圖 1 剪切瞬間產生裂紋過程示意
分享：基于沖壓剪切的剪應力影響因素試驗
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備工序,如在已成型的沖壓件上進行切口、剖切、修邊、沖孔等工藝。在沖壓工藝進行過程中,采用剪切分離方式對材料進行沖孔、落料、剪邊等工序,在設計模具和編制生產指導性工藝文件時,都需要用抗剪強度計算剪切力。
剪切過程有3個階段：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展,材料的一部分相對另一部分移動,并發生塑性剪切變形,而且材料纖維發生拉伸與彎曲,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機進行剪切試驗,驗證了剪切速率、相對間隙對剪應力的影響。
1. 抗剪強度的定義
剪切瞬間產生裂紋過程如圖1所示,凹模1和凸模3是工作零件。沖裁時,將試樣置于凹模1上,凸模3下降,同時壓緊材料兩端,使材料變形,在凹模與凸模之間產生裂紋,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為凸模進入材料的深度,β為最大剪應力狀態時剪應力方向與垂線的夾角。
當剪切過程中塑性變形達到一定程度時,裂紋首先在凹模刃口5產生,繼而在凸模刃口4產生,隨著凸模3的進一步壓入,兩裂紋向材料深處擴展,當間隙在合理范圍時,上下兩條裂紋重合,當上下兩條裂紋位于一條直線上時,材料完全分離。這種狀態的剪切使整個斷面都屬于剪切分離,上下兩條裂紋重合于同一條直線上,即為最大剪應力狀態。按照三角函數的定義,可以推導出式(1)。
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(1) |
抗剪強度為最大剪應力狀態下的剪應力,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重合于同一條直線上。
2. 影響剪應力的因素
式(1)是在最大剪應力狀態下推導出來的,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,C/t為相對間隙。模具設計中凸、凹模單面間隙C決定了剪切時是否為最大剪應力狀態。
從式(1)可推斷出影響最大剪應力狀態的因素有：相對間隙C/t、壓痕深度h0、最大剪應力方向角度β。這3個因素與試樣的材料性質、材料硬化程度、材料厚度等有關。抗剪強度τb是最大剪應力狀態下的強度,其數值等于最大剪應力狀態下的最大剪切力除以受剪面積。影響抗剪強度的因素共有5個,即材料性質、材料硬化程度、材料厚度、剪切速率、相對間隙,其中前3個因素是由材料屬性決定的,后兩個因素是試驗的外部條件[1－2]。
理論上來說,隨著塑性變形速率的增大,金屬材料的強度提高,塑性降低,而這個特性是金屬材料本身的固有屬性,當剪切速率增大時,剪應力也會增大。另外,當相對間隙增大時,剪切過程處于非最大剪應力狀態,剪應力減小[3]。以下通過剪切試驗來驗證剪切速率、相對間隙對剪應力的影響。
3. 剪切速率對剪應力的影響
制作剪切試驗模具,制備好試樣,在材料萬能試驗機上進行剪切試驗。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
設置3種不同的剪切速率,在指定間隙下分別對IF250P1、HC420LA、SP221鋼板進行剪切試驗,每種試驗進行5次,取平均值。3種剪切速率下的剪切試驗結果如圖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,剪應力越大。
圖 5 3種剪切速率下的剪切試驗結果
Table 1. 3種剪切速率下的剪切試驗結果
| 材料 | 鋼板厚度/mm | 單邊間隙/mm | 剪切速率/(mm·min－1) | 剪應力/MPa | 剪應力平均值/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. 相對間隙對剪應力的影響
設置2種不同的相對間隙,在不同的間隙下分別對QP980、HC420LA、SP370鋼板進行剪切試驗,每種試驗進行5次,取平均值,結果如表2所示。
Table 2. 不同相對間隙下的剪切試驗結果
| 材料 | 鋼板厚度/mm | 單邊間隙/mm | 相對間隙/% | 剪切速率/(mm·min－1) | 剪應力/MPa | 剪應力平均值/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：相對間隙越大,剪應力越小。
4. 結論
(1) 剪應力隨剪切速率的增大而增大。在沖壓生產過程中,壓力機的種類較多,有液壓機、機械壓力機等,各種設備的運行速率差異很大,不同廠家生產設備的運行速率也有差異,因此在計算剪切力時需考慮剪切速率。在壓力機噸位不夠的情況下,可以使用剪切速率較低的壓力機來減小剪切力,以滿足生產要求。
(2) 剪應力隨相對間隙的增大而減小。在實際生產過程中,沖裁模的初始間隙參考GB/T 16743－2010中的間隙中間值,這個間隙接近該材料剪切時最大剪應力狀態下的間隙[4]。在沖裁模具設計時,可以采取加大相對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
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