畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-無模壓力成形機(jī)設(shè)計(jì)（全套圖紙）

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題　　目: 無模壓力成形機(jī)設(shè)計(jì)　 </p><p>　　?！　I(yè):　　 機(jī)電一體化技術(shù) </p><p>　　班　　級: </p><p>　　學(xué)　　號: <

2、/p><p>　　姓　　名: </p><p>　　指導(dǎo)老師: </p><p><b>　　論 文 摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)一個(gè)可根據(jù)需要隨時(shí)改變上、下模，從而改變沖壓產(chǎn)品的無模壓力成形機(jī)。其基本原理是利用一系列規(guī)則排列、高度可調(diào)的基本

3、體（沖頭），通過對各基本體的實(shí)時(shí)控制，構(gòu)造出所需形狀的成形面，取代傳統(tǒng)的模具來實(shí)現(xiàn)板材的三維曲面快速無模成形。</p><p>　　具體設(shè)計(jì)思路：設(shè)計(jì)中，上、下模都采用點(diǎn)陣的形式。每一個(gè)點(diǎn)陣的高度都可以通過螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)，，每個(gè)螺釘相當(dāng)于一個(gè)點(diǎn)陣，安裝在螺釘安裝板上。通過步進(jìn)電機(jī)按要求對螺釘進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)螺釘?shù)母叨?。步進(jìn)電機(jī)通過單片機(jī)或PLC進(jìn)行控制，并且安裝上限位開關(guān)和傳感器，使整個(gè)控制系統(tǒng)成為一個(gè)可控的

4、閉合回路?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)按要求對每一個(gè)螺釘調(diào)節(jié)好后，此時(shí)，得到了所需要的上、下模。安裝好需要加工的毛坯板材后，固定下模，再使用壓力機(jī)對上模向下模方向施加足夠的壓力使板件塑性變形成所需形狀。</p><p>　　在選用控制系統(tǒng)時(shí)，考慮到PLC相對單片機(jī)它具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程方法簡單易學(xué)、硬件配套齊全，用戶使用方便、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，安裝，調(diào)試工作量少、維修工作量小，維修方便等優(yōu)點(diǎn)，所以采用了PLC控制系統(tǒng)。&l

5、t;/p><p>　　關(guān)鍵詞： 無模壓力成形 多點(diǎn)成形 電機(jī)控制 沖壓設(shè)備　　</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The design objective is to design a need to be changed at any time according to the uppe

6、r and lower mold, thereby changing the products without stamping die pressure forming machine. The basic principle is to use a series of rules with a high degree of adjustable basic body (Punch), Based on the basic body

7、of the real-time control, to construct the required shape forming face, replace the traditional mold of the plate to achieve rapid 3D-Forming.</p><p>　　Specific design ideas : Design, upper and lower lattice

8、 model used in the form. Every one of the lattice can be highly regulated through the screw, and each screw is equivalent to a lattice. installation of the screws installed board. Stepper motor through the requirement of

9、 screw rotating adjustment screw to adjust the height. Stepper motors MCU or PLC control, and the installation of a ceiling-Switches and sensors. so that the whole control system has become a closed loop controllable. St

10、epper</p><p>　　The choice of control systems, taking into account the relative PLC MCU it has high reliability, strong anti-jamming ability, Programming is easy and hard infrastructure complete, and easy to

11、use user, system design, installation, commissioning work less, maintenance workload, the maintenance and so on and the use of PLC control systems.</p><p>　　Key Words: No pressure forming die Multi-point

12、 Forming Motor Control</p><p>　　Stamping equipment </p><p><b>　　前言</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，許多新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料不斷涌現(xiàn)，因而促進(jìn)了沖壓技術(shù)的不斷革新和發(fā)展。目前國內(nèi)外相繼涌現(xiàn)出了精密沖壓工藝、軟模成

13、形工藝、高能高速成形工藝、超塑性成形工藝及無模多點(diǎn)成形工藝等精密、高效、經(jīng)濟(jì)的沖壓新工藝。</p><p>　　近年來，為了適應(yīng)市場的激烈競爭，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，且其更新?lián)Q代的周期大為縮短。無模多點(diǎn)成形工藝不需要模具，可以省去模具的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試工序，節(jié)約制造模具的材料、工具、能源和時(shí)間等，將生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間縮短為模具成形時(shí)的幾十分之一。</p><p>　　在設(shè)計(jì)中，采用的是步進(jìn)電

14、機(jī)控制一系列規(guī)則排列、高度可調(diào)的基本體（沖頭），構(gòu)造出所需形狀的成形面，取代傳統(tǒng)的模具來實(shí)現(xiàn)板材的三維曲面快速無模成形。這些沖頭的排列越密沖壓出的曲面就越好。應(yīng)用在數(shù)控技術(shù)上還可以直接通過三維圖形生成出所需形狀的成形面。</p><p>　　無模多點(diǎn)成形工藝，實(shí)現(xiàn)了無模成形，優(yōu)化了變形路徑，改善了板材成形時(shí)的變形條件，提高板材成形極限，擴(kuò)大加工范圍；可以減少成形過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)無回彈成形；可以在較小的設(shè)

15、備上成形較大尺寸的板類件，使得加工件尺寸精度高，生產(chǎn)效率高，表面質(zhì)量好，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定。并且使沖壓工藝易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。是一種非常先進(jìn)設(shè)計(jì)思路，具有良好的發(fā)展前景。</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　論 文 摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p>

16、;<p><b>　　前言III</b></p><p><b>　　目　　錄IV</b></p><p>　　第1章 基 礎(chǔ) 知 識1</p><p><b>　　1.1 概述1</b></p><p>　　1.1.1基本概念1</p>

17、<p>　　1.1.2技術(shù)特點(diǎn)2</p><p>　　1.1.3技術(shù)基礎(chǔ)與水平3</p><p>　　1.2 多點(diǎn)成形理論3</p><p>　　1.3 技術(shù)的特點(diǎn)4</p><p>　　1.4 技術(shù)發(fā)展概況4</p><p>　　1.5 實(shí)用技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用前景5</p><

18、p>　　第2章 設(shè)計(jì)前準(zhǔn)備7</p><p>　　2.1 沖壓的概念、特點(diǎn)及應(yīng)用7</p><p>　　2.2 沖壓設(shè)計(jì)的一般程序9</p><p>　　2.2.1產(chǎn)品零件質(zhì)量及尺寸精度要求9</p><p>　　2.2.2沖壓設(shè)計(jì)的一般工作程序9</p><p>　　2.3 應(yīng)力和應(yīng)變分析10&l

19、t;/p><p>　　2.3.1一點(diǎn)處應(yīng)力狀態(tài)的概念10</p><p>　　2.3.2 平面應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分析、應(yīng)力圓14</p><p>　　2.4 金屬塑性變形概述20</p><p>　　2.4.1塑性變形的物理概念20</p><p>　　2.4.2塑性與變形抗力21</p><

20、p>　　2.4.3塑性變形對金屬組織和性能的影響22</p><p>　　2.4.4影響金屬塑性的因素23</p><p>　　2.4.5超塑性概念25</p><p>　　2.4.6塑性變形時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變26</p><p>　　2.5 沖壓模具的結(jié)構(gòu)的安全影響27</p><p>　　2.5.1模具

21、的主要零件、作用及安全要求27</p><p>　　2.5.2模具設(shè)計(jì)的安全要點(diǎn)28</p><p>　　第3章 零部件設(shè)計(jì)29</p><p>　　3.1 運(yùn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)29</p><p>　　3.1.1滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)30</p><p>　　3.1.2滾珠螺旋傳動(dòng)31</p><p

22、>　　3.2 其它部分零部件32</p><p>　　3.2.1沖壓帽32</p><p>　　3.2.2沖壓釘、管螺紋件134</p><p>　　3.2.3彈簧的選取35</p><p>　　3.2.4軸承、螺釘、螺母等標(biāo)準(zhǔn)件的選取35</p><p>　　3.2.5步進(jìn)電機(jī)和PLC的選取36&l

