1、一。一方 工 业 大 学厂 厂位 论 厂 文、,厂石厂一 硕 士 学哪、七、二,金属板材 曲线剪切过程仿真研究一研 究 生 指导教师,几 专业范俊杰王侃一乍若机械制造及其泊动化一年 月 日 一 、山 曰北方工业大学机械制造及其自 动化学科责 任 教 授 签 字 夕 鹅卯 年 月“日学 位 论 文 任 务 书研究生范俊杰机电工程学院二机械制造及其 自动化一专业一一一 的技术 研究方向论文题 目金属板材曲线剪切过程仿真研究二年月日经校学术委员会批准选题的来源 、 意义和价值本课题为 “变截面辊弯成型 ” 课题的一部分 。以变宽度圆盘剪切机为研究对象 , 利用有限元分析软件对其剪切过程进行仿真 ,
2、对其剪切参数进行设定 ,通过剪切力 , 应力应变 , 以及断面质量进行分析研究, 得出一些规律 , 对实际剪切过程有一定的指导作用 。学位论文工作 自年月日起至年月日止呈交学位论文 日期年月日答辩 日期年 一月 一。 师 、刚丸北方一 一 业大学硕十学位论文独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 。据我所知 , 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 , 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 , 也不包含为获得韭鱼旦巡丛堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示
3、谢意 。学 位 论 文 作 者 签 名澎坡 未 签 字日 期训,年 月珍 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了 解韭丛型哒堂有关保留、使用学位论文的 规定, 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 , 允许论文被查阅和借阅 。本人授权韭方工业大堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 , 可以采用影印 、 缩印或扫描等复制手段保存 、 汇编学位论文 。保密的学位论文在解密后适用本授权书学 位 论 文 作 者 签 名花 入 徽灰、签字日 期 洲阵石 月少日导刹沁签字日 期 叼阵 了 月犷 日学位论文作者毕业后去向工作单位通 讯地 址电话邮编北方工业大学硕士学位
4、论文摘要板材的成型方式有很多种 , 剪切是其中比较重要的方式之一 , 因为在各种加工方式中 , 剪切这种方式最简单 , 成本低 , 应用也最广 , 它可以作为其他冲压加工的原材料 。板金属冷弯成型产品越来越多被应用于实际生产中 , 而剪切是冷弯成型的一道工序 , 是为它提供冷弯材料 ,原材料的好坏会直接影响到终端产品的质量好坏 。本文研究的对象是变宽度圆盘剪切机 。圆盘剪切机是轧钢机械的重要生产设备之一 , 具有生产效率高 、 质量稳定 、 适于批量生产等特点 , 能够剪切各种金属板材 。但是现有的圆盘剪切机加工的剪切轨迹都是直线剪切 , 无法实现有一定弧度的曲线剪切 , 虽然有其他的加工方法
5、能实现曲线的剪切 , 如线切割和激光加工等 , 但是生产成本相对较高 , 没有受到广泛的应用 。因此对变宽度圆盘剪切机的研究具有重要的现实意义 。剪切过程最重要的是看重剪切断面质量 , 而影响断面质量的因素有很多 , 包括板厚 、 间隙 、 重叠量 、 速度 、 刃口倾斜角度等 , 所以要得到好的断面质量 , 必须对这些因素进行研究 ,本文通过有限元软件对剪切过程进行仿真研究 , 得出影响断面质量因素的一般规律 。利用和有限元分析软件对变宽度圆盘剪切机剪切过程进行有限元数值模拟 。通过对变宽度圆盘剪切机剪切过程的仿真分析 , 得出各种参数对板材剪切加工质量的影响 , 例如板厚 、 间隙、 重叠
6、量 、 速度 、 刃口倾斜角度等 。说明有限元方法对于板材剪切的分析研究具有巨大的潜力 。通过对变宽度圆盘剪切机剪切过程进行初步研究 , 为将来进一步深入研究奠定了基础 , 并且对实际剪切过程有一定的实践指导作用 。关 键 词板材剪切剪切质量变宽度圆盘剪切机! 匕 方 业大学硕十学位论文,丽,七瓦,叭,川脚,址,一,垃,加如血,】, 皿,北方业大学硕士学位论文目录摘要 绪论 金属成形及剪切概述 板材剪切工艺 , 二剪切力 课题研究背景及其研究现状 ,课题研究的目的和意义 课题研究的内容 ,二板材剪切工艺原理 剪切机简介 剪切机 一变宽度圆盘剪切机 板材剪切变形分析 剪切裂纹的产生 断面分析 一
