圖 1 剪切瞬間產(chǎn)生裂紋過程示意
分享：基于沖壓剪切的剪應(yīng)力影響因素試驗(yàn)
沖壓包括沖裁和分離,沖裁是借助模具使板料分離的一種基本工藝,包括制成各種沖壓件的毛坯準(zhǔn)備工序,如在已成型的沖壓件上進(jìn)行切口、剖切、修邊、沖孔等工藝。在沖壓工藝進(jìn)行過程中,采用剪切分離方式對(duì)材料進(jìn)行沖孔、落料、剪邊等工序,在設(shè)計(jì)模具和編制生產(chǎn)指導(dǎo)性工藝文件時(shí),都需要用抗剪強(qiáng)度計(jì)算剪切力。
剪切過程有3個(gè)階段：彈性變形階段、塑性變形階段、斷裂階段。隨著凸模刃口壓入深度的增加,塑性變形向深度方向發(fā)展,材料的一部分相對(duì)另一部分移動(dòng),并發(fā)生塑性剪切變形,而且材料纖維發(fā)生拉伸與彎曲,越接近材料表面,拉伸和彎曲越明顯。筆者利用材料萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切試驗(yàn),驗(yàn)證了剪切速率、相對(duì)間隙對(duì)剪應(yīng)力的影響。
1. 抗剪強(qiáng)度的定義
剪切瞬間產(chǎn)生裂紋過程如圖1所示,凹模1和凸模3是工作零件。沖裁時(shí),將試樣置于凹模1上,凸模3下降,同時(shí)壓緊材料兩端,使材料變形,在凹模與凸模之間產(chǎn)生裂紋,直至凹模與凸模全部分離。圖1中,AB、EF為剪切線,C為凸模與凹模之間的單面間隙,t為試樣厚度,h0為凸模進(jìn)入材料的深度,β為最大剪應(yīng)力狀態(tài)時(shí)剪應(yīng)力方向與垂線的夾角。
當(dāng)剪切過程中塑性變形達(dá)到一定程度時(shí),裂紋首先在凹模刃口5產(chǎn)生,繼而在凸模刃口4產(chǎn)生,隨著凸模3的進(jìn)一步壓入,兩裂紋向材料深處擴(kuò)展,當(dāng)間隙在合理范圍時(shí),上下兩條裂紋重合,當(dāng)上下兩條裂紋位于一條直線上時(shí),材料完全分離。這種狀態(tài)的剪切使整個(gè)斷面都屬于剪切分離,上下兩條裂紋重合于同一條直線上,即為最大剪應(yīng)力狀態(tài)。按照三角函數(shù)的定義,可以推導(dǎo)出式(1)。
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(1) |
抗剪強(qiáng)度為最大剪應(yīng)力狀態(tài)下的剪應(yīng)力,源于凸模刃口和凹模刃口的剪切力必須在單邊間隙合理的條件下才會(huì)重合于同一條直線上。
2. 影響剪應(yīng)力的因素
式(1)是在最大剪應(yīng)力狀態(tài)下推導(dǎo)出來的,其中凸、凹模單面間隙C是確定的,間隙是由GB/T 16743—2010 《沖裁間隙》的表4中II類間隙中間值查得。間隙與材料厚度有關(guān),C/t為相對(duì)間隙。模具設(shè)計(jì)中凸、凹模單面間隙C決定了剪切時(shí)是否為最大剪應(yīng)力狀態(tài)。
從式(1)可推斷出影響最大剪應(yīng)力狀態(tài)的因素有：相對(duì)間隙C/t、壓痕深度h0、最大剪應(yīng)力方向角度β。這3個(gè)因素與試樣的材料性質(zhì)、材料硬化程度、材料厚度等有關(guān)?？辜魪?qiáng)度τb是最大剪應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度,其數(shù)值等于最大剪應(yīng)力狀態(tài)下的最大剪切力除以受剪面積。影響抗剪強(qiáng)度的因素共有5個(gè),即材料性質(zhì)、材料硬化程度、材料厚度、剪切速率、相對(duì)間隙,其中前3個(gè)因素是由材料屬性決定的,后兩個(gè)因素是試驗(yàn)的外部條件[1－2]。
理論上來說,隨著塑性變形速率的增大,金屬材料的強(qiáng)度提高,塑性降低,而這個(gè)特性是金屬材料本身的固有屬性,當(dāng)剪切速率增大時(shí),剪應(yīng)力也會(huì)增大。另外,當(dāng)相對(duì)間隙增大時(shí),剪切過程處于非最大剪應(yīng)力狀態(tài),剪應(yīng)力減小[3]。以下通過剪切試驗(yàn)來驗(yàn)證剪切速率、相對(duì)間隙對(duì)剪應(yīng)力的影響。
3. 剪切速率對(duì)剪應(yīng)力的影響
制作剪切試驗(yàn)?zāi)＞?制備好試樣,在材料萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切試驗(yàn)。圖2為剪切模具外觀,試樣放在凹模上,在凸模與凹模的共同作用下完成剪切[4]。圖3為剪切前的試樣外觀,圖4為剪切后的試樣外觀。
圖 2 剪切模具外觀
圖 3 剪切前的試樣外觀
圖 4 剪切后的試樣外觀
設(shè)置3種不同的剪切速率,在指定間隙下分別對(duì)IF250P1、HC420LA、SP221鋼板進(jìn)行剪切試驗(yàn),每種試驗(yàn)進(jìn)行5次,取平均值。3種剪切速率下的剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖5和表1所示。由圖5可知：在其他條件不變的情況下,剪切速率越大,剪應(yīng)力越大。