23、t;/p><p>　　第4章 工藝要求設(shè)計(jì)41</p><p>　　4.1 部分零部件的特殊工藝要求的設(shè)計(jì)41</p><p>　　4.2 熱處理、表面處理新工藝42</p><p><b>　　結(jié) 論43</b></p><p><b>　　謝 辭44</b><

24、;/p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)45</p><p>　　第1章 基 礎(chǔ) 知 識</p><p>　　本章介紹無模多點(diǎn)壓力成形機(jī)的有關(guān)知識、技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展概況、多點(diǎn)成形理論、實(shí)用技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用前景等基礎(chǔ)理論知識，這是理解本設(shè)計(jì)后續(xù)內(nèi)容的必要準(zhǔn)備。</p><p><b>　　1.1 概述</b></p>

25、<p><b>　　1.1.1基本概念</b></p><p>　　無模多點(diǎn)壓力成形機(jī)是傳統(tǒng)模具成形生產(chǎn)方式的重大創(chuàng)新。其基本原理是利用一系列規(guī)則排列、高度可調(diào)的基本體（沖頭），通過對各基本體的實(shí)時(shí)控制，構(gòu)造出所需形狀的成形面，取代傳統(tǒng)的模具來實(shí)現(xiàn)板材的三維曲面快速無模成形。使用該項(xiàng)產(chǎn)品，不需要模具，可以省去模具的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試工序，節(jié)約制造模具的材料、工具、能源和時(shí)間等，將生

26、產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間縮短為模具成形時(shí)的幾十分之一。同時(shí)，可以改善板材成形時(shí)的變形條件，提高板材成形極限，擴(kuò)大加工范圍；可以減少成形過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)無回彈成形；可以在較小的設(shè)備上成形較大尺寸的板類件，使得加工件尺寸精度高，生產(chǎn)效率高，表面質(zhì)量好，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定。</p><p>　　該機(jī)應(yīng)用范圍廣泛，可滿足各種行業(yè)板類件的加工需要，可用于高速列車流線型車頭、飛機(jī)、各種車輛、航天器、輪船艦艇和壓力容器等外殼的制造，還可

27、用于葉片類、金屬雕塑類、裝飾類等零部件的曲面成形。該機(jī)已用于我國高速列車流線型車頭等產(chǎn)品的試生產(chǎn)之中</p><p>　　無模多點(diǎn)成形就是將多點(diǎn)成形技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合為一體的先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)利用一系列規(guī)則排列的、高度可調(diào)的基本體，通過對各基本體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制，自由地構(gòu)造出成形面，實(shí)現(xiàn)板材的三維曲面成形。它是對三維曲面扳類件傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的重大創(chuàng)新。傳統(tǒng)成形和無模多點(diǎn)成形的區(qū)別如圖1-1-1所示：</p&

28、gt;<p>　　板材無模多點(diǎn)成形系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與輔助制造技術(shù)為主要手段的柔性成形設(shè)備，其工作原理是把傳統(tǒng)的沖壓實(shí)體模具分解為很多離散的小模具單元（亦稱基本體），利用一系列規(guī)則排列的高度可調(diào)的基本體，通過對各個(gè)基本體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制，自由地構(gòu)造出成形曲面，代替模具實(shí)現(xiàn)板材三維曲面的快速無模成形。這種成形方式是對三維曲面板類件傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的重大創(chuàng)新。無模多點(diǎn)壓力成形的多點(diǎn)成形原理如圖1-1-2所示：</p>

29、<p>　　圖 1-1-1 傳統(tǒng)成形和無模多點(diǎn)成形的區(qū)別</p><p>　　圖 1-1-2 多點(diǎn)成形原理</p><p><b>　　1.1.2技術(shù)特點(diǎn)</b></p><p>　　實(shí)現(xiàn)無模成形：取代傳統(tǒng)的整體模具，節(jié)省模具設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和保存所需人力、物力和財(cái)力，顯著地縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競爭力。與

30、模具成形法相比，不但節(jié)省巨額加工、制造模具的費(fèi)用，而且節(jié)省大量的修模與調(diào)模時(shí)間：與手工成形方法相比，成形的產(chǎn)品精度高、質(zhì)量好，并且顯著提高生產(chǎn)效率。 </p><p>　　優(yōu)化變形路徑：通過基本體調(diào)整，實(shí)時(shí)控制變形曲面，隨意改變板材的變形路徑和受力狀態(tài)，提高材料成形極限，實(shí)現(xiàn)難加工材料的塑性變形，擴(kuò)大加工范圍。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)無回彈成形：可采用反復(fù)成形新技術(shù)，消除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)

31、力，并實(shí)現(xiàn)少無回彈成形／保證工件的成形精度。 </p><p>　　小設(shè)備成形大型件：采用分段成形新技術(shù)，連續(xù)逐次成形超過設(shè)備工作臺尺寸數(shù)倍的大型工件。</p><p>　　易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化：曲面造型、工藝計(jì)算。壓力機(jī)控制、工件測試等整個(gè)過程全部采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAT一體化生產(chǎn)，工作效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度小，極大地改善勞動(dòng)者作業(yè)環(huán)境。</p><p>　

32、　1.1.3技術(shù)基礎(chǔ)與水平 </p><p>　　由吉林工業(yè)大學(xué)承擔(dān)的國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“大型板材三維曲面的自動(dòng)無模成形設(shè)備”已經(jīng)通過驗(yàn)收鑒定，驗(yàn)收鑒定專家組對該項(xiàng)成果的總的評價(jià)是“多點(diǎn)成形技術(shù)是傳統(tǒng)的板類件三維曲面成形生產(chǎn)方式的重大刨新，具有良好的市場前景。該項(xiàng)目在多點(diǎn)成形設(shè)備、多點(diǎn)成形理論與實(shí)用技術(shù)的研究成果已達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，已具備工業(yè)應(yīng)用條件。” </p><p>　　在多點(diǎn)成

33、形設(shè)備方面： 吉林工業(yè)大學(xué)開發(fā)的集CAD/CAE/CAM/CAT于一體、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的板材無模多點(diǎn)成形設(shè)備總體構(gòu)成如圖：所示。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)主要進(jìn)行曲面幾何造型、工藝計(jì)算、成形過程有限元模擬等。自動(dòng)控制系統(tǒng)用于調(diào)整基本體群形狀，控制液壓加載系統(tǒng)成形出所需形狀的工件；三維曲面測量檢測成形后的工件形狀，并將測量結(jié)果反饋到計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 </p><p>　　1.2 多點(diǎn)成形理論</p

34、><p>　　多點(diǎn)成形理論研究取得了一系列新進(jìn)展，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：</p><p>　　1．多點(diǎn)成形基本理論，提出了四種成形原理不同的、具有代表性的多點(diǎn)成形基本方式，即多點(diǎn)模具成形、多點(diǎn)壓機(jī)成形、半多點(diǎn)模具成形及半多點(diǎn)壓機(jī)成形。</p><p>　　2．缺陷產(chǎn)生機(jī)理：研究了多點(diǎn)成形中典型不良現(xiàn)象（壓痕、皺紋、回彈、直邊效應(yīng)）的產(chǎn)生機(jī)理，并研制出這些缺陷的抑制方法。<

35、/p><p>　　3．工藝設(shè)計(jì)理論：提出了抑制壓痕的工藝方法、消除直邊效應(yīng)的分段成形工藝方法、改變變形路徑的工藝方法和無回彈的反復(fù)成形工藝方法。</p><p>　　4．設(shè)備設(shè)計(jì)理論：提出了基本體與基本體群設(shè)計(jì)方法。多點(diǎn)成形設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。</p><p><b>　　1.3 技術(shù)的特點(diǎn)</b></p><