7、影响板材剪切加工的因素 断面质量的影响因素 剪切件尺寸精度及其影响因素 剪切件的形状误差 巧小结 巧板材剪切加工的有限元分析基础 概述 , 有限元分析理论基础 金属塑性成形的力学基础 ,塑性力学 的基本假设 北方业大学硕士学位论文应力 、 应变分析 两个常用的屈服准则 本构关系 断裂准则 , , , , , , ,小结 板材曲线剪切过程仿真有限元分析 仿真软件介绍 研究条件 刚塑性有 限元法 研究对象 其他研究条件 剪切过程仿真 变形过程分析 应力应变分析 剪切过程仿真 建立有限元模型 仿真结果分析 小结 结论与展望 攻读硕士期间所发表的论文 参考文献 , , , , , , , ,致谢 北方
8、工业大学硕十学位论文绪论金属成形及剪切概述金属材料在外力作用下会产生形状的改变 , 即变形 。当外力去除后 , 如果金属材料形状的改变能完全恢复至初始状态金属材料的形状 、尺寸和组织性能等与初始状态无异 , 则此种变形称之为弹性变形 。当外力去除后 , 如织金属材料的形状改也不能完全恢复至初始状态而产生永久的残余变形 , 则此种变形称为塑性变形 。金属材料所具有的这种塑性变形能力被称为金属的塑性 。利用金属的塑性 , 使之在一定外力作用下产生塑性变形 , 从而得到所需形状 、尺寸精度和组织性能的产品的加工方法 , 称为金属塑性成形 , 它是一种针对金属材料的重要加工方法 , 在机械制造 、 冶
9、金工业等部 门中应用厂泛 。事实上 , 不仅金属材料具有塑性 , 很多非金属材料也都具有塑性 。即使某些在常温 、 常压下难以变形的脆性材料 , 在高温 、 高压下也会表现出良好的塑性 。但相对于非金属材料而言, 绝大多数金属材料的塑性变形能力都较强。如果不考虑切头 、 去尾 、 火托等损失 , 那么金属材料的质量在塑性成形前后可看做没有发生变化 , 因此塑性成形是无屑或少屑的金属加 了方法 。剪切是其中比较重要的方式之一 , 因为在各种加工方式中, 剪切这种方式最简单 , 成本低 ,应用也最广 , 它可以作为其他冲压加工的原材料 。板金属冷弯成型产品越来越多被应用于实际生产中 , 而剪切是冷
10、弯成型的一道工序 , 是为它提供冷弯材料 , 原材料的好坏会直接影响到终端产品的质量好坏 一。川 板材剪切工艺剪切工艺包括平板材料的剪切 , 比如薄板和中厚板 。这种剑气如可以由机械 、液压或者气体为动力驱动的专用机器上通过不同类型的刃口或者刀具来实现 。 通常的操作工序包括对坯料的刚性夹持 , 上部刃口施加作用力于坯料 , 且当该刃口向下移动通过固定的下刃口时 , 坯料的剪切就被完成了。在剪切工艺中 , 我们应注意三个阶段在阶段一中, 由于剪切力的作用 , 材料所受的应力要比屈服应力小孔, 这种状态称为弹性变形图所示。为了防止材料在切断过程中的移动 , 压料装置对材料施加凡 的力来压紧 。在
11、阶段二中, 材料所受的应力比屈服应力高但是要比低 , 这样状态称为塑性变形爪几。在阶段三中, 材料所受的应力等于剪切应力。 几。材料开始分离但不是在前端 , 而是在材料上最先出现裂纹或断裂的地方开始分离 , 在这一过程中材料发生断裂 。上部刃口切入材料的多少取决于工件材料的延展性和厚度 。如果材料厚度大而脆性高 , 第一条裂纹会较早出现 , 因此板料分离就会早一些 。在刃口切过的裁剪边会相对光滑 , 而在撕裂北方业大学硕士学位论文的部位纹理会相对粗燥些。上剪切刃压紧装置工件材料肖心钱 一程夕 沪州不 多过 产支支支匕匕匕二 万一过程一过程三图剪切 巨 艺示意图剪切力剪切工序中涉及力 、能的有关
12、内容非常重要 。 可以通过剪切刃口的类型来进行相关的计算 。刃口的类型有三种直刃 、 斜刃 、 旋转刃口。直刃剪切直刃剪切力可以按下式近似计算公式中剪切应力剪切面积用这种方法计算得到的剪切力需要增大阶, 实际上的剪切力是凡作用在刃口上的横向力月是月二厂对于没有材料加进装置的剪切 , 材料的转角是一所以横向力是月一 ,对于有材料加进装置的剪切 , 材料的转角是。 一。所以横向力是月一 匕 方工业大学硕士学位论文上剪切刃工件材料工件材料井井一升一 才 一丫 屯屯乡乡价价一 一 交 一勺民民图直刃剪切示意图斜刃剪切斜刃剪切主要用于剪切相对剪切宽度来说厚度较小的材料 。 利用倾斜刃具可以减少剪切力和增
