺。

6）当1230σσσ<<<在最小压应力方向为压缩变形，在最大压应力方向为伸长变形。

4）当毛坯受两向等拉时120σσ=>而且30σ=12312εεε==-如平板毛坯胀形时中心部位的变形1230σσσ>>>在最大拉应力方向为伸长变形，在最小拉应力方向为压缩变形。

如胀形工艺，两向受拉，在拉应力作用方向上为伸长变形，在没有主应力作用的厚度方向的变形为压缩变形。

5）当加工硬化有利及不利方面有利方面:板料硬化能够减小过大的局部变形,使变形趋于均匀,增大成形极限,同时也提高了材料的强度不利方面:使进一步变形困难.6、金属塑性变形的一些基本规律加工硬化：材料的强度指标随变形程度的增加而增加,塑性随之降低。

引起材料力学性能的变化。

硬化曲线：实际应力曲线或真实应力曲线。

表示硬化规律。

σ=Aεn这种变化规律可近似用指数曲线表示。

A-强化系数n-硬化指数A 、n 与材料种类和性能有关1）硬化规律几种常用冲压板料的硬化曲线硬化指数是表明材料冷变形硬化性能的重要参数，对板料的冲压性能以及冲压件的质量都有较大的影响。

表示变形抗力随变形程度增加而变化的曲线6、金属塑性变形的一些基本规律（续）2）卸载弹性恢复规律和反载软化现象E B t /σε=6、金属塑性变形的一些基本规律（续）3）最小阻力定律在塑性变形中，破坏了金属的整体平衡而强制金属流动，当金属质点有向几个方向移动的可能时，它向阻力最小的方向移动。

在冲压加工中，板料在变形过程中总是沿着阻力最小的方向发展。

这就是塑性变形中的最小阻力定律。

弱区先变形，变形区为弱区6、金属塑性变形的一些基本规律（续）3）最小阻力定律（续）在同一个冲模外力的直接作用下，毛坯的各个部分都有产生某种形式的塑性变形的可能，但是，由于受模具外力作用方式与以及毛坯各部分的几何形状与尺寸的不同，在所有各种可能发生的变形方式中，需要变形力最小的部分(弱区)首先变形。

即“弱区先变形，变形区为弱区”，这个原则对所有冲压成形过程都适用。

3）最小阻力定律（续）变形趋向性的控制﹡合理地确定毛坯尺寸（图4 ）﹡正确设计模具工作部分形状和尺寸﹡改变毛坯与模具表面的摩擦条件﹡改变坯料局部区域的温度1、冲压成形性能材料的冲压成形性能：材料的冲压性能好成形极限高成形质量好便于冲压加工冲压成形性能是一个综合性的概念成形极限高成形质量好材料对各种冲压加工方法的适应能力。

冲压加工的依据。

成形极限：指材料在冲压成形过程中能达到的最大变形程度。

成形质量：是指材料经冲压成形以后所得到的冲压件能够达到的质量指标，包括尺寸精度、厚度变化、表面质量及物理力学性能等。

2、冲压成形性能的试验方法：间接试验和直接试验间接试验有拉伸、剪切、硬度和金相试验等。

直接试验又称模拟试验，是直接模拟某种冲压方式进行的，能可靠地鉴定板料的冲压性能。

如弯曲、胀形、拉深试验。

3．板料的机械性能与冲压成形性能的关系板料的强度指标越高，产生相同变形量的力就越大；塑性指标越高，成形时所能承受的极限变形量就越大；刚度指标越高，•成形时抵抗失稳起皱的能力就越大。

不同冲压工序对板料的机械性能的具体要求有所不同。

3．板料的机械性能与冲压成形性能的关系(续）在翻边、扩口、弯曲、胀形等工序中，均匀伸长率越大，则极限变形程度越大。

（1）伸长率δ或均匀伸长率bδ（2）屈服极限sσ屈服极限小，材料容易屈服，成形后回弹小，贴模性和定形性好。

拉伸试验中，试样破坏时的伸长率，即总伸长率拉伸试验中，开始产生局部集中变形时（刚出现细颈时）的伸长率，表示板料产生均匀变形或稳定变形的能力σσ（3）屈强比/s b屈强比小，材料易进入塑性变形，而又不容易产生破裂。

这对所有冲压成形都有利。

（4）应变硬化指数n硬化指数表示材料在冷塑变形中材料硬化的程度。

数值越大，硬化效应就大。

变形抗力越大。

可以弥补截面积减小而引起的承载能力的减弱。

其他指标，如塑性应变比，板平面方向系数，应变速率敏感系数等对冲压成形也有影响。

（5）厚向异性指数厚向异性指数是指单向拉伸试样宽度应变和厚度应变之比。

（6）板平面各向异性指数2/)2(45900r r r r -+=∆对拉深件质量的影响tb r εε/=大小反映平面和厚度方向变形难易程度的比较，r 越大，平面方向越易变形，厚度方向较难变形，对拉深有利4、冲压材料（1）对冲压材料的要求a．对冲压成形性能的要求：对成形工序，材料应具有良好的塑性，屈强比和屈弹比小，板厚各向异性指数r大，板平面各向异性指数Δ r小。

对于分离工序，只要求材料有一定的塑性，而对材料的其他成形性能指标没有严格的要求。

b．对材料厚度公差的要求：因为一定的模具间隙适用于一定厚度的材料，若材料的厚度公差太大，不仅直接影响冲件的质量，还可能导致模具或压力机的损坏。

c．对表面质量的要求：材料的表面应光洁平整，无氧化皮、裂纹、锈斑、划伤、分层等缺陷。

因为表面质量好的材料，成形时不易破裂，也不易擦伤模具，冲件的表面质量也好。

（2）常用冲压材料及选用1）黑色金属、有色金属、非金属材料冲压用金属材料的供应状态一般是各种规格的板料和带料。

板料的尺寸较大，可用于大型零件的冲压，也可将板料按排样尺寸剪裁成条料后用于中小型零件的冲压；带料（又称卷料）有各种规格的宽度，展开长度可达几十米，成卷状供应，适应于大批量生产的自动送料。