金属塑性成形

关键词： 塑性 金属 成形 课程

金属塑性成形（精选九篇）

金属塑性成形 篇1

金属塑性成形原理是高等工科院校材料类及加工相关各专业的一门专业基础课, 该课程是研究和探讨金属在各种塑性加工工程中可遵循的基础和规律的一门学科。其目的在于科学地、系统地阐明这些基础和规律, 为学习后续的工艺课程作理论准备, 也为合理制定塑性成形工艺规范及选择设备、设计模具奠定理论基础[1,2,3]。上海大学材料科学与工程学院将“金属塑性成形原理”作为本科金属材料专业的一门基础必修课, 课程的教材选用机械工业出版社2010年出版的俞汉青、陈金德编著的《金属塑性成形原理》[4]。课程面向金属材料专业本科大三学生, 其先修课程有工程力学、材料科学基础、金属材料学等, 使教学时学生已有一定的基础。课程的主要内容包括以下几方面。

1.金属塑性变形的物理基础:金属塑性的测定方法、相关指标及主要影响因素以及金属断裂的过程。

2.金属塑性变形的力学基础:变形体内质点的应力、应变分析方法;应力平衡微分方程的推导过程, 平面应力、平面应变、轴对称应力状态的特点和表达形式;“小应变”、“无限小应变”及“大应变”等基本概念, 小变形几何方程和变形连续方程, 全量应变和应变增量以及应变速率的概念;应力应变关系、屈服准则等塑性理论基本知识;全量理论和增量理论的概念;本构关系 (塑性变形时应力—应变关系) 的特点, 列维—密席斯方程和普朗特—劳斯方程;屈服、屈服准则的概念, 屈雷斯加屈服准则和密席斯屈服准则, 屈服准则的几何表达———屈服轨迹和屈服表面;屈服准则的验证方法, 应变硬化材料的屈服准则。真实应力应变曲线及相关概念;通过实验来确定真实应力—应变曲线的方法, 其中包括不同温度、速度条件对真实应力—应变曲线的影响以及常用金属材料真实应力—应变曲线的近似表达方程。

3.塑性成形问题的主应力法 (切块法) 的理论基础和解题思路, 其中重点在于塑性问题的基本方程、平衡微分方程和屈服条件联立求解法、主应力法的基本假设和解题步骤、矩形和圆柱形工件镦粗变形力的计算、两种常用摩擦条件、接触面的分区、镦粗变形功的计算。

4.塑性成形问题的滑移线场法的理论基础和解题思路。

由此可见, “金属塑性成形原理”课程涉及内容较多且抽象复杂, 如何在有限的课程教学时间内将教学内容传输给学生, 并易于让学生消化和吸收是课程教学的难点之一。而课程讲授中数学理论推导又较多, 且公式推导和证明求解与高等数学联系较紧密, 因而课程难度较大, 这同样为课程的教学和学生的学习带来了困难。除此之外, 如何将本课程高密度的抽象理论联系实际也是本课程教学成败的关键。

二、教学方法改革与实践

“卓越工程师教育培养计划”是国家教育部贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要 (2010—2020年) 》的重大改革项目, 也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措, 旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才。上海大学是“卓越工程师教育培养计划”的入选首批高校, 在金属材料工程本科专业进行实施。为契合其培养理念, 同时针对上述总结的“金属塑性成形原理”课程教学中的主要难点以及学生课堂的实际反应, 在“卓越工程师培养计划”支持下进行课程设计开发, 提出了以下三条课程讲授改进措施。

1.多媒体教学与板书教学有机结合。课程教学中充分利用多媒体传输信息量大、表达直接形象的优势, 结合教材理论进行讲授, 既不浪费过多时间于绘图同时又形象地反映出立体图像和动态过程, 而且还提高了学生的课堂学习效率, 方便课后回顾课件进行复习。但由于本课程讲授中数学理论推导较多, 且公式推导和证明求解与高等数学联系较紧密, 此时, 一味地追求多媒体讲授虽能加快课程进度, 但效果可能适得其反, 容易造成学生走马观花, 无法留下深刻印象, 以致后续课程教与学的脱节。因此, 在重点公式推导和典型例题的证明解题上, 通过板书引导学生跟随进行逐步推导和求解, 以便较好的掌握。例如教材第六章“主应力法及其应用”章节中平面应变镦粗型的变形力和轴对称镦粗型的变形力的求解, 在其教学中通过设计立体切片法, 将抽象的应力问题转化为物理中的简单力平衡问题。如此一来, 多媒体教学与板书教学的有机结合, 既有效解决了课程内容多且抽象复杂的问题, 也合理处理了烦琐的公式推导和证明求解的难点, 使得课程能够有序高效的教与学。

2.配套实践环节与同步课程设计。本课程在总共40学时教学中采用30学时进行课堂理论教学, 同时安排10学时在理论教学途中穿插进行配套实验实践以及同步课程设计。配套实践环节内容包括 (流程如图1所示) : (1) 板材拉伸真实应力应变曲线试验:按照板材厚度或者板材类型的不同对学生进行分组, 完成单向拉伸试验;学习使用制图软件绘制条件应力—应变曲线, 再进行条件应力—应变曲线与真实应力—应变曲线的转换和硬化模型近似数学表达式的拟合与对比。 (2) 薄板冲压成形及有限元数值模拟试验:分组采用各自在拉伸试验中的板材, 在金属单动液压拉深机上进行U型件薄板冲压弯曲试验;对照零件实物学习使用钣金冲压数值模拟仿真软件对U型件薄板冲压成形进行过程演示, 从中掌握对数真实应力—应变曲线和屈服方程的应用。从数值模拟演示结果学习各个塑性指标, 包括各方向应力、应变、减薄率等效塑性应力和等效塑性应变、主次应变等指标的云图读取。 (3) U型件塑性弯曲冲压试验, 对比分析实际试验成形结果与数值模拟成形结果, 如应变分布、开裂情况、厚度分布等。

在配套实践环节, 采用与课程同步进行的课程设计教学, 创建金属塑性成型原理课程中应变、硬化、屈服、增量变形等抽象理论的形象化教学, 以板料冲压成型为依托, 将理论应用于板材塑性成型课程设计中, 实际案例见图2。通过此课程设计和案例教学, 有效实现了课程理论的再现与重组, 展现了分散的课程知识之间的内在逻辑;同时又将关键的理论知识有机地组合在一起, 并应用于实际案例, 从而合理解决了本课程高密度的抽象理论联系实际的难点, 提升了本门课程的可理解性, 也进一步培养了应用基础理论知识进行产品工艺分析和设计的能力。就教学效果及学生反馈情况可见, 这一环节在课程改革优化中起到举足轻重的作用。

3.分组展示课程设计报告。在本课程教学理念中, 始终秉承“听一遍不如做一遍有效, 做一遍不如讲一遍深刻”的原则, 在课程的尾端, 配套实践环节与同步课程设计进行后, 分组对薄板冲压成形有限元数值模拟过程和结果分析进行展示。不仅锻炼了学生制作PPT报告及演讲的能力, 还将抽象理论运用于产品工艺分析和设计过程中。与此同时, 在展示的过程中, 学生运用了所学到的理论知识, 从而加深了印象。

三、结语

上述教学方法改革后, 在上海大学2014学年课程教学中进行试运行。

图3为“金属塑性成形原理”课程历年成绩走势图。由图可知, 2014学年课程平均分数和平均绩点较改革前成绩有明显提升。

图4为“金属塑性成形原理”课程历年成绩分布图, 对比分析改革前、后成绩分布可以发现, 成绩在90分以上和80~90分区间改革后的学生比例较改革前显著增大, 并且改革后及格率为100%。

综合分析, 在教育部“卓越工程师培养计划” (上海大学金属材料工程专业) 支持下进行课程设计开发后, 采用配套课程设计、理论联系实际的教学改革后, 课程教学中的难点便迎刃而解了, 同时课程成绩呈现出较显著进步, 当然成绩的进步和班级整体学风、同学们的平时努力分不开, 但是也在一定程度上反映了课程改革的效果。随着现代教育技术的不断进步, “金属塑性成形原理”课程的改革必将继续进行下去, 以不断获取最佳的教学效果。

摘要：针对金属材料工程专业本科学生普遍反映, “金属塑性成形原理”课程概念抽象、理论深奥、难以掌握。在教育部“卓越工程师培养计划”支持下进行课程设计开发和教学方法改革, 配套实践环节与课程学习进行同步, 强化理论在实践中的应用, 实现了平面书本知识的立体映像化教学。在教学实践中, 这种综合教学方法更加受到学生的认可, 教学效果良好。

关键词：金属塑性成形原理,课程设计,改革与实践

参考文献

[1]李强, 于宝义, 李润霞, 等.“金属塑性成形原理”课程教学方法改革与实践[J].中国电力教育, 2010, (25) :59-60.

[2]赵亚东, 郝安林.“金属塑性成形原理”课程的教学探索[J].安阳工学院学报, 2011, (52) :95-97.

[3]耿铁, 闫丽群.“塑性成形原理”课程教学方法探讨[J].科技创新导报, 2012, (19) :156-158.

《金属塑性成形原理》复习题 篇2

塑性变形---当作用在物体上的外力取消后，物体的变形不能完全恢复而产生的残余变形；

塑性成形----金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成型并获得一定力学性能 的加工方法，也称塑性加工或压力加工；

塑性成形的特点：①组织、性能好②材料利用率高③尺寸精度高④生产效率高 2.试述塑性成形的一般分类。

Ⅰ.按成型特点可分为块料成形(也称体积成形)和板料成型两大类 1）块料成型是在塑性成形过程中靠体积转移和分配来实现的。可分为一次成型和二次加工。

一次加工：

①轧制----是将金属坯料通过两个旋转轧辊间的特定空间使其产生塑性变形，以获得一定截面形状材料的塑性成形方法。分纵轧、横轧、斜轧；

用于生产型材、板材和管材。

②挤压----是在大截面坯料的后端施加一定的压力，将金属坯料通过一定形状和尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得符合模孔截面形状的小截面坯料或零件的塑性成形方法。分正挤压、反挤压和复合挤压；

适于(低塑性的)型材、管材和零件。

③拉拔----是在金属坯料的前端施加一定的拉力，将金属坯料通过一定形状、尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的小截面坯料的塑性成形方法。生产棒材、管材和线材。

二次加工：

①自由锻----是在锻锤或水压机上，利用简单的工具将金属锭料或坯料锻成所需的形 状和尺寸的加工方法。精度低，生产率不高，用于单件小批量或大锻件。

②模锻----是将金属坯料放在与成平形状、尺寸相同的模腔中使其产生塑性变形，从 而获得与模腔形状、尺寸相同的坯料或零件的加工方法。分开式模锻和闭式模锻。

2）板料成型一般称为冲压。分为分离工序和成形工序。

分离工序：用于使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离，如冲裁、剪切等工序；

成型工序：用来使坯料在不破坏的条件下发生塑性变形，成为具有要求形状和尺寸的零件，如弯曲、拉深等工序。

Ⅱ.按成型时工件的温度可分为热成形、冷成形和温成形。

3.试分析多晶体塑性变形的特点。

1）各晶粒变形的不同时性。不同时性是由多晶体的各个晶粒位向不同引起的。

2）各晶粒变形的相互协调性。晶粒之间的连续性决定，还要求每个晶粒进行多系滑移；

每个晶粒至少要求有 5个独立的滑移系启动才能保证。

3）晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间的变形的不均匀性。

Add：

4）滑移的传递，必须激发相邻晶粒的位错源。

5）多晶体的变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。

6）塑性变形时，导致一些物理，化学性能的变化。

7）时间性。hcp系的多晶体金属与单晶体比较，前者具有明显的晶界阻滞效应和极高的加工硬化率，而在立方晶系金属中，多晶和单晶试样的应力—应变曲线就没有那么大的差别。

4.试分析晶粒大小对金属塑性和变形抗力的影响。

①晶粒越细，变形抗力越大。晶粒的大小决定位错塞积群应力场到晶内位错源的距离，而这个距离又影响位错的数目n。晶粒越大，这个距离就越大，位错开动的时间就越长，n也就越大。n越大，应力场就越强，滑移就越容易从一个晶粒转移到另一个晶粒。

②晶粒越细小，金属的塑性就越好。

a．一定体积，晶粒越细，晶粒数目越多，塑性变形时位向有利的晶粒也越多，变形能较均匀的分散到各个晶粒上；

b．从每个晶粒的应力分布来看，细晶粒是晶界的影响区域相对加大，使得晶粒心部的应变与晶界处的应变差异减小。这种不均匀性减小了，内应力的分布较均匀，因而金属断裂前能承受的塑性变形量就更大。

5.什么叫加工硬化？产生加工硬化的原因是什么？加工硬化对塑性加工生产有何利弊？ 加工硬化----随着金属变形程度的增加，其强度、硬度增加，而塑性、韧性降低的现象。加工硬化的成因与位错的交互作用有关。随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，位错反应和相互交割加剧，结果产生固定割阶、位错缠结等障碍，以致形成胞状亚结构，使位错难以越过这些障碍而被限制在一定范围内运动。这样，要是金属继续变形，就需要不断增加外力，才能克服位错间强大的交互作用力。

加工硬化对塑性加工生产的利弊：

有利的一面：可作为一种强化金属的手段，一些不能用热处理方法强化的金属材料，可应用加工硬化的方法来强化，以提高金属的承载能力。如大型发电机上的护环零件(多用高锰奥氏体无磁钢锻制)。

不利的一面：①由于加工硬化后，金属的屈服强度提高，要求进行塑性加工的设备能力增加；

②由于塑性的下降，使得金属继续塑性变形困难，所以不得不增加中间退火工艺，从而降低了生产率，提高了生产成本。

6.什么是动态回复？为什么说动态回复是热塑性变形的主要软化机制？ 动态回复是在热塑性变形过程中发生的回复(自发地向自由能低的方向转变的过程)。

动态回复是热塑性变形的主要软化机制，是因为：

①动态回复是高层错能金属热变形过程中唯一的软化机制。动态回复是主要是通过位错的攀移、交滑移等实现的。对于层错能高的金属，变形时扩展位错的宽度窄，集束容易，位错的交滑移和攀移容易进行，位错容易在滑移面间转移，而使异号位错相互抵消，结果使位错密度下降，畸变能降低，不足以达到动态结晶所需的能量水平。因为这类金属在热塑性变形过程中，即使变形程度很大，变形温度远高于静态再结晶温度，也只发生动态回复，而不发生动态再结晶。

②在低层错能的金属热变形过程中，动态回复虽然不充分，但也随时在进行，畸变能也随时在释放，因而只有当变形程度远远高于静态回复所需要的临界变形程度时，畸变能差才能积累到再结晶所需的水平，动态再结晶才能启动，否则也只能发生动态回复。

Add：动态再结晶容易发生在层错能较低的金属，且当热加工变形量很大时。这是因为层错能低，其扩展位错宽度就大，集束成特征位错困难，不易进行位错的交滑移和攀移；

而已知动态回复主要是通过位错的交滑移和攀移来完成的，这就意味着这类材料动态回复的速率和程度都很低(应该说不足)，材料中的一些局部区域会积累足够高的位错密度差(畸变能差)，且由于动态回复的不充分，所形成的胞状亚组织的尺寸小、边界不规整，胞壁还有较多的位错缠结，这种不完整的亚组织正好有利于再结晶形核，所有这些都有利于动态再结晶的发生。需要更大的变形量上面已经提到了。

7.什么是动态再结晶？影响动态再结晶的主要因素有哪些？动态再结晶是在热塑性变形过程中发生的再结晶。动态再结晶和静态再结晶基本一样，也会是通过形核与长大来完成，其机理也是大角度晶界(或亚晶界)想高位错密度区域的迁移。

动态再结晶的能力除了与金属的层错能高低(层错能越低，热加工变形量很大时，容易出现动态再结晶)有关外，还与晶界的迁移难易有关。金属越存，发生动态再结晶的能力越强。当溶质原子固溶于金属基体中时，会严重阻碍晶界的迁移、从而减慢动态再结晶的德速率。弥散的第二相粒子能阻碍晶界的移动，所以会遏制动态再结晶的进行。

9.钢锭经过热加工变形后其组织和性能发生了什么变化？(参见 P27-31)①改善晶粒组织②锻合内部缺陷③破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布④形成纤维组织⑤改善偏析 10.冷变形金属和热变形金属的纤维组织有何不同？ 冷变形中的纤维组织：轧制变形时，原来等轴的晶粒沿延伸方向伸长。若变形程度很大，则晶粒呈现为一片纤维状的条纹，称为纤维组织。当金属中有夹杂或第二相是，则它们会沿变形方向拉成细带状(对塑性杂质而言)或粉碎成链状(对脆性杂质而言)，这时在光学显微镜下会很难分辨出晶粒和杂质。在热塑性变形过程中，随着变形程度的增大，钢锭内部粗大的树枝状晶逐渐沿主变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向也逐渐与主变形方向一致，其中脆性夹杂物(如氧化物，氮化物和部分硅酸盐等)被破碎呈链状分布；

而苏醒夹杂物(如硫化物和多数硅酸盐等)则被拉长呈条状、线状或薄片状。于是在磨面腐蚀的试样上便可以看到顺主变形方向上一条条断断续续的细线，称为“流线 ”，具有流线的组织就称为“纤维组织”。在热塑性加工中，由于再结晶的结果，被拉长的晶粒变成细小的等轴晶，而纤维组织却被很稳定的保留下来直至室温。所以与冷变形时由于晶粒被拉长而形成的纤维组织是不同的。

12.什么是细晶超塑性？什么是相变超塑性？ ①细晶超塑性它是在一定的恒温下，在应变速率和晶粒度都满足要求的条件下所呈现的超塑性。具体地说，材料的晶粒必须超细化和等轴化，并在在成形期间保持稳定。

②相变超塑性要求具有相变或同素异构转变。在一定的外力作用下，使金属或合金在相变温度附近反复加热和冷却，经过一定的循环次数后，就可以获得很大的伸长率。相变超塑性的主要控制因素是温度幅度和温度循环率。

15.什么是塑性？什么是塑性指标？为什么说塑性指标只具有相对意义? 塑性是指金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力，它是金属的一种重要的加工性能。

塑性指标，是为了衡量金属材料塑性的好坏而采用的某些试验测得的数量上的指标。

常用的试验方法有拉伸试验、压缩试验和扭转试验。

由于各种试验方法都是相对于其特定的受力状态和变形条件的，由此所测定的塑性指标(或成形性能指标)，仅具有相对的和比较的意义。它们说明，在某种受力状况和变形条件下，哪种金属的塑性高，哪种金属的塑性低；