13、加为了分离材料所必须的移动范围。上刃口对材料的切入是逐渐的, 因此需要的剪切力较低 。剪切力可以按照下式进行近似计算凡 ,尹二不 夕 凡,尹式中对于大多数材料 , 取值为一材料的, 取值为一上刃口切入材料的相对数值表上下人的倾斜角度上剪切刃工件材料卞剪切刃匕匕一 一 一图斜刃剪切示意图旋转刃口剪切旋转剪切工艺与直刃 , 斜刃的剪切工艺非常相似 , 因为直刃可以被看作是一个半径为无穷大的旋转刃口。通过这种方式我们可以进行直线剪切以及圆形板料和不规则板料形状的生产 。北方业大学硕十学位论文剪切力可以按照如下公式近似计算习 国君八 以 了八乙尹工 件材料图旋转人 口剪切示意图表上刃口切入材料的相对数
14、值材材料料材料厚度碳碳素钢钢中中碳钢钢高高碳钢钢铝铝和铜铜课题研究背景及其研究现状从上个世纪九十年代开始 , 世界各国学者开始对冲压进行研究 , 其中 , 日本学者在剪切加工方面个贡献比较突出, 作了相对较多工作 。研究内容涉及各种材料的剪切加工或冲裁 , 但大部分还是针对金属板材 。其他国家的科技工作者在这方面也作了一些工作 。对于剪切机剪切过程的仿真研究也有不少 , 但是很多停留在的基础上 , 用仿真的研究很少 , 只是对剪断过程做过研究 , 而对整个剪切过程没有做系统的研究 。近几年来 , 各国学者利用有限元分析技术模拟板材剪切加工过程 , 并且取得了一些成果 。年 , 汤川伸树等学者
15、, 用有限元分析技术模拟了板材加工的过程 , 得到了刃口圆角尺寸 、相对间隙等参数对应力 、 应变分布的影响规律 , 并用净水压力的分布预测了初始裂纹的发生点同一年 , 西班牙的用软件模拟了冲裁加工过程 , 系统的分析了间隙对加工过程的影响 , 并在实验基础上得出了最佳的相对间隙利用相同的模型 , 利用北方工业大学硕士学位论文分析了车轮毅锻造中的冲孔工艺香港理工大学的用有限元分析技术模拟了精密冲裁加工过程 , 为了获得最大光亮带的要求 , 需要抑制裂纹的产生 , 为此细致的分析了冲裁过程 ,得到了应力 、应变分布规律 , 并且采用了不同的算法 , 解决了计算过程中的大转动和卸载问题 。应用模型
16、分析了板材冲切过程 , 得出了和实验一致的冲裁力行程关系曲线 。埃及的利用有限元分析软件对刃口圆角半径 、 间隙对冲裁过程的影响进行了深入的研究荷兰的七口利用一模型模拟了剪切加工过程 , 从中得到了速度对剪切力的影响规律 , 并且通过实验方法观测网格的变形 , 得出模具切入量和应变分布之间的关系 。从近几年的研究可以看出, 用有限元分析技术或实验方法对板材剪切或冲裁过程的研究越来越多 。国内的一些学者也做了一些这方面得研究。 哈尔滨工业大学的郝南海和吕炎探索了一种网格重画时新旧网格数据传递的新方法 。江南大学的虞益中利用有限元软件对曲柄式飞剪机进行了有限元数值模拟 , 研究了包括钢板厚度 、
17、剪切速度 、 不同钢板材料对钢板加工质量的影响 。燕山大学的张瑞琼 【对改善厚板滚切式双边剪剪切质量进行了研究, 用软件对双边剪剪切过程进行有限元模拟 , 得出应力及应变的分布规律 。用软件对现场跟踪测试的数据拟合回归出优化后的剪刃间隙经验公式 。 燕山大学的秦泅吉 习 用对板材剪切与冲裁加工过程有限元模拟进行了实验研究 , 提出了计算冲裁力的新方法 , 构造了新的计算冲裁力公式 。课题研究的目的和意义圆盘剪切机是由送料 、剪切 、 出料组成的生产线 , 它的主要功能是将板材沿长度方向剪切成较窄的一定形状的板材 , 为日后的轧制 、焊管 、 冷弯成型 、 冲压等工序制备坯料 。圆盘剪切机是轧钢
18、机械的重要生产设备之一 , 具有生产效率高 、质量稳定 、 适于批量生产等特点 , 广泛应用于剪切各种金属板材 。但 目前已有的圆盘剪切机加工基本上都是直线剪切 , 并不能实现对任意曲线的剪切 , 新型的断料加工方法 , 如线切割和激光加工等 , 尽管能实现对任意曲线的剪切 , 但生产成本较高 。变宽度圆盘剪切机就随之而产生 , 它可以实现在一定范围内的任意曲线的剪切。板材剪切最重要的就是剪切断面质量, 影响剪切质量的因素很多 , 如板厚 、间隙 、重叠量、 速度等 , 所以要得到比较理想的断面质量 , 必须对这些影响因素进行研究 。通过对金属板材曲线剪切过程仿真研究 , 确定各项指标对剪切质
19、量的影响 。指标包括板材的厚度、 冲裁间隙 、剪切机的剪切速度 、 刃口形状等 。综合考虑各方影响因素 , 得出最优解决方案 , 达到对剪切设备剪切过程的指导作用 , 提高剪切质量 、 效率 , 降低成本 , 提高企业的经济效益。研究板材剪切的机理与力学规律 , 具有重大的理论价值 。因为影响金属板材剪切质量的因北方工业大学硕十学位论文素很多, 包括材料 , 间隙 , 剪切速度和刃口形状等 , 目一前对这些影响因素缺乏深入的认识 , 缺乏对生产实践的理论指导 。从理论上讲 , 切断板材的剪切过程可分为弹性过程 , 塑性过程 , 断裂过程 。在实践 匕 设计和使用剪切设各均需要对剪切过程有系统明
