确定材料抵抗加工变形的机械性能外文文献翻译
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确定材料抵抗加工变形的机械性能摘要:这篇论文分析了材料在加工过程中的抵抗塑性变形的实验性的结果和一些假设。必须要考虑到应变速度以及温度对材料的机械特性的影响。可以用不同的等式来描述材料抵抗塑性变形的规律,这些等式能够表达其中应变功。在加工进程中,根据具体变形功的差异,可以分析推断出屈服点和变形之间的关系式或者流动曲线。我们可以发现,在切削形成区域以及切削边缘处的堆积区在绝热条件下,流动曲线是呈拱形的。其中屈服点在变形中达到了它的最大值,这个值要比渗透到切屑形成区的材料实际最终切变力的值更低一些。通常将这些屈服点的最大值作为材料加工的机械特性。本论文叙述了一些理论性和实验性的调查研究,主要目的是为了确定应变和屈服点以及正应力间的相互关系(考虑到在屈服点处的温度影响)。采用应力功分析的好处不仅是因为它和变形温度直接相关,更是因为它可以通过正应力和实际最终切变力科学地确定这种变形功。采用这种方法,并运用实证物理常数可以确定变形温度如何影响屈服点。关键词: 机床 切断 机械性能 流动曲线 1 简介 机械材料在断裂时的抗变形特性通常可以通过张力和压力的机械检测方法以及对检测后塑性变形必要量的推断来确定。然而,此时材料变形以及加工中的应力变形功高一个数量级,应变率和标准的张压力检测得到的数值相比要高八个数量级。此外,较大的塑性变形以及主要建切变区域处变形的不均匀分布会导致不均匀的温度分布。反过来,这样也会导致机械材料具有不均匀的抵抗塑性变形的阻力。必须要考虑到对于材料的变形条件在切屑形成区或第一和第二切变区以及在切屑和裂痕间的塑性接触区的差异。同样,还要考虑到材料抵抗塑性变形的阻力在切变区和堆积区中的差异是非常大的。在机械加工中,变形,应变率,和温度都是相互关联的。在通过标准测试来测定材料的机械性能时,操作者确立这些有交集的因素时并没有使它们相互关联。这样在确定机械加工材料性能时则会产生实质性的错误。上述提到的因素是如何影响加工变形时的屈服点的相关参数通常不被人们充分考虑到。但是这种考虑是必须的,因为和标准试验相比,机械加工时材料变形的条件是不同的。如今,只能通过检验屈服点平均数值来分析机械材料在断裂时抵抗塑性变形的阻力规律,并根据平均值扩展到更大的形变变化范围,这个范围包括加工材料的硬化区域和软化区域。许多研究唯独都被切屑形成区和主要切变区的正应力的实验测定所限制。这也就是说,我们可能无法充分地得出变形时屈服点的相关参数或加工过程的流动曲线,也不能估算屈服点的最大值。在不同的加工条件下,切屑形成区中部分区域都会出现变形。部分变形迅速出现于切屑形成区边缘的狭窄部位。这块狭窄区域中的发生形变的地方对加工材料的软化有很大的影响。在确定流动曲线时,这个影响必须考虑在内。因为切变区域形变的不均匀,所以我们不可能通过在切削加工条件下进行的实验来确定流动曲线。此外,加工材料的屈服点不仅和变形的大小有关,还与温度的变化有关。温度的变化还涉及到形变和屈服点的变化。上述提到的参数都是相互关联的,不可以通过实验来得到。所以在确定流动曲线时,实验和理论的分析检验必须同时兼顾到。本论文叙述了一些理论性和实验性的调查研究,主要目的是为了确定应变和屈服点以及正应力间的相互关系(考虑到在屈服点处的温度影响)。2.关于在加工中抵抗材料变形的假设的分析2.1 应变,应变率,以及屈服点温度的影响许多研究者都认为,材料的不同断裂方式,例如在拉伸,成型及材料去除时,材料抵抗塑性变形的规律都是统一的。大量的拉伸试验的研究则显示了应力强度取决于应变,应变率,以及同系温度的增加。下面这个等式表示切变屈服点,应变率,以及相应温度增量间的关系。上述条件方程不能直接运用于机械加工的材料模型中,因为在切断时温度的增加量并不是独立变化的,而是与变形和切变应力有关。因此,加工中满足变形条件的方程式要从含有实证常数的流动曲线中得到。这些常数有应变,应变率,和温度。2.2断裂产生的载荷的简单形式应用假设将车削异种钢时正切面上的正应力的C参数和切断变形时张力的切变屈服点参数相比较。