12塑性加工原理

二、金属塑性加工分类
体积成形 板料成形
轧制 挤压 拉拔 锻造 剪切 弯曲 拉深 胀形
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。
9、微元体静力平衡条件
直角坐标系：
圆柱坐标系：
x yx zx 0
x y z
xy y zy 0
x y z
xz yz z 0
x y z
r
r
1 r
r
zr
z
1 r
(
r
)
0
r
r
1 r
z
z
2
r
r
0
rz
r
1 r
z
z
z
1
r
rz
0
四、塑性加工应变分析
（4）应变增量和应变速率张量
为了分析和求解大塑性变形，往往取从某 一瞬时开始产生的应变微小变化量，称此 为应变的增量。
d ij ddxxy d xz
d yx d y d yz
d d
zx zy
d z
应变速率是指应变对时间的变化率，也属 于瞬时应变。
&
x
&
yx
&
zx
&
ij
&xy
&
y
1 2
(
x
y)
1 2
(
x
y )cos 2
xy
s in 2
1 2
(
y
x )sin2
xy cos 2
[
1 2
(
x
y )]2
2
[1 (
2
x
y )]2
2 xy
(a)
D
D'
(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 n
S2
2 n
4、主应力及应力不变量
s2
2 n
2
sx l
sy m
sz n
( x )l yxm zxn 0
xyl ( y )m zyn 0
xyl yzm ( z )n 0
x yx
zx
xy y zy 0
xz
yz z
3 J1 2 J 2 J3 0
轧制示意图
板材
挤压示意图
正挤
反挤
复合 挤
拉拔示意图
实心
空心
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
使空心件（或管料）的一部 分沿径向扩张，呈凸肚形
弯曲示意图
形弯
胀弯
辊弯
剪切示意图
切断
剥皮
剁切
修边
第二节 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
d
ll 0
dl l
ln
l l0
ln
l0 l l0
ln(1
)
工程应力以－应变曲线和真应力 应变曲线的比较
三、应力和应力状态
1. 外力和应力
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。
2、复杂应力状态下一点的应力状态
一点应力状态表示方法：
zx zy
z
3、应变与相对位移的关系
过一点的三正交线元的正应变和剪应变与相 对位移的关系：
x
u x
;
y
v y
;
z
w z
;
xy
1 2
( v x
u ) y
yz
1 2
( w y
v z
)
zx
1 (u 2 z
w ) x
小应变几何方程—已知位移场,可求得应变场
4、塑性变形时的体积不变条件
V0 dxdydz
越多、数值越大，金属的塑性越好。
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。
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
2、塑性变形
（1）加工硬化 （2）回复与再结晶 （3）冷变形、热变形、温变形 冷变形：再结晶温度以下 热变形：再结晶温度以上 温变形：室温以上至再结晶温度
（4）不均匀变形 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
摩擦对塑性加工过程的影响
有利的一面：轧制咬入、开式模锻金 属充填、板料拉深防裂
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
并使塑性变形继续进行所必须遵守的条件。 单向拉伸：＝s 复杂应力状态：f（ 1，2，3）＝C
f（ J1，J2，J3）＝C
f（ J'2，J'3）＝C
1、Tresca屈服准则
——最大剪应力准则
1 2 3
max
1 2
(
1
3)
K
根据单向拉伸实验，材料进入屈服时
1 s
则有：
K
2
s
3
0
2
1 3 s 2K
1. 应变状态的表示方法
微元体(a)在xy坐标面的正(b)应变与剪应变 (c)
正应变：指线元单位长度的变化量。
r1 r r
rr
x
rx
rx
y
ry
ry
z
rz
rz
剪应变：表示变形体剪切变形大小的物理量。
r tg
ry
yx
பைடு நூலகம்
xy
1
2
2、一点应变状态表示：
ij
x xy
yx y
xz yz
d3<0
0> J3'> － 2 s3/27
压缩类
d1>0 d2>0 d3<0
5、平均应力与应力偏量
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
m 0 0 0 m 0 0 0 m
应力偏量 'ij
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
（5）变形抗力与塑性图 变形抗力：材料发生塑性变形时抵抗塑性
变形的能力 塑性图：材料塑性指标随温度变化的曲线
二、应力应变曲线
应力：=P / A0 应变：=l / l0
真应力： S=P / A
真应变：试样从l0拉伸至l时，完成的真应变 为
2、Mises屈服准则
——能量屈服准则
( 1 2 )2 ( 2 3 )2 ( 3 1 )2 C
单向拉伸屈服时： 1＝ s， 2＝3＝0， C＝2s2
纯剪屈服时： 1＝-3＝K， 2＝0，
C＝6K2
( 1
2 )2
( 2
3 )2
( 3
S2
S
2 x
S
2 y
Sz2
ABC S x OBC x OCA yx OAB zx
S x xl yxm zx n S y xyl ym zyn Sz xzl zym zn
n Sxl Sym Szn
n xl 2 ym2 zn2 2( xylm yzmn zxnl)
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。
（a(）a)单向拉伸
（b）单(b向) 压缩
(1l 2
2m2
3n2 )2
1 l m n
3
8
1 3
( 1
2
3
)
——平均应力
8
1 3
( 1 2 )2 ( 2 3 )2 ( 3 1 )2
3 2
8
1 2
[(
1
2
)2
(
2
3
)2
(
3
1
)2
]
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
(a)
(b)
－－求主应力的特征方程
J1 x y z
J2
(
x
y
y z
z
x)
2 xy
2 yz
2 zx
J3
x
y z
2
xy
yz zx
(
x
2 yz
2
y zx
z
2 xy
)
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
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。