或者对于同一种金属，在那种变形条件下塑性高，而在哪种变形条件下塑性低。

16.举例说明杂质元素和合金元素对钢的塑性的影响。(P41-44)①碳：固溶于铁时形成铁素体和奥氏体，具有良好的塑性。多余的碳与铁形成渗碳体(Fe 3C),大大降低塑性；

②磷：一般来说，磷是钢中的有害杂质，它在铁中有相当大的溶解度，使钢的强度、硬度提高，而塑性、韧性降低，在冷变形时影响更为严重，此称为冷脆性。

③硫：形成共晶体时熔点降得很低(例如 FeS的熔点为 1190℃，而 Fe-FeS的熔点为 985℃)。这些硫化物和共晶体，通常分布在晶界上，会引起热脆性。

④氮：当其质量分数较小(0.002%~0.015%)时，对钢的塑性无明显的影响；

但随着氮化物的质量分数的增加，钢的塑性降降低，导致钢变脆。如氮在α铁中的溶解度在高温和低温时相 差很大，当含氮量较高的钢从高温快速冷却到低温时，α铁被过饱和，随后在室温或稍高温度下，氮逐渐以 Fe 4N形式析出，使钢的塑性、韧性大为降低，这种现象称为时效脆性。

若在 300℃左右加工时，则会出现所谓“兰脆”现象。

⑤氢：氢脆和白点。

⑥氧：形成氧化物，还会和其他夹杂物(如 FeS)易熔共晶体(FeS-FeO，熔点为910℃)分布于晶界处，造成钢的热脆性。

合金元素的影响：①形成固溶体；

②形成硬而脆的碳化物；

…… 17.试分析单相与多相组织、细晶与粗晶组织、锻造组织与铸造组织对金属塑性的影响。

①相组成的影响：单相组织(纯金属或固溶体)比多相组织塑性好。多相组织由于各相性能不同，变形难易程度不同，导致变形和内应力的不均匀分布，因而塑性降低。如碳钢在高温时为奥氏体单相组织，故塑性好，而在 800℃左右时，转变为奥氏体和铁素体两相组织，塑性就明显下降。另外多相组织中的脆性相也会使其塑性大为降低。

②晶粒度的影响：晶粒越细小，金属的塑性也越好。因为在一定的体积内，细晶粒金属的晶粒数目比粗晶粒金属的多，因而塑性变形时位向有利的晶粒也较多，变形能较均匀地分散到各个晶粒上；

又从每个晶粒的应力分布来看，细晶粒时晶界的影响局域相对加大，使得晶粒心部的应变与晶界处的应变差异减小。由于细晶粒金属的变形不均匀性较小，由此引起的应力集中必然也较小，内应力分布较均匀，因而金属在断裂前可承受的塑性变形量就越大。

③锻造组织要比铸造组织的塑性好。铸造组织由于具有粗大的柱状晶和偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，故使金属塑性降低。而通过适当的锻造后，会打碎粗大的柱状晶粒获得细晶组织，使得金属的塑性提高。

18.变形温度对金属塑性的影响的基本规律是什么？ 就大多数金属而言，其总体趋势是：随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并不是简单的线性上升；

在加热过程中的某些温度区间，往往由于相态或晶粒边界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。在一般情况下，温度由绝对零度上升到熔点时，可能出现几个脆性区，包括低温的、中温的和高温的脆性区。下图是以碳钢为例：区域Ⅰ，塑性极低—可能是由与原子热振动能力极低所致，也可能与晶界组成物脆化有关；

区域Ⅱ，称为蓝脆区(断口呈蓝色)，一般认为是氮化物、氧化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出 所致，类似于时效硬化。区域Ⅲ，这和珠光体转变为奥氏体，形成铁素体和奥氏体两相共存有关，也可能还与晶界上出现FeS-FeO低熔共晶有关，为热脆区。

19.什么是温度效应？冷变形和热变形时变形速度对塑性的影响有何不同？ 温度效应：由于塑性变形过程中产生的热量使变形体温度升高的现象。(热效应：塑性变形时金属所吸收的能量，绝大部分都转化成热能的现象)一般来说，冷变形时，随着应变速率的增加，开始时塑性略有下降，以后由于温度效应的增强，塑性会有较大的回升；

而热变形时，随着应变速率的增加，开始时塑性通常会有较显著的降低，以后由于温度效应的增强，而使塑性有所回升，但若此时温度效应过大，已知实际变形温度有塑性区进入高温脆区，则金属的塑性又急速下降。

2.叙述下列术语的定义或含义：

①张量：由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量所组成的集合称为张量；

②应力张量：表示点应力状态的九个分量构成一个二阶张量，称为应力张量；

.ζη η.x xy xz ③应力张量不变量：已知一点的应力状态 ④主应力：在某一斜微分面上的全应力S和正应力ζ重合，而切应力η=0，这种切应力为 零的微分面称为主平面，主平面上的正应力叫做主应力；

⑤主切应力：切应力达到极值的平面称为主切应力平面，其面上作用的切应力称为主切应力 ⑥最大切应力：三个主切应力中绝对值最大的一个，也就是一点所有方位切面上切应力最大的，叫做最大切应力ηmax ⑦主应力简图：只用主应力的个数及符号来描述一点应力状态的简图称为主应力图：

⑧八面体应力：在主轴坐标系空间八个象限中的等倾微分面构成一个正八面体，正八面体的每个平面称为八面体平面，八面体平面上的应力称为八面体应力；

⑨等效应力：取八面体切应力绝对值的3倍所得之参量称为等效应力 ⑩平面应力状态：变形体内与某方向垂直的平面上无应力存在，并所有应力分量与该方向轴无关，则这种应力状态即为平面应力状。实例：薄壁扭转、薄壁容器承受内压、板料成型的一些工序等，由于厚度方向应力相对很小而可以忽略，一般作平面应力状态来处理 11)平面应变状态：如果物体内所有质点在同一坐标平面内发生变形，而在该平面的法线方向没有变形，这种变形称为平面变形，对应的应力状态为平面应变状态。实例：轧制板、带材，平面变形挤压和拉拔等。

12)轴对称应力状态：当旋转体承受的外力为对称于旋转轴的分布力而且没有轴向力时，则物体内的质点就处于轴对称应力状态。实例：圆柱体平砧均匀镦粗、锥孔模均匀挤压和拉拔(有径向正应力等于周向正应力)。

3.张量有哪些基本性质？ ①存在张量不变量②张量可以叠加和分解③张量可分对称张量和非对称张量④二阶对称张量存在三个主轴和三个主值 4.试说明应力偏张量和应力球张量的物理意义。

应力偏张量只能产生形状变化，而不能使物体产生体积变化，材料的塑性变形是由应力偏张量引起的；

应力球张量不能使物体产生形状变化(塑性变形)，而只能使物体产生体积变化。

12.叙述下列术语的定义或含义 1)位移：变形体内任一点变形前后的直线距离称为位移；

2)位移分量：位移是一个矢量，在坐标系中，一点的位移矢量在三个坐标轴上的投影称为改点的位移分量，一般用 u、v、w或角标符号ui 来表示；

3)相对线应变：单位长度上的线变形，只考虑最终变形；

4)工程切应变：将单位长度上的偏移量或两棱边所夹直角的变化量称为相对切应变，也称工程切应变，即δrt = tanθxy =θxy =αyx +αxy(直角∠CPA减小时，θxy取正号，增大时取负号)；

5)切应变：定义γ yx =γ xy= 1θyx 为切应变；

6)对数应变：塑性变形过程中，在应变主轴方向保持不变的情况下应变增量的总和，记为它反映了物体变形的实际情况，故称为自然应变或对数应变；

7)主应变：过变形体内一点存在有三个相互垂直的应变方向(称为应变主轴)，该方向上线元没有切应变，只有线应变，称为主应变，用ε1、ε2、ε3 表示。对于各向同性材料，可以认 为小应变主方向与应力方向重合；

8)主切应变：在与应变主方向成± 45°角的方向上存在三对各自相互垂直的线元，它们的切 应变有极值，称为主切应变；

9)最大切应变：三对主切应变中，绝对值最大的成为最大切应变；

10)应变张量不变量：

11)主应变简图：用主应变的个数和符号来表示应变状态的简图；

12)八面体应变：如以三个应变主轴为坐标系的主应变空间中，同样可作出正八面体，八面体平面的法线方向线元的应变称为八面体应变 13)应变增量：产生位移增量后，变形体内质点就有相应无限小的应变增量，用dεij 来表示；

14)应变速率：单位时间内的应变称为应变速率，俗称变形速度，用ε& 表示，其单位为 s-1；

15)位移速度：

14.试说明应变偏张量和应变球张量的物理意义。应变偏张量εij /----表示变形单元体形状的变化；

应变球张量δijεm----表示变单元体体积的变化；

塑性变形时，根据体积不变假设，即εm = 0，故此时应变偏张量即为应变张量 15.塑性变形时应变张量和应变偏张量有何关系？其原因何在？塑性变形时应变偏张量就是应变张量，这是根据体积不变假设得到的，即εm = 0，应变球张量不存在了。

16.用主应变简图表示塑性变形的类型有哪些？ 三个主应变中绝对值最大的主应变，反映了该工序变形的特征，称为特征应变。如用主应变简图来表示应变状态，根据体积不变条件和特征应变，则塑性变形只能有三种变形类型 ①压缩类变形，特征应变为负应变(即ε1＜0)另两个应变为正应变，ε2 +ε3 =.ε1 ；

②剪切类变形(平面变形)，一个应变为零，其他两个应变大小相等，方向相反，ε2 =0，ε1 =.ε3 ；

③伸长类变形，特征应变为正应变，另两个应变为负应变，ε1 =.ε2.ε3。

17.对数应变有何特点？它与相对线应变有何关系？ 对数应变能真实地反映变形的积累过程，所以也称真实应变，简称真应变。它具有如下 特点：

①对数应变有可加性，而相对应变为不可加应变；

②对数应变为可比应变，相对应变为不可比应变；

③相对应变不能表示变形的实际情况，而且变形程度愈大，误差也愈大。

对数应变可以看做是由相对线应变取对数得到的。

21.叙述下列术语的定义或含义：

Ⅰ屈服准则：在一定的变形条件(变形温度、变形速度等)下，只有当各应力分量之间符合一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为屈服准则，也称塑性条件，它是描述受力物体中不同应力状态下的质点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须遵守的力学条件；

Ⅱ屈服表面：屈服准则的数学表达式在主应力空间中的几何图形是一个封闭的空间曲面称为屈服表面。假如描述应力状态的点在屈表面上，此点开始屈服。对各向同性的理想塑性材料，则屈服表面是连续的，屈服表面不随塑性流动而变化。

Ⅲ屈服轨迹：两向应力状态下屈服准则的表达式在主应力坐标平面上的集合图形是封闭的曲线，称为屈服轨迹，也即屈服表面与主应力坐标平面的交线。

22.常用的屈服准则有哪两个？如何表述？分别写出其数学表达式。

常用的两个屈服准则是 Tresca屈服准则和 Mises屈服准则，数学表达式分别为max min Tresca屈服准则：ηmax =ζ.ζ = C2 式中，ζmax、ζ min----带数值最大、最小的主应力；

C----与变形条件下的材料性质有关而与应力状态无关的常数，它可通过单向均匀拉伸试验求的。

Tresca屈服准则可以表述为：在一定的变形条件下，当受力体内的一点的最大切应力ηmax 达到某一值时，该点就进入塑性状体。

Mises屈服准则：ζ= 1(ζ1.ζ 2)2 +(ζ 2.ζ3)2 +(ζ3.ζ1)2 =ζs2 = 1 ζ)()()()2(s2zx2yz2xy2xz2zy2yx6ζηηηζζζζζ=+++.+.+.所以 Mises屈服准则可以表述为：在一定的变形条件下，当受力体内一点的等效应力 ζ达到某一定值时，该点就进入塑性状态。

23.两个屈服准则有何差别？在什么状态下两个屈服准则相同？什么状态下差别最大？ Ⅰ共同点：

①屈服准则的表达式都和坐标的选择无关，等式左边都是不变量的函数；

②三个主应力可以任意置换而不影响屈服，同时，认为拉应力和压应力的作用是一样的；

③各表达式都和应力球张量无关。

不同点：①Tresca屈服准则没有考虑中间应力的影响，三个主应力的大小顺序不知道时，使用不方便；

而 Mises屈服准则则考虑了中间应力的影响，使用方便。

Ⅱ两个屈服准则相同的情况在屈服轨迹上两个屈服准则相交的点表示此时两个屈服准则相同，有六个点，四个单向应力状态，两个轴对称应力状态。

Ⅲ两个屈服准则差别最大的情况:在屈服轨迹上连个屈服准则对应距离最远的点所对应的情况，此时二者相差最大，也是六个点，四个平面应力状态(也可是平面应变状态)，两个纯切应力状态，相差为 15.5%。

28.叙述下列术语的定义或含义：

1)增量理论：又称流动理论，是描述材料处于塑性状态时，应力与应变增量或应变速率之间关系的理论，它是针对加载过程中的每一瞬间的应力状态所确定的该瞬间的应变增量，这样就撇开了加载历史的影响；

2)全量理论：在一定条件下直接确定全量应变的理论，也叫形变理论，它是要建立塑性变形全量应变和应力之间的关系。

3)比例加载：外载荷的各分量按比例增加，即单调递增，中途不卸载的加载方式，满足Ti =CT i 0 ；

4)标称应力：也称名义应力或条件应力，是在拉伸机上拉伸力与原始横断面积的比值；

5)真实应力：也就是瞬时的流动应力，用单向均匀拉伸(或压缩)是各加载瞬间的载荷 P与该瞬间试样的横截面积A之比来表示；

6)拉伸塑性失稳：拉伸过程中发生缩颈的现象 7)硬化材料:考虑在塑性变形过程中因形状变化而会发生加工硬化的材料；

8)理想弹塑性材料：在塑性变形时，需考虑塑性变形之前的弹性变形，而不考虑硬化的材料，也即材料进入塑性状态后，应力不在增加可连续产生塑性变形；

9)理性刚塑性材料：在研究塑性变形时，既不考虑弹性变形，又不考虑变形过程中的加工硬化的材料；

10)弹塑性硬化材料：在塑性变形时，既需要考虑塑性变形前的弹性变形，又要考虑加工硬化的材料；

11)刚塑性硬化材料：在研究塑性变形时，不考虑塑性变形前的弹性变形，但需要考虑变形过程中的加工硬化的材料。

29.塑性变形时应力应变关系有何特点？为什么说塑性变形时应力和应变之间的关系与加载历史有关？ 在塑性变形时，应力应变之间的关系有如下特点：

①应力与应变之间的关系时非线性的，因此，全量应变主轴与应力主轴不一定重合；

②塑性变形时可以认为体积不变，即应变球张量为零，泊松比 υ=0.5；

③对于应变硬化材料，卸载后在重新加载时的屈服应力就是卸载时的屈服应力，比初始屈服应力要高；

④塑性变形时不可逆的，与应变历史有关，即应力-应变关系不在保持单值关系。塑性变形应力和应变之间的关系与加载历史有关，可以通过单向拉伸时的应力应变曲线和不同加载路线的盈利与应变图来说明 P120 30.全量理论使用在什么场合？为什么？ 全量理论适用在简单加载的条件下，因为在简单加载下才有应力主轴的方向固定不变，也就是应变增量的主轴是和应力主轴是重合的，这种条件下对劳斯方程积分得到全量应变和应力之间的关系，就是全量理论。

31.在一般情况下对应变增量积分是否等于全量应变？为什么？在什么情况下这种积分才能成立？ 一般情况下是对应变增量积分是不等于全量应变的，因为一般情况下塑性变形时全量应变主轴与与应力主轴不一定重合。在满足简单加载的的条件下，这种积分才成立。一般情况下很难做到比例加载，但满足几个条件可实现比例加载。可参看第三章第五节中全量理论的部分内容。

1.对塑性成形件进行质量分析有何重要意义？ 对塑性成形件进行质量分析，是检验成形件的质量的一种手段，能够对成形件作出较为全面的评估，指明成形件能否使用和在使用过程中应该注意的问题，可有效防止不必要的安全事故和经济损失。

2.试述对塑性成形件进行质量分析的一般过程即分析方法。

一般过程：调查原始情况→弄清质量问题→试验研究分析→提出解决措施；

分析方法：低倍组织试验、金相试验及金属变形金属变形流动分析试验。

3.试分别从力学和组织方面分析塑性成形件中产生裂纹的原因。

①力学分析：能否产生裂纹，与应力状态、应变积累、应变速率及温度等很多因素有关。其中应力状态主要反映力学的条件。

物体在外力的作用下，其内部各点处于一定的应力状态，在不同的方位将作用有不同的正应力及切应力。材料断裂(产生裂纹)形式一般有两种：一是切断，断裂面是平行于最大切应力或最大切应变方向；

另一种是正断，断裂面垂直于最大正应力或正应变方向。塑性成形过程中，材料内部的应力除了由外力引起外，还有由于变形不均匀而引起的附加应力。由于温度不均而引起的温度应力和因组织转变不同时进行而产生的组织应力。这些应力超过极限值时都会使材料发生破坏(产生裂纹)。

1)由外力直接引起的裂纹；

2)由附加应力及残余应力引起的裂纹；

3)由温度应力(热应力)及组织应力引起的裂纹。

②组织分析：塑性成形中的裂纹一般发生在组织不均匀或带有某些缺陷的材料中，同时，金属的晶界往往是缺陷比较集中的地方，因此，塑性成形件中的裂纹一般产生于晶界或相界处。

1)材料中由冶金和组织缺陷处应力集中而产生裂纹；

2)第二相及夹杂物本身的强度低和塑性低而产生裂纹：a晶界为低熔点物质；

b晶界存在脆性的第二相或非金属夹杂物；

c第二相为强度低于基体的韧性相；

3)第二相及非金属夹杂与基体之间的力学性能和理化性能上有差异而产生裂纹。

4.防止产生裂纹的原则措施是什么？ 1)增加静水压力；

2)选择和控制合适的变形温度和变形速度；

3)采用中间退火，以便消除变形过程中产生的硬化、变形不均匀、残余应力等；

4)提高原材料的质量。

5.什么是钢的奥氏体本质晶粒度和钢的奥氏体实际晶粒度？ 钢的奥氏体本质晶粒度是将钢加热到 930℃，保温一段时间(一般 3—8h)，冷却后在室温下放大 100倍观察到的晶粒大小。钢的本事晶粒度一般反映钢的冶金质量，它表征钢的工艺特性；