36、p>　　在當(dāng)今世界，隨著生產(chǎn)力水平的提高，制造業(yè)需要成千上萬各類模具以生產(chǎn)出形狀各異的產(chǎn)品及零部件。尤其是在飛機(jī)、輪船、汽車等產(chǎn)品的覆蓋件制造上，更需要大量的模具，其制造和調(diào)試除要花費(fèi)巨額資金外，加工周期也往往需要幾個(gè)月甚至十幾個(gè)月。而且產(chǎn)品一旦換型，模具也必須隨之更換，從而嚴(yán)重制約了制造業(yè)的發(fā)展。而無模成形技術(shù)就是要造出萬能板材成形機(jī)，不用模具就能生產(chǎn)出形狀各異的覆蓋件。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)無模成形

37、：取代傳統(tǒng)的整體模具，節(jié)省模具設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和保存所需人力、物力和財(cái)力，顯著地縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競爭力。與模具成形法相比，不但節(jié)省巨額加工、制造模具的費(fèi)用，而且節(jié)省大量的修模與調(diào)模時(shí)間：與手工成形方法相比，成形的產(chǎn)品精度高、質(zhì)量好，并且顯著提高生產(chǎn)效率。</p><p>　　優(yōu)化變形路徑：通過基本體調(diào)整，實(shí)時(shí)控制變形曲面，隨意改變板材的變形路徑和受力狀態(tài)，提高材料成形極限，實(shí)現(xiàn)難加工材料

38、的塑性變形，擴(kuò)大加工范圍。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)無回彈成形：可采用反復(fù)成形新技術(shù)，消除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并實(shí)現(xiàn)少無回彈成形／保證工件的成形精度。</p><p>　　小設(shè)備成形大型件：采用分段成形新技術(shù)，連續(xù)逐次成形超過設(shè)備工作臺尺寸數(shù)倍的大型工件。</p><p>　　易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化：曲面造型、工藝計(jì)算。壓力機(jī)控制、工件測試等整個(gè)過程全部采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)

39、CAD／CAM／CAT一體化生產(chǎn)，工作效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度小，極大地改善勞動(dòng)者作業(yè)環(huán)境</p><p>　　1.4 技術(shù)發(fā)展概況 </p><p>　　多點(diǎn)成形的研究起源于日本。 70年代日本造船協(xié)會(huì)西岡等人試制了多點(diǎn)壓力機(jī)，進(jìn)行船體外板自動(dòng)成形的研究，但因關(guān)鍵技術(shù)未能解決好，多點(diǎn)壓機(jī)的制造費(fèi)用太高，未能實(shí)用化。日本三菱重工業(yè)株式會(huì)社的熊本等人也研制了三列多點(diǎn)成形設(shè)備。由于其整體設(shè) </

40、p><p>　　計(jì)不周，該壓機(jī)只適用于變形量很小的船體外板的彎曲加工。另外，東京大學(xué)的野本及東京工業(yè)大學(xué)的井關(guān)等人也進(jìn)行了多點(diǎn)壓機(jī)及成形實(shí)驗(yàn)方面的研究工作，但未取得重大進(jìn)展。宮80年代以來，美國麻省理工學(xué)院D。E。Hardt的研究室對多點(diǎn)模具成形進(jìn)行了十多年的研究。最近麻省理工學(xué)院與美國航空航天技術(shù)研究部門合作，投入1400多萬美元的巨額經(jīng)費(fèi)開發(fā)出多點(diǎn)張力拉伸成形機(jī)。</p><p>　　吉林

41、工業(yè)大學(xué)教授李明哲博士在日本日立公司從事博士后研究期間系統(tǒng)地研究了多點(diǎn)成形基本理論，深入地分析了成形機(jī)理與成形特點(diǎn)，并主持開發(fā)出多點(diǎn)成形實(shí)用機(jī)。主要技術(shù)參數(shù)見表1-1。</p><p>　　表1-1 多點(diǎn)成形實(shí)用機(jī)主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　該系統(tǒng)是世界上第一臺達(dá)到實(shí)用化程度的無模多點(diǎn)板材成形壓力機(jī)，己成功地用于三維曲面工件（如扭曲面、球面、馬鞍面等）的實(shí)際生產(chǎn)中，工作效率較傳統(tǒng)的

42、線狀加熱法提高了數(shù)十倍，而且制品精度也得到很大的提高。</p><p>　　李明哲教授回國后，在吉林工業(yè)大學(xué)組建了無模成形技術(shù)開發(fā)中心，繼續(xù)對多點(diǎn)成形技術(shù)進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究，逐步形成了板材多點(diǎn)成形理論?！霸撝行膹膶W(xué)術(shù)與實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)方面建立了板材多點(diǎn)成形新理論與新方法，開發(fā)出多點(diǎn)成形實(shí)用化技術(shù)，并研制出集CAD／CAM／CAT于一體的無模多點(diǎn)成形樣機(jī)。</p><p>　　1.5 實(shí)用技術(shù)開

43、發(fā)和應(yīng)用前景</p><p>　　在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，解決了一系列實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)，主要有：</p><p>　　1、無缺陷彈性墊技術(shù)：可以有效地抑制壓痕，起皺等成形缺陷，使成形件的表面質(zhì)量大大提高；</p><p>　　2、無回彈反復(fù)成形技術(shù)：即利用多點(diǎn)成形柔性化的特點(diǎn)，采用反復(fù)成形工藝方法，減小工件的回彈及材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)板材小回彈或無回彈成形。 </

44、p><p>　　3．分段成形技術(shù)：即優(yōu)化過渡區(qū)成形模型，進(jìn)行大變形量、大尺寸零件的成形，實(shí)現(xiàn)小設(shè)備成形大工件，并使無模成形設(shè)備小型化。應(yīng)用該技術(shù)已成形出超過設(shè)備工作臺面積七倍的樣件，扭曲面總扭曲角超過40g。</p><p>　　4．多道成形技術(shù)：對于變形量很大的制品，選取最佳路徑多道成形，使成形過程中板材各部分變形盡量均勻，以消除起皺等成形缺陷，提高板材的成形能力。</p>&

45、lt;p>　　不同形狀、不同尺寸的大型三維曲面板制品在輪船、艦艇、飛機(jī)、航天器、陸地車輛、大型容器以及不銹鋼雕塑等軍工和民品上比比皆是。近年來，隨著航空、航天、海運(yùn)、高速鐵路、化工以及城市建筑等行業(yè)的發(fā)展，對其需求也在不斷地增加，但落后的扳金彎形方法己不能適應(yīng)這種發(fā)展要求，三維曲面板制品生產(chǎn)迫切地需要先進(jìn)的制造技術(shù)。無模多點(diǎn)成形技術(shù)已經(jīng)成熟，可以直接用于實(shí)際生產(chǎn)。它特別適合于曲面板制品的多品種小批量生產(chǎn)及新產(chǎn)品的試制，所加工的零件

46、尺寸越大、其優(yōu)越性越突出。無模多點(diǎn)成形技術(shù)將在輪船和艦艇的外扳、飛機(jī)和航天器的蒙皮、車輛、大型容器和城市雕塑的覆蓋件等三維曲面板制品加工中有著廣闊應(yīng)用前景，并將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。</p><p>　　第2章 設(shè)計(jì)前準(zhǔn)備</p><p>　　任何設(shè)計(jì)都要在之前積累大量的相關(guān)知識，只有這樣才能設(shè)計(jì)出好的產(chǎn)品。對無模壓力成形機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)該對沖壓、制圖、應(yīng)力分析及應(yīng)變、材料、工藝等許多

47、方面的知識進(jìn)行細(xì)致的研究。這個(gè)過程，我把它稱之為設(shè)計(jì)前準(zhǔn)備。這章將對這方面的知識進(jìn)行簡單的講解。</p><p>　　2.1 沖壓的概念、特點(diǎn)及應(yīng)用</p><p>　　沖壓是利用安裝在沖壓設(shè)備（主要是壓力機(jī)）上的模具對材料施加壓力，使其產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得所需零件（俗稱沖壓件或沖件）的一種壓力加工方法。基本工作原理：就是在一臺設(shè)備上通過可編程控制PLC控制多個(gè)基本體的位置和壓力，