20、确的认识剪切断面质量的好坏 , 直接影响到后续工序能否顺利进行 , 而断面质量好坏的影响因素有很多 , 目前对这些因素的研究仍然缺乏深入细致的认识 。如果能深入细致的对这些因素进行系统的研究 , 将对实际生产有较好的理论指导 。总之 , 研究板材剪切过程不仅仅具有理论价值外 , 而且在实践上对正确设计和使用有很好的指导作用 , 并且可以提高剪切质量 、剪切效率 、 降低成本 , 甚至对保护环境等方面也有重要意义队“。课题研究的内容本文以变宽度圆盘剪切机为研究基础 , 主要研究的是在剪切几个参数的确定 , 从影响钢板曲线剪切剪切质量的影响因素着手进行研究 , 研究内容主要分为以下几个方面分析不同
21、板厚对剪切过程影响 , 根据不同板厚下剪应力的情况得出剪应力随板厚变化的规律 。分析剪切 间隙对剪切过程及剪切质量 的影响 , 得 出间隙对剪切应力的影响规律 , 根据剪切力与断面质量确定最佳冲裁间隙范围 。分析剪切重叠量对剪切过程及剪切质量的影响 , 得出重叠量对剪切应力的影响规律 ,根据剪切力与断面质量确定最佳冲裁重叠量范围 。分析剪切速度对剪切质量的影响 , 根据断面质量得出一定板厚理想的剪切速度 。分析不同刃口倾斜角度对剪切质量的影响规律 , 并得出允许剪切的最小回转半径 。北方工业大学硕十学位论文板材剪切工艺原理剪切机简介剪切机的 ,现有的剪切机中 , 根据刀片形状及板材不同, 可以
22、分为以下几种平行刃剪切机平行刃剪切机是是轧钢机械中重要的辅助设备之一 。这种剪切机的两个刀片是彼此平行一般是在热态下横向剪切方形及矩形断面的钢坯 。它的缺点是剪切质量差 , 生产效率低 。斜刃剪切机斜刃剪切机是两个刀片相互之间成某一角度 。倾斜角一般是 “一。主要用来横向冷剪钢带钢 、 薄板坯 。它的缺点是由于刀片倾斜 , 使钢板产生瓦块形横向弯曲, 影响了剪切的质视氢啼 困确吕 弓 势图平行刃剪切机和斜刃剪切机圆盘式剪切机圆盘式剪切机的两个刀片是圆盘式的, 它广泛用于板材 , 带材的剪切 。它的优点是结构简单 , 生产效率高缺点是断面质量容易产生塌角 、 毛刺 、 等缺陷 , 不适于剪切过厚
23、的板材 。图圆盘式剪切机滚切式剪切机滚切式剪切机是滚切式双边剪 , 配有前后运输滚道 , 激光划线装置 , 磁力对中装置和切边收集等辅助设备 。它的优点是生产效率高 , 切边质量高 , 剪刃磨损小 , 适于剪切中厚板 。北方 业大学硕士学位论文一一一 二 二 苏 么么么一一 母母不不竺竺奋奋裂裂 蝙森蔗一 诬,图滚切式剪切机以上几种剪切机都只能局限在剪切直线轨迹的板材 , 而不能实现曲线剪切 , 所以变宽度圆盘剪切机就随之产生一 。变宽度圆盘剪切机图变宽度圆盘剪切机模型变宽度圆盘剪切机 , 包括剪刀轴箱体 、蜗轮蜗杆箱体 、横向驱动装置和纵向驱动装置 , 剪刀轴箱体的底部连接有蜗轮蜗杆箱体 ,
24、 剪刀轴箱体的侧面设有一对剪刀 , 蜗轮蜗杆箱体的底部通过横向驱动装置连接于导轨 工 上 , 导轨 工 的底部通过纵向驱动装置连接于导轨上 。本发明在圆盘剪切机的基础上 , 通过增设横向驱动装置 、 纵向驱动装置及蜗轮蜗杆减速器 , 使剪切机可沿轴 、轴移动以及绕轴转动 , 不但提高了变宽度剪切的精度 , 而且实现了对任意曲线的剪切由于采用两个电机分别驱动两个横 向驱动装置 , 可根据实际需求剪切出对称或非对称的剪切边 , 适用范围更广泛 , 使用更灵活 。变宽度圆盘剪能实现变宽度剪切的机理如图所示 , 设为板材的运动速度 ,为剪刀沿 轴方向的速度 ,耳一,由 速度 合成 得到 可一 可 可,
25、 可就 是剪 切时的 绝对 速度。北方业大学硕十学位论文 人人 一 、 以 。 。图剪切原理示意图一被剪板材一 剪切轨迹一被剪掉的板材攘攘 豁藻 篡 缴奎奎缪撇鞭蒸撇蘸蘸图电机 、 蜗轮蜗杆箱 、 剪刀轴箱连接图北方 业大学硕士学位论文图变宽度圆盘剪切机的剪刀形状及装置剪切力的计算下图所示为圆盘剪切机剪切示意图。图圆盘剪切机剪切板边示意图总剪切力由两个分力所组成 , 即君 几式中君纯剪切力几被剪掉钢板的弯 曲力 。如图所示 , 假定实际剪切面积只局限于弧与弧之间 , 因为在线之外剪切过程已彻底完成了。北方工业大学硕士学位论文 “飞飞一一图圆盘剪剪切金属时的受力图其次 ,剪切力为式中将弧和弧视为