钢的奥氏体实际晶粒度是指钢加热到某一温度下获得奥氏体晶粒大小。奥氏体实际晶粒度则影响零件的使用性能。

6.晶粒大小对材料的力学性能有何影响？ 一般情况下，晶粒细化可以提高金属材料的屈服强度、疲劳强度、塑性和冲击韧度，降低钢的脆性转变温度。

7.影响晶粒大小的主要因素有哪些？这些因素是如何影响晶粒大小的？ 对于热加工过程来说，变形温度、变形程度和机械阻碍物是影响形核速度和长大速度的三个基本参数。下面讨论这三个基本参数对晶粒大小的影响。

1)加热温度(包括塑性变形前的加热温度和固溶处理时的加热温度)温度对原子的扩散能力有重要影响。随着温度的升高，原子(特别是晶界原子)的移动、扩散能力不断增强，晶粒之间并吞速度加剧，晶粒的这种长大可以在很短的时间内完成。所以晶粒随温度升高而长大是一种必然现象。

2)变形程度：热变形的晶粒大小与变形程度之间的关系和 5-17相似。

第一个大晶粒区，叫临界变形区。临界变形区是属于一种小变形量范围。因为其变形量小，金属内部只是局部地区受到变形。在再结晶时，这些受到变形的局部地区会产生再结晶核心，由于产生的核心数目不多，这些为数不多的核心将不断长大直到它们互相接触，结果获得了粗大晶粒。当变形量大于临界变形程度时，金属内部均产生了较大的塑性变形，由于具有了较高的畸变能，因而再结晶能同时形成较多的再结晶核心，这些核心稍微长大就相互解除了，所以再结晶后获得了细晶粒。当变形量足够大时，出现了第二个大晶粒区。该区的粗大晶粒与临界变形时所产生的大晶粒不同。一般认为，该区是在变形时先形成变形织构，经再结晶后形成了织构大晶粒所致。可能的原因还可能是：

①由于变形程度大(90%以上)，内部产生很大的热效应，引起锻件实际变形温度大幅度升高；

②由于变形程度大，使那些沿晶界分布的杂质破碎并分散，造成变形的晶粒与晶粒之间局部地区直接接触(与织构的区别在于这时相互接触的晶粒位向差可以是比较大的)，从而促使形成大晶粒。

3)机械阻碍物:机械阻碍物的存在形式分两类：一类是钢在冶炼凝固时从液相直接析出的，颗粒比较大，成偏析或统计分布；

另一类是钢凝固后，在继续冷却过程中从奥氏体晶粒内析出的，颗粒十分细小，分布在晶界上。后一类比前一类的阻碍作用大得多。机械阻碍物的作用主要表现在对晶界的钉扎作用上。一旦机械阻碍物溶入晶内时，晶界上就不存在机械阻碍作用了，晶粒便可立即长大到与所处温度对应的晶粒大小。对晶粒的影响，除以上三个基本因素外，还有变形速度、原始晶粒度和化学成分等。

8.细化晶粒的主要途径有哪些？ ①在原材料冶炼时加入一些合金元素(如钽、铌、锆、钼、钨、钒、钛等)及最终采用铝、钛等作脱氧剂。它们的细化作用主要在于：当液态金属凝固时，那些高熔点化合物起弥散的结晶核心作用，从而保证获得极细晶粒。此外这些化合物同时又都起到机械阻碍的作用，是已形成的细晶粒不易长大。

②采用适当的变形程度和变形温度。塑性变形时应恰当控制最高变形温度(既要考虑加热温度，也要考虑到热效应引起的升温)，以免发生聚集再结晶。如果变形量较小时，应适当降低变形温度。

③采用锻后正火(或退火)等相变重结晶的方法。必要时利用奥氏体再结晶规律进行高温正火来细化晶粒。

11.什么是塑性失稳？拉伸失稳与压缩失稳有什么本质区别？ 塑性失稳：在塑性加工中，当材料所受载荷达到某一临界值后，即使载荷下降，塑性变形还会继续，这种现象称为塑性失稳。压缩失稳的主要影响因素是刚度参数，它在塑性成形中主要表现为坯料的弯曲和起皱，在弹性和塑性变形范围内都可能产生；

拉伸失稳的主要影响因素是强度参数，它主要表现为明显的非均匀伸长变形，在坯料上产生局部变薄或变细的现象，其进一步发展是坯料的拉断和破裂，它只产生于塑性变形范围内。

13.杆件的塑性压缩失稳与板料的塑性压缩失稳其表现形式有何不同？ 杆件的压缩失稳表现为弯曲；

板料的压缩失稳表现为起皱 14.塑性压缩失稳的临界压应力与那些因素有关？(P180-184)15.在板料拉深中，引起法兰变形区起皱的原因是什么？在生产实践中，如何防止法兰变形区的起皱？ 原因：压缩力引起的失稳起皱。成形过程中变形区坯料的径向拉应力ζ1和切向压应力ζ3 的平面应力状态下变形，当切向压应力ζ3 达到失稳临界值时，坯料将产生失稳起皱。

防止方法：加设压边圈 一、填空题 1.衡量金属或合金的塑性变形能力的数量指标有 伸长率 和 断面收缩率。

2.所谓金属的再结晶是指 冷变形金属加热到更高的温度后，在原来变形的金属中会重新形成新的无畸变的等轴晶，直至完全取代金属的冷变形组织 的过程。

3.金属热塑性变形机理主要有：

晶内滑移、晶内孪生、晶界滑移 和 扩散蠕变 等。

4.请将以下应力张量分解为应力球张量和应力偏张量 ＝ ＋ 5.对应变张量，请写出其八面体线变 与八面体切应变 的表达式。

＝ ；

＝。

6.1864 年法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）根据库伦在土力学中研究成果，并从他自已所做的金属挤压试验，提出材料的屈服与最大切应力有关，如果采用数学的方式，屈雷斯加屈服条件可表述为。

7.金属塑性成形过程中影响摩擦系数的因素有很多，归结起来主要有 金属的种类和化学成分、工具的表面状态、接触面上的单位压力、变形温度、变形速度 等几方面的因素。

8.变形体处于塑性平面应变状态时，在塑性流动平面上滑移线上任一点的切线方向即为该点的最大切应力方向。对于理想刚塑性材料处于平面应变状态下，塑性区内各点的应力状态不同其实质只是平均应力 不同，而各点处的 最大切应力 为材料常数。

9.在众多的静可容应力场和动可容速度场中，必然有一个应力场和与之对应的速度场，它们满足全部的静可容和动可容条件，此唯一的应力场和速度场，称之为 真实 应力场和 真实 速度场，由此导出的载荷，即为 真实 载荷，它是唯一的。

10.设平面三角形单元内部任意点的位移采用如下的线性多项式来表示：

，则单元内任一点外的应变可表示为 ＝。

11、金属塑性成形有如下特点：

、、、。

12、按照成形的特点，一般将塑性成形分为 和 两大类，按照成形时工件的温度还可以分为、和 三类。

13、金属的超塑性分为 和 两大类。

14、晶内变形的主要方式和单晶体一样分为 和。

其中 变形是主要的，而 变形是次要的，一般仅起调节作用。

15、冷变形金属加热到更高的温度后，在原来变形的金属中会重新形成新的无畸变的等轴晶，直至完全取代金属的冷变形组织，这个过程称为金属的。

16、常用的摩擦条件及其数学表达式。

17、研究塑性力学时，通常采用的基本假设有、、、体积力为零、初应力为零、。

19.塑性是指：

在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力。

20.金属单晶体变形的两种主要方式有：

滑移 和 孪生。

21．影响金属塑性的主要因素有：

化学成分、组织、变形温度、变形速度、应力状态。

22.等效应力表达式： 。

23.一点的代数值最大的 __ 主应力 __ 的指向称为 第一主方向，由 第一主方向顺时针转 所得滑移线即为 线。

24.平面变形问题中与变形平面垂直方向的应力 σ z =。

25．塑性成形中的三种摩擦状态分别是：

干摩擦、边界摩擦、流体摩擦。

26．对数应变的特点是具有真实性、可靠性和可加。

27．就大多数金属而言，其总的趋势是，随着温度的升高，塑性　提高。

28．钢冷挤压前，需要对坯料表面进行磷化皂化　润滑处理。

29．为了提高润滑剂的润滑、耐磨、防腐等性能常在润滑油中加入的少量活性物质的总称叫添加剂。

30．材料在一定的条件下，其拉伸变形的延伸率超过 １００％ 的现象叫超塑性。

31．韧性金属材料屈服时，密塞斯（Mises）准则较符合实际的。

32．硫元素的存在使得碳钢易于产生热脆。

33．塑性变形时不产生硬化的材料叫做理想塑性材料。

34．应力状态中的压　应力，能充分发挥材料的塑性。

35．平面应变时，其平均正应力sｍ　等于　中间主应力s２。

36．钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 降低。

37．材料经过连续两次拉伸变形，第一次的真实应变为e１＝０.1，第二次的真实应变为e２＝０.25，则总的真实应变e＝0.35。

38．塑性指标的常用测量方法 拉伸试验法与压缩试验法。

39．弹性变形机理 原子间距的变化；

塑性变形机理 位错运动为主。

二、下列各小题均有多个答案，选择最适合的一个填于横线上 1．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响A工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。

Ａ、大于；

Ｂ、等于；

Ｃ、小于；

2．塑性变形时不产生硬化的材料叫做　A。

Ａ、理想塑性材料；

Ｂ、理想弹性材料；

Ｃ、硬化材料；

3． 用近似平衡微分方程和近似塑性条件求解塑性成形问题的方法称为　B。

Ａ、解析法；

Ｂ、主应力法；

Ｃ、滑移线法；

4． 韧性金属材料屈服时，A准则较符合实际的。

Ａ、密席斯；

Ｂ、屈雷斯加；

Ｃ密席斯与屈雷斯加；

5．由于屈服原则的限制，物体在塑性变形时，总是要导致最大的 A 散逸，这叫最大散逸功原理。

Ａ、能量；

Ｂ、力；

Ｃ、应变；

6． 硫元素的存在使得碳钢易于产生　A。

Ａ、热脆性；

Ｂ、冷脆性；

Ｃ、兰脆性；

7． 应力状态中的B　应力，能充分发挥材料的塑性。

Ａ、拉应力；

Ｂ、压应力；

Ｃ、拉应力与压应力；

8．平面应变时，其平均正应力sｍB中间主应力s２。

Ａ、大于；

Ｂ、等于；

Ｃ、小于；

9． 钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 B。

Ａ、提高；

Ｂ、降低；

Ｃ、没有变化；

10．多晶体经过塑性变形后各晶粒沿变形方向显著伸长的现象称为　A。

Ａ、纤维组织；

Ｂ、变形织构；

Ｃ、流线；

三、判断题 1．按密塞斯屈服准则所得到的最大摩擦系数μ=0.5。

（×）2．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响小于工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。

（×）3．静水压力的增加，对提高材料的塑性没有影响。（×）4．在塑料变形时要产生硬化的材料叫理想刚塑性材料。

（×）5．塑性变形体内各点的最大剪应力的轨迹线叫滑移线。（√）6．塑性是材料所具有的一种本质属性。

（√）7．塑性就是柔软性。

（×）8．合金元素使钢的塑性增加，变形拉力下降。

（×）9．合金钢中的白点现象是由于夹杂引起的。

（×）10．结构超塑性的力学特性为，对于超塑性金属m =0.02-0.2。

（×）11．影响超塑性的主要因素是变形速度、变形温度和组织结构。

（√）12．屈雷斯加准则与密席斯准则在平面应变上，两个准则是一致的。

（×）13．变形速度对摩擦系数没有影响。

（×）14．静水压力的增加，有助于提高材料的塑性。（√）15．碳钢中冷脆性的产生主要是由于硫元素的存在所致。（×）16．如果已知位移分量，则按几何方程求得的应变分量自然满足协调方程；

若是按其它方法求得的应变分量，也自然满足协调方程，则不必校验其是否满足连续性条件。

（×）17．在塑料变形时金属材料塑性好，变形抗力就低，例如：不锈钢（×）四、简答题 1.纯剪切应力状态有何特点？ 答：纯剪切应力状态下物体只发生形状变化而不发生体积变化。

纯剪应力状态下单元体应力偏量的主方向与单元体应力张量的主方向一致，平均应力。

其第一应力不变量也为零。

3.塑性变形时应力应变关系的特点？ 答：在塑性变形时，应力与应变之间的关系有如下特点：

(1)应力与应变之间的关系是非线性的，因此，全量应变主轴与应力主轴不一定重合。

(2)塑性变形时，可以认为体积不变，即应变球张量为零，泊松比。

(3)对于应变硬化材料，卸载后再重新加载时的屈服应力就是报载时的屈服应力，比初始屈服应力要高。

(4)塑性变形是不可逆的，与应变历史有关，即应力－应变关系不再保持单值关系。

1．试简述提高金属塑性的主要途径。

答：可通过以下几个途径来提高金属塑性：

(1)提高材料的成分和组织的均匀性；

(2)合理选择变形温度和变形速度；

(3)选择三向受压较强的变形方式；

(4)减少变形的不均匀性。

2．请简述应变速率对金属塑性的影响机理。

答：应变速度通过以下几种方式对塑性发生影响：

(1)增加应变速率会使金属的真实应力升高，这是由于塑性变形的过程比较复杂，需要有一定的时间来进行。

(2)增加应变速率，由于没有足够的时间进行回复或再结晶，因而软化过程不充分而使金属的塑性降低。

(3)增加应变速率，会使温度效应增大和金属的温度升高，这有利于金属塑性的提高。

综上所述，应变速率的增加，既有使金属塑性降低的一面，又有使金属塑性增加的一面，这两方面因素综合作用的结果，最终决定了金属塑性的变化。

3．请简述弹性变形时应力-应变关系的特点。

答：弹性变形时应力-应变关系有如下特点：

(1)应力与应变完全成线性关系，即应力主轴与全量应变主轴重合。

(2)弹性变形是可逆的，与应变历史（加载过程）无关，即某瞬时的物体形状、尺寸只与该瞬时的外载有关，而与瞬时之前各瞬间的载荷情况无关。

(3)弹性变形时，应力球张量使物体产生体积的变化，泊松比。

三、计算题 1．对于直角坐标系 Oxyz 内，已知受力物体内一点的应力张量为，应力单位为 Mpa，(1)画出该点的应力单元体；

(2)求出该点的应力张量不变量、主应力及主方向、最大切应力、八面体应力、应力偏张量及应力球张量。

解：

(1)该点的应力单元体如下图所示(2)应力张量不变量如下 故得应力状态方程为 解之得该应力状态的三个主应力为（Mpa）设主方向为，则主应力与主方向满足如下方程 即，解之则得，解之则得，解之则得 最大剪应力为：

八面体正应力为：

Mpa 八面体切应力为：

应力偏张量为：，应力球张量为：

2．已知金属变形体内一点的应力张量为 Mpa，求：

(1)计算方向余弦为 l=1/2，m=1/2，n= 的斜截面上的正应力大小。

(2)应力偏张量和应力球张量；

(3)主应力和最大剪应力；

解：

(1)可首先求出方向余弦为（l,m,n）的斜截面上的应力（）进一步可求得斜截面上的正应力 ：

(2)该应力张量的静水应力 为 其应力偏张量 应力球张量(3)在主应力面上可达到如下应力平衡 其中 欲使上述方程有解，则 即 解之则得应力张量的三个主应力：

对应地，可得最大剪应力。

3．若变形体屈服时的应力状态为：-30 0 0 15 0 23 ´ ÷ ÷ ÷ ø ö ç ç ç è æ × × × = ij s MPa 试分别按Mises和Tresca塑性条件计算该材料的屈服应力及值，并分析差异大小。

解：，Tresca准则：

MPa 而＝＝1 Mises准则：

MPa 而＝＝1.07 或者：，4．某理想塑性材料，其屈服应力为100(单位：10MPa)，某点的应力状态为：

MPa 将其各应力分量画在如图所示的应力单元图中，并判断该点处于什么状态（弹性/塑性）？ 答：＝－300MPa ＝230MPa ＝150MPa ＝－30 MPa ====0 根据应力张量第一、第二、第三不变量公式：

＝++-＝＋＋ ＝ 将、、、、、、、、代入上式得：

＝8，＝804，＝－10080(单位：10MPa)将、、代入－－б－＝0，令>>解得：

=24 =14 =－30(单位：10MPa)根据Mises屈服准则：

等效应力 ＝ ＝49.76(单位：10MPa)(单位：10MPa)因此,该点处于弹性状态。

一、填空题 1.设平面三角形单元内部任意点的位移采用如下的线性多项式来表示：

，则单元内任一点外的应变可表示为 ＝。

2.塑性是指：

在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力。

3.金属单晶体变形的两种主要方式有：

滑移 和 孪生。

4.等效应力表达式：。

5.一点的代数值最大的 __ 主应力 __ 的指向称为 第一主方向，由 第一主方向顺时针转 所得滑移线即为 线。

6.平面变形问题中与变形平面垂直方向的应力 σ z =。

7．塑性成形中的三种摩擦状态分别是：

干摩擦、边界摩擦、流体摩擦。

8．对数应变的特点是具有真实性、可靠性和可加性。

9．就大多数金属而言，其总的趋势是，随着温度的升高，塑性　提高。

10．钢冷挤压前，需要对坯料表面进行磷化皂化　润滑处理。

11．为了提高润滑剂的润滑、耐磨、防腐等性能常在润滑油中加入的少量活性物质的总称叫添加剂。

12．材料在一定的条件下，其拉伸变形的延伸率超过 １００％ 的现象叫超塑性。

13．韧性金属材料屈服时，密席斯（Mises）准则较符合实际的。

14．硫元素的存在使得碳钢易于产生热脆。

15．塑性变形时不产生硬化的材料叫做理想塑性材料。

16．应力状态中的压　应力，能充分发挥材料的塑性。

17．平面应变时，其平均正应力sm 　等于　中间主应力s2。

18．钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 降低。

19．材料经过连续两次拉伸变形，第一次的真实应变为e1＝０.1，第二次的真实应变为e2＝０.25，则总的真实应变e＝0.35。

20．塑性指标的常用测量方法 拉伸试验法与压缩试验法。

21．弹性变形机理 原子间距的变化；

塑性变形机理 位错运动为主。

二、下列各小题均有多个答案，选择最适合的一个填于横线上 1．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响A工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。

