5T單梁橋式起重機鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計含SW三維及17張CAD圖,橋式起重機,鋼結(jié)構(gòu),設(shè)計,sw,三維,17,cad 確定材料抵抗加工變形的機械性能 摘要：這篇論文分析了材料在加工過程中的抵抗塑性變形的實驗性的結(jié)果和一些假設(shè)。必須要考慮到應(yīng)變速度以及溫度對材料的機械特性的影響?？梢杂貌煌牡仁絹砻枋霾牧系挚顾苄宰冃蔚囊?guī)律，這些等式能夠表達其中應(yīng)變功。在加工進程中，根據(jù)具體變形功的差異，可以分析推斷出屈服點和變形之間的關(guān)系式或者流動曲線。我們可以發(fā)現(xiàn)，在切削形成區(qū)域以及切削邊緣處的堆積區(qū)在絕熱條件下，流動曲線是呈拱形的。其中屈服點在變形中達到了它的最大值，這個值要比滲透到切屑形成區(qū)的材料實際最終切變力的值更低一些。通常將這些屈服點的最大值作為材料加工的機械特性。本論文敘述了一些理論性和實驗性的調(diào)查研究，主要目的是為了確定應(yīng)變和屈服點以及正應(yīng)力間的相互關(guān)系（考慮到在屈服點處的溫度影響）。采用應(yīng)力功分析的好處不僅是因為它和變形溫度直接相關(guān)，更是因為它可以通過正應(yīng)力和實際最終切變力科學(xué)地確定這種變形功。采用這種方法，并運用實證物理常數(shù)可以確定變形溫度如何影響屈服點。 關(guān)鍵詞: 機床 切斷 機械性能 流動曲線 1 簡介 機械材料在斷裂時的抗變形特性通?？梢酝ㄟ^張力和壓力的機械檢測方法以及對檢測后塑性變形必要量的推斷來確定。然而，此時材料變形以及加工中的應(yīng)力變形功高一個數(shù)量級，應(yīng)變率和標(biāo)準(zhǔn)的張壓力檢測得到的數(shù)值相比要高八個數(shù)量級。此外，較大的塑性變形以及主要建切變區(qū)域處變形的不均勻分布會導(dǎo)致不均勻的溫度分布。反過來，這樣也會導(dǎo)致機械材料具有不均勻的抵抗塑性變形的阻力。必須要考慮到對于材料的變形條件在切屑形成區(qū)或第一和第二切變區(qū)以及在切屑和裂痕間的塑性接觸區(qū)的差異。同樣，還要考慮到材料抵抗塑性變形的阻力在切變區(qū)和堆積區(qū)中的差異是非常大的。 在機械加工中，變形，應(yīng)變率，和溫度都是相互關(guān)聯(lián)的。在通過標(biāo)準(zhǔn)測試來測定材料的機械性能時，操作者確立這些有交集的因素時并沒有使它們相互關(guān)聯(lián)。這樣在確定機械加工材料性能時則會產(chǎn)生實質(zhì)性的錯誤。上述提到的因素是如何影響加工變形時的屈服點的相關(guān)參數(shù)通常不被人們充分考慮到。但是這種考慮是必須的，因為和標(biāo)準(zhǔn)試驗相比，機械加工時材料變形的條件是不同的。如今，只能通過檢驗屈服點平均數(shù)值來分析機械材料在斷裂時抵抗塑性變形的阻力規(guī)律，并根據(jù)平均值擴展到更大的形變變化范圍，這個范圍包括加工材料的硬化區(qū)域和軟化區(qū)域。許多研究唯獨都被切屑形成區(qū)和主要切變區(qū)的正應(yīng)力的實驗測定所限制。這也就是說，我們可能無法充分地得出變形時屈服點的相關(guān)參數(shù)或加工過程的流動曲線，也不能估算屈服點的最大值。 在不同的加工條件下，切屑形成區(qū)中部分區(qū)域都會出現(xiàn)變形。部分變形迅速出現(xiàn)于切屑形成區(qū)邊緣的狹窄部位。這塊狹窄區(qū)域中的發(fā)生形變的地方對加工材料的軟化有很大的影響。在確定流動曲線時，這個影響必須考慮在內(nèi)。 因為切變區(qū)域形變的不均勻，所以我們不可能通過在切削加工條件下進行的實驗來確定流動曲線。此外，加工材料的屈服點不僅和變形的大小有關(guān)，還與溫度的變化有關(guān)。溫度的變化還涉及到形變和屈服點的變化。上述提到的參數(shù)都是相互關(guān)聯(lián)的，不可以通過實驗來得到。所以在確定流動曲線時，實驗和理論的分析檢驗必須同時兼顧到。 本論文敘述了一些理論性和實驗性的調(diào)查研究，主要目的是為了確定應(yīng)變和屈服點以及正應(yīng)力間的相互關(guān)系（考慮到在屈服點處的溫度影響）。 2.