26、弦 , 在梯形面积内作用于宽度为滋 的微小面积上的双六动滋一作用在接触弧的水平投影中单位长度上的剪切力 。其相对切入深度为仪微分后得滋君仪式中一与间夹角的一半 , 如图所示 , 取为。纯 剪 切力为 月一际滋一 竺 兰 际二夕仪矿“式中一单位剪切功 , 即剪切厚度为、 断面面积为, 的板材所需的剪切功 , 其单位为。在圆盘剪冷剪时 ,值可按下式求得“凡 氏棍氏氏氏板材剪切变形分析板材剪切本身也是冲裁过程 , 也是从弹性变形开始 , 经历塑性变形 , 直到断裂 。弹性变形 。剪切开始时 , 板料在上下刀盘的压力下发生弹性变形 , 上下刀盘继续下压 ,板料与上下刀盘继续接触 , 由于上下刀盘之间存
27、在间隙 , 使板料同时受到弯曲和拉伸 , 材料变形也逐渐变大 。北方工业大学硕十学位论文塑性变形 。上下刀盘继续向下压 , 当材料的内应力超过屈服点时 , 此时发生的是塑性变形 , 断口会形成塌角区, 压力继续增大 , 切口表面会形成光亮带 , 当上下刀盘刃口附近的应力达到抗剪强度时 , 会在附近出现裂纹 。断裂分离 。上下刀盘继续下压 , 由于切入深度的增加以及剪切面积的减少 , 会在上下刀盘刃口侧面出现裂纹 , 并且向材料内部扩展 , 一般会在刀盘切入材料三分之一厚度的时候产生裂纹 , 直到上下裂纹重合 , 此时材料断裂分离。侧面侧面图板材剪切加工工艺原理图剪切裂纹的产生板材一般都能承受一
28、定的塑性变形 , 只有塑性变形增大到一定程度的时候 , 才一可能发生断裂 。变形过程中, 导致金属破坏的不是压应力和压应变 , 而是拉应力和剪应力 。如果板材变形是拉应力造成时 , 在板材断裂之前 , 板材的塑性变形不大 , 是从金属晶界破坏 , 此时产生的断口比较粗糙 , 不光洁平整 。如果板材变形是剪应力造成时, 在板材断裂之前 , 板材的塑性变形很大 , 是金属晶体内产生了破坏 , 此时产生的断口比较光洁平整 。当变形金属晶体的位错移动受到 、 碳化物 、 晶界 、 孪晶界或其他障碍物影响时, 在切应力的作用下 , 一些位错容易堆积的地方首先发生位错运动 , 然后位错会受阻, 此时会因为
29、位错堆积处的拉应力产生小孔 , 小孔逐渐变多 , 达到一定数量就形成微裂纹 。 在剪切应力和拉应力的作用下 , 当微裂纹达几微米时 ,就会产生宏观断裂 。当材料相同的时候 , 极限塑性应变值会随着静水压应力的增大而增加 。拉应力促使微裂纹的扩展 , 而压应力抑制裂纹的发展 。因此 , 变形过程中静水压力越小 , 就越容易产生宏观断裂。断面分析剪切断面有如下图所示的特征北方 业大学硕士学位论文、二止 一 一 土 三止 止 二犷图剪切断面示意图塌角光亮带断裂带毛刺剪切变形完成后的工件断面 , 可以分为四个区域 , 包括塌角 , 光亮带 , 断裂带及毛刺 。理想的断面应该是小的塌角 , 毛刺和断裂带
30、 , 大的光亮带 。塌角又称圆角区 , 弹性变形时产生 , 塑性变形时定形 。板料在弹性变形时 , 刃口附近的板料被牵连 , 产生弯曲和拉伸变形而形成的 。一般软材料比硬材料的塌角区大 。光亮带塑性变形时产生 。光亮带是断面质量最好的区域 , 它垂直于板料平面 , 约占整个断面高度的。一般塑性越好 , 剪切间隙越大 , 光亮带的宽度就越宽 。断裂带冲裁时产生裂纹及裂纹扩展后形成的 。断裂带是断面质量较差的区域 , 表面粗糙 , 且有斜度 。一般塑性越差 , 剪切间隙越大 , 断裂带越宽 , 且斜度越大 。毛刺毛刺的形成于塑性变形后期 , 当切入达到一定深度时 , 刃口的材料被压缩 , 刃尖部分
31、的静水压应力值不是最小 , 所以裂纹起点不会在刃尖处产生 ,会在距刃尖不远的地方产生 ,在拉应力作用下 , 裂纹加长 , 材料断裂而产生毛刺 。一般情况下 , 毛刺只能减小不能消除 。影响板材剪切加工的因素断面质量的影响因素断面的四个特征区域的大小和在断面上所 占的比例大小并非一成不变 , 其影响因素有很多 , 包括主要有材料的力学性能 、 剪切间隙、 重叠量 、 刃口倾斜角度 、 约束条件 、 剪切线形状 、 冲裁速度 、 润滑等 。材料力学性能的影响材料塑性好 , 剪切时裂纹出现得较迟 , 材料被剪切的深度较大 ,所得断面光亮带所占的比例就大 , 圆角也大而塑性差的材料 , 容易拉断 ,