Ａ、大于；

Ｂ、等于；

Ｃ、小于；

2．塑性变形时不产生硬化的材料叫做　A。

Ａ、理想塑性材料；

Ｂ、理想弹性材料；

Ｃ、硬化材料；

3． 用近似平衡微分方程和近似塑性条件求解塑性成形问题的方法称为　B。

Ａ、解析法；

Ｂ、主应力法；

Ｃ、滑移线法；

4． 韧性金属材料屈服时，A准则较符合实际的。

Ａ、密席斯；

Ｂ、屈雷斯加；

Ｃ密席斯与屈雷斯加；

5．由于屈服原则的限制，物体在塑性变形时，总是要导致最大的 A 散逸，这叫最大散逸功原理。

Ａ、能量；

Ｂ、力；

Ｃ、应变；

6． 硫元素的存在使得碳钢易于产生　A。

Ａ、热脆性；

Ｂ、冷脆性；

Ｃ、兰脆性；

7． 应力状态中的B　应力，能充分发挥材料的塑性。

Ａ、拉应力；

Ｂ、压应力；

Ｃ、拉应力与压应力；

8．平面应变时，其平均正应力sｍB中间主应力s２。

Ａ、大于；

Ｂ、等于；

Ｃ、小于；

9． 钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 B。

Ａ、提高；

Ｂ、降低；

Ｃ、没有变化；

10．多晶体经过塑性变形后各晶粒沿变形方向显著伸长的现象称为　A。

Ａ、纤维组织；

Ｂ、变形织构；

Ｃ、流线；

三、判断题 1．按密席斯屈服准则所得到的最大摩擦系数μ=0.5。

（×）2．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响小于工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。

（×）3．静水压力的增加，对提高材料的塑性没有影响。（×）4．在塑料变形时要产生硬化的材料叫理想刚塑性材料。

（×）5．塑性变形体内各点的最大剪应力的轨迹线叫滑移线。（√）6．塑性是材料所具有的一种本质属性。

（√）7．塑性就是柔软性。

（×）8．合金元素使钢的塑性增加，变形拉力下降。

（×）9．合金钢中的白点现象是由于夹杂引起的。

（×）10．结构超塑性的力学特性为，对于超塑性金属m =0.02-0.2。

（×）11．影响超塑性的主要因素是变形速度、变形温度和组织结构。

（√）12．屈雷斯加准则与密席斯准则在平面应变上，两个准则是一致的。

（×）13．变形速度对摩擦系数没有影响。

（×）14．静水压力的增加，有助于提高材料的塑性。（√）15．碳钢中冷脆性的产生主要是由于硫元素的存在所致。（×）16．如果已知位移分量，则按几何方程求得的应变分量自然满足协调方程；

若是按其它方法求得的应变分量，也自然满足协调方程，则不必校验其是否满足连续性条件。

（×）17．在塑料变形时金属材料塑性好，变形抗力就低，例如：不锈钢（×）四、名词解释 1．上限法的基本原理是什么？ 答：按运动学许可速度场来确定变形载荷的近似解，这一变形载荷它总是大于真实载荷，即高估的近似值，故称上限解。

2．在结构超塑性的力学特性中，m值的物理意义是什么？ 答：为应变速率敏感性系数，是表示超塑性特征的一个极重要的指标，当m值越大，塑性越好。

3．何谓冷变形、热变形和温变形？ 答：冷变形：在再结晶温度以下（通常是指室温）的变形。

热变形：在再结晶温度以上的变形。

温变形：在再结晶温度以下，高于室温的变形。

4．何谓最小阻力定律？ 答：变形过程中，物体质点将向着阻力最小的方向移动，即做最少的功，走最短的路。

5．何谓超塑性？ 答：延伸率超过100%的现象叫做超塑性。

五、简答题 1．请简述有限元法的思想。

答：有限元法的基本思想是：

(1)把变形体看成是有限数目单元体的集合，单元之间只在指定节点处铰接，再无任何关连，通过这些节点传递单元之间的相互作用。如此离散的变形体，即为实际变形体的计算模型；

(2)分片近似，即对每一个单元选择一个由相关节点量确定的函数来近似描述其场变量（如速度或位移）并依据一定的原理建立各物理量之间的关系式；

(3)将各个单元所建立的关系式加以集成，得到一个与有限个节点相关的总体方程。

解此总体方程，即可求得有限个节点的未知量（一般为速度或位移），进而求 得整个问题的近似解，如应力应变、应变速率等。

所以有限元法的实质，就是将具有无限个自由度的连续体，简化成只有有限个自由度的单元集合体，并用一个较简单问题的解去逼近复杂问题的解。

2.Levy-Mises 理论的基本假设是什么？ 答：

Levy-Mises 理论是建立在以下四个假设基础上的：

(1)材料是刚塑性材料，即弹性应变增量为零，塑性应变增量就是总的应变增量；

(2)材料符合 Mises 屈服准则，即 ；

(3)每一加载瞬时，应力主轴与应变增量主轴重合；

(4)塑性变形时体积不变，即，所以应变增量张量就是应变增量偏张量，即 3．在塑性加工中润滑的目的是什么？影响摩擦系数的主要因素有哪些？ 答：（1）润滑的目的是:减少工模具磨损；

延长工具使用寿命；

提高制品质量；

降低金属变形时的能耗。

（2）影响摩擦系数的主要因素：

答：1）金属种类和化学成分；

2）工具材料及其表面状态；

3）接触面上的单位压力；

4）变形温度；

5）变形速度；

6）润滑剂 4．简述在塑性加工中影响金属材料变形抗力的主要因素有哪些？ 答：（1）材料（化学成分、组织结构）；

（2）变形程度；

（3）变形温度；

（4）变形速度；

（5）应力状态；

（6）接触界面（接触摩擦）5．为什么说在速度间断面上只有切向速度间断，而法向速度必须连续？ 答：现设变形体被速度间断面SD分成①和②两个区域；

在微段dSD上的速度间断情况如下图所示。

根据塑性变形体积不变条件，以及变形体在变形时保持连续形，不发生重叠和开裂可知，垂直于dSD上的速度分量必须相等，即，而切向速度分量可以不等，造成①、②区的相对滑动。其速度间断值为 6．何谓屈服准则？常用屈服准则有哪两种？试比较它们的同异点？ 答：（1）屈服准则：只有当各应力分量之间符合一定的关系时，质点才进入塑性状态，这种关系就叫屈服准则。

（2）常用屈服准则：密席斯屈服准则与屈雷斯加屈服准则。

（3）同异点：在有两个主应力相等的应力状态下，两者是一致的。对于塑性金属材料，密席斯准则更接近于实验数据。在平面应变状态时，两个准则的差别最大为15.5% 7.简述塑性成形中对润滑剂的要求。

答：（1）润滑剂应有良好的耐压性能，在高压作用下，润滑膜仍能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态；

（2）润滑剂应有良好耐高温性能，在热加工时，润滑剂应不分解，不变质；

（3）润滑剂有冷却模具的作用；

（4）润滑剂不应对金属和模具有腐蚀作用；

（5）润滑剂应对人体无毒，不污染环境；

（6）润滑剂要求使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。

8．简述金属塑性加工的主要优点? 答：（1）结构致密，组织改善，性能提高。

（2）材料利用率高，流线分布合理。

（3）精度高，可以实现少无切削的要求。

（4）生产效率高。

六、计算题 1．圆板坯拉深为圆筒件如图1所示。

假设板厚为t , 圆板坯为理想刚塑性材料，材料的真实应力为S，不计接触面上的摩擦 ,且忽略凹模口处的弯曲效应 , 试用主应力法证明图示瞬间的拉深力为：

（a）拉深示意图（b）单元体 图1 板料的拉深 答：在工件的凸缘部分取一扇形基元体，如图所示。沿负的径向的静力平衡方程为：

展开并略去高阶微量，可得：

由于是拉应力，是压应力，故，得近似塑性条件为：

联解得：

式中的 2．如图2所示，设有一半无限体，侧面作用有均布压应力，试用主应力法求单位流动压力p。

图2 解：

取半无限体的半剖面，对图中基元板块（设其长为 l）列平衡方程：

（1）其中，设，为摩擦因子，为材料屈服时的最大切应力值，、均取绝对值。

由(1)式得：

（2）采用绝对值表达的简化屈服方程如下：

（3）从而（4）将（2）（3）（4）式联立求解，得：

（5）在边界上，由（3）式，知，代入（5）式得：

最后得：

（6）从而，单位流动压力：

（7）3．图3所示的圆柱体镦粗，其半径为re，高度为h，圆柱体受轴向压应力sZ，而镦粗变形接触表面上的摩擦力t＝０.２Ｓ（Ｓ为流动应力），sze为锻件外端（r=re）处的垂直应力。

（1）证明接触表面上的正应力为：

（2）并画出接触表面上的正应力分布；

（3）求接触表面上的单位流动压力ｐ，（4）假如re＝100MM，Ｈ＝150MM,Ｓ=500MPa，求开始变形时的总变形抗力Ｐ为多少吨？ 解：

（1）证明 该问题为平行砧板间的轴对称镦粗。设对基元板块列平衡方程得：

因为，并略去二次无穷小项，则上式化简成：

假定为均匀镦粗变形，故：

图3 最后得：

该式与精确平衡方程经简化后所得的近似平衡方程完全相同。

按密席斯屈服准则所写的近似塑性条件为：

联解后得：

当时，最后得：

（3）接触表面上的单位流动压力为：

=544MP（4）总变形抗力: =1708T 4．图4所示的一平冲头在外力作用下压入两边为斜面的刚塑性体中，接触表面上的摩擦力忽略不计，其接触面上的单位压力为q，自由表面AH、BE与X轴的夹角为，求：

（1）证明接触面上的单位应力q=K（2++2）；

（2）假定冲头的宽度为2b，求单位厚度的变形抗力P；

图4 解：

（1）证明 1）在AH边界上有：

故，屈服准则：

得：

2）在AO边界上：

根据变形情况：

按屈服准则：

沿族的一条滑移（OA1A2A3A4）为常数（2）单位厚度的变形抗力：

5．图5所示的一尖角为2j的冲头在外力作用下插入具有相同角度的缺口的刚塑性体中，接触表面上的摩擦力忽略不计，其接触面上的单位压力为p，自由表面ABC与X轴的夹角为d，求：

（1）证明接触面上的单位应力p=2K（1+j+d）；

（2）假定冲头的宽度为2b，求变形抗力P。

图5 答：

（1）证明 1）在AC边界上：

2）在AO边界上：

3）根据变形情况：

4）按屈服准则：

5）沿族的一条滑移（OFEB）为常数（2）设AO的长度为L，则变形抗力为：

6．模壁光滑平面正挤压的刚性块变形模型如图6所示，试计算其单位挤压力的上限解 P，设材料的最大切应力为常数K。

图6 解：首先，可根据动可容条件建立变形区的速端图，如图7所示：

图7 设冲头的下移速度为。由图7可求得各速度间断值如下：

;;由于冲头表面及模壁表面光滑，故变形体的上限功率仅为各速度间隔面上消耗的剪切功率，如下式所示：

又冲头的功率可表示为：

故得：

7．一理想刚塑性体在平砧头间镦粗到某一瞬间，条料的截面尺寸为 2a × 2a，长度为 L，较 2a 足够大，可以认为是平面变形。变形区由 A、B、C、D 四个刚性小块组成（如图8所示），此瞬间平砧头速度为 ú i =1（下砧板认为静止不动）。试画出速端图并用上限法求此条料的单位变形力 p。

图8 解：根据滑移线理论，可认为变形区由对角线分成的四个刚性三角形组成。刚性块 B、D 为死区，随压头以速度 u 相向运动；

刚性块 A、C 相对于 B、D有相对运动（速度间断），其数值、方向可由速端图（如图9所示）完全确定。

图9 u * oA = u * oB = u * oC = u * oD =u/sin θ = 根据能量守恒：

金属塑性成形 篇3

金属塑性成形是一个十分复杂的过程。从连续介质力学的观点来看, 塑性变形过程中既存在几何非线性 (应变与位移之间的非线性) , 也存在物理非线性 (应力与应变之间的非线性) , 加之初值条件的复杂性以及数学处理上的困难等, 导致人们长期以来只能通过采用简化、假设和利用实验、经验数据以及图解、模型等方法, 即回避上述难点才能对金属塑性成形过程予以分析。

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方法可以快速地获得较精确的解, 金属塑性成形过程分析不再困难。

1 有限元软件的引入

有限元模拟采用一组数学方程和定解条件将实际过程抽象成理论模型, 通过计算机求得该理论模型在不同条件下的数值解, 以此推测在相应条件下所发生的实际过程。在本门课程的教学过程中, 以DEFORM有限元软件为应用主体, 通过模拟使得复杂的金属塑性成形过程变得直观而又具体, 有助于学生对理论知识的理解和掌握。本门课程引入该软件具有以下优势。

(1) 直观性

DEFORM不仅能直观描述金属塑性成形过程如应力、应变、温度的分布状态及金属变形状态等, 其分析结果可以表现为仿真结果的等值线、云图等显示方式, 也可以表现为仿真过程显示, 即在计算机上对金属塑性成形过程进行实时跟踪描述, 并通过计算机图形系统演示整个成形过程, 从而揭示金属的流动规律、各种因素对变形行为的影响及成形过程中变形体和模具的各种力场的分布。

因此运用有限元软件分析金属塑性成形, 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、产品工艺制定及优化设计等提供了科学的依据。

(2) 应用广泛性

D E F O R M是一个面向工程、面向用户、与CAD软件无缝连接的商品化有限元分析软件, 是现代虚拟制造技术产品。

DEFORM软件可对在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析, 是一套基于工艺模拟系统的有限元模拟仿真分析软件, 专门设计用于各种金属成形工艺和热处理工艺进行模拟仿真分析, 是用于模拟分析金属材料体积成形如自由锻、模锻、挤压、拉拔、轧制、摆辗、辗锻 (辊锻) 等多种塑性成形工艺过程, 可用于模拟和分析冷、温、热塑性成形问题, 可模拟和分析多工序塑性成形问题, 可进行模具应力、弹性变形和破损分析, 可提供极有价值的工艺分析数据如材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。

因此, 可以满足本门课程的应用要求。

(3) 良好的人机交互界面

D E F O R M具有友好的用户图形界面, 操作简单方便, 采用CAD方式建模和可视化视窗系统, 有集成的金属合金材料库和多种成形设备模型, 具有良好的人机交互特性, 便于学生学习和使用。

2 DEFORM教学模式构建

本门课程采用理论实践一体化的教学方法, 由师生一同在机房进行边教、边学、边做的教学过程, 采取“讲授—协作学习—实践讨论—师生互动—有针对性的讲授”的方式, 即先由教师讲解学习重点和难点内容, 再由学生上机操作并相互讨论, 然后老师和学生之间对出现问题进行交流, 最后再针对学生在实际操作过程中出现最多的问题进行短时讲解。例如, 在教授DEFORM软件前处理的各个命令时, 教师先上机操作并讲解一部分命令的含义及操作原则, 然后让学生自己在计算机上操作这些命令, 并相互讨论, 期间教师对提出问题的学生进行讨论和指导, 并从中发现出现问题最多的操作命令, 当学生都练习完成后, 教师再针对出现问题最多的操作命令进行要点讲解。通过这种教学方式, 使教学内容和理论知识与实际操作结合起来, 将教学内容由静态变为动态, 由抽象变为具体, 整个教学过程生动直观, 既加深了学生对理论知识和操作技能的综合理解, 又通过上机完成仿真过程, 提高学生的动手能力和学习兴趣。

根据本门课程的特点, 在教学过程中引入案例分析法, 案例分析法是一种归纳启发式的教学方法。案例分析法以培养学生的分析能力、判断能力和解决问题的能力, 从而达到巩固理论知识和技能, 融会贯通的目的。根据教学目的的需要, 通过对典型案例的分析与讨论, 将各模块知识整合起来, 使学生对运用DEFORM软件进行金属塑性成形分析过程更为熟悉和理解, 并对典型案例的仿真分析结果进行研究和讨论, 进而深入了解金属塑性成形的过程、原理及影响其成形质量的各关键因素。例如, 对某个零件进行变形分析和热分析, 则需讨论整个仿真分析的步骤流程、有关参数的设置及相互影响关系、仿真分析的结果及满意度等。通过案例分析, 可使学生得到一个系统的练习, 将前期的操作练习整合在一起, 对使用有限元软件处理问题有一个更为直观具体的概念。

在学生掌握基本理论知识和基本操作技能的基础上, 在教师的指导下, 运用DEFORM软件独立完成与课程有关的实验或项目, 激发学生的学习热情, 培养学生分析问题和解决问题的实际能力。教师可根据具体的实验或项目, 引导学生查找和分析资料, 再进行具体的操作实施。通过该过程不仅让学生获得相关的理论知识、操作能力, 还让学生感受主动获得这些知识的过程, 主动分析、判断和解决问题的成就感。有利于培养学生从事科学研究工作的能力, 了解科学研究的方法, 以及了解模具加工的现状和最新的研究技术。

3 效果评价

通过教学实践证明, 该教学模式有助于学生直观、深入地了解金属塑性成形的原理和方法, 突出DEFORM软件的应用性和实践性, 提高了学生的学习积极性和动手能力, 调动了学生的创新能力, 使学生综合水平得到提高。

参考文献

[1]谢玉书.数控专业CAX软件教学模式探讨[J].职业教育研究.2010, 2:91-92

塑性成形新技术的发展趋势 篇4

班级：机制

学号：201120337 姓名：周祯

201120335

张涛

201120339

朱越

一、历史沿革

从人类社会的发展和历史进程的宏观来看，材料是人类赖以生存和发展的物质基础，也是社会现代化的物质基础和先导。而材料和材料技术的进步和发展，首先应归功于金属材料制备和成型加工技术的发展。人类从漫长的石器时代进化到青铜时代（有学者称之为“第一次材料技术革命”），首先得益于铜的熔炼以及铸造技术进步和发展，而由铜器时代进入到铁器时代，得益于铁的规模冶炼技术、锻造技术的进步和发展（所谓“第二次材料技术革命”）。直到16世纪中叶，冶金（金属材料的制备与成型加工）才由“技艺”逐渐发展成为“冶金学”，人类开始注重从“科学”的角度来研究金属材料的组成、制备与加工工艺、性能之间的关系，迎来了所谓的“第三次材料技术革命”——人类从较为单一的青铜、铸铁时代进入到合金化时代，催生了人类历史的第一次工业革命，推动了近代工业的快速发展。

