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文档简介
1、第三章 金属塑性成形基本工序的力学分析及主应力法,在塑性加工过程中,当工具对坯料所施加的作用达到 一定数值时,坯料就会发生塑性变形,此时工具所施加的 作用就称为变形力。变形力是正确设计模具、选择设备的 重要参数。因此,对各种塑性成形工序进行变形过程的力 学分析和确定变形力是金属塑性成形理论的基本任务之一。 例如,在镦粗、挤压和模锻等工序中,变形力是通过 工具与变形金属的接触表面传递给变形金属的;在弯曲和 拉深等工序中,变形力则是由变形金属的弹性变形区传递 的。所以,为求解变形力,必须先确定变形金属与工具的 接触表面或变形区分界面上的应力分布规律,然后再沿接 触表面进行积分,求得变形力的大小。,
2、由于接触面上摩擦力的存在,正应力的分布是不 均匀的,需要利用应力平衡微分方程、应力应变关系 式、变形连续方程和塑性条件等联立求解。但是,这 种数学解析法计算十分复杂,用一般的解析方法求解 是非常困难的,甚至是不可能的。只有在某些特殊情 况下或将实际问题进行一些简化后,对于平面问题和 轴对称问题才能求解。 因此,为解决变形力的实际问题,需要引进各种 假设以简化联立方程,主应力法(也称工程法或切块 法)就是在此基础上建立起来的一种近似求解方法。,3、1 主应力法的基本原理,为了使问题得以简化,主应力法主要采用以 下基本假设: 1、屈服准则的简化 假设工具与坯料的接触表面为主平面或者为最 大剪应力平
3、面。以镦粗为例,即是接触面上的摩擦 剪应力 或者视为零,或者视为最大值 ,这样 平面变形问题的Mises屈服准则就简化为:,或,则:,2、力平衡微分方程的简化 力平衡微分方程简化,将变形过程近似地视 为平面问题或轴对称问题,并假设法向应力与一 个坐标轴无关,因此微分平衡方程不仅可以减 少,而且可将偏微分该为常微分。 以平面变形条件下的矩形件压缩为例,其Z轴 方向不变形,则变形力的平衡微分方程为:,由于Z轴方向不变形,所以有:,故:,如假设剪应力 在y方向上呈线性分布,则:,并且设 与y轴无关(即在坯料厚度上, 是均匀分布的),则:,这样,力平衡方程简化为:,或者可以从变形体上截取微元体,进行受
4、力分析 建立力平衡方程,有:,则:,(显然,上式也是假设 在y方向均匀分布。),3、接触表面摩擦规律的简化,接触表面的摩擦多采用近似关系:,其中 为屈服剪应力。,4、变形区几何形状的简化 根据所取坐标系以及变形特点,把变形区的几何形状作简化处理。 如平锤下镦粗时,侧表面始终保持与接触面垂直关系等。 5、其他假设 如将变形区材料视为均匀、各向同性,变形均匀,剪应力在坯料厚度或半径方向线性分布,某些数学近似处理等。,(1)平衡方程,(2)几何方程,(3)物理方程,弹性:,塑性:,1)增量理论,3)全量理论,2)应力应变速率方程,求解问题所应用的方程:,(4)边界条件,物体外表面为S,Sd和St分别
5、表 示位移和外力,位移给定值,外力给定值,(5)补充方程,1)屈服准则,2)连续方程,3)塑性变形体积不变,(有3+3个方程),同一平面内,不同平面内,一、主应力法的基本原理,1、根据实际变形区的情况,将问题简化 为轴对称问题或平面问题,这样联立 方程中的塑性条件就比较简单。对于 形状复杂的变形体,可以根据金属流 动情况,将它划分为若干形状简单的 部分,每一部分分别按照轴对称问题 或平面问题求解。,2、切取基元体。 根据金属流动方向,沿变形体整个截面切取一个包含接触面的基元体,或沿变形体部分截面切取含有边界条件已知的表面在内的基元体。假设在接触面上有正应力和切应力(摩擦力),设在切面上有与一个
6、坐标轴无关且为均匀分布的正应力为主应力,在研究基元体平衡方程时,方程数目减少的同时,得到的还是常微分方程,大大降低了计算难度。,3、假定工具与金属接触面上的边界条件为:正应力为主应力,切应力(摩擦力)服从库仑摩擦条件 或常摩擦条件 。 4、忽略各坐标平面上的切应力和摩擦切应力对塑性条件的影响,列出基元体的塑性条件,然后与简化的平衡微分方程联立求解,利用边界条件确定积分常数,得出接触面上的应力分布,进而求得变形力。,3、2 镦粗变形 例题1:,在水平模具间镦粗长矩形截面的钢 坯,宽度为 、高度为 、长度 为 ,且长度远远大于宽度。 若接触面上摩擦为常摩擦,即 ( 为材料屈服应力)。 试用主应力法
7、推导接触面上的单位压力 和成形力 。,解: 1、切取基元体,受力分析, 如右图所示。 2、列 向受力平衡方程: 化简得: () 3、由Tresca屈服准则(忽略 ), 其中 : ;,所以: () 将式()代入式()中,得: () 、将摩擦条件 代入式(),并积分, 得: () 当 时, , 。 所以,积分常数得: (5),5、求接触面上的正应力 将(5)代入(4)中,得接触面上的正 应力: 6、求总变形力 和单位压力,镦粗一圆柱体,侧面作用有均布压应力 , 如图所示。设摩擦切应力满足常摩擦条件,即 ( 为材料屈服应力)。 试用主应力法推导接触面上的成形力 和 单位流动压力 。,例题2:,解: 1、切取基元体,受力分析, 如右图所示。 2、建立沿径向受力平衡方程, 并化简得: () 3、因为: , 所以: 将式(1)改写为: (2),、忽略摩擦,又由 ; 由应力应变顺序关系, 有: 由Tresca屈服准则,有: 所以: , 则: (3) 5、将条件 代入式(),并积分, 得: (),6、求接触面上的正应力 由边界条件,知当 时, , 所以: 。 积分常数得: (5) 将(5)代入(4)中,得接触面上的正应 力: 7、求总变形力和单位压力,拉深凸缘变形区的应力分布,应用主应力法可以求解凸缘区的应力分布。设拉延过程中板厚不变,且暂不考虑外摩擦影响。,从凸缘变形区切取一扇形基元体,
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