32、材料被剪切不久就出现裂纹 , 使断面光亮带所占的比例小 、 圆角小 , 大部分是粗糙的断裂面 。模具间隙的影响剪切时 , 断裂面上下裂纹是否重合 , 与凸、凹模间隙值的大小有关 。其具体影响见下表。北方工业人学硕十学位论文表模具间隙对断面质量的影响间隙情况切断面质量间隙合适间隙偏大间隙偏小凸 、凹模刃口附近产生的裂纹在剪切过程中能会合成一条线 , 此时断面质量较好 , 比较光滑 、 毛刺较小 。拉应力会明显增大 , 会过早的发生拉伸断裂 , 断裂带也会变宽, 光亮带相对来说就会变窄 , 弯曲变形随之增大 , 塌角也明显增多 。另外 ,材料在凸、 凹模刃口附近产生的裂纹向外错开 , 不能重合 。
33、零件在第二次拉裂产生的断裂层的斜度增大 , 剪切件的断面出现二个斜角 , 断面质量不理想 。压应力会明显大 , 当裂纹进入压应力区域时, 在凸 、 凹模刃 口附近产生的裂纹会停止扩展 , 裂纹不能重合 , 在两条裂纹之间发生第二次剪切 , 在端面会出现大的毛刺 。当间隙过小时 , 尽管塌角小 、弯曲变形小 ,但断面质量却不是很好 。模具刃口状态对质量的影响模具刃口状态对剪切过程中的应力状态及冲件的断面质量有较大影响 。当刃口磨损成圆角时, 挤压作用增大 , 所以剪切件塌角带和光亮带增大 。同时,材料中减少了应力集中现象而增大了变形区域 , 产生的裂纹偏离刃口 , 凸、 凹模间金属在剪裂前有很大
34、的拉伸 , 这就使剪切断面上产生明显的毛刺 。粱 酬燕粼图凸 、 凹模刃口磨钝时毛刺的形成情况凹模磨钝凸模磨钝凸 、 凹模均磨钝当凸模刃口磨钝时, 毛刺会在冲裁件上端产生当凹模刃口磨钝时 , 毛刺会在冲裁件件下端产生当凸 、 凹模刃口都磨钝时 , 则冲裁件上 、 下端都会产生毛刺 。剪切件尺寸精度及其影响因素剪切件的尺寸精度 , 是指剪切件的实际尺寸与公称尺寸之差 。差值越小 , 精度越高。这个差值包括两方面的偏差 , 一是剪切件相对于凸模或凹模尺寸的偏差 , 二是模具本身的制造偏差 。剪切件的尺寸精度与许多因素有关 。其主要影响因素有北方工业大学硕十学位论文刀盘的制造精度刀盘的制造精度对冲裁
35、件尺寸精度有直接影响 。刀盘的精度越高 ,剪切件的精度亦越高 。材料的性质材料的性质对该材料在剪切过程中的弹性变形量有很大影响。对于比较软的材料 , 弹性变形量较小 , 剪切后的回弹值亦小 , 因而零件精度高 。而硬的材料 , 情况正好与此相反 。剪切间隙当间隙适当时 , 在剪切过程中, 板料的变形区在比较纯的剪切作用下被分离 , 使落料件的尺寸等于凹模尺寸冲孔件尺寸等于凸模的尺寸 。如间隙过大 , 板料在剪切过程中除受剪切外还产生较大的拉伸与弯曲变形 , 剪切后因材料弹性恢复 , 将使剪切件尺寸向实际方向收缩 。对于落料件 , 其尺寸将会小于凹模尺寸对于冲孔件 , 其尺寸将会大于凸模尺寸 。
36、但因拱弯的弹性恢复方向与以上相反 , 故偏差值是二者的综合结果 。如间隙过小 , 则板料的剪切过程中除剪切外还会受到较大的挤压作用 , 剪切后 , 材料的弹性恢复使剪切件尺寸向实体的反方向胀大 。对于落料件 , 其尺寸将会大于凹模尺寸对于冲孔件 , 其尺寸将会小于凸模尺寸 。剪切件的形状误差剪切件的形状误差是指翘曲、 扭曲、 变形等缺陷 。剪切件呈曲面不平现象称之为翘曲。它是由于间隙过大、 弯矩增大 、变形拉伸和弯曲成分增多而造成的 , 另外材料的各向异性和卷料未校正也会产生翘曲。剪切件呈扭歪现象称之为扭曲。它是由于材料的不平 、 间隙不均匀、 凹模后角对材料摩擦不均匀等造成的 。板料的约束条
37、件对剪切加工也有很大影响 。剪切过程中, 板材如果不用压料板压住 , 板料将会产生弯曲。此时 , 由于板料的弯曲, 它与模具的接触面积变小 , 压力会迅速增大 , 会产生压塌现象 , 也会影响到剪切件的平整度 。对于剪切速度 , 一般情况下 , 剪切力会随着剪切速度增大而增大 。普通的剪切加工时 , 剪切力随速度的增加幅度并不显著 , 但是速度非常高时就会有一定的影响, 而且模具磨损加快 , 寿命降低 。小结对剪切机进行了简单的介绍 , 对变宽度圆盘剪实现变宽度进行了说明 。针对板材剪切过程的变形进行了介绍 , 得知剪切过程分为弹性 、 塑性 、 断裂三个过程 。对剪切裂纹的产生进行了了解 。
38、板材一般都能承受一定的塑性变形 , 只有塑性变形增大到一定程度的时候 , 才发生断裂 。 拉应力促使微裂纹的扩展 , 而压应力抑制裂纹的发展 。对板材断面的四个特征区域塌角 , 光亮带 , 断裂带及毛刺进行了简单的介绍 。分析了影响剪切加工的因素 , 为后面的研究做好准备工作 。北方工业大学硕士学位论文板材剪切加工的有限元分析基础概述利用用金属的塑性对金属材料进行加工 , 早在中国的远古时代就有 。早在多年前的青铜器时代 , 我国劳动人民就已经掌握锤击青铜以打造兵器和工具的技术 。但是 , 作为一门独立加工技术的金属塑性成形理论则起步较晚 。年屈雷斯加提出了屈雷斯加屈服准则年圣维南一七 据 出