關(guān)于在加工中抵抗材料變形的假設(shè)的分析 2.1 應(yīng)變，應(yīng)變率，以及屈服點溫度的影響 許多研究者都認為，材料的不同斷裂方式，例如在拉伸，成型及材料去除時，材料抵抗塑性變形的規(guī)律都是統(tǒng)一的。大量的拉伸試驗的研究則顯示了應(yīng)力強度取決于應(yīng)變，應(yīng)變率，以及同系溫度的增加。 下面這個等式表示切變屈服點，應(yīng)變率，以及相應(yīng)溫度增量間的關(guān)系。 上述條件方程不能直接運用于機械加工的材料模型中，因為在切斷時溫度的增加量并不是獨立變化的，而是與變形和切變應(yīng)力有關(guān)。因此，加工中滿足變形條件的方程式要從含有實證常數(shù)的流動曲線中得到。這些常數(shù)有應(yīng)變，應(yīng)變率，和溫度。 2.2斷裂產(chǎn)生的載荷的簡單形式應(yīng)用假設(shè) 將車削異種鋼時正切面上的正應(yīng)力的C參數(shù)和切斷變形時張力的切變屈服點參數(shù)相比較。其中的正應(yīng)力被解釋為切屑形成區(qū)域的屈服點的最大值。然而，實驗所獲得的正應(yīng)力應(yīng)該更準(zhǔn)確地翻譯為和最終切變有關(guān)的應(yīng)變系數(shù)或屈服點的平均值。這個解釋來源于楔斜面力RS和RV在切斷平面A的投影力F在切屑形成區(qū)所產(chǎn)生的應(yīng)力的定義，以及切屑變形區(qū)處根據(jù)切力和應(yīng)變力所具有的變形能力的定義。 下面的這個關(guān)系可以由上述以及圖一推導(dǎo)出來。 V2是工件在切斷平面A方向上的切屑斷裂速度，w時實際最終切變，K是切屑壓裂系數(shù)。 2.3正應(yīng)力在切屑變形區(qū)的穩(wěn)定性假設(shè)以及其在材料拉伸實驗的中與材料強度的關(guān)聯(lián) 我們可以發(fā)現(xiàn)機械加工產(chǎn)生的正應(yīng)力和拉伸時的斷裂屈服點相近。這里的屈服點是根據(jù)式子（3），應(yīng)用在實際加工中的斷裂變形尺寸所推導(dǎo)出來的。因此，我們建議用經(jīng)驗關(guān)系式來估算加工時在剪切面的正應(yīng)力。 其中A是經(jīng)驗系數(shù)，A2.5是拉伸實驗中剪切屈服點。由一個推導(dǎo)公式推出。 其中幾個經(jīng)檢驗的鋼，它們大部分的正應(yīng)力不隨變形的增加而增加，并沒有遵守如（6）中“單一載荷”的規(guī)律。其正應(yīng)力始終不變甚至減少。 除了關(guān)系式（7），應(yīng)力和強度的其他關(guān)系特征在拉伸實驗中也被提及到。在這些關(guān)系特征中，下列經(jīng)驗關(guān)系是從切屑形成區(qū)和傾斜面中所確定的正應(yīng)力中獲得的，此正應(yīng)力是在用帶有短的前面切削的工具切削不同的鋼時所產(chǎn)生的[1，16]： 圖二表示出了由經(jīng)驗所獲得的關(guān)系式。其中常數(shù)和遞減的相關(guān)度顯示抗拉實驗中的流動曲線和機械加工時的曲線并不一致。這符合實驗性機械加工的實驗性研究，也滿足鋁在剪切變形時0.6-1.5范圍內(nèi)的壓力變化值。機械加工時剪切區(qū)的正應(yīng)力要比抗拉強度大得多。 在機械加工時，應(yīng)力在剪切區(qū)的應(yīng)變率會導(dǎo)致壓力的流動曲線和較小范圍內(nèi)變形的加工不一致。溫度對屈服點的影響和溫度切削加工的正應(yīng)力的影響也以不同的方式被驗證。一方否認溫度影響切屑形成區(qū)和楔斜面的正應(yīng)力。 這是因為一般規(guī)定切屑形成區(qū)的溫度不能超過400度。另外，我們可以假定，由于高溫時應(yīng)變率對屈服點的影響，屈服點的減少可以完全得到補償。所以可以據(jù)此認為溫度對剪切形成區(qū)及楔斜面上的正應(yīng)力沒有實質(zhì)上的影響。另一方則確信應(yīng)變率和溫度對加工時的屈服點有相當(dāng)大的影響。 下面實驗數(shù)據(jù)的分析將要對后一種觀點進行驗證。 3.溫度和應(yīng)變率對切屑形成區(qū)的正應(yīng)力的影響 3.1應(yīng)變率的影響 根據(jù)對實驗結(jié)果的分析，我們可以從[3]中看出在拉伸和切削中應(yīng)變率的比例對屈服點平均值的影響。加工不同鋼時，在剪切深度a=0.22mm和楔正交傾角處檢測正應(yīng)力值。