金属塑性加工课件
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力 力 力 应力作用线沿z轴方向 应力作用线沿y轴方向 应力作用线沿x轴方向
yx y yz zx zy z
在法线方向为y的面上所作用的应 在法线方向为z的面上所作用的应
xy ＝yx xz ＝zx x xy xz · y yz · · z
yz＝ zy 1 0 0 0 2 0 0 0 3
5. 八面体应力与等效应力
n 1l 2 m 3n
2 2
2 n 2 2 2 2 2
2
1 l 2 m 3 n 2 ( 1l 2 2 m 2 3n 2 ) 2 1 lmn 3
1 8 ( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 3
(a)
(b)
1 1 ( x y ) ( x y ) cos 2 xy sin 2 2 2
1 ( y x ) sin 2 xy cos 2 2
1 1 2 2 2 2 [ ( x y )] [ ( x y )] xy 2 2
反映材料自 偏低 身塑性 小 较大
4.主剪应力和最大剪应力 2 2 2 将 n S n 式以 n2＝1-l2-m2代 入，分别对l、m求偏导 23＝±（ 2－3）/2 31＝±（3－1）/2 12＝ ±（1－2）/2 若1 >2 >3，则max＝±（3－1）/2 对塑性变形有决定性的作用。
s
2 2 n
2
s x l
s y m
s z n
( x )l yx m zxn 0
xy l ( y )m zy n 0 xy l yz m ( z )n 0
x yx zx xy y zy 0 xz yz z
J1 J 2 J 3 0
3 2
－－求主应力的特征方程
2 xy 2 yz 2 zx
J1 x y z J 2 ( x y y z z x )
2 2 2 J 3 x y z 2 xy yz zx ( x yz y zx z xy )
D
D'
(a)
(b)
应力面与应力莫尔圆
① 物理平面上一对正交面上的应力x 、xy和 y 、yx在莫尔圆上可用相互成角的A和A'两 点表示，莫尔圆上正方向的剪应力表示物理 平面上的顺时针的剪应力。 ② 直径AA'与坐标轴的交点必为莫尔圆的圆 心，莫尔圆与坐标轴的交点表示该平面应 力状态的两个主应力 1 和 2 ，过圆心 C 与 轴垂直的直线与莫尔圆的交点D和D'表示该 应力状态的最大和最小剪应力。 ③ 上图中与x面成角斜面上的应力在应力莫 尔圆上则用与AA'成2 角的坐标点B表示。
S S S S
2 2 x 2 y
2 z
ABC S x OBC x OCA yx OAB zx
S x x l yx m zx n
s y xyl y m zy n
s z xz l zy m z n
2.摩擦力的分析要点 （1）塑性加工过程中摩擦的特点 a. 伴随有变形金属的塑性流动 b. 各处摩擦力方向可能不同 c. 接触面上压强高 d. 真实接触面积大 e. 不断有新的摩擦面产生 f. 常在高温下发生摩擦
（2）摩擦对塑性加工过程的影响 有利的一面：轧制咬入Байду номын сангаас开式模锻 金属充填、板料拉深防裂
2.特点 ①材料利用率高。 ②生产效率高。 ③产品质量高，性能好，缺陷少。 ④加工精度和成形极限有限。 ⑤模具、设备费用昂贵。 3.应用
二、金属塑性加工分类
体积成形 轧制 挤压 拉拔 锻造 剪切 弯曲 拉深 胀形
板料成形
• 体积成形：坯料一般为棒材或扁坯，坯料 经受很大的塑性变形，坯料的形状或横截 面以及表面积与体积之比发生显著的变化。 • 板料成形：坯料是各种板材或用板材预先 加工成的中间坯料，板材的形状发生显著 变化，但其横截面形状基本上不变。
应变类型 简单拉伸 类 d1=d3= －d2/2
简单压缩 平面应变 拉伸类 d1>0 类 类 d1=d2= d2＝0 d2<0 －d3/2 d3<0
小结： 尽管主应力的数目不等，符号不一， 但由于应力偏量相似，所以产生类似的变 形，即轴向伸长，横向收缩。
7. 应力莫尔圆 — — 一点应力状态的几何表示 （1）平面应力状态莫尔圆
应变状态：压缩应变有利于塑性的发挥， 拉伸应变对塑性不利。
3. 提高金属塑性的基本途径 （1）提高材料成分和组织的均匀性 （2）合理选择变形温度和应变速率 （3）选择三向压缩性较强的变形方式 挤压、开式模锻、自由锻 （4）减少变形的不均匀性