39、的塑性流动方程年列维推出的应力一 应交增量关系年米塞斯提出了米赛斯屈服准则年亨盖和普朗特论述了平面塑件变形中滑移线的几何性质年劳斯根据普朗特的观点提出了考虑弹性应交增量的应力一 应变关系 。到此塑代理论基本得以形成此后 , 塑性理论不断发展 , 利用塑性理论求解塑性成形问题的各种方法陆续问世 。最早将塑性现论应用于金属期性成形这种金属材料加工方法的是德国学者卡尔曼。年 , 卡尔曼用初等分析法建立了轧制时的应力分布规律 、 此后不久 , 萨克斯和齐别尔在研究拉丝过程时提出了相似的求解方法切块法即主应力法。此后 , 人们对塑性成形过程的应力 、 应变和变形力的求解方法逐渐增多 , 如滑移线法 、
40、工程计算法 、 变形功法 、 上线分析法 、 网络法 、 密栅云纹法等 。这些方法各有优缺点,加滑移线法的教学推导严谨 、理论上比较完整 、 计算精度较高但该理论仅适用于用于理想刚塑性材料的平面应变问题网格法是研究金属塑性成形过程的有效方法 , 也可用来检验其他理论分析的正确性 , 但这一方法的试验和计算的工作量都比较大 , 而且要求测试数据准确 。随着计算机的出现 , 塑性有限元法的发展应用开始与计算机技术结合起来 , 塑性成形理论取得了突破性的进展 , 很多塑性成形技术中的难题都迎刃而解 。利用计算机运用数值模拟技术可以快速地获得较精确的解 , 这极大地提高了求解的效率 。目前 , 塑性成
41、形中的有限元数值模拟方法 , 既能直观地描述塑性成形过程中金属流动状态 , 又能客观地求解塑性变形区的应力 、应变和温度分布状态 , 从而为模具型腔与结构设计及优化 、产品工艺制订及优化设计等提供了科学的依据 。在诸多有限元分析软件中, 最适合做塑性成形仿真分析的就是, 它是专门设计用于分析金属成形过程的分析软件。有限元分析理论基础有限元法是将连续的求解域离散为一组单元的组合体 , 用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数 , 近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达 。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题 。它解决问题的范围最
42、广 , 可以用不同类例的单元离散任意形状的变形体 , 适用于各种边界条件 。它可北方工业大学硕士学位论文以方便地处理多种工艺因素对塑性变形过程的影响 , 能够比较精确的模拟金属成形的流动规律 , 得到任意时刻你想要的力学信息 。与金属塑性成形中的体积成形和板料成形对应 , 有限无法形成了弹塑性材料模型和刚塑性材料模型这两种典型的材料模型 。与之相对 , 金属塑性成形中的有限元法可分为弹塑性有限元法和刚塑性有限元法 。弹塑性有限元法又可以分为小变形和大变形弹塑性有限元法 。 小变形弹塑性有限元法是利用小变形增量描述大变形问题 , 方式简单 , 但累计误差大 。与小变形弹塑性有限元法不同的是大变形
43、弹性有限元法考虑了材料的物理非线性和凡何非线性 , 增量步长很小 , 所以计算效率较低 。因为弹塑性有限元法考虑了材料的弹性和塑性变形两个方面 , 所以能分析塑性成形的加载和卸载过程 , 残余应力 、 应变 、 工件的回弹以及与模具的相互作用 。而刚塑性有限无法则不能进行卸载分析 , 因而无法得到残余应力、 变形及回弹等 。刚塑性有限元法不考虑弹性变形 , 通过对速度的积分来处理几何非线性 , 方法简单 , 计算效率较高 。根据金属工艺的不同, 金属材料可分为刚塑性硬化材料和刚粘塑性材料 。 刚塑性硬化材料对应的有限元法叫做刚塑性有限元法 , 刚粘性硬化材料对应的有限元法叫做刚粘塑性有限元法
44、, 它们在金属塑性成形中得到了广泛的应用 。金属塑性成形的力学基础金属塑性成形的种类不同, 但金属形状的改变都是利用金属的塑性通过外力实现的 。 因此 ,各类金属塑性成形方法在塑性成形力学方面有许多共同的规律 。 塑性成形力学是在塑性力学一般原理基础上 , 着重研究材料塑性成形成工艺过程中的塑性力学问题 。计算机技术和有限元分析技术的迅速发展 , 为求解塑性成形问题创造了便利条件 。塑性成形力学的基本方程为塑性成形过程有限元数值模拟奠定了可靠的理论基础 。塑性力学是固体力学的一个分支 , 它是相对于弹性力学而言的 。在弹性力学中 , 变形体内各点的应力和应变之间具有单一的线性关系 。然而 ,