其中的正应力被解释为切屑形成区域的屈服点的最大值。然而,实验所获得的正应力应该更准确地翻译为和最终切变有关的应变系数或屈服点的平均值。这个解释来源于楔斜面力RS和RV在切断平面A的投影力F在切屑形成区所产生的应力的定义,以及切屑变形区处根据切力和应变力所具有的变形能力的定义。下面的这个关系可以由上述以及图一推导出来。V2是工件在切断平面A方向上的切屑断裂速度,w时实际最终切变,K是切屑压裂系数。2.3正应力在切屑变形区的稳定性假设以及其在材料拉伸实验的中与材料强度的关联我们可以发现机械加工产生的正应力和拉伸时的断裂屈服点相近。这里的屈服点是根据式子(3),应用在实际加工中的断裂变形尺寸所推导出来的。因此,我们建议用经验关系式来估算加工时在剪切面的正应力。其中A是经验系数,A2.5是拉伸实验中剪切屈服点。由一个推导公式推出。其中几个经检验的钢,它们大部分的正应力不随变形的增加而增加,并没有遵守如(6)中“单一载荷”的规律。其正应力始终不变甚至减少。除了关系式(7),应力和强度的其他关系特征在拉伸实验中也被提及到。在这些关系特征中,下列经验关系是从切屑形成区和倾斜面中所确定的正应力中获得的,此正应力是在用带有短的前面切削的工具切削不同的钢时所产生的1,16:图二表示出了由经验所获得的关系式。其中常数和递减的相关度显示抗拉实验中的流动曲线和机械加工时的曲线并不一致。这符合实验性机械加工的实验性研究,也满足铝在剪切变形时0.6-1.5范围内的压力变化值。机械加工时剪切区的正应力要比抗拉强度大得多。在机械加工时,应力在剪切区的应变率会导致压力的流动曲线和较小范围内变形的加工不一致。温度对屈服点的影响和温度切削加工的正应力的影响也以不同的方式被验证。一方否认温度影响切屑形成区和楔斜面的正应力。这是因为一般规定切屑形成区的温度不能超过400度。另外,我们可以假定,由于高温时应变率对屈服点的影响,屈服点的减少可以完全得到补偿。所以可以据此认为温度对剪切形成区及楔斜面上的正应力没有实质上的影响。另一方则确信应变率和温度对加工时的屈服点有相当大的影响。下面实验数据的分析将要对后一种观点进行验证。3.温度和应变率对切屑形成区的正应力的影响3.1应变率的影响根据对实验结果的分析,我们可以从3中看出在拉伸和切削中应变率的比例对屈服点平均值的影响。加工不同钢时,在剪切深度a=0.22mm和楔正交倾角处检测正应力值。在v=0.2m/min的极低速度进行的实验性分析中可以排除温度对正应力的其中一个影响。另外,拉伸实验是以相同的应变率同时进行的。切削加工的应变系数要比常规切削参数将近小二次方。然而这个系数已经足够大了,并且已经达到了106。鉴于平均屈服点值表示了切屑形成区正应力的特征这样一个观点,它们可以和推导出来的抗拉强度作比较:其中, A w,t在抗拉试验中无量纲的应变力,可以推导出加切削时最终剪切变形量。如果考虑到应变率而将温度影响排除在外,正应力在切屑形成区承受平均抗拉强度就可以用下面的公式近似表示:K e是变形系数,决定了切削和拉伸实验中切屑形成区加工材料的加工条的不同。表1显示的是将剪切平面的正应力和屈服点比较的实验数据。在加工检验钢时,力几乎比抗拉强度平均值大1.3倍,根据切削时实际最终剪切变形量推导出来的(见表1)。因此,这个系数是1.3。根据这个系数,应变率可以高达106,使其可以适应从抗拉试验过渡到相对较低的对应温度,能够引起屈服点平均值大量增加。为了能同系温度对变形系数的影响,应变率相对变化如何影响加工不同材料时的屈服点是需要进行分析的。这些材料可以是铅,铝,或钢。分析结果在图3。因此,切削变形系数和其他变形,例如抗拉试验,不仅和应力比率的变化有关,还和同系温度变换有关。在现代机械加工中,切屑速度的差异均在一次方范围内。而与之相反的是,标准抗拉试验的或压力实验的速度和切削加工的剪切速度相差八次方。变形速度的变化在一次方以内(这个变化是不同加工过程的速度变化)可使变形系数从1.258变换到1.344。这个变形系数的影响可以被忽略。