48、達(dá)到對板材的隨意成形。</p><p>　　沖壓通常是在常溫下對材料進(jìn)行冷變形加工，且主要采用板料來加工成所需零件，所以也叫冷沖壓或板料沖壓。沖壓是材料壓力加工或塑性加工的主要方法之一，是一種材料成形工程技術(shù)。</p><p>　　沖壓所使用的模具稱為沖壓模具，簡稱沖模。沖模是將材料（金屬或非金屬）批量加工成所需沖件的專用工具。沖模在沖壓中至關(guān)重要，沒有符合要求的沖模，批量沖壓生產(chǎn)就難以進(jìn)

49、行；沒有先進(jìn)的沖模，先進(jìn)的沖壓工藝就無法實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　沖壓工藝與模具、沖壓設(shè)備以及沖壓材料構(gòu)成沖壓加工的三要素，它們之間的相互關(guān)系如圖2-1-1所示。</p><p>　　與機(jī)械加工及塑性加工的其他方法相比，沖壓加工無論在技術(shù)方面還是經(jīng)濟(jì)方面都具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。主要表現(xiàn)在：</p><p>　　沖壓加工的生產(chǎn)效率高，且操作方便，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化

50、。這是因?yàn)闆_壓是依靠沖模和沖壓設(shè)備來完成加工，普通壓力機(jī)的行程次數(shù)為每分鐘幾十次，高速壓力機(jī)每分鐘可達(dá)數(shù)百次甚至千次以上，而且每次沖壓行程就可能得到一個(gè)或多個(gè)沖件。</p><p>　　沖壓時(shí)由模具保證了沖壓件的尺寸與形狀精度，且一般不破壞沖壓材料的表面質(zhì)量，而模具的壽命一般較長，所以沖壓件的質(zhì)量穩(wěn)定，互換性好，具有“一模一樣”的特征。</p><p>　　圖2-1-1 沖壓加工的要素&

51、lt;/p><p>　　沖壓可加工出尺寸范圍較大、形狀復(fù)雜的零件，如小到鐘表的秒針，大到汽車縱梁、覆蓋件等，加上沖壓時(shí)材料的冷變形硬化效應(yīng)，沖壓件的強(qiáng)度和剛度均較高。</p><p>　　沖壓一般沒有切削碎料生成，材料的消耗較少，且不需其他加熱設(shè)備，因而是一種省料、節(jié)能的加工方法，沖壓件的成本較低。</p><p>　　但是，沖壓加工所使用的模具一般具有專用性，有時(shí)一個(gè)

52、復(fù)雜零件需要數(shù)套模具才能加工成形，且模具制造的精度高，技術(shù)要求高，是技術(shù)密集型產(chǎn)品。所以，只有在沖壓生產(chǎn)批量較大的情況下，沖壓加工的優(yōu)點(diǎn)才能充分體現(xiàn)，從而獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　沖壓在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是大批量生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，相當(dāng)多的工業(yè)部門越來越多地采用沖壓方法加工產(chǎn)品零部件，如汽車、農(nóng)機(jī)、儀器、儀表、電子、航空、航天、家電及輕工等行業(yè)。在這些工業(yè)部門中，沖壓件所占的比重都相當(dāng)大，少則6

53、0%以上，多則90%以上。不少過去用鍛造、鑄造和切削加工方法制造的零件，現(xiàn)在大多數(shù)也被質(zhì)量小、剛度好的沖壓件所代替。因此可以說，如果生產(chǎn)中不廣泛采用沖壓工藝，許多工業(yè)部門要提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、加速產(chǎn)品更新?lián)Q代等都是難以實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　2.2 沖壓設(shè)計(jì)的一般程序</p><p>　　沖壓設(shè)計(jì)沖壓工藝設(shè)計(jì)、沖壓設(shè)備選用及沖壓模具設(shè)計(jì)等。為了使沖壓設(shè)計(jì)最大限度地適

54、合于生產(chǎn)實(shí)際，保證沖壓出質(zhì)量與尺寸精度均滿足圖樣要求的產(chǎn)品零件，既要做到技術(shù)上先進(jìn)可行，又要在經(jīng)濟(jì)上合理，因此在沖壓設(shè)計(jì)過程中，要考慮多方面的問題。概括起來包括以下主要內(nèi)容：</p><p>　　2.2.1產(chǎn)品零件質(zhì)量及尺寸精度要求</p><p>　　2．產(chǎn)品零件對沖壓加工的適應(yīng)性。</p><p>　　3．產(chǎn)品零件的生產(chǎn)批量。</p><p&

55、gt;<b>　　4．沖壓設(shè)備條件。</b></p><p>　　5．模具制造條件及技術(shù)水平。</p><p>　　6．沖壓原材料性能、規(guī)格及供應(yīng)狀況。</p><p><b>　　8．企業(yè)管理水平。</b></p><p>　　由于沖壓設(shè)計(jì)涉及的問題較多，因此在具體進(jìn)行沖壓工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮

56、各方面的因素，通過認(rèn)真的分析比較，最終確定出最佳方案。</p><p>　　2.2.2沖壓設(shè)計(jì)的一般工作程序</p><p>　　1．收集沖壓設(shè)計(jì)必需的原始資料。沖壓設(shè)計(jì)的原始資料包括產(chǎn)品零件圖樣（或樣件）及技術(shù)要求、產(chǎn)品零件的生產(chǎn)批量、車間沖壓設(shè)備及模具制造條件、有關(guān)沖模標(biāo)準(zhǔn)化資料等。</p><p>　　2．分析產(chǎn)品零件的沖壓工藝性，如了解零件的功能及使用要求、

57、分析零件對沖壓方法的適用性及經(jīng)濟(jì)性等。</p><p>　　3．確定沖壓工藝方案，如確定沖壓加工的方法、加工工序的順序及組合方式等。</p><p>　　4．確定模具結(jié)構(gòu)方案，如確定沖模的類型、操作定位方式、卸料出件方式、模架類型等。</p><p>　　5．進(jìn)行有關(guān)工藝計(jì)算，如計(jì)算坯料尺寸、排樣、材料利用率、工序尺寸、模具工作部分尺寸、沖壓力及壓力中心等。<

58、/p><p>　　6．選擇沖壓設(shè)備，如選擇沖壓設(shè)備的類型及規(guī)格。</p><p>　　7．編寫沖壓工藝卡，如編寫沖壓工藝過程卡片或沖壓工序卡</p><p>　　8．進(jìn)行模具的總體設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)模具總裝結(jié)構(gòu)草圖。</p><p>　　9．進(jìn)行模具的主要零部件設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)或選用模具零部件。</p><p>　　10．校核沖壓設(shè)

59、備，如校核沖壓設(shè)備的裝模尺寸及操作的安全性。</p><p>　　11．繪制模具總裝圖和零件圖，如繪制完整的模具總裝圖及非標(biāo)準(zhǔn)模具零件圖。</p><p>　　12．校核模具圖樣，如全面審核模具圖樣。</p><p>　　13．編寫設(shè)計(jì)說明書。</p><p>　　應(yīng)當(dāng)說明的是，上述沖壓設(shè)計(jì)的工作程序并非一成不變，在某些情況下需要交叉進(jìn)行，因

60、此設(shè)計(jì)過程要視具體情況靈活掌握。</p><p>　　2.3 應(yīng)力和應(yīng)變分析</p><p>　　無模壓力成形機(jī)的工作時(shí)是將外力轉(zhuǎn)換到工件從而使工件塑性變形的，所以在設(shè)計(jì)中受力分析是非常關(guān)鍵的一步。因此在這里要對受力分析進(jìn)行重點(diǎn)闡述一下。由于篇幅的原因，該報(bào)告只做了對受力分析方法的講解。而在設(shè)計(jì)中是使用的相關(guān)軟件對個(gè)零部件和材料進(jìn)行受力分析的。</p><p>　　