45、在一定的外界环境和加裁条件下 , 变形体内的应力和应变之间往往不具有这种单一的线性关系而呈现出复杂的线性关系 。 塑性力学研究的是物体发生塑性变形时应力和应变的分布规律 。 人们对塑性变形基本规律的人事主要来自实验 , 从实验中找出应力超出弹性极限后材料的特性 , 将材料的这些特性进行归纳并提出合理的假设和简化模型 , 以确定应力超过弹性极限后材料的本构关系 , 即塑性变形时的应力 、 应变及系从而建立塑性力学的基本方程 。解出这些方程 , 便可得到不同塑性状态下物体内的应力和应变 。北方工业大学硕十学位论文塑性力学的基本假设由于材料塑性成形是一个非常复杂的过程 , 同时也受到数学上处理问题的
46、限制 , 获得塑性成形问题的精确解是非常困难的 。由此 , 为了得到工程设计和实际生产有指导意义的解 , 在研究塑性成形的力学行为时 , 通常采用以下假设和近似处理连续性假设变形体内均由连续介质组成即整个变形体不存在任何空隙 。这样 , 应力 、 应变和位移等物理量都是连续变化的 , 且可转化为坐标的连续函数 。匀指性 、各向同向性假设变形体内各质点的组织 、化学成分都是均匀 的而且是相同的 。即各质点在各方向上的物理性能和外力性能均相同, 且不随坐标的改变而变化 。体积力为零假设金属的塑性成形是在外力下产生的。根据外力作用方式的不同, 可以将其分为在表面力和体积力 。表面力是作用在变形物体表
47、面的力 , 由工具或传力介质对变形体的作用而产生的。表面力可以是集中力 , 也可以是分布力 , 通常情况下是分布力 。体积力是作用于变形物体各个质点上的力 , 它是与变形体内各质点的质量成正比的力 , 如重力 、惯性力等 。惯性力是由于变形过程中各质点流动速度发生变化而产生的。相对于表面力而言 , 塑性成形中的体积力是很小的, 一般情况下完全可以忽略不计 , 因此 , 塑性成形中的外力指的就是表面力 ,即假设体积力为零 。但是高速成形时 , 如高速锤锻 、爆炸成形等 , 则惯性力不能忽略, 即体积力必须予以考虑 。变形体在外力作用下处于平衡状态假设 在塑性成形理论中 , 将变形体体作为研究对象
48、时 , 通常假设变形体是处于平衡状态的 。当把变形体分成有限个单元体时, 每个单元体仍将处于平衡状态 。 而平衡状态条件是作用于变形体整体和每个单元体上的外力矢量和以及总力矩为零 。初始应力为零假设物体在没有受到外力作用时 , 也存在内力 。如果物体受到外力 , 物体内的内力也会随之发生变化 , 会产生抵抗外力的力 , 而物体形状会在这种力的作用下发生变形 , 当变形达到一定程度时 , 就发生了塑性流动 。因此为研究的方便 , 假设物体在受外作用之前是处于自平衡状态的 , 即附加内力为零 , 也就是初始应力为零 。体积不变假设弹件变形时 , 体积变形必须考虑 。而在塑性变形时, 虽然体积也有微
49、量变化 , 但与塑性变形量相比是很小的, 因此可忽略不计 , 即假设体积保持不变 。此由静水压力实验结果可知 。此外 , 材料的弹性性质不受塑性变形影响的假设 , 忽略时间因素对材料变形影响的假设 ,只考虑稳定材料 , 小变形条件假定物体在受力以后 , 体内的位移和变形是微小的, 即体内各点位移都远远小于物体的原始尺寸 , 而且应变包括线应变与角应金均远远小于。力学模型的简化如线性强化模型、 理想塑性模型等 。北方 业大学硕十学位论文应 力 、 应变分析应力 、 应变和应变速率是描述物体在外力作用下变形行为的力学基本变量 。应力分析在外力作用下 , 物体内各质点之间会产生相互作用的力 , 称为
50、内力 。物体内单位截面面积上的内力 , 称为应力 。一般情况下 , 物体内各点的内力是不同的。因此 , 一个物体受外力作用后 , 其内部各质点在各方向上都受到应力的作用 , 这时不能以某一方向的应力来说明其质点的受力情况 , 于是就需要引入一个能够完整表示出质点受力情况的物理量应力张量 。应力分析的目的就是求得变形物体内的应力分布 。外力和应力在塑性成形中 , 变形物体通常是多向受力 , 因此要想知道整个变形体的应力状态 , 就必须了解变形体内任意一点的应力状态 , 这就需要研究点的应力状态 。假设在直角坐标系中有一承受任意力系的物体 , 我们把物体看成由无限个单元体构成 , 假设单元体无限小