因此,在常规范围内的切削参数应变系数和抗拉试验的应变系数是大约是108并且可以被设置为常数。因此,K e的值必须随着同系温度的升高而增大,这个系数可以同系温度的次方关系式所表示:3.2变形温度的影响根据在切屑形成区和楔斜面的正应力的实验数据,可以根据系数变化量推断出存在硬化效应的相同温度情况下也存在着软化效应。例如,从图2a中的可以推导出屈服点在实际断点处成比例上升,而系数s t /S b随实际抗拉强度或相应的变形温度的增加而减少。C V是材料加工的体积比热容系数。图四显示在切削不同钢温度是如何影响平均屈服点的。用楔前刀面切削钢时,在工具和切屑间的正应力要比在切屑形成区处的正应力低很多。在切屑形成区及塑形接触区中正应力平均值的比率可以根据加工材料斜面的屈服点值随温度增加而减少。这导致了正应力在楔斜面分布不均匀,并涉及到温度的增加。这就是温度对切削加工屈服点的影响。可以认为屈服点在低温切削边缘的堆积区B处的达到了最大值。因此,前面q0和后侧面堆积区的屈服点最大值应该比和大很多。考虑到如今的测量技术,为什么会有如此大的值在非常小的堆积区B处以确定的的正应力变化量表示,这个原因是非常难甚至不可能直接通过实验确定的。然而,它可以由后侧面的堆积区G建立的正应力间接表示出,其中的变形条件和堆积区B处地相应条件非常相似。切削C45钢时发现在后侧面堆积区G处发生这样的变化。可以发现堆积区G处地正应力比切屑成区的正应力要大。在切削C45钢时,进行对力和压缩比的实验检验,可以发现正应力系数并不是常数,而是随着斜面的算术切削温度值或者P数减少而减少。从实验结果我们可以看出,如果加工条件不同,正应力就会有非常大的变化。由于变形,应变率,和温度的影响,屈服点会有更大的偏离,这个偏离要比它的平均值的变化大得多。由于整个流动曲线的数学模型是十分复杂的,首先要做的是限制机械材料硬化规律检测,为了能够平衡变形和应变率引起的硬化强度以及温度引起的软化强度。4 切削加工材料流动曲线的理论性的确定应用应力变形功的优点不仅在于它和变形温度有直接关联,另一个优点则是可以通过正应力和实际最终剪切确定变形功。从这方面来看,通过经验常数确定变形温度对屈服点的影响是可能的。4.1确定绝热条件下,切屑形成区的流动曲线等式(2)将屈服点定义为一个含有三个独立变量的函数:形变比:应变率比:,以及同系温度比:。可以假定切削时应变率比例和抗拉试验应变率比例是个常数并且接近108。变形系数可以作为关于同系温度增量的函数,来描述这个比例。在几乎绝热加工的变形条件下,同系温度的增量可以由变形现行值组成,这个值是由正应力功的现行值得出的,符合如下变形:和剪切屈服点相比,加入正应力功的优点是应力功可以根据试验获得的正应力,实际抗拉强度和实际最终剪切而确定。和功Aw,t相反,屈服点不能直接根据切削实验确定。将正应力功作为机械材料变形条件参数加入,也可以从条件关系式中排除温度和屈服点参数。如果要考虑到(14)和(15),条件等式(2)也可以如下转换:正应力功也可以如下定义:将根据等式(18)计算出的应力值和根据切削实验测量力和切屑压裂比率得出来的应力值作比较。可以从中看出理论和实验的一致。抗拉试验的应力功是根据等式(10)定义的。根据单一载荷法则而推导出的这些值,和普通切削变形相一致,如果考虑到应变率和温度影响,这个值的差异就会非常大,要远远大于和实验结果值的差异。合力和切屑压裂率的实验数据的使用更为合理(这些数据是为了直接确定实际剪切正应力功),比描述流动曲线要合理得多。根据比例(15),等式(18)可以根据确切削变形条件下的确立的流动曲线而有所不同,并考虑到应变率和温度的影响。将切削和抗拉试验中的流动曲线在以相同温度,不同应变率的情况下作比较,可以发现,应变率对屈服点有很大影响。分析图8可以看出,切削C45钢时,当前实际剪切中的变形和屈服点参数与最终剪切正应力并没有任何关系。其他研究者也得出了这个结论。从此看出,当前屈服点和最大屈服点的不同仅仅只是平均值的不同。就变形而言,这个数据也显示出流动曲线在切削和抗拉实验中在很大范围内是不同的。因此,对不同加工材料而言,屈服点和最终变形的关联可以增大,可以减小,或者保持恒定,这取决于这些材料是发生形变硬化还是温度软化。