二、塑性加工过程受力分析
1.正压力的分析要点 正压力是指工具与工件接触面上的垂直 作用力。 注意：塑性变形过程中接触面的变化以及约 束 面上存在着的反压力。同时注意塑性变形 整个过程中的受力, 而不是仅关注瞬时的受力。
第一节 塑性加工基础
• 任务：阐明金属在各种塑性成型时的共同 性； • 目的：为下面的工艺分析作理论准备，也 为合理制订塑性成型工艺规范及选择设备、 设计模具奠定理论基础。 对金属塑性成型工艺应提出如下要求： (1)使金属具有良好的塑性； (2)使变形抗力小；
(3)保证塑性成型件质量：组织均匀、晶 粒细小、强度高、残余应力小等； (4)能了解变形力，以便为选择成型设备、 设计模具提供理论依据。 要求：讲述塑性成型的物理基础和力学 基础，即掌握金属塑性变形体内的应 力场、应变场、应力－应变之间的关 系及塑性变形时的力学条件。
一、金属在塑性加工过程中的 塑性行为
1. 模拟实际塑性加工过程的试验方法： （1）偏心轧辊轧制矩形试样 （2）杯突试验
2. 影响金属塑性的因素： （1）金属的化学成分和组织 （2）变形温度 （3）应变速率 （4）变形力学条件： 应力状态：在主应力状态下，压应力个数 越多、数值越大，金属的塑性越好。
主应力状态图：
单向 双向 三向
应力张量不变量： 第一不变量：J1＝ 1+ 2+3 第二不变量：J2＝－（ 1 2+ 2 3 + 3 1） 第三不变量：J3＝ 1 23
• 应力张量不变量的意义： J1— 平均应力
J1的数值 体积变化 对多孔材料 的压实 塑性 作用在工具 上单位力的 绝对值 J1＝0 V＝0 无效果 J1>0 V>0 反效果 J1<0 V<0 效果好 偏高 大或很 大
• 小结：描述一点应力状态的必要条件为 过该点三个互相垂直坐标上的六个独立 应力分量或三个主应力。 2. 任意斜面上的应力 — — 描述一点应力状态的充分条件 可以证明：只要已知受力物体上过某一点 的一组三个互相垂直坐标面上的六个应 力分量或主坐标面上的三个主应力，则 与三个坐标轴任意倾斜的平面上的应力 都可求出。
n S xl S y m S z n
n xl ym z n 2( xylm yzmn zxnl)
2 2 2
S
2 n 2
2 n
3. 应力张量、主应力及应力不变量 张量：指由一组坐标系变换到另一组 坐标系时，研究对象的分量若能按照一 定规律变化，则称这些分量的集合为张 量。
塑性变形主要与应力偏量有关。
J2— 反映变形体内切应力的综合影响，屈 服准则用到。
J2值 受应力点所 处状态 J2<s2/3 弹性 J2=s2/3 初始屈服 J2>s2/3 加工硬化
J3— 决定应变类型。 (s=(3J2')1/2)
J3' 2 s3/27 －2 s3/27 0 2 s3/27> 0> J3'> － J3'>0 2 s3/27 压缩类 d1>0 d2>0 d3<0
金属塑性加工
本课件内容与材料成形力学紧密相关, 可作为复习时的补充内容
绪
论
•金属塑性加工的定义、特点、 应用状况 •金属塑性加工分类 •本章目的及内容
一、金属塑性加工的定义、 特点、应用状况
1. 定义： 金属塑性加工是利用金属的塑 性，通过外力使金属铸锭、金属粉末或 各种金属坯料发生塑性变形，成为具有 所需形状、尺寸和性能的制品的加工方 法。
S= 2+ 2 0=S0=P/F0 =Pcos/A=Pcos/(F0/cos)=0cos2
复杂应力状态下描述一点应力状态的必要 条件：
一点应力状态表示方法： x xy xz 在法线方向为x的面上所作用的应
轧制示意图
板 材
拉拔示意图
实心
空心
挤压示意图
正挤
反挤
复合 挤
锻造示意图
镦粗
镦头
拔长
开式
闭式
拉深示意图
胀形示意图
弯曲示意图
形弯
胀弯
辊弯
剪切示意图
切 断
剥 皮
剁 切
修 边
三、本章目的及内容
目 的 掌握基本理论、基本知识，能够正确选择 加工方法。 内 容 1. 塑性加工基本理论：应力、应变状态分 析，屈服准则等。 2. 轧制、挤压、拉拔、锻造和板材成形简介。
（3）工件上近自由表面处的内力
三、应力和应力状态
1. 外力和应力 面力或接触力 体积力：重力、磁力、惯性力 内力：在外力作用下，物体内各质点之间 产生相互作用的力。 应力：单位面积上的内力，称为应力。
