第一章 冲压变形的基本原理
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冲压工艺与模具设计
第一章 冲压变形的基本原理
本章学习要求：
1.掌握金属塑性变形的基本概念； 2.掌握板料冲压性能和常见的冲压材料； 3.了解塑性变形的力学基础和冲压成形方法的力学特点。
冲压工艺与模具设计
1.1金属塑性变形的基本概念
1.2金属塑性变形的力学基础
1.3冲压成形时变形毛坯的力学特点与分类 1.4板料冲压成形性能及冲压材料
冲压工艺与模具设计
1.2.3 塑性变形时应力与应变的关系
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系。 弹性变形时，应力与应变之间的关系是线性的、可逆的，变形是可 以恢复的。
E
（胡克定律 ）
单向拉伸应力-应变曲线(如图1.2.5)
塑性变形时应力应变关系是非线性的、不可逆的。
冲压工艺与模具设计
冲压工艺与模具设计
1.1.2 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(如图) 变形后形成的组织改变：纤维组织、变形织构
冲压工艺与模具设计
1.1.3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
冲压工艺与模具设计
图1.2.2 九种主应力状态图
冲压工艺与模具设计
2.一点的主应变状态 主变形图只可能有三种形式 3.体积不变定律
1 2 3 0
图1.2.3三种主应变状态图
该式说明：金属塑性变形前后，只有形状的变化，而无体 积的变化。
三个推论：
﹡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； ﹡已知两个应变就可求第三个应变。
i
1 ( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 s 2
3.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（如 图1.2.4）。
冲压工艺与模具设计
1.2.4 屈服准则的几何表示 （a）平面上两屈服准则表达 (b) 主应力空间两屈服准则表达
硬化指数是表明材料冷变形硬化的重要参数，对板料的冲
压性能以及冲压件的质量都有较大的影响。
冲压工艺与模具设计
1.3冲压成形时变形毛坯的力学特点与分类
1.3.1 变形毛坯的分区(如图1.3.1) 1.3.2 变形区的应力应变特点
1. 冲压毛坯两向受拉应力的作用 (可分两种情况)：
r θ 0, 且 t 0 θ r 0, 且 t 0
1.2.3 塑性变形时应力与应变的关系
增量理论 ： 瞬间的应变增量与相应应力的关系 d1 d 2 d 2 d 3 d 3 d1 C 1 2 2 3 3 1 全量理论 ： 主应力差与主应变差成比例
1 2 2 3 3 1 C 1 2 2 3 3 1
冲压工艺与模具设计
1.2.2 屈服准则（塑性条件）
屈服准则：材料进入塑性状态的力学条件。当材料中
的某点的应力满足屈服准则，该点就进入塑性状态。 1.屈雷斯加(H· Tresca)屈服准则
屈雷斯加于1864年提出：当材料中的最大剪应力达到某一定值时，材料即 行屈服。因此，该准则又称为最大剪应力屈服准则。其数学表达式为：
冲压工艺与模具设计
图1.4.2
△γ对拉深件质量的影响
冲压工艺与模具设计
1.4.4常用冲压材料及其力学性能
1.冲压常用的材料 黑色金属
金属材料
冲压材料 非金属材料 2. 冲压用新材料及其性能 1）高强度钢板 2）耐腐蚀钢板 3）双相钢板 4）涂层板 5）复合板材 有色金属
冲压工艺与模具设计
图1.1.1 晶格畸变 (a)无外力作用；(b)外力作用产生弹性畸变； (c)晶格滑移或孪动；(d)外力卸去后的永久变形
冲压工艺与模具设计
图1.2.1 一点的应力状态
（a）受力物体 （b）任意坐标系（c） 主轴坐标系
冲压工艺与模具设计
1.2.4 屈服准则的几何表示 （a）平面上两屈服准则表达 (b) 主应力空间两屈服准则表达
冲压工艺与模具设计
图1.2.5 单向拉应力－应变曲线
冲压工艺与模具设计
图1.2.6
实际应力曲线与假象应力曲线
（如图1.3.2Ⅰ象限）
2.冲压毛坯变形区受两向压应力的作用 （如图1.3.2Ⅲ象限）
r θ 0, 且 t 0 θ r 0, 且 t 0
冲压工艺与模具设计
3.冲压毛坯变形区受异号应力的作用，而且拉应力的绝对值 大于压应力的绝对值。(可以分为两种情况) （如图1.3.2） r 0 θ , t 0且 r θ
LK L0 100% L0
断面收缩率 A0 AK 100%
A0
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。 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。