61、受力構(gòu)件內(nèi)同一截面的不同點(diǎn)的應(yīng)力一般是不同的，而過同一點(diǎn)，若所取截面的方位不同，其應(yīng)力也是變化的。本節(jié)通過分析一點(diǎn)的應(yīng)力，包括確定一點(diǎn)處任意方向面上的應(yīng)力，確定正應(yīng)力和切應(yīng)力的極值以及它們的作用面方位；建立一點(diǎn)處的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，對于處在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的單元體．尋找其破壞規(guī)律并能依靠試驗(yàn)提出各種假設(shè)，從而建立復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度條件。</p><p>　　2.3.1一點(diǎn)處應(yīng)力狀態(tài)的概念</p><

62、p>　　在討論拉（壓）桿的應(yīng)力時(shí)，可以知道，對于圖2-3-1所示構(gòu)件斜截面上的應(yīng)力，是隨截面的方位變化而變化的。對圓軸扭轉(zhuǎn)的研究表明，同樣可以看到這樣的情況，如圖2-3-2所示。</p><p><b>　　圖2-3-1</b></p><p><b>　　圖2-3-2</b></p><p>　　為了研究構(gòu)件的強(qiáng)度

63、，常常需要全面分析各個(gè)截面上的應(yīng)力。人們把任意點(diǎn)處各個(gè)方向上應(yīng)力狀況稱為一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。為了研究構(gòu)件內(nèi)某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，可以圍繞該點(diǎn)取出一個(gè)單元體，如圖2-3-3所示。單元體是一個(gè)微小的平行六面體，一般在三個(gè)方向上的尺寸均為無窮小。以致可以認(rèn)為，在它的每個(gè)面上，應(yīng)力都是均勻的；且在單元體內(nèi)相互平行的截面上，應(yīng)力都是相同的，同等于通過所研究的點(diǎn)的平行面上的應(yīng)力。將每個(gè)面上的應(yīng)力分解為一個(gè)正應(yīng)力和兩個(gè)切應(yīng)力，分別與三個(gè)坐標(biāo)軸平行。為了表明正

64、應(yīng)力的作用和作用方向，加上一個(gè)坐標(biāo)角碼。例如，表示作用在垂直于x軸的截面上，即所謂x截面沿著x軸的方向作用的正應(yīng)力。而切應(yīng)力加上兩個(gè)坐標(biāo)角碼，前一個(gè)角碼表示切應(yīng)力作用截面垂直于哪一個(gè)坐標(biāo)軸，后一個(gè)角碼表明切應(yīng)力作用方向沿著哪一個(gè)坐標(biāo)軸。例如，表示的是作用在垂直于x軸的截面上而沿著y軸方向作用的切應(yīng)力。</p><p>　　圖2-3-3是一般受力物體中任意點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)，是一點(diǎn)處應(yīng)力狀態(tài)的最一般情形。構(gòu)件內(nèi)任一點(diǎn)在

65、不同方向上的應(yīng)力一般是不同的，因此我們總可以取出一個(gè)特殊的單元體，這個(gè)單元體的六個(gè)側(cè)面上只有正應(yīng)力而無切應(yīng)力，我們把切應(yīng)力等于零的面稱為主平面。主平面上的正應(yīng)力稱為主應(yīng)力。主應(yīng)力一般以，， 表示，且按代數(shù)大小排序即>>，如果主單元體的三個(gè)主應(yīng)力都不等于零，這種應(yīng)力狀態(tài)稱為三向或空間應(yīng)力狀態(tài)。例如在滾珠軸承中（圖2-3-4），滾珠和外圈接觸點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)就是三向應(yīng)力狀態(tài)。若三個(gè)主應(yīng)力中有兩個(gè)不等于零，這種應(yīng)力狀稱為二向或平面應(yīng)

66、力狀態(tài)；若三個(gè)主應(yīng)力中只有一個(gè)不等于零，則稱為單向應(yīng)力狀態(tài)。單向應(yīng)力狀態(tài)又稱為簡單應(yīng)力狀態(tài)，二向應(yīng)力狀態(tài)和三向應(yīng)力狀態(tài)又被稱為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。</p><p><b>　　圖2-3-3</b></p><p><b>　　圖2-3-4</b></p><p>　　例：工程上常用的鍋爐或其他圓筒形容器，當(dāng)這類圓筒的壁厚t遠(yuǎn)小于

67、它的直徑D時(shí)( )，稱為薄壁圓筒。當(dāng)圓筒受所儲氣體或液體的內(nèi)壓力為p作用時(shí)，計(jì)算圓筒橫截面和縱截面上的應(yīng)力（圖2-3-5(a)）。</p><p>　　解 (1)計(jì)算橫截面上的應(yīng)力。用截面法將薄壁圓筒橫向截開，如圖2-3-5(b)所示。這是一個(gè)軸向拉伸問題，沿圓筒軸線作用于筒底上的總壓力為F，且</p><p>　　因?yàn)楸”趫A筒的橫截面面積是A＝，故有：</p><

68、p><b>　　圖2-3-5</b></p><p><b>　　(a)</b></p><p>　　（2）計(jì)算縱截面上的應(yīng)力。用相距為的兩個(gè)橫截面和包含直徑的縱向平面，假想地從筒中截取一部分（圖2-3-5(c)），則內(nèi)力為：</p><p>　　作用在這一部分圓筒內(nèi)壁的微分面積導(dǎo)如上的壓力為戶。它在y方向的投影為（

69、圖2-3-5(d)）。</p><p>　　通過積分求出上述投影的總和為：</p><p>　　積分結(jié)果表明，截面部分在縱向平面上的投影面積與p的面積，等于內(nèi)壓力的合力。由平衡方程，得：</p><p><b>　?。╞）</b></p><p>　　隊(duì)式(a)、式(b)看出，縱向截面上的應(yīng)力是橫截面上應(yīng)力的兩倍。<

70、;/p><p>　　作用的截面是直桿拉伸的橫截面，這類截面上沒有切應(yīng)力，又因?yàn)閮?nèi)壓力是軸對稱荷載，所以在作用的縱向截面上沒有切應(yīng)力。這樣，通過壁內(nèi)任意點(diǎn)的縱橫兩截面皆為主平面，和皆為主應(yīng)力。此外，在單元體朋ABCD的第三個(gè)方向上，在內(nèi)壁處其值最大即，它與比較，是一個(gè)很小量，可以忽略不計(jì)，所以其應(yīng)力是二向應(yīng)力狀態(tài)。按主應(yīng)力排序，，，。</p><p>　　2.3.2 平面應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分析、

71、應(yīng)力圓</p><p>　　二向應(yīng)力狀態(tài)是受力構(gòu)件中最常見的應(yīng)力狀態(tài)。對二向應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析主要有解析法和圖解法二種方法。</p><p><b>　　1．解析法</b></p><p>　　圖2-3-6(a)表示一個(gè)從受力構(gòu)件內(nèi)取出的單元體，其上應(yīng)力分量，，，和已知。由圖中可以看到，在單元體的6個(gè)側(cè)面中，僅有4個(gè)側(cè)面上作用有應(yīng)力，而且。應(yīng)力作

72、用線均平行于單元體的不受力表面，這就是平面應(yīng)力狀態(tài)(二向應(yīng)力狀態(tài))的一般形式。現(xiàn)在討論的問題是：平面應(yīng)力狀態(tài)下，如何確定通過這一點(diǎn)的其他方位上的應(yīng)力，為此，求任意斜截面上的應(yīng)力。斜截面的方位以其外法線n與x軸的夾角α表示（圖2-3-6(b)）。為了分析方便，應(yīng)力正負(fù)號規(guī)定如下：正應(yīng)力以拉應(yīng)力為正而壓應(yīng)力為負(fù)，切應(yīng)力對單元體內(nèi)任意點(diǎn)的矩為順時(shí)針轉(zhuǎn)向時(shí)規(guī)定為正，反之為負(fù)。</p><p><b>　　圖2-

