冲压工艺与模具设计-电子教案第1章

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1.3.1.1 弹塑性变形共存规律
材料在塑性变形的同时也会有弹性变 形存在。用最简单的拉伸试验就可以说明 这种弹塑性变形的共存现象。
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低碳钢试样在单向拉伸时的拉伸试验 曲线图(或条件应力-应变曲线)如图1.5 所示。
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图1.5 拉伸试验曲线图(条件应力-应变曲线)
只有当变形不大时才能用这种方法近似计 算。
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(2)考虑横截面积的变化 材料拉伸试验属于大变形,拉伸过程 中,试件横截面会明显缩小,如仍按F0计 算就会出现明显的误差,必须按每瞬间的
实际横截面积F来计算应力 P ,
F
这样求得的称为真实应力。
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材料刚开始屈服时的应力称为初始屈 服应力。随着塑性变形量的增多,材料会 逐渐发生硬化,屈服应力会逐渐增高。习 惯上常将用真实应力表示的每一瞬间的实 际屈服应力直接称为该瞬间的“真实应 力”,它反映了材料的塑性变形抗力。
形量。
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由此可见,在材料进入塑性变形阶段 后,同时存在着弹性变形和塑性变形,这 就是弹塑性变形共存规律。很显然,在外 力去除后,弹性变形得以恢复,塑性变形 得以保留。
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冲压时,由于弹性变形的存在,使得 分离或成形后的冲压件的形状和尺寸与模 具的形状和尺寸不尽相同,这种现象称为 回弹,是影响冲压件精度的重要原因之一。
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拉伸过程中,某瞬时的真实应变(即 应变增量)为
d dl
l
(1.7)
式中,l—试样的瞬时长度; dl—瞬时的长度改变量。
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当试样从l0拉伸至l1时,总的真实应变为
l1 dl lnl1 (1.8)
l0 l
l0
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真实应变在正确反映瞬态变形的基础 上,真实地反映了塑性变形的积累过程, 因而得到广泛的应用。由于它具有对数形 式,因此亦称为对数应变。在均匀拉伸阶 段,真实应变和相对伸长存在以下关系:
平面上剪应力互等:τxy =τyx,τyz = τzy,τzx = τxz,所以,只要知道三个
正应力和三个剪应力,该点的应力状态就 可确定。
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图1.1 点的应力状态
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图1.1(b)中的坐标系XYZ是任意选定
的。对于不同的坐标系,该点的应力状态 并没有改变,但是单元体上用来表示该点 应力状态的九个应力分量就会与原来的数 值不同。
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1.点的应力状态
一点的应力状态是通过在该点沿某种 坐标系所取的单元体上各个互相垂直表面 上的应力来表示的,一般情况下每个面上 都会有应力,如图1.1(a)所示。
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这些应力又可沿坐标方向分解为九个 应力分量,其中包括三个正应力和六个剪 应力,如图1.1(b)所示。因为互相垂直
处于卸载状态。如果在加载过程中所有应 力分量均按同一比例增加,这种情况叫做 比例加载或简单加载。简单加载时,三个 应力主轴的方向不会改变。
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2.点的应变状态
变形体内存在应力必定伴随应变,点 的应变状态是通过单元体的变形来表示的。 当采用主轴坐标系时,单元体就只有三个
主应变分量1、2和3,而没有剪应变分量。
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1.3.1.2 真实应力、真实应变概念
1.真实应力
应力是指单位面积上的内力。单向拉 伸试验过程中,试件横截面上的拉应力有 两种计算方法:
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(1)不考虑横截面积的变化(F0—试
样初始截面积)
0
P F0
(1.5)
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求得的0称为条件应力。其条件就是
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(应力张量)分解为(应力球张量)+(应力偏张量)
图1.2 应力张量的分解
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除主平面不存在剪应力外,单元体其 他方向的截面上都有剪应力,而且在与主 平面成45º的截面上剪应力达到极大值,称 为主剪应力。主剪应力的作用面称为主剪 应力面。
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主剪应力及其作用面共有三组,如图 1.3所示,其主剪应力值分别为:
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最大剪应力对材料的塑性变形有重要 意义。
这里还有一个重要概念,就是等效应
力(或称为应力强度)i:
i1 2[(12)2(23)2(31)2](1.4)
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在单向应力状态下,1≠0,而 2=3=0,代入上式可得:i= | 1 |,即单
向应力状态的等效应力就等于该单向应力 值。
12 (1 2 ) / 2 23 ( 2 3) / 2
31
(
3
1)
/
2
(1.2)
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图1.3 主剪应力面及主剪应力方向(用阴影线表示)
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其中绝对值最大的主剪应力称为该点 的最大剪应力,用τmax表示。若规定
1≥2≥3,则
max (13)/2(1.3)
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所谓等效,就是从能量角度将复杂的
应力状态“等效”于一个与i相同的单向应
力状态。等效应力是衡量该应力状态受载 程度的一个指标。对物体中的某一点来说,
如果在某瞬间i增大,也就是说等效应力增 量di>0,那么这一瞬间是在加载。
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反之,如果i减小,即di<0,则该点
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设1≥2≥3,则按上述观点可得屈雷
斯加屈服准则的数学表达式为:
max123
s2或Fra bibliotek13s (1.11)
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屈雷斯加准则形式简单,概念明确, 如果事先知道主应力的次序,使用该准则 是十分方便的。然而该准则忽略了中间主
应力2,而中间主应力2对于材料的屈服
实际上也是有影响的。
(1.1)
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任何一种应力状态都可以看成是由两 种应力状态叠加而成,如图1.2所示。其中
一种是大小等于平均应力m的球应力状态,
另一种为偏应力状态。因球应力状态为三 向等应力状态,不产生剪应力,故不能改 变物体的形状,只能改变物体的体积。
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偏应力状态的主轴方向和它所产生的 剪应力与原应力状态完全相同,故偏应力 状态使物体发生的形状改变也与原应力状 态相同;但因偏应力状态的平均应力为零, 所以它不会引起物体体积的变化。
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2.真实应变
在拉伸试验时,试样的轴向应变常以 试样的相对伸长(或条件应变)δ表示:
l l1 l0 (1.6)
l0
l0
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式中,l0—试样原始标距长度; l1—拉伸后标距的长度。
由于δ不能真实地反映试样大变形过程 中的瞬时变形及变形的积累过程,于是又 引入真实应变的概念。
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对任何一种应力状态来说,总存在这 样一种坐标系,使得单元体各表面上只出 现正应力,而没有剪应力,如图1.1(c) 所示。这就大大简化了对点的应力状态的 描述。
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这时,1、2、3三个坐标轴就称为主轴; 三个坐标轴的方向就叫做主方向;三个正 应力就叫做主应力,一般按其代数值大小
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上述结果表明,强化三向压应力状态, 能充分发挥材料的塑性,这实质上是应力 状态中的静水压力分量在起作用。应力状 态中的压应力个数愈多、压应力愈大,则 其静水压力愈大,因而塑性愈好;反之, 静水压力愈小,则塑性就愈差。
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1.3 金属塑性变形的基本规律
1.3.1 金属材料硬化规律(真 实应力—应变曲线)
如图1.4所示。
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图1.4 主应变图
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应力状态对塑性变形的影响 由实践可知,同一种材料在不同应力 状态下反映出不同的塑性,例如单向压缩 获得的塑性变形比单向拉伸大得多;实心 件正挤压比拉丝(拉拔)能发挥更大的塑 性。
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大理石是脆性材料,在单向压缩时缩 短率不到1%就会破坏,但在7 650个大气压 力(一个大气压为98.066kPa)的静水压力 下压缩时,缩短率可达9%左右才破坏。
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图中,OA为弹性变形阶段,A点为屈
服点,s为屈服强度,ABG为均匀塑性变 形阶段,G点处载荷最大,G点的b为抗拉