如果加工材料有相同的硬化和软化强度,那么就可以得到屈服点最大值和相应的剪切变形值。4.2确定切屑形成区在等温变形条件下的流动曲线在靠近切屑形成区边界的狭窄区域的集中变形处,硬化条件并不是必要的。由于变形的集中,屈服点不能大于最高温度对应的剪切力实际值:狭窄区域集中变形现象和加工材料软化现象可能会在很大程度上影响应力功和正应力在实际最终剪切的切削形成区中的相互关系。如图9呈现了35Cr3MoNi钢加工的例子。跟据计算可知,在加工35Cr3MoNi钢时,实际抗拉强度剪切屈服点比率可以在集中剪切值为时得到最大值。如果最终剪切,那么实际抗拉强度的屈服点比率就会稳定在0.694。而与之相反的是如果最终剪切分别等于3和4,那么这个比率就会稳定在0.593和0.544。因此,实际最终剪切的切屑形成区正应力参数的减小,是由于狭窄区域集中变形时稳定的屈服点处变形温度所造成的。见图10。因此,材料在加工中抵抗塑性变形能力以及最终剪切如何影响切屑形成区的正应力规律中的差异之间和这些因素有关联,例如加工材料的硬化变形趋势,屈服点B处的变形温度影响以及抗拉强度等。正应力在切屑形成区的信息并不能充分地描述材料在加工中抵抗变形的能力。实验结果(图3中)表明,变形条件系数在变形区域由于不同的温度分布而而呈现不同的值,即使最终剪切是常数,这个洗漱2也会随着温度平均值的增加而变化。考虑到加工,能够区别切屑形成区和堆积区B, G处的变形条件系数符号是很重要的:用于切屑形成区,而用于堆积区。因此同系温度T=0.167的情况下,K通常约等于13,这是应变不均匀分布的剪切区的特点。4.3确定楔的斜面及侧面堆积区处绝热变形条件下的流动曲线若温度在堆积区B处是平均分配(见图1)在T=0.33处,变形条件系数可取得极大值。此时温度的不均匀分配也会影响变形系数。因此屈服点参数q(指在堆积区B和G的当前实际剪切中)可以由根据下面的这个等式用变形条件系数确定:屈服点在切屑形成区和堆积区都有相似的公式(图11)。加工C45钢的实际剪力为时,可得到屈服点最大值由等式(9)可知在切削形成区达到的屈服点的最大值仅仅取决于加工材料的常数。这些常量决定了材料在抗拉试验中的强度特征,一种向硬化变形和应变率的趋势,还有是向温度软化的趋势。因此,屈服点的最大值可以表述机械加工材料在切屑形成区的抵抗变形的普通特性。在堆积区B处,屈服点需要下列式子来确定更大的强化应变率。由分式测温:在这些变形条件下,不断变化的塑性变形抵抗力可以描述加工材料的特点。屈服点最大值用来描述材料抵抗堆积区B处塑性变形的特征。在处的钢C45的实际最终剪切屈服点最大值达到了q=794Mpa,钢C45具有和图11实验数据相符的机械特征。在加工C45钢时屈服点最大值794Mpa,要比实际剪切抗拉强度高出1.76倍。研究屈服点的分配和楔侧面和倒角堆积处的热流动密度对于计算工具侧面的温度是很重要的。确定屈服点在B和C边界处的最大值也是同样的重要。这个信息是用来计算温度分布及屈服点的大小的,它们相互关联,并楔斜面和切屑之间的区域C中存在塑形接触。5.结论最终推导出的实验结果,我们可以确定正应力在不同加工条件下有很大的变化,这是由于变形,应变力还有温度的影响。如果质量很大,它们还会影响其屈服点。如果切削材料的硬化和软化强度可以被抵消,变形则会位于切屑形成区中的一个狭窄区域,并会导致屈服点的变化,也会由于最终整个定位区域的最终温度影响而减小。通过实验可以证明屈服点在切屑形成区和堆积区中达到了最大值,堆积区的屈服点比切屑形成区更高。因为屈服点并不由加工条件所决定,所以可以将它作为加工材料的实际机械特性。为了确定这些机械特性,必须实施理论方法,可以作为热机模型来确定加工材料的实际机械特性。热机模型可以从分别质量和数量上解释屈服点如何在多种加工条件下产生大范围的变化。另外,加工工件的实际机械特征(需要通过已知的热机模型来确定)可以用在大量的剪切材料模型。10
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