73、3-6</b></p><p>　　α角的規(guī)定：由x軸轉(zhuǎn)到外法線n為反時(shí)針轉(zhuǎn)向時(shí)，α為正。根據(jù)上述規(guī)定，圖2-3-6中所示各量，除為負(fù)外，其余全部為正。</p><p>　　利用截面法，沿截面將單元體切開，以三角形單元體為研究對象，設(shè)截面的面積為，則截面，的面積分別為，，單元體受力如圖2-3-6(c)所示。由平衡條件，，可以寫出：</p><p>　　根

74、據(jù)切應(yīng)力互等定理，和在數(shù)值上相等，以子代換，并利用三角函數(shù)關(guān)系求解可得：</p><p><b>　?。?-3-1）</b></p><p><b>　?。?-3-2）</b></p><p>　　式（2-3-1）和式（2-3-2）就是計(jì)算平面應(yīng)力狀態(tài)下任意斜面上應(yīng)力的一般公式。</p><p>　

75、　由式（2-3-1）、式（2-3-2）知，只要給出值，就可以得到其，值，這就說明上兩式表示了所有方位上的應(yīng)力狀況，也就是說構(gòu)件上一點(diǎn)的單元體代表了一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，今后就用單元體表示一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。</p><p>　　應(yīng)該指出，式（2-3-1）、式（2-3-2）是根據(jù)靜力平衡條件建立的，因此，它們既適用于線彈性問題，也適用于非線性或非彈性問題，既可用于各向同性情況，也可用于各向異性情況，也就是說，與材料的力學(xué)性能

76、無關(guān)。</p><p>　　根據(jù)上面導(dǎo)出的確定斜截面上的正應(yīng)力和切應(yīng)力的式（2-3-1）和式（2-3-2）可知，，是的函數(shù)，通過分析式（2-3-1）與式（2-3-2）就可以確定，的極值(最大值或最小值)及其作用面的方位。</p><p>　　為此，將式（2-3-1）對。求導(dǎo)，得：</p><p>　　令此導(dǎo)數(shù)等于零，可求得當(dāng)達(dá)到極值時(shí)的值，以＝表示此值，有：<

77、/p><p><b>　　（2-3-3）</b></p><p><b>　　由此得出：</b></p><p><b>　?。?-3-4）</b></p><p>　　由上式可求出兩個(gè)角度，，它們是兩個(gè)互相垂直的截面，其中一個(gè)截面上作用的正應(yīng)力是最大值，另一個(gè)截面上的正應(yīng)力是最小

78、值。將式（2-3-3）與式（2-3-2）比較可見，最大、最小正應(yīng)力作用的截面上切應(yīng)力等于零。由于切應(yīng)力為零的截面是主平面，主平面上的正應(yīng)力是主應(yīng)力，所以主應(yīng)力就是單元體內(nèi)最大或最小的正應(yīng)力。由式（2-3-4）求得：</p><p>　　再代人式（2-3-1），求得最大及最小的正應(yīng)力為：</p><p><b>　?。?-3-5）</b></p><

79、p>　　注意：在使用上述公式時(shí)，如約定用表示兩個(gè)正應(yīng)力中代數(shù)值較大的一個(gè)，即≥，則式（2-3-4）確定的兩個(gè)角度，中，絕對值較小的一個(gè)角度確定所在的平面。與正應(yīng)力相類似，可以確定切應(yīng)力的極值。將式（2-3-2）對求導(dǎo)，得：</p><p>　　由，則可求得極值切應(yīng)力所在截面的方位，設(shè)其方位角為，由此求得：</p><p><b>　　（2-3-6）</b><

80、;/p><p>　　上式也有兩個(gè)根：，。求出，代人式（2-3-2），求得切應(yīng)力的最大和最小值是：</p><p><b>　?。?-3-7）</b></p><p>　　比較式（2-3-4）和式（2-3-6）可得：</p><p><b>　　即有，。</b></p><p>　

81、　由此可知，極值切應(yīng)力平面與主平面成。</p><p>　　2．圖解法——應(yīng)力圓法</p><p>　　將式（2-3-1）、式（2-3-2）分別改寫為：</p><p>　　然后將上式各自平方后相加，過一點(diǎn)處任意方向面上的正應(yīng)力和切應(yīng)力之間的關(guān)系為：</p><p><b>　　（2-3-8）</b></p>

82、<p>　　這是一個(gè)以，為變量的方程式。在，直角坐標(biāo)系中，上述方程為一圓方程，其圓心坐標(biāo)為，半徑為，如圖8-7(b)所示，此圓稱為應(yīng)力圓。應(yīng)力圓最早是由德國工程師莫爾(Mohr，1835—1918年)引入的，故又稱為莫爾圓。</p><p><b>　　圖2-3-7</b></p><p><b>　?。?）應(yīng)力圓的畫法</b>&l

83、t;/p><p>　　單元體如圖2-3-4(a)所示，按照下列步驟作與該單元體對應(yīng)的應(yīng)力圖。</p><p>　?、僭冢?坐標(biāo)系內(nèi)，按一定比例尺量取橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)，確定點(diǎn)點(diǎn)坐標(biāo)代表以x為法線的截面上的應(yīng)力。</p><p>　?、诹咳∶?，，確定點(diǎn)點(diǎn)的坐標(biāo)代表以y為法線的截面上的應(yīng)力。</p><p>　?、圻B接，與橫軸交于點(diǎn)以點(diǎn)為圓心，為半徑作圓

84、，即得應(yīng)力圓。</p><p><b>　?。?）應(yīng)力圓的應(yīng)用</b></p><p>　　可以證明，單元體內(nèi)任意斜面上的應(yīng)力都對應(yīng)著應(yīng)力圓上的一個(gè)點(diǎn)。因此可以利用應(yīng)力圓確定單元體中任意斜截面上的應(yīng)力以及主應(yīng)力與主平面方向等問題。</p><p>　　在單元體上，由x軸反時(shí)針旋轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)到任意斜截面法線n（2-3-7 (a)）。在應(yīng)力圓上，從點(diǎn)也

85、按反時(shí)針方向沿圓周轉(zhuǎn)到點(diǎn)，且使弧所對的圓心角為的兩倍。則點(diǎn)的坐標(biāo)就代表以n為法線的斜面上的應(yīng)力?，F(xiàn)在看點(diǎn)的橫坐標(biāo)，由圖2-3-7(b)得：</p><p>　　同理可以證明，點(diǎn)的縱坐標(biāo)。</p><p>　　點(diǎn)的縱橫坐標(biāo)與式（2-3-1）、式（2-3-2）的結(jié)果完全相同，從而證明了單元體的面與應(yīng)力圓上點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系。</p><p>　　從圖2-3-7(b)中還可以看

86、出，在，兩點(diǎn)的切應(yīng)力為零，這兩點(diǎn)的橫坐標(biāo)為應(yīng)力圓的最大、最小正應(yīng)力，由圖知：</p><p>　　式中，，，都是應(yīng)力圓的半徑，故有：</p><p>　　這與式（2-3-5）是完全一致的。同樣可以推出式（2-3-7）。從應(yīng)力圓還可看出點(diǎn)和分別代表最大和最小切應(yīng)力，它們的絕對值都等于應(yīng)力圓的半徑，故有：</p><p><b>　　或</b>&l

87、t;/p><p>　　在應(yīng)力圓上，由到的圓心角為，故在單元體上最大或最小切應(yīng)力的作用平面與主平面相差。這就進(jìn)一步說明所畫應(yīng)力圓就代表了單元體。</p><p>　　為了正確地使用應(yīng)力圓，應(yīng)注意下面兩個(gè)要點(diǎn)：</p><p>　　1．應(yīng)力圓上任一點(diǎn)對應(yīng)于單元體上一個(gè)截面，應(yīng)力圓上點(diǎn)的坐標(biāo)就是對應(yīng)面上的應(yīng)力；</p><p>　　2．應(yīng)力圓上兩點(diǎn)所對