进入20世纪以后，材料合成技术、符合技术的出现和发展，推动了现代工业的快速发展，而电子信息、航天航空等尖端技术的发展，反过来对高性能先进材料的研究开发提出了更高的要求，起到了强大的促进作用，促成了一系列新材料和新材料技术的出现和发展。

一般而言，材料需要经历制备、成型加工、零件或结构的后处理等工序才能进入实际应用，因此，材料制备与成型加工技术，与材料的成分和结构、材料的性质一起，构成了决定材料使用性能的最基本的三大要素。

先进工业国家对材料制备与成型加工技术的研究开发十分重视。美国制定了“为了工业材料发展计划”，其核心是开放先进的制备与成型加工技术，提高材料性能，降低生产成本，满足未来工业发展对材料的需求。德国开展的“21世纪新材料研究计划”将材料制备与成型加工技术列为六个重点内容之一。在欧盟的“第六框架”计划中，先进制备技术时新材料领域的研究重点之一。日本在20世纪90年代后期，先后实施了“超级金属”、“超钢铁”计划，重点是发展先进的制备加工技术，精确控制组织，大幅度提高材料的性能，达到减少材料用量、节省资源和能源的目的。

新材料的研究、开发与应用，综合反应了一个国家的科学技术与工业化水平，而先进制备与成型加工技术的发展，对于新材料的研制、应用和产业化具有决定性的作用。先进制备与成型加工技术的出现与应用，加上了新材料的研究开发、生产和应用进程，促成了诸如微电子和生物医用材料等新兴产业的形成，促进了现代航天航空，交通运输，能源环保等高技术产业的发展。

传统结构材料向高性能“，复合化，结构功能一体化发展，尤其需要先进制备与成型加工技术及装备，可使材料的生产过程更加高效，节能和洁净，从而提高传统材料 产业的国际竞争力。

另一方面，开展本科学领域色前沿和基础研究，并综合利用相关学科基础理论和科技发展成果，提供预备新材料的新原理新方法，也是材料科学与工程学科自身发展的需求。因此，材料先进制备与成型加工技术发展，对提高国家综合实力，突破先进工业国家的技术壁垒与封锁，保障国家安全，改善人民生活质量，以及促进材料科学与技术自身的进步与发展，具有十分重要的作用，也是国民经济和社会可持续发展的重大需求。

二、发展前景 1 精密化

目前，精密和超精密制造技术已经跨越了微米级技术，进入了亚微米和纳米技术领域。精密化已成为材料成形加工技术发展的重要特征，其表现为零件成形的尺寸精度正在从近净 成形（Near Net shape Forming）向净成形（Net shape Forming），即近无余量成形方向发展。

“毛坯”与“零件”的接近程度越来越大。当前精密成形技术已在较大程度上实现了近净成形。发展趋势是实现净成形加工，其工艺 要求材料成形向更轻、更薄、更强、更韧及成本低、周期短、质量高的方向发展。精密材料成形技术有多种形式的精铸、精锻、精 冲、冷温挤压、精密焊接与切割等。

优质化

净成形技术主要反映了成形加工保证尺寸及形状的精密程度，而反映成形加工优质程度的则是近无缺陷、零缺陷成形加工技术。成早期失效的临界缺陷的概念主要方法有：为了获得健全的铸件、锻件奠定基础，可以采用先进工艺、净化熔融的金属、增大合金组织的致密度等。采用模拟技术、优化工艺技术，实现一次成形及试模成功，保证工件质量。加强工艺过程监控及无损检测，及时发现超标零件。通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。

快速化

随着全球化市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一。制造业要满足日益变化的用户需求必须有较强的灵活性，以最快的速度提供高质量产品，亦即客户化小批 量快速交货的要求不断增加，为此需要材料成形加工技术的快速化。成形加工技术的快速化表现在各种新型高效成形的工艺不断涌现，新型铸造锻。压焊接方法 都从不同角度提高生产效率。快速原型制造技术，以离散堆积原理为基础和特征，源零件的电子模型。

模型按一定的方式离散成为可加工的离散面、离散线和离散点，而后采用多种手段将这些离散的面、线段和点堆积成零件的整体形状。由于工艺过程简单，故制造速度比传统方法快得多。到2000年，全世界已有6700多台不同类型的RP*装置在运行。快速原型和快速模具相结合。又提供了一条从模型直接制造模具的新方法。

RP正在向着各种制造工艺集成，形成快速制造系统的方向发展。计算机模拟仿真技术是信息技术综合应用发展的结果，应用数值模拟于铸造、锻压、焊接等工艺设计中，并与物理模拟和专家系统相结合，来确定工艺参数优化工艺方案预测加工过程中可以产生的缺陷及防止措施控制和保证加工工件的质量。

模拟仿真技术，它可以理论和实验做得更深刻、更全面、更细致可以进行一些理论和实验暂时还做不到的研究，大大缩短了制造周期，加快了制造进程。如铸造凝固过程的三维数值模拟 铸压过程微观组织的演化及本构关系模拟，焊接凝固裂纹的模拟仿真开裂机制的研究以及焊接氢致裂纹的模拟金属材料热处理加热冷却过程的模拟仿真及组织变形性能预测等。根据美国科学研究院测算，模拟仿真可提高产品质量5至15倍，降低人工成提高投入设备的利用率30%至50%，缩短产品设计和试制周期增加分析问题广度和深度的能力3至3.5倍等。

*RP系统的发展情况1998年，由美国3D系统公司推出专为机械零件设计而制作的RP技术棗Stereolithography(sl)技术。该处理工世是通过激光将液态UV感光聚脂凝固 一片片薄层，全球第一个商业化的RP系统桽LA?就是如今相当普遍的SLA?50机型的先驱。接下来是1991年，美国Helisys公司的LOM技术，美国Stratasys公司的FDM技术，美国Cubital公司的SGC技术。LOM技术通过计算机导向的激光烧结并剪切薄片材料，FDM技术将热熔塑料材料拉成丝状，并用它来一层一层产生模型，SCG技术也使用UV感光聚脂，通过玻璃盘上的静电滤色片作蔽光片，产生紫外光流，可以立即凝固所有的薄层。

1992年DTM公司的SLS技术推出。随后，1993年Soligen公司推出DSPC技术。SLS技术通过激光产生的热量熔化粉末材料。DSPC技术通过机械喷射装置在 粉末上沉积液体粘结剂，麻省理工学院发明该技术并注册专利，然后授权给Soligen公司。1994年Sanders公司推出MM技术。1995年，BMP技术公司推出BPM技术，两种技术都采用喷射头来沉积石蜡材料。

这些年，一些技术和公司出现后，又消失了。1990年Quadrax公司推出基于SL技术的Mark1000RP系统，1992年，3D系统公司通过专利战合并了Quadrax公司的技术。杜邦公司开发了基于SL技术的名叫SOMOS的技术，并向Teijin Seiki公司发放了在亚洲独家使用权用其技术的许可证，然后1995年杜邦公司又向Aaroflex公司发放了在北美和其它一些有选择的国家独家使用其技术的许可证。其它一些公司如Light Sculping公司，Sparx AB公司，Laser 3D公司都开发并介绍了各自的RP系统，但在RP行业中都有末产生任何商业方面的冲击。

日本的Kira公司和新加坡Kinergy公司的Paper Lamintian（切纸成形）系统和多达来自7家日本公司的基于SL技术的系统都进入了市场，CMET公司Denken公司和D桵EC公司的基于SL技术的RP系统代表着日本市场中RP设务的主流。德国的EOS公司和Fockele&schwarze公司也推出基于SL技术的系统。同时，EOS公司也提供一种基于激光烧结技术的系统以便和DTM公司在欧洲、日本竞争，所有这些国外的机器均末在美国销售。

复合化

激光、电子束、离子束、等离子体等多种新能源的列入，形成多种新型加工与改性技术。其中以各种形式的激光加工技术发展最为迅速。激光加工技术多种多样包括电子元件的精密微焊接、航天航空和汽车制造中的焊接、切割与成形等。有不同种类的激光表面改性处理方法 如热处理、表面修整、表面熔覆及合金化等，使用的激光器主要为大功率二氧化碳激光器，YAG激光器。近年来激光加工自由成形技术成为重要的研究动向。

随着金属间化合物材料、金属基复合材料多种新型功能材料超导材料等高新技术材料的应用，传统的加工方式或多或少地遇到了困难，与新的材料制备和合成技术相适应，新的加工方法成为材料加工研发的一个重要领域，一批新型复合工艺应运而生。

为超塑成形扩散连接技术材料电磁加工等此外复合化还表现在冷热加工之间加工过程、检测过程、物流过程、装配过程之间的界限趋向淡化、消失、而复合、集成于统一的制造系统之中。

绿色化

“绿色化”是指成形加工生产向清洁生产、无废弃物加工方向发展。清洁生产技术是协调工业发展与环境保护的矛盾、需求日益增加与有限资源的矛盾的一种新的生产方式，是21世纪制造业发展的重要特征。

集成化

生物科学、信息科学、纳米科学、制造科学和管理科学是21世纪的5个主流科学，与其相关的五大技术及其产业将改变世界，制造科学与其它科学交叉是其发展趋势。RP与生物科学交叉的生物制造、与信息科学交叉的远程制造、与纳米科学交叉的微机电系统等都为RP技术提供了发展空间。并行工程（CE）、虚拟技术（VT）、快速模具（RT）、反求工程（VR）、快速成型（RP）、网络（Internet、Intranet）相结合而组成的快速反应集成制造系统，将为RP的发展提供用力的技术支持。

三、最后总结

金属塑性成形 篇5

随着微机电系统 (MEMS)等技术的 蓬勃兴起和快速发展,微金属构件的需求日益增多,形成巨大的市场需求。但是,当微结构尺寸达到微米量级时,材料微塑性成形时通常表现出两种与尺度有关的效应[1,2]:一是晶粒尺度对材料性能影响的晶粒尺度效应(grainsizeeffects);二是特征尺度(长度、宽度、厚度、直径等描述材料外形的尺度参数)效应或试 样尺度效 应 (featuresizeeffectsorspecimensizeeffects)。这两种尺度效应都将导致微金属构件在微塑性成形中表现出显著的尺度依赖行为,而且随着特征尺寸的减小,呈现出一种“越小越强”的独特现象[3]。早在20世纪初,Cosserat等[4]提出了微极非线性弹性理论,但该理论在纯拉压荷载下作为正则化机制而引入的对偶应力将不起作用。20世纪80年代后期,随着微金属构件的应用,金属材料微塑性成形中新的科学问题的出现重新引起学者的广泛重视和研究。如Mindlin[5]将弹性体的应变能密度视为应变和它的第一、第二阶导数的函数,给出了一种更常用的仅 包含应变 和其一阶 导数的简 化理论;Fleek等[6]在细铜丝扭转实验中观测到微尺度下应变梯度的硬化;Stolken等[7]通过试验发现镍的量纲一弯曲硬化随着薄片厚度的减小而明显增大;Aifantis等[8,9]建立了应变 梯度塑性 理论,并解释了不常见微结构标准尺寸试件、普通微结构小尺寸试件在扭转和弯曲中的微尺度效应;Lam等[10]研究了微悬臂梁的弯曲问题,发现微梁的量纲一刚度与梁厚二次方成反比关系。国内的一些学者也开展了相关的研究,如黄克智等[11]综合了偶应力和应变梯度塑性理论并对其进行了介绍;李河宗等[12]对不同厚度及粗细两种晶粒尺寸的黄铜箔试样进行了单向拉伸和微弯曲实验研究;聂志峰等[13]进行了应变梯度弹性理论下微构件尺寸效应的数值研究;周丽等[14]运用应变梯度塑性理论模拟颗粒增强铝合金强度及延伸率的尺寸效应。这些研究主要从微尺度下的应变梯度塑性理论、一些特殊微结构件的微尺度效应等方面进行研究,对进一步研究微尺度效应具有很好的借鉴意义。T2紫铜电极无方向性,导电性能极佳,加工性、延展性、防蚀性及耐候性良好,在电子行业应用极为广泛,但鲜有研究人员对T2紫铜微成形中微尺度效应开展研究。本文主要研究T2紫铜的单向拉伸、硬度和微弯曲性能特点,并对试验中表现出的尺寸效应现象进行分析与讨论。

1试验设计

1.1试验材料

试验材料为T2紫铜,厚度分别为:30、60、90、120、150μm,其化学成分见表1,力学性能见表2。

%

材料的退火处理方式如下:加热温度分别为400℃和620℃,保温时间为1.2h,冷却速度为0.5℃/s。通过退火处理,可消除材料轧制织构对试验的影响,细化晶粒,获得试验所需的粗晶和细晶晶粒尺 寸的试样。 晶粒大小 采用ASTME112-96(2004)平均晶粒度测定方法(GB/T6394?2002)获得。

1.2试验方法与设备

1.2.1单向拉伸试验

单轴微拉伸试验系统设计如下:在美国伊利诺斯州立大学Saif教授设计的薄膜材料力学性能测试系统基础上,根据材料和测试要求,设计适用于本课题要求的单轴微拉伸系统,整个微拉伸测量系统主要由三维可调平台、力传感器、位移传感器、力传感器、驱动装置、图像采集、机械框架和夹具等部分组成。单向微拉伸试验微试件的几何尺寸如图1所示。试件在激光切割机上切出。拉伸试验时,由双视场显微镜与CCD数码视频相机对拉伸过程进行全程的跟踪拍照记录,检测试样拉伸时标距长度的变化情况,然后通过计算机处理得到应变 数据,绘制材料 单向拉伸 应力应变曲线。

1.2.2微弯曲试验

微弯曲试验如图2所示。微弯曲试验相关参数设定如下:h为板材厚度,C为弯曲凸凹模之间的间隙(弯曲间隙),Rp为凸模圆角半径,Rd为弯曲凹模圆角半径,u为凸模运动速度。试验时由CCD数码视频相机对微弯曲过程进行全程的跟踪拍照记录,得到微弯曲过程关键位置弯曲情况,弯曲角度通过冲头行程控制;在计算机上采用边缘检测算法即时对拍摄的图片进行图像处理,得到相应的弯曲及回弹后的角度,通过数据处理得到弯曲回弹角。为了保证试验的普遍性,重复上述试验8次,然后取回弹角的平均值。

1.2.3微硬度试验

图3为微硬度试验示意图。在微硬度实验机上检测弯曲圆弧变形区域侧面硬度的变化情况,获得压痕点的硬度,以研究变形区的硬度变化情况。图中的楔形压头角度β=140.6°,20s内加载100mN,保压时间为5s,h为板材厚度,δ为压痕深度,Ac为真实接触长度,P为压头所受的支反力之和,即压痕力。微压痕真实硬度Hc定义为平均接触压力,即Hc=P/Ac。

2结果与讨论

2.1特征尺度对拉伸的影响

图4a为平均晶粒尺寸D为20μm的细晶,厚度h为30~150μm的T2紫铜板微拉伸时应力-应变曲线。从图中可以看出,厚度为30μm板材的拉伸强度比厚度为150μm的板材拉伸强度提高了28%,即随着板材厚度的减小,量纲一弯曲刚度随之增大,且屈服应力比试样厚度减小得快,呈现出“越小越强”的特征。当材料外观特征尺寸L(如构件几何尺寸、变形场尺寸等)远大于材料内禀特征常数l(如金属材料晶粒尺寸、颗粒夹杂大小、位错胞尺寸、多孔介质空洞直径、复合材料增强相直径等)时,应变梯度对材料塑性硬化的影响可以忽略,但材料微塑性成形时,微构件的外观特征长度L接近甚至小于材料内禀特征常数l,组成材料的粒子的个体行为就会变得非常显著。试验也表明,试样尺寸越小,非均匀变形就越明显,额外的强化也就越显著。材料的微观界面周围的变形场是非均匀的,当材料非均匀变形的“特征波长”和材料内禀特征长度在同一量级时,几何必须位错(GND),形成额外强化,强度增大,说明拉伸强度与单个晶粒的晶粒位向、晶粒大小、材料厚度方向的晶粒个数以及边界约束条件等相关,其中最关键的是晶粒位向,应用应变梯度理论可以很好地捕捉材料局部非均匀性对材料力学行为的附加影响,此时微尺度下等效塑性应变可由下式确定[15]:

式中,εe为等效Cauchy应变,反映了统计存储位错对材料硬化的影响;xe为等效曲率,反映了几何必须位错对材料硬化的影响。

图4b为板厚h为150μm、平均晶粒尺寸为50μm细晶和120μm粗晶微拉伸时应力应变曲线。从图中可以看出,同一厚度板材,晶粒较小时,材料的延伸率 较大,平均晶粒 尺寸为50μm的细晶,其拉伸强 度比平均 晶粒尺寸为120μm的粗晶提高了33%。由于在微尺度条件下的微塑性变 形,不但有统 计存储位 错 (SSD),同时由于晶体网格的相容性,还会产生附加的几何必须位错 (GND)。而几何必须位错一般为周期性规则排列,且符号一致,故对滑移产生强烈的阻碍作用,产生局部非均匀塑性变形和大的应变梯度,使材料硬化增强。同时,晶粒越细,晶界上产生的几何必须位错密度越大,应变梯度就越大,这样就增大了塑性滑移阻力,使硬化效应强。

2.2特征尺度对硬度的影响

图5所示为板厚 为150μm、晶粒平均 尺寸为50μm时特征尺寸效应对硬度的影响。图5a为不同压入深度与压痕力关系曲线。从图中可以看出,在相同的压入深度下,压痕力随着内禀尺度增大而增大。图5b为不同压入深度与压痕硬度关系曲线。从图中可以看出,不同的压入深度,压痕硬度是不同的,当压痕深度 (δ)与板材厚度(h)比值小于等于0.2时,压入深度增大,压痕硬度变小,呈现“越大越软”现象;当压痕深度δ与板材厚度h的比值大于0.2时,压入深度增大,压痕硬度增大,呈现“越大越硬”现象。事实上,塑性硬化不仅同应变和旋转梯度有关,还同拉伸梯度相关,其等效塑性应变满足以下关系[16]:

式中,C1、C2、C3为本构参数;l1、l2、l3为3个材料内禀特征长度,其中l1同拉伸梯度相关,l2和l3同旋转梯度相关;εij为Cauchy应变;ε′ij为εij的偏量部分;kijk为应变梯度;k′ijk为kijk的偏量部分。