强度。同时G点也是失稳点,从G点开始, 材料出现缩颈。GK为不均匀变形阶段,K 点为断裂点。
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由拉伸图可知,在弹性变形阶段OA, 外力与变形成正比关系,如果在这一阶段 卸载,则外力与变形将按原路退回原点, 不产生任何永久变形。
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金属材料在外力作用下产生永久变形 而不被破坏的能力称为塑性。
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1.2 影响塑性和变形抗力的 主要因素
影响金属塑性的因素包括两方面: ① 金属本身的晶格类型、化学成分和 金相组织等。 ② 变形时的外部条件,如变形温度、 变形速度以及变形方式等。
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塑性变形时的应力、应变状态 冲压成形时,外力通过模具作用于板 料毛坯,使之产生塑性变形,同时在毛坯 内部引起反抗变形的内力。
态不可能产生剪应力,故所有方向都是主 方向,而且所有方向的主应力都相同。深 水中微小物体承受的就是这样一种应力状 态(三向等压),通常将三向等压应力称 为静水压力。
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单元体上三个正应力的平均值称为平
均应力,用m表示。平均应力的大小取决
于该点的应力状态,而与坐标系的选取无 关,即
m 1 3(xyz)1 3(123)
依次用1、2和3表示,即1≥2≥3。 值可正可负,正值表示拉应力,负值表示
压应力。三个主应力的作用面称为主平面。
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一般情况下,单元体的三个主方向都 有应力,这种应力状态称为三向应力状态 或空间应力状态。但在板料成形中,厚度
方向的应力t与其他两个方向的应力比较,
往往可以忽略不计,即将厚向应力看作零。
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德国力学家密席斯(Von Mises)于 1913年提出另一屈服准则,该准则指出:
当材料(质点)中的等效应力i达到材料的 屈服强度s时,材料就开始屈服。
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按此观点写出密席斯屈服准则的数学 表达式如下:
i1 21 222 323 12s
或 (1 2)2 (2 3)2 (3 1 )2 2 s 2 (1.12)
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若到达A点以后仍继续拉伸,则材料进
入均匀塑性变形阶段。
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如果在这一阶段的B点卸载,那么外力 与变形并不按原路OAB退回到原点,而是沿 与OA平行的直线BC退回到C点,这时试样的 绝对伸长量由加载到B点时的Δlb减小到卸 载结束时的Δlc,Δlb与Δlc之差即为弹 性变形量,而Δlc为加载到B点时的塑性变
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这种应力状态可视为两向应力状态或 平面应力状态。平面应力问题的分析计算 比三向应力问题简单,这为研究冲压成形 提供了方便。
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如果三个主应力中有两个为零,只在 一个方向有应力,这就称为单向应力状态。
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如果三个主应力大小都相等,即
1=2=3,则称为球应力状态。这种应力状
1.1 金属塑性变形概述
材料的变形可以分为弹性变形和塑性 变形。当变形力去除后,能恢复原状的变 形称为弹性变形,不能恢复原状的变形称 为塑性变形。
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金属材料是一种兼具弹性、塑性的材 料,在变形力的作用下,既能产生弹性变 形,又能从弹性变形发展到塑性变形。当 塑性变形发展到一定程度时,材料就会发 生破坏。
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lnl1
l0
lnl0 l0lln1 ()
(1.9)
在变形较小时,可用δ近似表示应变值,但
变形较大时,则必须采用真实应变。
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1.3.2 屈服条件
当物体中某点处于单向应力状态时, 只要该向应力达到材料的屈服应力值,该 点就开始屈服,由弹性状态进入塑性状态。
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试验表明,对于绝大多数金属材料, 密席斯准则较之屈雷斯加准则更接近于实 验数据。
但对于复杂应力状态,就不能仅仅根 据某个应力分量来判断一点是否已经屈服, 而要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。这种关系就称为屈服准 则,或称屈服条件或塑性条件。
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法国工程师屈雷斯加(H.Tresca)通过 对金属挤压的研究,于1864年提出:当材 料(质点)中的最大切应力达到材料屈服 强度的一半时,材料就开始屈服。
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