88、應(yīng)的圓心角是單元體上兩截面夾角的2倍，而且兩角轉(zhuǎn)向相同。</p><p>　　2.4 金屬塑性變形概述</p><p>　　該設(shè)備是通過沖壓金屬板材并使其塑性變形到所需曲面為目的而設(shè)計(jì)的。因此，在設(shè)計(jì)中必須要對金屬材料塑性變形的相關(guān)知識非常熟悉。本節(jié)將重點(diǎn)講述這方面的知識。</p><p>　　2.4.1塑性變形的物理概念</p><p>　

89、　在金屬物體中，原子之間作用著相當(dāng)大的力，足以抵抗重力的作用，所以在沒有其他外力作用的條件下，物體將保持自有的形狀和尺寸。當(dāng)物體受到外力作用之后，物體的形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為變形。變形的實(shí)質(zhì)就是物體內(nèi)部原子間的距離產(chǎn)生變化。</p><p>　　若作用于物體的外力除去以后，由外力引起的變形隨之消失，物體能完全恢復(fù)成原有的形狀和尺寸，這樣的變形稱為彈性變形。</p><p>　　

90、若作用于物體的外力除去以后，物體并不能完全恢復(fù)到原有的形狀和尺寸，這樣的變形稱為塑性變形。</p><p>　　塑性變形和彈性變形一樣，它們都是在變形體不破壞的條件下進(jìn)行的，或是在變形體局部區(qū)域不破壞的條件下進(jìn)行的（即連續(xù)性不破壞）。</p><p>　　金屬材料在外力作用下，既能產(chǎn)生彈性變形，又能從彈性變形發(fā)展到塑性變形，是一種具有彈塑性的工程材料。</p><p&g

91、t;　　2.4.2塑性與變形抗力</p><p>　　所謂塑性，是指物體在外力的作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞其完整性的能力。塑性不僅與物體材料的種類有關(guān)，還與變形方式和變形條件有關(guān)。例如，在通常情況下，鉛具有很好的塑性，但在三向等拉應(yīng)力的作用下，卻會(huì)像脆性材料一樣破裂，不產(chǎn)生任何塑性變形。又如，極脆的大理石，若給予三向壓力作用，則可能產(chǎn)生較大的塑性變形。這兩個(gè)例子充分說明：材料的塑性并非某種物質(zhì)固定不變的性質(zhì)，而是

92、與材料種類、變形方式及變形條件有關(guān)。</p><p>　　金屬塑性的高低通常用塑性指標(biāo)來衡量。塑性指標(biāo)是以材料開始破壞時(shí)的變形量表示，它可借助于各種試驗(yàn)方法測定。目前應(yīng)用廣泛的是拉伸試驗(yàn)，對應(yīng)于拉伸試驗(yàn)的塑性指標(biāo)通常是斷后伸長率a和斷面收縮率＆除此以外，還有愛力克辛試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)（測定板料脹形和彎曲時(shí)的塑性變形能力）和鐓粗試驗(yàn)（測定材料鍛造時(shí)的塑性變形能力）。需要指出的是，各種試驗(yàn)方法都是相對于特定的受力狀況和變

93、形條件的，由此測定的塑性指標(biāo)僅具有相對的比較意義。一種金屬的塑性比另一種金屬的塑性高還是低，或者對某種金屬來說，在什么樣的變形條件下塑性好，而在什么樣的變形條件下塑性差，這都是相對某種特定的受力狀況和變形條件下而言的。</p><p>　　所謂變形抗力，是指在一定的變形條件（加載狀況、變形溫度及速度）下，引起物體塑性變形的單位變形力。變形抗力反映了物體在外力作用下抵抗塑性變形的能力。</p><

94、;p>　　塑性和變形抗力是兩個(gè)不同的概念。通常說某種材料的塑性好壞是指受力后臨近破壞時(shí)的變形程度的大小，而變形抗力是從力的角度反映塑性變形的難易程度。如奧氏體不銹鋼允許的塑性變形程度大，說明它的塑性好；但其變形抗力也大，說明它需要較大的外力才能產(chǎn)生塑性變形。</p><p>　　2.4.3塑性變形對金屬組織和性能的影響</p><p>　　金屬受外力作用產(chǎn)生塑性變形后，不僅形狀和尺寸

95、發(fā)生變化，而且其內(nèi)部組織和性能也將發(fā)生變化，這些變化可以歸納為以下四個(gè)方面：</p><p>　　1．形成了纖維組織 多晶體經(jīng)塑性變形后，各晶粒會(huì)沿變形方向伸長。當(dāng)變形程度很大時(shí)，多晶體晶粒便顯著地沿變形方向被拉長，于是便形成了金屬的纖維組織。形成的纖維組織會(huì)使變形抗力增加，且會(huì)產(chǎn)生明顯的各向異性（即板平面內(nèi)不同方向的性能有所差異，一般順纖維方向的力學(xué)性能高于垂直纖維方向的力學(xué)性能）。</p>&

96、lt;p>　　2．形成了亞組織 在金屬塑性變形過程中，當(dāng)變形很小時(shí)，晶粒內(nèi)部位錯(cuò)分布相對比較均勻。隨著變形程度的增加，由于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和相互作用，使位錯(cuò)呈不均勻分布，一些位錯(cuò)互相糾纏在一起，形成位錯(cuò)纏結(jié)。繼續(xù)變形時(shí)，在糾纏處的位錯(cuò)愈來愈多，愈來愈密。密集的位錯(cuò)糾結(jié)在晶粒內(nèi)圍成細(xì)小的粒狀組織稱為胞狀組織或亞組織。亞組織的內(nèi)部是低位錯(cuò)密度區(qū)域，其邊界則是高位錯(cuò)密度區(qū)域。亞組織的形成使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加困難，導(dǎo)致變形抗力的增加。</p

97、><p>　　3．產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力 由于變形過程中每個(gè)晶粒都有不同程度的變形，為了保持金屬晶體的完整性，必然會(huì)在不同變形程度的晶粒之間和每個(gè)晶粒內(nèi)部造成一些自相平衡的內(nèi)應(yīng)力，即所謂附加應(yīng)力。變形終止后，附加應(yīng)力遺留在金屬中變成殘余應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力的存在，將導(dǎo)致金屬的開裂和變形抗力的增加。</p><p>　　4．產(chǎn)生了加工硬化 隨著變形程度的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度和變形抗力逐漸提高，而塑性和韌性逐

98、漸降低（見圖2-4-1），這種現(xiàn)象稱為加工硬化或應(yīng)變剛現(xiàn)象。造成加工硬化的根本原因是變形時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻和位錯(cuò)密度不斷增大。</p><p>　　圖 2-4-1 的碳鋼冷軋后力學(xué)性能的變化</p><p>　　金屬的加工硬化在生產(chǎn)中具有很大的實(shí)際意義。例如，它可作為強(qiáng)化金屬的重要手段，特別是熱處理無法強(qiáng)化的金屬材料（如純金屬、多數(shù)銅合金和鎳鉻不銹鋼等），只能用加工硬化的方法來強(qiáng)化；冶金廠

99、生產(chǎn)的成品材料中有“硬”、“半硬”等狀態(tài)，就是經(jīng)過冷軋或冷拉等方法加工硬化的。但加工硬化也有不利的一面，例如，由于塑性降低，可能給金屬材料進(jìn)一步成形帶來困難；某些物理、化學(xué)性能變差，也會(huì)影響一些零件的使用。要解決這些問題，可采用一定的熱處理工序。</p><p>　　2.4.4影響金屬塑性的因素</p><p>　　前述已知，金屬的塑性不是固定不變的，影響因素很多，除了金屬本身的內(nèi)在因素（

100、晶格類型、化學(xué)成分和金相組織等）以外，其外部因素——變形方式（應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)）、變形條件（變形溫度與變形速度）的影響也很大。從沖壓工藝的角度出發(fā)，加工材料給定之后，往往著重于外部條件的研究，以便創(chuàng)造條件，充分發(fā)揮材料的變形潛力，盡可能地減少?zèng)_壓工序次數(shù)，提高經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　1．金屬的成分和組織結(jié)構(gòu) 組成金屬的晶格類型，雜質(zhì)的性質(zhì)、數(shù)量及分布情況．晶粒大小、形狀及晶界強(qiáng)度等不同，金屬的塑性就不同。