冲压工艺与模具设计
1.1.4影响金属的塑性与变形抗力的主要因素
外力 内力
模具
毛坯
零件
毛坯的变形都是模具对毛坯施加外力所引起内力或由 内力直接作用的结果。应力就是毛坯内单位面积上作用的 内力。应力应理解为一极小面积上的内力与该面积比值的 极限，即：
P dP F 0 F dF
lim
冲压工艺与模具设计
1.2.1 一点的应力与应变状态
１.一点的应力状态： 是指通过变形体内某点的单元体所有截面上的应力的 有或无、大小、方向等情况。
全量理论的应用
2 0时， 2 (1 3 ) / 2 1 0, 且 2 3 0时， 1 0, 2 3 (1 / 2)1
冲压工艺与模具设计
1.2.4硬化与硬化曲线
1.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。
2.硬化曲线 实际应力曲线与假象应力曲线 （如图1.2.6） 几种常用冲压板料的硬化曲线（如图1.2.7）
冲压工艺与模具设计
图1.2.7 几种常用冲压板料的硬化曲线
冲压工艺与模具设计
冲压工艺与百度文库具设计
图1.3.2
冲压应力图
冲压工艺与模具设计
图1.3.2
冲压应力图
冲压工艺与模具设计
1.3.3
冲压变形图
冲压工艺与模具设计
图1.3.4 变形趋向性对冲压工艺的影响
1.4.1 板料的冲压成形性能
冲压成形性能: 板料对各种冲压成形加工的适应能力。 抗破裂性、 贴模性、定形性
成形极限
冲压件形状尺寸精度
1.4.2板材冲压成形试验的试验方法
板料冲压性能试验方法通常分为三种类型：力学试验、金 属学试验（统称间接试验）和工艺试验（直接试验）。
冲压工艺与模具设计
1.4.3 板料的力学性能与冲压成形性能的关系
冲压工艺与模具设计
• 4.硬化指数
k 单向拉伸硬化曲线可写成 数。 • 5.厚向异性指数
•
n
n
，其中 为硬化指
•
厚向异性指数是指单向拉伸试样宽度应变和厚度 b / t 应变之比
• 6.板平面各向异性指数
( 0 90 2 45 ) / 2
对拉深件质量的影响 （图1.4.2）
冲压工艺与模具设计
1.1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 deformation )． 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。 1.1.1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。
拉伸试验用的标准试样和拉伸曲线（图1.4.1） 1.屈服极限 屈服极限 s 小,材料容易屈服,则变形抗力小. 2.屈强比 屈强比小,说明 s值小而 b值大 3.总延伸率 与均匀延伸率 u 拉伸实验中,试样拉断时的伸长率称总伸长率
冲压工艺与模具设计
图1.4.1
拉伸试验用的标准试样和拉伸曲线
2.变形温度对塑性和变形抗力的影响
3）温度升高，原子热振动加剧（热塑性）； 4）温度升高，晶界强度下降；
3.变形速度对塑性和变形抗力的影响
速度大时，塑性变形来不及扩展。没有足够时间回复、再结晶， 塑性降低变形抗力增大。 速度大时，热效应显著，变形体有温度效应对塑性增加有利。
冲压工艺与模具设计
1.2 塑性变形的力学基础
1.化学成份和组织对塑性和变形抗力的影响
化学成分：铁、碳、合金元素、杂质元素。 组织：单项组织、多向组织。组织的不同塑性和变形抗力会 有很大的差别。 钢的制造工艺：
2.变形温度对塑性和变形抗力的影响
1）温度升高，回复与再结晶； 2）温度升高，原子热运动加剧；
冲压工艺与模具设计
1.1.4影响金属的塑性与变形抗力的主要因素
冲压工艺与模具设计
1.3.3 冲压成形过程中变形趋向性及其控制
1.变形趋向性(如图1.3.4) 弱区必先变形，变形区应为弱区
2.变形趋向性的控制 ﹡合理地确定毛坯尺寸（图1.3.5
﹡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
图1.3.6 ）
﹡其他工艺措施
冲压工艺与模具设计
1.4 板料冲压成形性能及冲压材料
θ 0 r , t 0且 r
θ
4.冲压毛坯变形区受异号应力的作用，而且压应力的绝对值 大于拉应力的绝对值。 (可以分为两种情况)
r 0 θ , t 0且 r
θ
θ 0 r , t 0且 r θ
综上所述：冲压变形可分为伸长类变形和压缩类变形 （如图1.3.3）。
max
1 ( max min ) K 2
冲压工艺与模具设计
1.2.2 屈服准则（塑性条件）
2. 密席斯(Von Mises)屈服准则
密席斯于1913年提出了另一屈服准则：当材料中的等效应力达到某 一定值时，材料就开始屈服。由单向拉伸试验可确定该值，该值为材料 的屈服点σs。其数学表达式为：
第一章 冲压变形的基本原理
本章学习要求：