与宏观构件相比,微构件在材料表面的晶粒个数占总晶粒个数的百分比很高(如细晶),材料表面的晶粒受周围晶粒的约束作用小,因此,当压入深度较小时,晶粒容易产生滑移,从而使流动应力减小,强度降低,产生“越大越软”的尺度效应现象。随着压入深度的增大,板材厚度方向的晶粒已减少至1~2个晶粒,晶粒位向一致的可能性增大,产生附加的几何必须位错,硬化作用增强,产生“越大越硬”的尺度效应现象。这样的硬度变化规律也被Saha等[17]和Liu等[18]通过试验和数据预测所证实。

2.3特征尺度对回弹的影响

图6为不同厚度下回弹角的试验值与理论预测对比图,其中s0为传统理论计算值,s1为应变梯度理论计算值,s2为试验结果值。从图中可以看出,试样实测的回弹角基本上随板料厚度的减小而增大, 特别是当 材料厚度 小于一定值(0.06mm)时,回弹角随板料厚度的变化更为剧烈,这种变化来自于微塑性成形中材料的应变梯度硬化效应,说明在微塑性成形中不仅存在微尺度效应现象,而且应变梯度在微弯曲过程中起着相当重要的硬化作用。

s0 曲线为应用传统弯曲理论预测得到的弯曲回弹角变化曲线,可以看出,曲线基本呈水平状,除随屈服强度的变化有微小的波动外,回弹角基本不随材料厚度的变化而变化,这与试验结果存在明显差异,说明在微塑性成形中传统弯曲理论并不适用。s1 曲线为应用应变梯度理论预测得到的弯曲回弹角变化曲线,此时,回弹角随材料厚度变化曲线与试验结果较接近,当材料厚度小于一定值(0.06mm)后,两者变化基本一致,说明微塑性成形中应用应变梯度塑性理论能够较为准确地反映材料弯曲过程中出现的应变梯度硬化效应,较为准确地预测材料弯曲回弹现象,得到更为合理的结果。

3结论

(1)T2紫铜微拉伸时,厚度为30μm的板材其拉伸强度比 厚度为150μm的板材提 高了28%;平均晶粒尺寸D为50μm的细晶,其拉伸强度比平均晶粒尺寸D为120μm的粗晶提高了33%。即微构件的外观特征长度L小于等于材料内禀特征常数l时,GND形成额外强化,强度增大,拉伸时呈现出“越小越强”的特征。

(2)当T2紫铜的压痕深度δ与板材厚度h的比值小于等于0.2时,随着压入深度增大,压痕硬度变小,呈现“越大越软”现象;当比值小于0.2时,随着压入深度增大,压痕硬度增大,呈现“越大越硬”现象。

花键轴塑性成形工艺专利技术综述 篇6

花键轴是机械传动系统中用来传递轴与轴之间扭矩的零件, 被广泛应用于机械行业。当前, 成形花键轴的工艺主要有两种, 分别为传统的切削加工和塑性成形加工, 塑性成形加工属于无切屑加工, 因为具有产品性能好、材料利用率高等诸多优点而逐渐成为生产花键轴的主流工艺。

2 花键轴的塑性成形

塑性成形加工花键轴, 即利用在常温下, 金属具有一定塑性的特点, 并在模具的作用下, 使工件产生一定的塑性变形而形成花键轴。花键轴的塑性成形工艺主要包括挤压和滚轧等工艺。

2.1 花键轴的挤压成形工艺

挤压成形花键轴的原理:工件在压力机中冲头下压的压力下, 以一定速度V通过内花键模具, 该模具型腔具有与花键轴相同的参数, 继而发生塑性变形挤压出花键轴。在CNABS数据库中, 可检索到该数据库中相对较早的通过挤压模具挤压成形花键轴工艺的专利, 其通过对坯料进行各种挤压前处理之后, 利用中心锥角小于40度的型腔, 并在入口处设置一个专用凹模, 该凹模带有一定角度的导流分流口, 从而一次复合挤压成形, 即外径尺寸小于花键轴外径尺寸的坯料, 采用正向挤压朝前, 产生镦粗变形的部分材料经导流分流口流入凹模腔, 进行正向、径向的复合挤压成形花键轴[1]。

随着技术的发展, 传统花键轴的材料40Cr、35Cr Mo钢已被具有更高机械性能的42Cr Mo钢所取代, 因而造成花键轴在常温下的冷挤压成形载荷大, 金属材料的流动能力差, 花键轴的齿形角填充质量差等问题, 为了克服上述问题, 花键轴的挤压成形逐渐又冷挤压转为热挤压, 发明名称为“一种中高频感应加热与振动复合挤压花键轴的装置及工艺”, 在花键轴进行挤压成形之前, 先通过中高频感应加热器对坯料上花键齿形段表面金属进行快速加热至预设温度, 在坯料送往挤压模具时, 同时通过振动器对坯料施加轴向振动, 坯料通过挤压模具的作用即可获得热挤压成形的花键轴[2]。

2.2 花键轴的滚轧成形工艺

花键轴的滚轧成形通常也称之为滚压成形, 根据专利检索的结果, 可以分为以下几种:

第1种为采用滚轮滚挤花键轴, 利用一组具有与花键轴齿形相同的截面形状的滚轮, 在压力P的作用下与工件发生相对滚动, 逐步压入工件的表层金属材料, 使得工件发生塑性变形从而滚轧出花键轴。名称为“花键轴滚压装置”的实用新型专利, 就是将一组与所需加工的花键轴的键数相同的滚压轮均匀分布排列并安装在嵌轮板上;滚压轮的横截面的外沿线与所需加工的花键轴的横截面的外沿等分线相吻合, 在嵌轮板的中心形成一个与所需加工花键轴截面大小、形状相应的成形通道, 在外力的作用下, 使其通过由滚压轮所围成的成形通道后, 生产出所需要的花键轴[3]。

第2种是采用齿条模具滚轧花键轴, 通过上、下对称的两个齿条模具以速度V绕工件轴线做相对平行的交错运动, 在摩擦力的作用下, 两个齿条模具带动工件滚动, 上、下齿条模具逐渐压入工件的表面金属, 使得工件发生塑性变形从而形成花键轴。名称为“搓齿板”的实用新型就是利用一对搓齿板对工件进行的滚轧成形, 采用的是具有预成型齿、成型齿和退出齿三个齿形段的搓齿板, 被搓工件搁置在上、下搓齿板中间, 在搓齿的过程中, 上、下搓齿板相向而行, 中间被搓的工件随之转动, 从而成形花键轴, 该成形工艺可提高花键轴的成形效率, 且能保证成形精度[4]。

3 花键轴成形工艺的专利分析

从花键轴成形工艺的专利申请量着手进行专利定量分析, 主要在CNABS数据库中, 针对检索了分类号为金属挤压B21C23/+, B21C25/+以及轧制齿轮B21H5/+下的有关花键轴成形工艺的专利, 截止到2014年4月30日, CNABS数据库中的专利总量为:578篇, 基于以上数据对该技术领域进行总体统计和分析。

由图1可以看出, 花键轴成形领域的中国专利申请大体经历了以下三个阶段:

(1) 缓慢发展阶段 (1987-1995) 。1995年之前国内申请量很少, 总数不达30件, 发展缓慢, 在此期间检索到国内花键轴成形的专利申请最早出现在1987年;

(2) 快速发展阶段 (1996-2005) 。1995年之后相比1995年之前有一定的发展, 专利申请总量突破了100件, 1996-2005年的这十年属于一个快速增长时期;

(3) 迅猛发展阶段 (2006-2014) 。2006年至今, 花键轴成形的专利申请量占其总申请量的80%以上, 进入了迅猛发展时期。

4 总结

通过对花键轴成形领域的相关专利信息分析, 可以快速理解该领域内有关花键轴成形发明的基本构思, 准确获得技术方案的关键点, 并利用“发明关键点”和“时间节点”等要素有效筛选和定位对比文件, 大幅减少检索时间, 有效提高审查效率。

摘要：主要介绍了花键轴的塑性成形工艺, 并从专利的角度, 梳理了花键轴塑性成形工艺专利技术发展趋势, 并对该技术领域专利申请趋势进行了简要的统计和分析。

关键词：花键轴,塑性成形,专利

参考文献

[1]张俊清.采用中碳钢冷挤压成形加工花键轴的工艺方法[P].中国专利:CN1507963A’2004-06-30.

[2]西安交通大学.一种中高频感应加热与振动复合挤压花键轴的装置及工艺[P].中国专利:CN103028624A’2013-04-10.

[3]刘总路.花键轴滚压装置[P].中国专利:CN2590683Y’2003-12-10.

金属塑性成形 篇7

随着现代工业的快速发展,微型化制造技术得到了迅速发展,进而对加工材料、加工工艺和加工设备等提出了新的要求。相对于常规尺度,材料在一个或多个尺度处于毫米或以下级别时,其力学性能表现出一定的尺寸效应[1],随着尺度的减小,这种尺寸效应愈加明显。

目前,针对板料微塑性变形过程的研究越来越多,而且逐渐深入。Geiger等[1]研究发现材料在微塑性变形过程中表现出“越小越弱”的尺寸效应现象,并建立了表面层模型[2,3]对此现象进行了合理的解释。Eckstein等[4]在研究薄板弯曲时发现其表现出另一种相反的“越小越强”的尺寸效应现象,Fleck等[5]提出的仅包含扭转应变梯度的偶应力(CS)理论和包含拉伸应变梯度的SG理论[6],Cao等[7,8]提出的具有微观物理机制的Nix-Gao应变梯度强化模型,都针对此现象进行了解释。针对覆有钝化膜的纯铜在平面应变胀形中表现出来的尺寸效应,Xiang等[9]利用应变梯度理论对其进行了有效分析。但现有文献中针对工业中常用的304不锈钢尺寸效应进行的研究还较少。

本文针对304不锈钢薄板,进行了晶粒测量、单向拉伸试验和弯曲试验,并对试验中表现出的尺寸效应进行了理论分析。

1 试验

试验中使用的材料是厚度t分别为200μm、100μm、50μm、20μm和10μm的304不锈钢板。采用线切割的方法切割出晶粒尺寸测量、单向拉伸和微弯曲试验所需试样,采用以氨解气体为保护气体,加热到1050℃保温5min后随加热装置冷却的热处理方式,得到一定晶粒大小的板料试样。

1.1 单向拉伸试验

对不同规格板料进行金相观察,采用ASTME112-96(2004)平均晶粒尺寸测量方法测得平均晶粒尺寸d。但在测量过程中由于薄板厚度方向只有少数晶粒,只能从板料长度方向进行测量。厚度为100μm的板料的金相图片见图1,性能参数测量结果见表1。在CMT4000系列电子万能试验机上对不同厚度的标准拉伸试样进行拉伸试验,其中标距为25mm,宽度为6mm。试验过程中,利用试验机自带夹头夹紧试样,同时拉伸速度v按板料厚度等比例变化,见表1,同种厚度材料拉伸试验重复次数不少于3次。试验得到了板料的力-位移曲线,对试验数据进行真实应力真实-应变曲线的转换,然后对3次重复试验数据取平均值,所得真实应力-应变曲线如图2所示。从图2和表1可见,板料的初始屈服应力试验值随厚度减小而增大,即表现出“越薄越强”的尺寸效应现象。

注:表1中t为板料厚度,d为晶粒大小,nG为相对厚度,σs0为屈服应力,Ep为塑性模量,v为拉伸速度或弯曲冲头下行速度,Rd为凹模圆角半径,C为弯曲凸、凹模间隙,l为内禀尺寸。

1.2 薄板微弯曲试验

在CMT4000系列电子万能试验机上利用自制弯曲模具,分别对不同规格薄板进行微弯曲试验。弯曲几何模型见图3,当凹模静止,凸模匀速下行时,可实现板料的弯曲变形。试验的试样长度为20mm,宽度为5mm,其中有效弯曲部位长度为5mm。同一规格试验中凸凹模圆角半径取相同值,圆角半径Rd按板料厚度等比例变化,如表1所示;凸模下行速度v与拉伸速度保持一致;为防止板料在弯曲时被挤压,凸凹模间隙设置为C=1.2t,而限于试验条件,较薄板间隙较大,参见表1;弯曲过程中所有板料弯曲角θ均为90°。弯曲试验后,用染料将回弹后试样的侧面均匀压印到白纸上,然后将包含回弹角大小的纸扫描成电子文档,使用计算机相关软件对图片中的回弹角角度进行测量,可计算出回弹角。每种规格试验重复3次以上,且对所有测量得到的回弹角进行线性平均。

2 单向拉伸应力-应变曲线的分析

2.1 拉伸屈服应力理论分析

根据图2中拉伸试验的真实应力-应变曲线形状,选取线性强化模型进行拟合:

式中,σ和ε为真实应力和真实应变;σs0为初始屈服应力;Ep为塑性模量,其值见表1。

常规尺度下304不锈钢屈服应力与晶粒大小的关系满足如下Hall-Petch公式:

式中,σ0为单晶的屈服应力;k为反映晶界对变形影响的系数;m为反映晶粒大小对变形影响的指数。

对于不锈钢材料,材料表面会出现钝化膜[10]。由于单向拉伸变形的微观机制是位错的滑移,而钝化膜覆盖在表层晶粒之上,且钝化膜的强度高于基体材料,在拉伸过程中,由于位错的滑移受到限制,所以使得板料得到强化,这种现象类似于晶界对晶粒的强化效果。钝化膜直接强化板料的表层晶粒,对强化的相对影响随板厚的减小而增大,Denis等[11]通过在式(2)中引入与厚度t相关的项来反映这种强化:

式中,h为厚度对变形的影响系数;n为厚度对变形的影响指数。

同种厚度板料,厚向晶粒数不同会导致表层晶粒占板料体积的比例不同,从而钝化膜强化效果不一致;同时,当晶粒大小不变,板料减薄到一定程度,所有的晶粒都成为表层晶粒时,板料继续减薄时钝化膜强化作用增加减缓。但上述公式并未体现上述分析的现象,所以有必要对其进行适当修正。本文用相对厚度nG=t/d(即相对于晶粒尺寸的厚度值)替换式(3)中的t,以考虑表层晶粒所占的比例的影响,将式(3)修正如下:

式中,p为相对厚度对变形的影响系数。

对于304不锈钢,σ0=147.09MPa[12];k=775.51MPa·(μm)0.5[12];m=0.5[9];n=0.5[9];由于厚度方向至少有一个晶粒,所以当计算的t/d小于1时,取nG为1.0,如表1所示。

2.2 单向拉伸试验结果分析

将板料厚度为50μm时的σs0和d代入式(3)和式(4),可以计算出两式中的h和p分别为1100MPa·(μm)0.5和183MPa。分别将式(2)、式(3)和式(4)称为经典公式、含厚度项公式和修正Hall-Petch公式,用这些公式计算出板料厚度与初始屈服应力的关系,并与表1所列试验值进行比较,结果如图4所示。由图4可知,利用经典公式计算的屈服应力值与试验结果有较大的误差,且误差随板料的减薄而逐渐增大。利用含厚度项公式计算的屈服应力值,随着板料的减薄而增大,与试验曲线的趋势一致,这说明用钝化膜的强化效果来解释材料“越薄越强”是比较合理的,但在板料厚度薄到一定程度时,计算结果与试验结果存在较大偏差。利用修正Hall-Petch公式计算得到的试验曲线,在厚度较大时,结果与含厚度项公式预测结果基本一致,且在板料减薄后计算结果明显好于参考公式的计算结果,这说明使用板厚来表征钝化膜的影响在板料减薄后并不适用,而用相对厚度来表征这种强化效果更适合。

3 弯曲回弹角的分析

3.1 弯曲回弹角理论分析

弯曲几何模型如图3所示,设板料与凹模接触的弯曲变形区为全塑性变形。考虑弯曲变形中的应变梯度强化效应,采用修正的Nix-Gao应变梯度强化模型,可以得出全塑性弯矩M[13?14]:

式中,w为板料宽度;кn为凹模圆角部位曲率;b为柏氏矢量,304不锈钢柏氏矢量为2.58×10-10m[15];G为剪切模量,G=89GPa[15];α为0.2~0.5的经验系数。

回弹角可以根据全塑性弯矩计算得到[13]。但由于本试验中弯曲变形区以外受模具作用的毛坯较长,它与模具的接触点会发生移动。为简便计算,计算回弹角时,忽略弹性变形弯矩部分对回弹角的影响,仅考虑弯曲变形区的回弹,有

式中,θ′为回弹角;为板料与凹模在圆角半径接触处板料中性层的弧长;E为弹性模量,304不锈钢弹性模量为193GPa[15];泊松比υ=0.29[15];I为截面的惯性矩。

3.2 弯曲过程结果分析

根据式(5)和式(6)可以计算出回弹角,通过拟合理论计算曲线和试验曲线,将内禀尺寸计算式中的系数α取为0.42较合适,对应内禀尺寸l的数值如表1所列。于是,根据修正的Nix-Gao模型计算得到回弹角与板厚的关系,其中若取l=0则该公式退化为传统塑性理论计算公式,将计算结果与试验结果进行比较,如图5所示。

弯曲回弹后的试样照片见图6。由图5和图6可知,试验测得的弯曲角随板料的减薄而逐渐增大,在板料减薄到50μm后迅速增大,即表现出“越薄越强”现象。传统理论计算的回弹角大小随板料的减薄而缓慢增大,其原因在于屈服应力随板厚减小略有增加,但与试验值的偏差随板料的减薄而增大,无法预测板料减薄到50μm后回弹角的迅速增加现象。修正Nix-Gao模型的回弹角计算值不仅反映了屈服应力随板厚减小而略有增加的现象,也反映了应变梯度硬化程度随板厚减小而迅速增加的现象,整个厚度变化范围内与试验值的偏差均不大,这表明在微弯曲过程中应变梯度对回弹角的影响非常明显,不能忽略。

4 结论

304不锈钢薄板在单向拉伸试验中,表现出“越薄越强”的尺寸效应现象,即屈服应力随板料厚度的减小而增大。经典Hall-Petch公式已经不能准确描述这种现象,在Hall-Petch公式中引入板厚的影响项描述这种尺寸效应,但当板厚较薄时误差较大;本文用相对厚度取代板厚建立的修正Hall-Petch公式,更加合理地描述了这种尺寸效应现象。

304不锈钢薄板在微弯曲试验中,表现出“越薄越强”的尺寸效应现象,即回弹角随板料的减薄而增大。传统塑性理论无法描述这种尺寸效应现象,本文采用考虑应变梯度强化的修正的NixGao模型较为准确地描述了这种尺寸效应现象。