101、一般來說，組成金屬的元素越少（如純金屬和固熔體）、晶粒愈細(xì)小、組織分布愈均勻，則金屬的塑性愈好。</p><p>　　2．變形時(shí)的應(yīng)力狀態(tài) 因?yàn)榻饘俚乃苄宰冃沃饕揽烤娴幕谱饔?，而金屬變形時(shí)的破壞則是由于晶內(nèi)滑移面上裂紋的擴(kuò)展以及晶間變位時(shí)結(jié)合面的破壞造成的。壓應(yīng)力有利于封閉裂紋，阻止其繼續(xù)擴(kuò)展，有利于增加晶間結(jié)合力，抑制晶間變位，減小晶間破壞的傾向。所以，金屬變形時(shí)，壓應(yīng)力的成分愈多，金屬愈不易破壞，其可

102、塑性也就愈好。與此相反，拉應(yīng)力則易于擴(kuò)展材料的裂紋與缺陷，所以拉應(yīng)力的成分愈大，愈不利于金屬可塑性的發(fā)揮。</p><p>　　3．變形溫度 變形溫度對金屬的塑性有重大影響。就大多數(shù)金屬而言，其總的趨勢是：隨著溫度的升高，塑性增加，變形抗力降低（金屬的軟化）。溫度增高能使金屬軟化的原因是：隨著溫度的增加，金屬組織發(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶；滑移所需臨界切應(yīng)力降低，使滑移系增加；產(chǎn)生了新的變形方式——熱塑性變形（擴(kuò)散塑性

103、）等。</p><p>　　值得指出的是，加熱軟化趨勢并不是絕對的。有些金屬在溫升過程中的某些區(qū)間，由于過剩相的析出或相變等原因，可能會(huì)使金屬的塑性降低和變形抗力增加。如碳鋼加熱到200—400C之間時(shí)，因?yàn)闀r(shí)效作用（夾雜物以沉淀的形式在晶界滑移面上析出）使塑性降低，變形抗力增加，脆性增大，這個(gè)溫度范圍稱為藍(lán)脆區(qū)。而在800～950~E范圍內(nèi)，又會(huì)出現(xiàn)熱脆，使塑性降低，原因是鐵與硫形成的化合物FeS幾乎不溶于固體

104、鐵中，形成低熔點(diǎn)的共晶體（Fe+FeS+FeO），如果處在晶粒邊界的共晶體熔化，就會(huì)破壞晶粒間的結(jié)合。因此，選擇變形溫度時(shí)，碳鋼應(yīng)避開藍(lán)脆區(qū)和熱脆區(qū)。</p><p>　　在沖壓工藝中，有時(shí)也采用加熱沖裁或加熱成形的方法來提高材料塑性和降低變形抗力，以增加變形程度和減小沖壓力。有些工序(如差溫拉深)中還采用局部冷卻的方法，以增強(qiáng)變形區(qū)的變形抗力，提高坯料危險(xiǎn)斷面的強(qiáng)度，從而達(dá)到延緩破壞、增大變形程度的目的<

105、/p><p>　　4．變形速度 變形速度是指單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)變的變化量，但在沖壓生產(chǎn)中不便控制和計(jì)量，故以壓力機(jī)滑塊的移動(dòng)速度來近似反映金屬的變形速度。變形速度對金屬塑性的影響比較復(fù)雜。一方面，增加變形速度，由于要驅(qū)使數(shù)目更多的位錯(cuò)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，且要求位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度增大，而斷裂抗力基本沒有變化，從而導(dǎo)致金屬的塑性降低；另一方面，增加變形速度，由于塑性變形功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒嵝?yīng)顯著，引起金屬溫度的升高，從而降低變形抗力，提高塑

106、性。對大多數(shù)金屬來說，塑性隨變形速度變化的一般趨勢如圖2-4-2所示。</p><p>　　圖 2-4-2 塑性隨變形速度的變化趨勢</p><p>　　目前，常規(guī)沖壓使用的壓力機(jī)工作速度較低，對金屬塑性變形的影響不大。而考慮速度因素，主要基于沖壓件的尺寸和形狀：對于小型件的沖壓，一般可以不考慮速度因素，只需考慮設(shè)備的類型、標(biāo)稱壓力和功率等；對于大型復(fù)雜件，由于沖壓成形時(shí)坯料·

107、;各部位的變形極不均勻，易造成局部拉裂或起皺，為了便于控制金屬的流動(dòng)情況，宜采用低速成形（如采用液壓機(jī)或低速壓力機(jī)沖壓）。另外，對于加熱成形工序，為了使坯料中的危險(xiǎn)斷面能及時(shí)冷卻強(qiáng)化，宜用低速；對于變形速度比較敏感的材料（如不銹鋼、耐熱合金、鈦合金等），也宜低速成形，其加載速度一般控制在0．25m／s以下。</p><p>　　5．尺寸因素 同一種材料，在其他條件相同的情況下，尺寸越大，塑性越差。這是因?yàn)椴牧铣?/p>

108、寸越大，組織和化學(xué)成分越不一致，雜質(zhì)分布越不均勻，應(yīng)力分布也不均勻。例如厚板沖裁時(shí)，產(chǎn)生剪裂紋時(shí)凸模擠入板料的深度與板料厚度的比值（稱為相對擠入深度）比薄板沖裁時(shí)小。</p><p>　　2.4.5超塑性概念</p><p>　　前面討論的各種因素對金屬塑性變形的影響，是單個(gè)因素的影響，沒有研究幾個(gè)因素的綜合影響。試驗(yàn)研究表明，當(dāng)金屬的組織結(jié)構(gòu)、變形溫度和變形速度三者配合恰當(dāng)時(shí)，可使金屬的

109、變形抗力大大降低（有時(shí)可至普通塑性變形的幾十分之一），拉伸時(shí)無縮頸的均勻伸長率顯著增加（可比普通塑性變形提高幾倍到幾十倍），這種觀象稱為超塑性。無論是純金屬還是以純金屬為基體的合金，都能呈現(xiàn)超塑性，目前已發(fā)現(xiàn)能夠呈現(xiàn)超塑性效應(yīng)的金屬材料有150多種。</p><p>　　試驗(yàn)結(jié)果表明，在超塑性狀態(tài)下進(jìn)行拉伸時(shí)，盡管可達(dá)到異常大的斷后伸長率（可超過1000％，有的甚至達(dá)到2000％），但是晶粒并未拉長，晶粒內(nèi)部很少

110、變形，晶界也無破壞痕跡。這說明超塑性的變形機(jī)理與普通塑性變形的機(jī)理有明顯的差別。實(shí)際上，超塑性變形十分復(fù)雜，變形中往往有幾個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行，其中包括晶界的滑動(dòng)、晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散過程等，特殊情況下還有再結(jié)晶現(xiàn)象。目前，人們對超塑性變形機(jī)理的研究還處于初級階段，有待于進(jìn)一步探索。</p><p>　　金屬材料的超塑性一般有兩種類型。一種是微細(xì)晶超塑性（又稱恒溫超塑性），它是先對金屬作晶粒細(xì)化處理，使其尺寸達(dá)1

111、～2／am數(shù)量級(一般變形金屬中的晶粒大小為10～100t~m數(shù)量級)，然后施以一定的恒溫和變形速度條件，即可得到超塑性。通常這種超塑性的變形溫度在0．5丁熔(熱力學(xué)溫度)左右，應(yīng)變速率為10—1～10—4rain”。另一種是相變超塑性，它不在于作細(xì)晶處理，而在于金屬必須具有相變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的性質(zhì)。在低載荷作用下，使金屬在相變點(diǎn)附近反復(fù)加熱冷卻，經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)后，獲得很大的斷后伸長率。目前，研究最多、應(yīng)用最廣的是微細(xì)晶超塑性，而相