1.掌握金属塑性变形的基本概念； 2.掌握板料冲压性能和常见的冲压材料； 3.了解塑性变形的力学基础和冲压成形方法的力学特点。
冲压工艺与模具设计
1.1金属塑性变形的基本概念
1.2金属塑性变形的力学基础
1.3冲压成形时变形毛坯的力学特点与分类 1.4板料冲压成形性能及冲压材料
冲压工艺与模具设计
1.2.3 塑性变形时应力与应变的关系
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系。 弹性变形时，应力与应变之间的关系是线性的、可逆的，变形是可 以恢复的。
E
（胡克定律 ）
单向拉伸应力-应变曲线(如图1.2.5)
塑性变形时应力应变关系是非线性的、不可逆的。
冲压工艺与模具设计
冲压工艺与模具设计
1.1.2 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(如图) 变形后形成的组织改变：纤维组织、变形织构
冲压工艺与模具设计
1.1.3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
冲压工艺与模具设计
图1.2.2 九种主应力状态图
冲压工艺与模具设计
2.一点的主应变状态 主变形图只可能有三种形式 3.体积不变定律
1 2 3 0
图1.2.3三种主应变状态图
该式说明：金属塑性变形前后，只有形状的变化，而无体 积的变化。
三个推论：
﹡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； ﹡已知两个应变就可求第三个应变。
i
1 ( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 s 2
3.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（如 图1.2.4）。
冲压工艺与模具设计
1.2.4 屈服准则的几何表示 （a）平面上两屈服准则表达 (b) 主应力空间两屈服准则表达
硬化指数是表明材料冷变形硬化的重要参数，对板料的冲
压性能以及冲压件的质量都有较大的影响。
冲压工艺与模具设计
1.3冲压成形时变形毛坯的力学特点与分类
1.3.1 变形毛坯的分区(如图1.3.1) 1.3.2 变形区的应力应变特点
1. 冲压毛坯两向受拉应力的作用 (可分两种情况)：
r θ 0, 且 t 0 θ r 0, 且 t 0
1.2.3 塑性变形时应力与应变的关系
增量理论 ： 瞬间的应变增量与相应应力的关系 d1 d 2 d 2 d 3 d 3 d1 C 1 2 2 3 3 1 全量理论 ： 主应力差与主应变差成比例
1 2 2 3 3 1 C 1 2 2 3 3 1
冲压工艺与模具设计
1.2.2 屈服准则（塑性条件）
屈服准则：材料进入塑性状态的力学条件。当材料中
的某点的应力满足屈服准则，该点就进入塑性状态。 1.屈雷斯加(H· Tresca)屈服准则
屈雷斯加于1864年提出：当材料中的最大剪应力达到某一定值时，材料即 行屈服。因此，该准则又称为最大剪应力屈服准则。其数学表达式为：
冲压工艺与模具设计
图1.4.2
△γ对拉深件质量的影响
冲压工艺与模具设计
1.4.4常用冲压材料及其力学性能
1.冲压常用的材料 黑色金属
金属材料
冲压材料 非金属材料 2. 冲压用新材料及其性能 1）高强度钢板 2）耐腐蚀钢板 3）双相钢板 4）涂层板 5）复合板材 有色金属
冲压工艺与模具设计
图1.1.1 晶格畸变 (a)无外力作用；(b)外力作用产生弹性畸变； (c)晶格滑移或孪动；(d)外力卸去后的永久变形
冲压工艺与模具设计
图1.2.1 一点的应力状态
（a）受力物体 （b）任意坐标系（c） 主轴坐标系
冲压工艺与模具设计
1.2.4 屈服准则的几何表示 （a）平面上两屈服准则表达 (b) 主应力空间两屈服准则表达
冲压工艺与模具设计
图1.2.5 单向拉应力－应变曲线
冲压工艺与模具设计
图1.2.6
实际应力曲线与假象应力曲线
（如图1.3.2Ⅰ象限）
2.冲压毛坯变形区受两向压应力的作用 （如图1.3.2Ⅲ象限）
r θ 0, 且 t 0 θ r 0, 且 t 0
冲压工艺与模具设计
3.冲压毛坯变形区受异号应力的作用，而且拉应力的绝对值 大于压应力的绝对值。(可以分为两种情况) （如图1.3.2） r 0 θ , t 0且 r θ
LK L0 100% L0
断面收缩率 A0 AK 100%
A0
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。 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。
冲压工艺与模具设计
1.1.4影响金属的塑性与变形抗力的主要因素
外力 内力
模具
毛坯
零件
毛坯的变形都是模具对毛坯施加外力所引起内力或由 内力直接作用的结果。应力就是毛坯内单位面积上作用的 内力。应力应理解为一极小面积上的内力与该面积比值的 极限，即：