=Psin/A=Psin/(F0/cos)= 0sin cos S = 0cos 小结：在单向均匀拉伸的情况下，通过一 点的不同切面上，应力是不同的。只要 已知过一点一个切面上的应力，就可确 定过任意切面上应力。
不利的一面： a. 增加能量消耗 b. 改变应力状态，增加变形抗力，影 响金属流动性及其充填过程 c. 引起变形不均匀 d. 加剧模具的磨损，降低了模具的寿 命
（3）描述接触面上摩擦的数学模型 a. 库仑定律： ＝ µ — 摩擦应力 µ— 摩擦系数 — 摩擦面上的正应力 b. 常摩擦力假设 ＝mK m— 摩擦因子，取值0～1 K— 金属的屈服剪切强度
m 0 0 0 m 0 0 0 m 应力球张量
• 应力偏量的三个主值： ' 1 1 m
' 2 2 m ' 3 3 m • 应力偏量的主剪应力： '23＝±（ '2－'3）/2 ＝±（ 2－3） /2 '31＝±（'3－'1）/2 ＝±（3－1） /2 '12＝ ±（'1－'2）/2 ＝ ±（1－2） /2
3. 工具形状对作用力的影响
4. 关于内力的分析要点 内力产生情况： 为了平衡外力 工件中变形区与非变形区之间的相互作用 变形区的各部分变形不均 （1）受拉与受压
（2）径向应力与切向应力
小结：薄壁回转体受均匀的径向应力时， 必产生绝对值大得多的切向应力。内侧受 力r与异号，外侧受力r与同号。
3 1 8 [( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 ] 2 2
1 8 ( 1 2 3 ) 3
— — 平均应力
6. 应力偏量 m ＝（ x+ y +z）/3 x xy xz ij＝ yx y yz zx zy z x - m xy xz ＝ yx y - m yz + zx zy z - m 应力偏量 'ij
• 应力偏量的三个不变量： 第一不变量：J'1＝ '1+ '2+'3 ＝ 1+ 2+3－3 m＝0 第二不变量： J'2＝－（ '1 '2+ '2 '3 + '3 '1） ＝[(1- 2 )2+(2 -3 )2+(3 -1)2]/6 第三不变量：J'3＝ '1 '2'3＝ [(21- 2 3 ) (22 -3 - 1) (23 -1- 2 )]/27
yx y yz zx zy z
在法线方向为y的面上所作用的应 在法线方向为z的面上所作用的应
xy ＝yx xz ＝zx x xy xz · y yz · · z
yz＝ zy 1 0 0 0 2 0 0 0 3
5. 八面体应力与等效应力
n 1l 2 m 3n
2 2
2 n 2 2 2 2 2
2
1 l 2 m 3 n 2 ( 1l 2 2 m 2 3n 2 ) 2 1 lmn 3
1 8 ( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 3
(a)
(b)
1 1 ( x y ) ( x y ) cos 2 xy sin 2 2 2
1 ( y x ) sin 2 xy cos 2 2
1 1 2 2 2 2 [ ( x y )] [ ( x y )] xy 2 2
反映材料自 偏低 身塑性 小 较大
4.主剪应力和最大剪应力 2 2 2 将 n S n 式以 n2＝1-l2-m2代 入，分别对l、m求偏导 23＝±（ 2－3）/2 31＝±（3－1）/2 12＝ ±（1－2）/2 若1 >2 >3，则max＝±（3－1）/2 对塑性变形有决定性的作用。
s
2 2 n
2
s x l
s y m
s z n
( x )l yx m zxn 0
xy l ( y )m zy n 0 xy l yz m ( z )n 0
x yx zx xy y zy 0 xz yz z
J1 J 2 J 3 0
3 2
－－求主应力的特征方程
2 xy 2 yz 2 zx
J1 x y z J 2 ( x y y z z x )
2 2 2 J 3 x y z 2 xy yz zx ( x yz y zx z xy )
D
D'
(a)
(b)
应力面与应力莫尔圆