金属塑性成形 篇8

关键词：超塑性,超塑成形,扩散连接,超塑成形/扩散连接

0 引言

早在1920年,Rosenhain等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时可以弯曲近180°而不出现裂纹,与普通晶体材料大不相同。1934年英国的Pearson发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%的延伸率。但是由于第二次世界大战,这方面的研究没有进行下去。1945年前苏联的Bochvar等发现Zn-Al共析合金具有异常高的延伸率并提出“超塑性”这一名词。1964年美国的Backofen提出了应变速率敏感性指数m值,为超塑性研究奠定了基础。20世纪60年代后期及70年代,世界上形成了超塑性研究的高潮。近几十年来金属超塑性已在工业生产领域中获得了较为广泛的应用。超塑性材料正以其优异的变形性能和材质均匀等特点在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。

超塑成形/扩散连接(Superplastic forming/diffusion bonding,简称SPF/DB)技术是把超塑成形与扩散连接结合起来的一种近无余量成形技术,它的深入发展及广泛应用对现代航空航天结构的设计和制造产生了重大影响,在国外被誉为21世纪大型复杂结构件的高效费比制造技术。SPF/DB技术的研究已开展30余年,20世纪70年代初至80年代初的10年是SPF/DB的开发研究和试验验证阶段,SPF/DB从实验室小规模基础工艺研究和验证逐步发展到全尺寸零件的设计、制造和飞行试验。20世纪80年代初至今是SPF/DB技术的生产应用和深入发展阶段,此间SPF/DB工艺的基础研究更加深入,生产技术得到较大发展[1]。

SPF/DB技术制造出的飞行器整体结构件,不仅能满足设计上的要求,如质量轻、刚性大;而且也能满足工艺上的要求,简化零件制造过程和构件的装配过程,缩短制造周期、减少手工劳动量和降低成本。另外,SPF/DB技术还可以制造空心结构件。SPF/DB技术在减轻飞行器质量、降低生产成本方面显示出了巨大的优越性,日益得到航空航天工业的高度重视。目前,SPF/DB技术已广泛应用于飞机、航空发动机、导弹、航天器等的生产中。世界主要的飞机制造公司已建立起自己的SPF/DB生产能力,同时还涌现出大批SPF/DB专业化厂[2,3]。

1 超塑性及超塑成形、扩散连接的理论与方法

1.1 超塑性(Superplasticity,SP)

超塑性通常是指材料在拉伸条件下表现出异常高的延伸率也不产生缩颈与断裂现象。当延伸率大于100%时,即可称为超塑性。按照实现超塑性的条件和变形特点的不同,目前一般将超塑性分为以下几类:组织超塑性、相变超塑性和其他超塑性。实际生产中应用最广泛的是组织超塑性。获取这种超塑性一般要求材料具有均匀、细小的等轴晶粒和较好的热稳定性。

国内外学者对超塑性变形机制的研究已有很多,其结果不尽相同,但在一些方面上取得了广泛的共识。一般认为组织超塑性变形机制以晶界滑动和晶粒转动为主,但还要靠其他变形机制进行调节。应变速率很小时(S曲线Ⅰ区和Ⅰ、Ⅱ区之间的过渡带),认为是靠空位扩散机制来调节。随着应变速率的增大,空位扩散机制相对减弱,位错运动的调节作用相对增强[4,5,6,7,8,9,10,11,12]。位错的存在必然伴随着动态回复和动态再结晶,这也是超塑性变形中的软化机制。超塑性变形会使微观组织出现晶粒长大、晶粒等轴化以及晶界圆弧化等现象,这是由于变形过程中存在着动态再结晶或晶界迁移以及同相晶粒相聚与合并的过程。晶粒长大不单纯是加热的结果,而是与变形有关。适当提高变形速度,可抑制晶粒长大的倾向[13,14,15,16]。

对于给定材料来说,影响其超塑性的因素主要有晶粒度、变形温度和应变速率。一般来说,晶粒越细,等轴度越高,越有利于超塑性变形,因为晶粒细小时晶界总面积较大,为晶界滑动提供了条件,而等轴度高有利于晶粒转动。但对有些材料来说,例如钛合金,其晶粒尺寸达几十微米时仍有良好的超塑性能。超塑性变形与许多热激活过程有关,因此温度也就成为它的一个很主要的影响因素。一般要求温度T≥0.5Tm。但变形温度超过临界温度Tc时,继续升高变形温度会使晶界强度进一步降低,材料传递外加应力的能力迅速降低,而且,变形温度过高会使得晶粒长大速度进一步加快,这两方面均对超塑性不利。因此,要根据实际情况选择合适的超塑性变形温度。超塑性要求应变速率比较低,一般为10-4～10-1s-1,位于S曲线Ⅱ区,此时应变速率敏感性指数较大,有利于细颈扩散和转移,对超塑性有利[17,18,19,20,21,22,23,24,25]。

另外,电在金属材料的加工中是一个重要的环境,电流或电场对位错运动、原子和空位的活动性有比较显著的影响,这也势必影响着材料的超塑性。李淼泉等[26,27,28]认为,强电场对LY12CZ铝合金超塑性变形时扩散过程的影响主要是空位机制,电场强度的变化改变了试样表面层电荷的贮量,降低了空位跳跃的能垒,改变了带负电荷的空位向试样表面层的迁移速度,从而加强了超塑性变形过程中的扩散过程。通过实验研究发现,合适的电场强度会使LY12CZ铝合金超塑性变形时的准稳态流动阶段延长,最大流动应力明显降低,单向拉伸时的极限延伸率比无电场时提高30%。

1.2 超塑成形(Superplastic forming,SPF)

工业应用上一般将可以使材料获得较大变形而不损坏、变形过程中流动应力较低且无明显加工硬化的成形方式统称为超塑成形,不仅仅局限于单向拉伸变形。如超塑性用于挤压成形时称为超塑挤压成形,用于模锻时称为超塑性模锻。采用超塑性可以实现无模拉伸,生产出任意断面的棒材与管材的零件,还可以进行超塑性轧制。超塑性板料成形也获得较多应用,金属材料在超塑状态下所具有的优良塑性和极低的变形抗力,使其可以像塑料一样进行气胀成形,包括真空成形和吹塑成形,或将2种并用,也可进行超塑性板料拉伸,比常规拉伸的拉伸比大得多。

超塑成形具有诸多优点。利用超塑性可以成形出非常复杂的零件,可以使原来需要多道工序才能成形的零件1次成形,也可以使原来因工艺要求需分部设计的组合零件改为整体零件;超塑成形压力很低,需要的设备吨位低,费用少;超塑成形在较低的速度下进行,冲击小,且材料的变形抗力小,使模具的使用寿命延长;超塑成形时材料的充填性能好,成形精度高,材料利用率高。但超塑成形有一个明显的缺点,即晶粒易于粗化,使得强度、塑性、抗疲劳等机械性能有所降低。

目前,在生产中获得应用的超塑合金有钛合金、铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、碳钢、合金钢和某些脆性材料等。

1.3 扩散连接(Diffusion bonding,DB)

扩散连接是把2个或2个以上的固相材料(包括中间层材料)紧压在一起,置于真空或保护气氛中加热至母材熔点以下温度,对其施加压力使连接界面微观凸凹不平处产生微观塑性变形达到紧密接触,再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种连接方法。

为了便于分析和研究,通常把扩散连接分为3个阶段(见图1):第一阶段为塑性变形使连接界面接触。加压初期的塑性变形可使接触面积达到连接总面积的40%～75%,后续的接触过程主要靠蠕变进行,最后可达90%～95%,在金属紧密接触后,原子开始相互扩散并交换电子,形成金属键连接。第二阶段为扩散、界面迁移和孔洞消失。与第一阶段相比,该阶段中扩散的作用要大得多。由于扩散的作用,大部分孔洞消失,而且也会产生连接界面的移动。该阶段通常还会发生越过连接界面的晶粒生长或再结晶以及晶界迁移,使金属键连接变成牢固的冶金连接。最后阶段为界面和孔洞消失。在这一阶段中主要是体积扩散,速度比较慢,通常需要几十分钟到几十小时才能使晶粒穿过界面生长,原始界面完全消失[29,30,31,32]。

扩散连接的特点:①可以进行内部及多点、大面积构件的连接,以及电弧可达性不好或用熔焊方法根本不能实现的连接。②可成功连接用熔化焊和其他连接方法难以连接的材料,如弥散强化型合金、活性金属、耐热合金、陶瓷和复合材料等,特别适用于不同种类的金属、非金属及异种材料的连接。③是一种高精密的连接方法,用这种方法连接后,工件不变形,可以实现机械加工后的精密装配连接。

扩散连接的所有机理都对温度敏感。连接温度的变化会对连接初期表面突出部位的塑性变形、扩散系数、表面氧化物向母材内的溶解以及界面孔洞的消失过程等产生显著影响。温度越高,扩散系数越大,同时,温度越高,金属的塑性变形能力越好,连接表面达到紧密接触所需的压力越小。但是,加热温度的升高受到被焊材料冶金物理特性方面的限制,如再结晶、低熔共晶和中间金属化合物的生成等。此外,升高加热温度还会造成母材软化或硬化以及加速晶粒的长大。因此,不同材料组合的连接接头,应根据具体情况,通过实验来选定连接温度。从大量研究试验结果看,在实用连接时间范围内大多数金属和合金的扩散连接温度范围一般为TL≈(0.6～0.8)Tm。

连接压力可起到如下作用:①连接初期促使连接表面微观凸起部分产生塑性变形;②使表面氧化膜破碎并使金属直接接触实现原子间的相互扩散;③使界面区原子激活,加速扩散与界面孔洞的弥合及消除;④防止扩散孔洞的产生。所以,压力越大、温度越高,紧密接触的面积也越大。目前,扩散连接范围中应用的压力范围很宽,最小只有0.07MPa(瞬时液相扩散焊),最大可达350MPa(热等静压扩散连接),一般常用压力为3～10MPa。通常,扩散连接时存在一个临界压力,即使实际压力超过该临界压力,接头强度和韧性也不会继续增加。从经济和加工方面考虑,一般降低连接压力是有利的。

保温时间也是扩散连接的一个重要的工艺参数。原子扩散走过的平均距离(扩散层深度)与扩散时间的平方根成正比。因此,要求接头成分均匀化的程度越高,保温时间就将以平方的速度增长。与压力的影响相似,也有一个临界保温时间,时间过长会使晶粒长大导致接头性能下降。

氧化膜行为也是扩散连接研究的重点问题之一。不同材料的表面氧化膜在真空扩散连接过程中的行为是不同的,一般可将材料分为以下3个类型:①钛、镍型。这类材料真空扩散连接时,氧化膜可迅速通过分解、向母材溶解而去除,因而在连接初期氧化膜即可消失。这类材料的氧化膜在不太厚的情况下一般对扩散连接过程没有影响。②铜、铁型。由于氧在基体金属中的溶解度较小,所以表面的氧化膜在连接初期不能立即溶解,界面上的氧化物会发生聚集,在空隙和连接界面上形成夹杂物。随连接过程进行,通过氧向母材扩散,夹杂物数量逐步减少。③铝型。这类材料的表面有一层稳定而致密的氧化膜,在基体金属中几乎不溶,因而在真空扩散连接中不能通过溶解、扩散机制消除[29,33,34,35,36,37,38]。

2 超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺的特点与研究进展

SPF/DB工艺是把超塑成形与扩散连接相结合用于制造高精度大型零件的近无余量加工方法。当材料的超塑成形温度与该材料的扩散连接温度相近时,可以在1次加热、加压过程中完成超塑成形和扩散连接2道工序,从而制造出局部加强或整体加强的结构件以及构形复杂的整体结构件。如钛合金的超塑成形温度为850～970℃,扩散连接温度为870～1280℃,由于在超塑成形温度下也可进行扩散连接,因此有可能把这2种工艺结合,在1次加热、加压过程中完成超塑成形和扩散连接2道工序。这种只需1次加热、加压过程的SPF/DB工艺常见于板料的吹胀成形和扩散连接。体积成形(如超塑性模锻)与扩散连接相结合的SPF/DB工艺往往需要将超塑成形和扩散连接分开进行,先超塑成形后再扩散连接或者先扩散连接后再超塑成形,视具体工艺情况而定。

研究发现,超塑成形和扩散连接本身就存在着密切的联系。利用材料的超塑性可加速扩散连接过程,特别是在具有最大超塑性的温度范围,扩散连接速率最高。这是因为:①在连接初期的变形阶段,由于超塑性材料具有低流动应力的特征,所以塑性变形能迅速在连接界面附近发生;②真正促进连接过程的是界面附近的局部超塑性;③超塑性材料通常具有细晶粒,大大增加了界面区的晶界密度和晶界扩散的作用,显著加速了空洞和界面消失的过程[39,40,41,42]。

SPF/DB技术的优点:①可以使以往由许多零件经机械连接或焊接组装在一起的大构件成形为大型整体结构件,极大地减少了零件和工装数量,缩短了制造周期,降低了制造成本;②可以为设计人员提供更大的自由度,设计出更合理的结构,进一步提高结构承载效率,减轻结构件质量;③采用这种技术制造的结构件整体性好,材料在扩散连接后的界面完全消失,使整个结构成为一个整体,极大地提高了结构的抗疲劳和抗腐蚀特性;④材料在超塑成形过程中可承受很大的变形而不破裂,所以可成形很复杂的结构件,这是用常规的冷成形方法根本做不到或需多次成形方能实现的。

用于SPF/DB的材料常为钛合金(如Ti-6Al-4V),钛合金SPF/DB构件已得到了广泛应用。许多新兴航材如高强铝合金、铝锂合金、金属基复合材料(MMC)、金属间化合物等的迅速发展和应用不断向SPF/DB工艺提出了新的挑战,目前镍基合金(如Inconel718)、金属间化合物(如Ti3Al)及颗粒增强的超塑性铝合金的SPF/DB成形工艺正在研制之中,处于发展和试验阶段。

Xun等[43]利用SPF/DB技术制造了Ti-6Al-4V合金4层板结构空心风扇叶片。该叶片从性能和尺寸上均满足要求,但与原板材相比,经过高温SPF/DB处理,合金的微观组织发生了一定的粗化,强度和塑性均有一定程度的降低。Elias等[44]研究发现,Ti-6Al-4V合金SPF/DB后连接面的抗拉强度最高为820MPa,约为SPF/DB处理前合金抗拉强度的90%。另外还发现,具有超塑性的Ti-6Al-4V合金扩散连接面的抗拉强度远远大于粗大晶粒Ti-6Al-4V合金扩散连接面的抗拉强度。

Salishchev等[45]研究发现,具有超细晶(晶粒平均直径0.3μm)结构的Ti-6Al-4V板材在650～750℃时具有较好的超塑性,比常规Ti-6Al-4V合金的超塑性温度低150～200℃,并在750～800℃采用SPF/DB工艺制造出了一种复杂的蜂窝空心结构,扩散连接效果良好,由于温度较低限制了晶粒的长大从而获得了较好的综合性能。Wu等[46]对TiAl基合金的SPF/DB进行了研究,将参与扩散连接的表层材料处理成细小的等轴组织,获得了良好的连接质量并可有效降低扩散连接温度和缩短时间,而非扩散连接表层材料因未进行细化处理而保持着较粗大组织,使得构件具有较好的抗高温蠕变性。

Cam等[47]对γ-TiAl板材的扩散连接进行了研究,发现适当提高扩散连接压强可以明显缩短达到良好连接效果所需的时间。另外还发现,表面粗糙度也是一个非常重要的影响因素,经过化学腐蚀的较为粗糙的表面之间扩散连接时,在较大压力下微观凸起部分承受了较大的变形并进行了再结晶,随着连接时间的延长,再结晶晶粒发生了明显的长大,但由于空洞过大,在很大的压力下也未能获得满意的连接效果。

3 超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术的应用

20世纪70年代,美国洛克威尔公司首先将超塑成形和扩散连接技术相结合,开发了超塑成形/扩散连接组合技术(SPF/DB)。之后,英、法、德、前苏联和日本都相继开展了这一技术研究。这种技术非常适合于加工复杂形状的零件, 例如航空发动机上的风扇叶片、飞机机翼等。至今,SPF/DB技术已广泛应用于航空航天领域并取得了显著的技术经济效益。

美国已有多家公司具有生产钛合金SPF/DB结构件的能力,如麦道公司生产的SPF/DB结构件有100多个,诺斯诺普公司生产的28个F-18战斗机的SPF/DB结构件,罗尔公司生产的CF6-80发动机上也有7000个钛合金SPF或SPF/DB结构件。

英国也是世界上开展SPF/DB技术较早的国家,目前已建立了专业化生产厂,承担国内外订货。英国的TKR公司、IEP公司、Rolls-Royce公司、Superform公司和宇航公司都具有很强的钛合金SPF/DB 结构件的生产能力。罗罗公司采用SPF/DB技术研制出了第二代钛合金宽弦无凸肩空心风扇叶片,处于世界领先地位。

在法国、德国、俄罗斯以及日本等国,SPF/ DB 技术的研究和应用发展也很快。法国的ACB公司、达素公司、哈夫工厂和德国的MBB公司等也具有较强的钛合金SPF/ DB 结构件的生产能力。在俄罗斯,钛合金SPF/ DB 技术的研究已有多年历史,其研究规模之大也是空前的。在日本,这项技术的研究与应用发展飞速,目前,在按生产许可证生产的F-15战斗机和日本自行设计的战斗机上都有日本自己制造的钛合金SPF/ DB结构件。国外钛合金SPF/ DB 结构件的应用情况见表1。

我国对SPF/DB技术的研究起步较晚,始于20世纪70年代末,至今已先后完成了基础工艺试验、典型构件研制、模具选材试验、性能测试、质量控制与检测等方面的工作,成功研制出某飞机风动泵舱门、隔框、电瓶箱罩盖、发动机维护舱盖、干扰弹导筒等航空零件,并在铝合金SPF/DB以及SPF/DB的数值模拟等方面取得了一系列重要研究成果。我国自行研制的钛合金装机结构件的应用实例见表2。

国内外的研究均表明,用SPF/DB技术生产飞行器结构件与常规方法相比,可使结构质量降低30%,成本降低40%～50%。

图2所示为F-15型飞机的原装配式龙骨结构件,上有75个零件,1420个铆钉,需十几套模具、2套装配夹具。后改用SPF/DB结构件,只需4个零件、71个连接件,2套模具,无需夹具。整个结构质量减轻25%,总成本降低77%,其中工具成本降低16%。