P dP F 0 F dF
lim
冲压工艺与模具设计
1.2.1 一点的应力与应变状态
１.一点的应力状态： 是指通过变形体内某点的单元体所有截面上的应力的 有或无、大小、方向等情况。
全量理论的应用
2 0时， 2 (1 3 ) / 2 1 0, 且 2 3 0时， 1 0, 2 3 (1 / 2)1
冲压工艺与模具设计
1.2.4硬化与硬化曲线
1.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。
2.硬化曲线 实际应力曲线与假象应力曲线 （如图1.2.6） 几种常用冲压板料的硬化曲线（如图1.2.7）
冲压工艺与模具设计
图1.2.7 几种常用冲压板料的硬化曲线
冲压工艺与模具设计
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图1.3.2
冲压应力图
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图1.3.2
冲压应力图
冲压工艺与模具设计
1.3.3
冲压变形图
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图1.3.4 变形趋向性对冲压工艺的影响
1.4.1 板料的冲压成形性能
冲压成形性能: 板料对各种冲压成形加工的适应能力。 抗破裂性、 贴模性、定形性
成形极限
冲压件形状尺寸精度
1.4.2板材冲压成形试验的试验方法
板料冲压性能试验方法通常分为三种类型：力学试验、金 属学试验（统称间接试验）和工艺试验（直接试验）。
冲压工艺与模具设计
1.4.3 板料的力学性能与冲压成形性能的关系
冲压工艺与模具设计
• 4.硬化指数
k 单向拉伸硬化曲线可写成 数。 • 5.厚向异性指数
•
n
n
，其中 为硬化指
•
厚向异性指数是指单向拉伸试样宽度应变和厚度 b / t 应变之比
• 6.板平面各向异性指数
( 0 90 2 45 ) / 2
对拉深件质量的影响 （图1.4.2）
冲压工艺与模具设计
1.1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 deformation )． 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。 1.1.1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。
拉伸试验用的标准试样和拉伸曲线（图1.4.1） 1.屈服极限 屈服极限 s 小,材料容易屈服,则变形抗力小. 2.屈强比 屈强比小,说明 s值小而 b值大 3.总延伸率 与均匀延伸率 u 拉伸实验中,试样拉断时的伸长率称总伸长率
冲压工艺与模具设计
图1.4.1
拉伸试验用的标准试样和拉伸曲线
2.变形温度对塑性和变形抗力的影响
3）温度升高，原子热振动加剧（热塑性）； 4）温度升高，晶界强度下降；
3.变形速度对塑性和变形抗力的影响
速度大时，塑性变形来不及扩展。没有足够时间回复、再结晶， 塑性降低变形抗力增大。 速度大时，热效应显著，变形体有温度效应对塑性增加有利。
冲压工艺与模具设计
1.2 塑性变形的力学基础
1.化学成份和组织对塑性和变形抗力的影响
化学成分：铁、碳、合金元素、杂质元素。 组织：单项组织、多向组织。组织的不同塑性和变形抗力会 有很大的差别。 钢的制造工艺：
2.变形温度对塑性和变形抗力的影响
1）温度升高，回复与再结晶； 2）温度升高，原子热运动加剧；
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1.1.4影响金属的塑性与变形抗力的主要因素
冲压工艺与模具设计
1.3.3 冲压成形过程中变形趋向性及其控制
1.变形趋向性(如图1.3.4) 弱区必先变形，变形区应为弱区
2.变形趋向性的控制 ﹡合理地确定毛坯尺寸（图1.3.5
﹡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
图1.3.6 ）
﹡其他工艺措施
冲压工艺与模具设计
1.4 板料冲压成形性能及冲压材料
θ 0 r , t 0且 r
θ
4.冲压毛坯变形区受异号应力的作用，而且压应力的绝对值 大于拉应力的绝对值。 (可以分为两种情况)
r 0 θ , t 0且 r
θ
θ 0 r , t 0且 r θ
综上所述：冲压变形可分为伸长类变形和压缩类变形 （如图1.3.3）。
max
1 ( max min ) K 2
冲压工艺与模具设计
1.2.2 屈服准则（塑性条件）
2. 密席斯(Von Mises)屈服准则
密席斯于1913年提出了另一屈服准则：当材料中的等效应力达到某 一定值时，材料就开始屈服。由单向拉伸试验可确定该值，该值为材料 的屈服点σs。其数学表达式为：