① 物理平面上一对正交面上的应力x 、xy和 y 、yx在莫尔圆上可用相互成角的A和A'两 点表示，莫尔圆上正方向的剪应力表示物理 平面上的顺时针的剪应力。 ② 直径AA'与坐标轴的交点必为莫尔圆的圆 心，莫尔圆与坐标轴的交点表示该平面应 力状态的两个主应力 1 和 2 ，过圆心 C 与 轴垂直的直线与莫尔圆的交点D和D'表示该 应力状态的最大和最小剪应力。 ③ 上图中与x面成角斜面上的应力在应力莫 尔圆上则用与AA'成2 角的坐标点B表示。
S S S S
2 2 x 2 y
2 z
ABC S x OBC x OCA yx OAB zx
S x x l yx m zx n
s y xyl y m zy n
s z xz l zy m z n
2.摩擦力的分析要点 （1）塑性加工过程中摩擦的特点 a. 伴随有变形金属的塑性流动 b. 各处摩擦力方向可能不同 c. 接触面上压强高 d. 真实接触面积大 e. 不断有新的摩擦面产生 f. 常在高温下发生摩擦
（2）摩擦对塑性加工过程的影响 有利的一面：轧制咬入Байду номын сангаас开式模锻 金属充填、板料拉深防裂
2.特点 ①材料利用率高。 ②生产效率高。 ③产品质量高，性能好，缺陷少。 ④加工精度和成形极限有限。 ⑤模具、设备费用昂贵。 3.应用
二、金属塑性加工分类
体积成形 轧制 挤压 拉拔 锻造 剪切 弯曲 拉深 胀形
板料成形
• 体积成形：坯料一般为棒材或扁坯，坯料 经受很大的塑性变形，坯料的形状或横截 面以及表面积与体积之比发生显著的变化。 • 板料成形：坯料是各种板材或用板材预先 加工成的中间坯料，板材的形状发生显著 变化，但其横截面形状基本上不变。
应变类型 简单拉伸 类 d1=d3= －d2/2
简单压缩 平面应变 拉伸类 d1>0 类 类 d1=d2= d2＝0 d2<0 －d3/2 d3<0
小结： 尽管主应力的数目不等，符号不一， 但由于应力偏量相似，所以产生类似的变 形，即轴向伸长，横向收缩。
7. 应力莫尔圆 — — 一点应力状态的几何表示 （1）平面应力状态莫尔圆
应变状态：压缩应变有利于塑性的发挥， 拉伸应变对塑性不利。
3. 提高金属塑性的基本途径 （1）提高材料成分和组织的均匀性 （2）合理选择变形温度和应变速率 （3）选择三向压缩性较强的变形方式 挤压、开式模锻、自由锻 （4）减少变形的不均匀性
二、塑性加工过程受力分析
1.正压力的分析要点 正压力是指工具与工件接触面上的垂直 作用力。 注意：塑性变形过程中接触面的变化以及约 束 面上存在着的反压力。同时注意塑性变形 整个过程中的受力, 而不是仅关注瞬时的受力。
第一节 塑性加工基础
• 任务：阐明金属在各种塑性成型时的共同 性； • 目的：为下面的工艺分析作理论准备，也 为合理制订塑性成型工艺规范及选择设备、 设计模具奠定理论基础。 对金属塑性成型工艺应提出如下要求： (1)使金属具有良好的塑性； (2)使变形抗力小；
(3)保证塑性成型件质量：组织均匀、晶 粒细小、强度高、残余应力小等； (4)能了解变形力，以便为选择成型设备、 设计模具提供理论依据。 要求：讲述塑性成型的物理基础和力学 基础，即掌握金属塑性变形体内的应 力场、应变场、应力－应变之间的关 系及塑性变形时的力学条件。
一、金属在塑性加工过程中的 塑性行为
1. 模拟实际塑性加工过程的试验方法： （1）偏心轧辊轧制矩形试样 （2）杯突试验
2. 影响金属塑性的因素： （1）金属的化学成分和组织 （2）变形温度 （3）应变速率 （4）变形力学条件： 应力状态：在主应力状态下，压应力个数 越多、数值越大，金属的塑性越好。
主应力状态图：
单向 双向 三向
应力张量不变量： 第一不变量：J1＝ 1+ 2+3 第二不变量：J2＝－（ 1 2+ 2 3 + 3 1） 第三不变量：J3＝ 1 23
• 应力张量不变量的意义： J1— 平均应力
J1的数值 体积变化 对多孔材料 的压实 塑性 作用在工具 上单位力的 绝对值 J1＝0 V＝0 无效果 J1>0 V>0 反效果 J1<0 V<0 效果好 偏高 大或很 大
• 小结：描述一点应力状态的必要条件为 过该点三个互相垂直坐标上的六个独立 应力分量或三个主应力。 2. 任意斜面上的应力 — — 描述一点应力状态的充分条件 可以证明：只要已知受力物体上过某一点 的一组三个互相垂直坐标面上的六个应 力分量或主坐标面上的三个主应力，则 与三个坐标轴任意倾斜的平面上的应力 都可求出。
n S xl S y m S z n
n xl ym z n 2( xylm yzmn zxnl)