圖 5 3種剪切速率下的剪切試驗(yàn)結(jié)果
Table 1. 3種剪切速率下的剪切試驗(yàn)結(jié)果
| 材料 | 鋼板厚度/mm | 單邊間隙/mm | 剪切速率/(mm·min－1) | 剪應(yīng)力/MPa | 剪應(yīng)力平均值/MPa | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 第1次 | 第2次 | 第3次 | 第4次 | 第5次 | |||||
| IF250P1鋼 | 1.2 | 0.09 | 5 | 322 | 326 | 325 | 324 | 325 | 324.4 |
| 15 | 330 | 327 | 331 | 326 | 328 | 328.4 | |||
| 50 | 341 | 339 | 338 | 340 | 338 | 339.2 | |||
| HC420LA鋼 | 1.0 | 0.05 | 5 | 398 | 399 | 399 | 403 | 400 | 399.8 |
| 15 | 405 | 408 | 406 | 409 | 408 | 407.2 | |||
| 50 | 418 | 419 | 412 | 422 | 415 | 417.2 | |||
| SP221鋼 | 1.86 | 0.13 | 5 | 275 | 278 | 276 | 277 | 278 | 276.8 |
| 15 | 282 | 282 | 281 | 285 | 285 | 283.0 | |||
| 50 | 290 | 289 | 289 | 288 | 290 | 289.2 | |||
3. 相對(duì)間隙對(duì)剪應(yīng)力的影響
設(shè)置2種不同的相對(duì)間隙,在不同的間隙下分別對(duì)QP980、HC420LA、SP370鋼板進(jìn)行剪切試驗(yàn),每種試驗(yàn)進(jìn)行5次,取平均值,結(jié)果如表2所示。
Table 2. 不同相對(duì)間隙下的剪切試驗(yàn)結(jié)果
| 材料 | 鋼板厚度/mm | 單邊間隙/mm | 相對(duì)間隙/% | 剪切速率/(mm·min－1) | 剪應(yīng)力/MPa | 剪應(yīng)力平均值/MPa | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 第1次 | 第2次 | 第3次 | 第4次 | 第5次 | ||||||
| QP980鋼 | 2.0 | 0.06 | 3.0 | 15 | 631 | 627 | 633 | 638 | 635 | 632.8 |
| 0.38 | 19.0 | 601 | 589 | 595 | 597 | 596 | 595.6 | |||
| HC420LA鋼 | 1.0 | 0.06 | 6.0 | 15 | 406 | 403 | 407 | 406 | 405 | 405.4 |
| 0.21 | 21.0 | 390 | 387 | 389 | 384 | 386 | 387.2 | |||
| SP370鋼 | 3.7 | 0.09 | 2.4 | 15 | 437 | 442 | 442 | 440 | 441 | 440.4 |
| 0.38 | 10.3 | 423 | 430 | 426 | 425 | 427 | 426.2 | |||
由表2可知：相對(duì)間隙越大,剪應(yīng)力越小。
4. 結(jié)論
(1) 剪應(yīng)力隨剪切速率的增大而增大。在沖壓生產(chǎn)過程中,壓力機(jī)的種類較多,有液壓機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)等,各種設(shè)備的運(yùn)行速率差異很大,不同廠家生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行速率也有差異,因此在計(jì)算剪切力時(shí)需考慮剪切速率。在壓力機(jī)噸位不夠的情況下,可以使用剪切速率較低的壓力機(jī)來減小剪切力,以滿足生產(chǎn)要求。
(2) 剪應(yīng)力隨相對(duì)間隙的增大而減小。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,沖裁模的初始間隙參考GB/T 16743－2010中的間隙中間值,這個(gè)間隙接近該材料剪切時(shí)最大剪應(yīng)力狀態(tài)下的間隙[4]。在沖裁模具設(shè)計(jì)時(shí),可以采取加大相對(duì)間隙的方法來減小沖裁力,延長沖孔凸模的使用壽命。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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