图3所示为F-15型飞机机身背部2块大型壁板,长3048mm,宽1143mm。图3(a)为原结构,是由蒙皮、隔框、桁条组成的典型结构;现改用SPF/DB结构,只需4块SPF/DB壁板,减少了9个隔框、10根桁条、150个零件和5000个铆钉,总质量减轻38.4%,总成本降低53.4%。图4、图5为SPF/DB技术在其他飞行器上的典型应用[36,48,49,50]。

4 超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术的发展趋势

SPF/DB技术虽然已进入工程应用阶段,多用于航空航天领域,已展示出巨大的技术经济效益,但在应用过程中依然存在一些问题,需要不断进行深入研究和发展,开拓新的应用领域。当前国内外的研究动态表现出如下发展趋势。

(1)深入开展基础研究工作,增加专用的超塑性材料品种,开发现有材料的超塑性。SPF/DB技术对材料有着特殊的要求,材料是SPF/DB技术的基础,是研究该技术和拓宽该技术应用范围的前提条件。

(2)优化SPF/DB工艺参数,加强工艺过程控制,开展并行工程研究,实现工艺参数自动控制和工序过程自动化。与传统的飞行器结构件制造方法相比,SPF/DB技术有着制造周期短、成本低等优点。但由于超塑变形速率小,扩散连接需要在真空和高温的条件下进行,SPF/DB构件的制造周期依然较长,提高生产效率、节约人力成本的空间较大。因此,开展并行工程研究、实现工序过程自动化的研究有着较大的现实意义。

(3)发展先进检测技术,建立可靠的质量保证体系,提高检测精度,研制低成本检测技术,制定质量控制程序和验收标准。SPF/DB技术多用于航空航天领域,构件的质量和精度显得尤为重要,必须保证通过检测的构件100%合格。现有的检测手段还不能满足如此高的要求(特别是对密闭的空心结构件的检测)。另外,制定相关行业标准,使检测和验收规范化、标准化,有利于SPF/DB技术的健康发展。

(4)新结构的开发应用研究,开展体积超塑性成形方式(如棒料的超塑性模锻、超塑性挤压等)结合扩散连接的新型SPF/DB工艺研究。当前, SPF/DB技术多用于3层/4层板结构,工艺流程一般为边缘封焊-扩散连接-预弯-超塑成形,这种板结构在强度等方面存在不足。因此,应该大力发展体积成形与扩散连接结合的新型SPF/DB构件。

(5)研究原始晶粒度对超塑成形/扩散连接过程及组合工艺后工件微观组织和机械性能的影响规律。超塑成形和扩散连接需要在较高温度下变形和保温,晶粒易于长大使机械性能恶化,原始的细小晶粒可以在一定程度上抵消这一作用。另外,细小的原始晶粒本身就有利于超塑成形和扩散连接。在这一方向开展的定量研究,可以对原材料的选取起到重要的指导作用。

(6)突破铝合金和铝锂合金扩散连接技术,进一步研究其他先进材料的SPF/DB工艺。作为一种重要的结构材料,铝合金在工业领域(包括航空航天)获得了广泛的应用。但其氧化膜在基体中几乎不溶,对扩散连接极为不利,这一问题尚未得到解决。开展该领域的研究必然会推动铝合金SPF/DB技术的发展。

金属塑性成形 篇9

关键词：锯丝,弹塑性,冷绕成形,回弹

0 引言

太阳能光伏发电产业的迅猛发展对硅片的切割加工技术提出了更高的要求。目前, 硅片切割主要采用多线锯切割的方式, 即在研磨液配合下, 用高强度超细切割钢丝将单晶硅或多晶硅的基体硅锭锯切成片。切割用线锯主要包括游离磨料线锯和固结磨料线锯两大类。在工业应用领域, 基体硅片的切割通常采用游离磨料线锯, 但这种切割方式存在着生产效率低下、环境污染严重及研磨液后续处理成本较高等主要缺点。由此, 彭伟等[1]提出了一种全新的线锯切割技术。这种新型线锯的主要特点是:在超细琴钢丝的基体 (内线) 表面, 包覆有较耐磨与耐拉的金属丝线 (外线, 如碳素弹簧钢丝等) 冷绕成形的致密微细槽型。为保证锯丝缠绕的强度与稳定性, 冷绕外线的直径应小于基体内线的直径, 且满足跨高比, 从而忽略剪切变形在冷绕过程中对横截面的影响。

锯丝冷绕成形时, 外线将承受较大的弹塑性弯曲, 而弹性部分卸载后的恢复使得成形后曲率有所减小, 因此, 外线冷绕弯曲存在回弹的问题[2]。影响回弹的因素很多, 很难从理论上精确计算弯曲的回弹量并通过现有的工艺来完全避免回弹。回弹的存在使弯曲后的制件尺寸精度降低并产生形状误差, 它是制约弯曲件生产质量、成本, 并限制生产效率的关键因素之一, 也是弯曲成形中亟待解决的质量问题[3,4,5,6]。

最早的简单弯曲回弹研究始于20世纪50年代, Gardiner等基于弯曲理论模型对理想弹塑性板弯曲及回弹问题进行了研究[7]。而采用数值模拟方法对实际存在的复杂弯曲回弹问题研究始于20世纪70年代[8,9]。尽管各国学者在板料弯曲回弹方面做了大量工作, 但对于钢丝的弯曲成形及回弹问题研究则较少。已有钢丝、钢管等的弯曲回弹研究大多采用类似于板材的弯曲回弹理论[10,11]。孔灿[12]针对口腔正畸不锈钢丝, 运用有限元方法对其弯曲成形和回弹问题进行了模拟;Tang[13]根据塑性理论对管材弯曲中的应力分布、壁厚变形及弯矩等进行了分析;张立玲[14]根据弯曲条件下的应力应变分析和回弹理论, 推导了管材回弹量的计算公式;刘志刚等[15]依据恒力场理论和弹性极限回弹理论, 采用分段曲线型和折线型法, 通过试弯确定了回弹角公式。这些文献大都从弹塑性纯弯曲理论出发, 讨论钢丝、钢管等弯曲时截面内的应力与应变、弯矩与曲率以及回弹的问题。但是, 新型锯丝的冷绕成形是一个蕴含了拉伸和弯曲的复合变形过程, 是一种包含几何非线性、材料非线性和边界非线性在内的复杂非线性问题。

为了清晰地揭示新型锯丝在冷绕成形过程中的弯曲变化规律及回弹对锯丝内外线径所带来的影响以提高锯丝成形的精度, 本文基于理想弹塑性材料本构关系的弯曲及弹性卸载理论, 以解析的方法对锯丝冷绕成形及回弹问题进行了分析, 以期为后续的研究提供参考。

1 锯丝冷绕成形过程分析

锯丝 (图1) 的冷绕成形是一个外线沿着弯曲线逐渐变形的过程, 也是一个锯丝横截面由外至内逐渐变形的过程, 因此, 外线的弯曲过程经历了弹性应力应变和塑性应力应变的不同变形阶段, 这种连续渐进的变形路径会对弯曲卸载后的回弹产生复杂的影响。

弯曲初期, 弯矩较小, 外线处于较大曲率状态, 只产生弹性变形。随着弯矩的增大, 当曲率达到一定值时, 外线开始产生塑性变形。当弯矩继续增大, 塑性变形由外部向内部扩展, 塑性变形区域不断扩大, 而弹性变形区域则因曲率的增大而不断减小。

在实际冷绕过程中, 外线由摩擦力产生轴向张紧而时刻处于拉直状态, 故除弯矩作用下的纯弯曲, 若考虑外线拉直状态下所受的轴向力影响, 其力学模型即为拉伸弯曲组合模型, 如图2所示。

2 外线弹塑性弯曲及其应力分析

2.1 外线弯曲变形的基本假设

为简化数学上的运算且在不影响外线弯曲的回弹分析基础上, 采用如下基本假设: (1) 外线材料是各向同性且均匀的, 不考虑各向异性的影响; (2) 单向应力假设, 外线在弯曲过程中的轴向纤维之间没有挤压错位, 横截面上仅承受沿轴线方向的拉应力或压应力; (3) 平截面假设, 外线弯曲前的横截面变形后仍保持为平面, 且和变形后的轴线正交; (4) 外线采用理想弹塑性材料的应力应变模型, 且在使用范围内拉伸与压缩曲线相同, 如图3所示; (5) 不考虑外线在冷绕成形过程中产生的横截面扁化、外壁拉裂和内壁起皱影响; (6) 成形外线卸载时遵循弹性卸载规律, 且不会发生反向屈服。

2.2 外线弯曲成形的弹塑性分析

记外线半径为ro, 内线半径为ri, 当外线在弯矩与轴向力的共同作用下时, 任意截面上的载荷均保持不变并只引起截面的轴向应力。其中弯矩是造成外线弯曲变形的最主要因素, 它使变形区的外侧材料受到拉伸, 在中性层上方截面产生轴向拉应力, 内侧材料受到压缩, 在中性层下方截面产生轴向压应力。而轴向力始终垂直于弯曲后的横截面, 并且只产生轴向拉应力作用, 其结果使外线的上半截面拉应力总是大于下半截面拉应力, 上侧外缘较下侧外缘也更快达到屈服, 同时中性轴也将向下发生偏移。

起初弯矩和轴向力较小, 整个截面不存在塑性屈服, 截面弹性应力呈三角形直线分布, 可称为完全弹性应力阶段, 如图4a所示。随着弯矩的逐渐增大, 轴向力大小保持不变, 由于上半截面的拉应力比下半截面拉应力大, 故上半截面外层纤维应力将首先达到屈服应力并开始进入塑性阶段, 而下半截面仍处在弹性阶段。上半截面应力呈梯形折线分布, 下半截面应力呈三角形直线分布, 并仅在上半截面外层出现塑性屈服区, 可称为单边弹塑性应力阶段, 如图4b所示。当弯矩继续增大, 下半截面外层纤维应力达到屈服应力并进入塑性阶段时, 上半截面的塑性区域不断向内层延伸扩大, 从而使截面内外层都出现塑性屈服区, 中性轴开始向截面形心轴靠近, 截面应力呈梯形折线分布, 可称为双边弹塑性应力阶段, 如图4c所示。图4中, 中性轴偏移截面形心轴的距离设为b, 弹塑性交界面到中性轴的距离为μro (0≤μ≤1) 。

2.3 双边弹塑性阶段弯矩M与弯曲半径ρ的关系

对于钢材设计, 一般不完全利用塑性的极限弯矩强度, 而只考虑截面内部分发展塑性[16], 故外线在最后的弯曲成形阶段截面应力多为双边弹塑性应力分布。由图4c、图4d可知, 其截面正应力σ应为

式中, σs为外线材料的屈服应力;y为截面内任一点到截面形心轴的垂直距离。

外线所受弯矩与截面正应力的关系为

由图4d可知, 在外线截面上任取一平行z轴的微元矩形, 由几何关系可计算该微元面积为

在双边弹塑性阶段, 外线截面上所承受的弯矩由上侧塑性区弯矩、中部弹性区弯矩和下侧塑性区弯矩共同组成, 将式 (1) 、式 (3) 代入式 (2) , 分别计算三部分弯矩如下。

(1) 上侧塑性区弯矩为

对式 (4) 积分并整理可得

(2) 中部弹性区弯矩为

对式 (6) 积分并整理可得

(3) 下侧塑性区弯矩为

对式 (8) 积分并整理可得

故整个截面的弯矩为

将式 (5) 、式 (7) 、式 (9) 代入式 (10) 并整理可得

式中, E为外线材料的弹性模量;F为外线受到的轴向力;ρ为中性层的弯曲半径。

不同于完全弹性阶段弯矩M与曲率 (1/ρ) 之间的简单线性关系, 式 (11) 表明:弹塑性成形阶段, 在轴向力的影响下外线弯矩与曲率之间存在着复杂的非线性关系。

3 外线卸载回弹分析计算与控制

3.1 卸载回弹分析

外线冷绕完成后, 将以加载弯矩M和轴向力F进行卸载, 这可看作是对外线施加一个反向加载弯矩M和反向轴向力F所产生的弹性弯曲效应, 但轴向力的弹性弯曲效应不会影响弯曲回弹, 仅有弯矩和回弹半径服从弹性关系。

对于塑性成形阶段, 弯矩与弯曲半径之间为非线性关系, 故直接计算卸载弯矩存在一定困难。因外线所受轴向力仅由外线轮的摩擦力提供, 其值很小几乎不造成变形, 故在不影响回弹分析的基础上, 令轴向力F=0, 此时外线冷绕的拉弯过程即为纯弯过程, 式 (11) 变为

式中, Me为外线材料的弹性极限弯矩;ρe为外线材料的弹性极限弯曲半径。

显然对于纯弯过程, 其塑性阶段的弯矩与曲率之间仍为非线性关系。为便于进一步讨论, 不妨令

可称为相对弯矩, 为相对曲率, 代入式 (13) 则得在塑性阶段, 相对弯矩与相对曲率之间有

卸载阶段相对弯矩与曲率之间的关系与弹性阶段相同:

用MATLAB绘制出外线成形时的曲线如图5所示, 曲线以为渐近线。图中实线段OA为弹性成形阶段, 实线段AB为塑性成形阶段, 实线段CD为卸载回弹阶段。

外线加载时, 弯矩随曲率的增大沿曲线变化, 最后达到弯矩, 且其对应的曲率为。卸载时, 加载弯矩沿平行OA的线段CD逐渐减小到零, 曲率也从减小为。这种曲率变化即为卸载后的回弹量, 由式 (16) 和图5可得

式中, 为相对成形曲率;为相对残余曲率;为相对回弹曲率;为相对加载弯矩。

由式 (17) 知, 计算回弹量需首先确定加载弯矩, 事实上由于塑形阶段的非线性使得该弯矩的计算并不容易。因此利用微分几何意义, 做塑性段曲线上特征差异较大的点m、n的切线段PQ、QR来表征塑性段曲线, 近似后的曲线如图5中虚线段所示, 则相对卸载回弹弯矩和相对成形曲率的分段函数关系满足:

将式 (18) 代入式 (17) , 再按式 (14) 进行换算后得

式中, ρ1为成形弯曲半径;ρ2为残余弯曲半径。

3.2 锯丝冷绕内外线径理论计算公式

锯丝冷绕成形时, 内外线的几何关系如图2所示, 将ρ1=ro+ri与ρ2=r代入式 (19) 并化简可得到内外线径的理论计算公式如下:

式中, r为名义半径, 为锯丝冷绕成形后的实际半径与外线半径之差。

3.3 锯丝冷绕线径计算及实验研究

以冷绕新型锯丝为例, 内外线采用理想弹塑性体的超细弹簧钢丝。已知:内线直径为0.16mm, 抗拉强度σb为2200MPa, 外线直径为0.08mm, 抗拉强度σb为2400MPa, 屈服强度σs=0.9σb, 弹性模量E=2.06×105MPa, 计算冷绕成形后锯丝的名义直径如下。

内外线径跨高比为π (0.16+0.08) /0.08=9.42>7, 若整个冷绕过程中锯丝无卸载回弹影响, 则理论上成形后的实际直径 (图1) 应为

式中, dr为实际绕后直径;di为内线直径;do为外线直径。

现考虑卸载回弹带来的影响, 将示例中的数据分别代入式 (20) ~式 (22) 中, 各公式下计算的名义直径及适用范围列于表1中。

mm

由表1知, 本例应选用式 (22) 所计算的结果作为冷绕成形后锯丝的名义直径 (0.254mm) , 则实际直径应为

相比理论计算直径的0.32mm, 由于回弹的存在, 成形后的实际直径增大了近5.8%。

为验证公式计算结果的可靠性, 采用自行研制的JG-52C新型线锯缠绕设备进行锯丝的冷绕成形实验, 并应用VW-6000/5000三维显微系统进行尺寸的观察与测量, 实验设备及观测平台如图6所示。

为尽量减少由于实验所用内外线本身的椭圆度及直径误差对观测造成的影响, 首先采用预绕张紧的方式来测量外线紧绕在内线表面 (无回弹) 时的截面直径尺寸, 放大倍率设置为300倍, 如图7所示。

图8为经缠绕设备冷绕成形并已卸载回弹后锯丝的实测直径尺寸, 放大倍率设置为300倍。

卸载回弹后锯丝的实测直径为333.89μm, 而由公式计算所得直径为334μm, 误差为0.03%。说明采用公式计算回弹后的锯丝直径具有较高的可靠性, 满足工程上对精度的要求。可见, 回弹的存在将直接影响锯丝最后的成形精度。

3.4 锯丝冷绕成形回弹控制

通过上述分析, 为保证锯丝最后的成形精度, 应当采取必要可行的措施来减小和控制回弹带来的影响[18]: (1) 在满足成形锯丝使用要求的条件下, 外线尽量选取弹性模量大、屈服极限小的材料; (2) 采用拉弯工艺[19], 加大轴向力使中性层内外均处于拉应力状态, 使得卸载后的部分回弹相互抵消; (3) 锯丝冷绕前可在内线表面预先涂覆黏结剂, 外线冷绕成形后再进行相关的固化, 从而将外线粘附在内线表面; (4) 对成形后的锯丝进行热处理, 以减小外线内部的弯曲应力等。

由于卸载回弹是锯丝成形的最后一步, 而成形过程中产生的任何误差都会累积到回弹计算阶段, 因此有必要对其进行更为深入的研究和有效的控制。

4 结论

(1) 基于理想弹塑性材料本构关系的弯曲理论, 建立外线在拉弯组合下的力学模型进行弯曲成形的弹塑性分析, 按截面应力分布将其成形过程划分为完全弹性应力、单边弹塑性应力及双边弹塑性应力三个阶段。针对双边弹塑性应力阶段建立了轴向力影响下弯矩与弯曲半径之间的数学关系式。

(2) 在不影响回弹分析的基础上, 绘制纯弯下的曲线对外线卸载回弹的过程进行解析, 利用微分原理较好地解决了非线性段回弹弯矩难以直接计算的问题, 得出了卸载回弹弯矩与成形曲率的函数关系, 导出了内外线径的理论计算公式及适用范围, 并以实验验证了计算公式的可靠性, 证明了回弹对锯丝成形精度的影响。

(3) 从材料和工艺两个方面, 提出了减小和控制锯丝成形后回弹的四项措施, 对新型锯丝的生产具有一定的实际应用价值。