2 2 2
S
2 n 2
2 n
3. 应力张量、主应力及应力不变量 张量：指由一组坐标系变换到另一组 坐标系时，研究对象的分量若能按照一 定规律变化，则称这些分量的集合为张 量。
塑性变形主要与应力偏量有关。
J2— 反映变形体内切应力的综合影响，屈 服准则用到。
J2值 受应力点所 处状态 J2<s2/3 弹性 J2=s2/3 初始屈服 J2>s2/3 加工硬化
J3— 决定应变类型。 (s=(3J2')1/2)
J3' 2 s3/27 －2 s3/27 0 2 s3/27> 0> J3'> － J3'>0 2 s3/27 压缩类 d1>0 d2>0 d3<0
金属塑性加工
本课件内容与材料成形力学紧密相关, 可作为复习时的补充内容
绪
论
•金属塑性加工的定义、特点、 应用状况 •金属塑性加工分类 •本章目的及内容
一、金属塑性加工的定义、 特点、应用状况
1. 定义： 金属塑性加工是利用金属的塑 性，通过外力使金属铸锭、金属粉末或 各种金属坯料发生塑性变形，成为具有 所需形状、尺寸和性能的制品的加工方 法。
S= 2+ 2 0=S0=P/F0 =Pcos/A=Pcos/(F0/cos)=0cos2
复杂应力状态下描述一点应力状态的必要 条件：
一点应力状态表示方法： x xy xz 在法线方向为x的面上所作用的应
轧制示意图
板 材
拉拔示意图
实心
空心
挤压示意图
正挤
反挤
复合 挤
锻造示意图
镦粗
镦头
拔长
开式
闭式
拉深示意图
胀形示意图
弯曲示意图
形弯
胀弯
辊弯
剪切示意图
切 断
剥 皮
剁 切
修 边
三、本章目的及内容
目 的 掌握基本理论、基本知识，能够正确选择 加工方法。 内 容 1. 塑性加工基本理论：应力、应变状态分 析，屈服准则等。 2. 轧制、挤压、拉拔、锻造和板材成形简介。
（3）工件上近自由表面处的内力
三、应力和应力状态
1. 外力和应力 面力或接触力 体积力：重力、磁力、惯性力 内力：在外力作用下，物体内各质点之间 产生相互作用的力。 应力：单位面积上的内力，称为应力。
=Psin/A=Psin/(F0/cos)= 0sin cos S = 0cos 小结：在单向均匀拉伸的情况下，通过一 点的不同切面上，应力是不同的。只要 已知过一点一个切面上的应力，就可确 定过任意切面上应力。
不利的一面： a. 增加能量消耗 b. 改变应力状态，增加变形抗力，影 响金属流动性及其充填过程 c. 引起变形不均匀 d. 加剧模具的磨损，降低了模具的寿 命
（3）描述接触面上摩擦的数学模型 a. 库仑定律： ＝ µ — 摩擦应力 µ— 摩擦系数 — 摩擦面上的正应力 b. 常摩擦力假设 ＝mK m— 摩擦因子，取值0～1 K— 金属的屈服剪切强度
m 0 0 0 m 0 0 0 m 应力球张量
• 应力偏量的三个主值： ' 1 1 m
' 2 2 m ' 3 3 m • 应力偏量的主剪应力： '23＝±（ '2－'3）/2 ＝±（ 2－3） /2 '31＝±（'3－'1）/2 ＝±（3－1） /2 '12＝ ±（'1－'2）/2 ＝ ±（1－2） /2
3. 工具形状对作用力的影响
4. 关于内力的分析要点 内力产生情况： 为了平衡外力 工件中变形区与非变形区之间的相互作用 变形区的各部分变形不均 （1）受拉与受压
（2）径向应力与切向应力
小结：薄壁回转体受均匀的径向应力时， 必产生绝对值大得多的切向应力。内侧受 力r与异号，外侧受力r与同号。
3 1 8 [( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 ] 2 2
1 8 ( 1 2 3 ) 3
— — 平均应力
6. 应力偏量 m ＝（ x+ y +z）/3 x xy xz ij＝ yx y yz zx zy z x - m xy xz ＝ yx y - m yz + zx zy z - m 应力偏量 'ij
• 应力偏量的三个不变量： 第一不变量：J'1＝ '1+ '2+'3 ＝ 1+ 2+3－3 m＝0 第二不变量： J'2＝－（ '1 '2+ '2 '3 + '3 '1） ＝[(1- 2 )2+(2 -3 )2+(3 -1)2]/6 第三不变量：J'3＝ '1 '2'3＝ [(21- 2 3 ) (22 -3 - 1) (23 -1- 2 )]/27