在v=0.2m/min的極低速度進行的實驗性分析中可以排除溫度對正應(yīng)力的其中一個影響。另外，拉伸實驗是以相同的應(yīng)變率同時進行的。切削加工的應(yīng)變系數(shù)要比常規(guī)切削參數(shù)將近小二次方。然而這個系數(shù)已經(jīng)足夠大了，并且已經(jīng)達到了106。 鑒于平均屈服點值表示了切屑形成區(qū)正應(yīng)力的特征這樣一個觀點，它們可以和推導(dǎo)出來的抗拉強度作比較： 其中， A w,t在抗拉試驗中無量綱的應(yīng)變力，可以推導(dǎo)出加切削時最終剪切變形量。如果考慮到應(yīng)變率而將溫度影響排除在外，正應(yīng)力在切屑形成區(qū)承受平均抗拉強度就可以用下面的公式近似表示： K e是變形系數(shù)，決定了切削和拉伸實驗中切屑形成區(qū)加工材料的加工條 的不同。 表1顯示的是將剪切平面的正應(yīng)力和屈服點比較的實驗數(shù)據(jù)。 在加工檢驗鋼時，力幾乎比抗拉強度平均值大1.3倍，根據(jù)切削時實際最終剪切變形量推導(dǎo)出來的（見表1）。因此，這個系數(shù)是1.3。根據(jù)這個系數(shù)，應(yīng)變率可以高達106，使其可以適應(yīng)從抗拉試驗過渡到相對較低的對應(yīng)溫度，能夠引起屈服點平均值大量增加。 為了能同系溫度對變形系數(shù)的影響，應(yīng)變率相對變化如何影響加工不同材料時的屈服點是需要進行分析的。這些材料可以是鉛，鋁，或鋼。分析結(jié)果在圖3。 因此，切削變形系數(shù)和其他變形，例如抗拉試驗，不僅和應(yīng)力比率的變化有關(guān)，還和同系溫度變換有關(guān)。在現(xiàn)代機械加工中，切屑速度的差異均在一次方范圍內(nèi)。而與之相反的是，標(biāo)準(zhǔn)抗拉試驗的或壓力實驗的速度和切削加工的剪切速度相差八次方。變形速度的變化在一次方以內(nèi)（這個變化是不同加工過程的速度變化）可使變形系數(shù)從1.258變換到1.344。這個變形系數(shù)的影響可以被忽略。因此，在常規(guī)范圍內(nèi)的切削參數(shù)應(yīng)變系數(shù)和抗拉試驗的應(yīng)變系數(shù)是大約是108并且可以被設(shè)置為常數(shù)。因此，K e的值必須隨著同系溫度的升高而增大，這個系數(shù)可以同系溫度的次方關(guān)系式所表示： 3.2變形溫度的影響 根據(jù)在切屑形成區(qū)和楔斜面的正應(yīng)力的實驗數(shù)據(jù)，可以根據(jù)系數(shù)變化量推斷出存在硬化效應(yīng)的相同溫度情況下也存在著軟化效應(yīng)。例如，從圖2a中的可以推導(dǎo)出屈服點在實際斷點處成比例上升，而系數(shù)s t /S b隨實際抗拉強度或相應(yīng)的變形溫度的增加而減少。 C V是材料加工的體積比熱容系數(shù)。 圖四顯示在切削不同鋼溫度是如何影響平均屈服點的。用楔前刀面切削鋼時，在工具和切屑間的正應(yīng)力要比在切屑形成區(qū)處的正應(yīng)力低很多。在切屑形成區(qū)及塑形接觸區(qū)中正應(yīng)力平均值的比率可以根據(jù)加工材料斜面的屈服點值隨溫度增加而減少。這導(dǎo)致了正應(yīng)力在楔斜面分布不均勻，并涉及到溫度的增加。這就是溫度對切削加工屈服點的影響。 可以認為屈服點在低溫切削邊緣的堆積區(qū)B處的達到了最大值。因此，前面q0和后側(cè)面堆積區(qū)的屈服點最大值應(yīng)該比和大很多。 考慮到如今的測量技術(shù)，為什么會有如此大的值在非常小的堆積區(qū)B處以確定的的正應(yīng)力變化量表示，這個原因是非常難甚至不可能直接通過實驗確定的。然而，它可以由后側(cè)面的堆積區(qū)G建立的正應(yīng)力間接表示出，其中的變形條件和堆積區(qū)B處地相應(yīng)條件非常相似。切削C45鋼時發(fā)現(xiàn)在后側(cè)面堆積區(qū)G處發(fā)生這樣的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)堆積區(qū)G處地正應(yīng)力比切屑成區(qū)的正應(yīng)力要大。 在切削C45鋼時，進行對力和壓縮比的實驗檢驗，可以發(fā)現(xiàn)正應(yīng)力系數(shù)并不是常數(shù)，而是隨著斜面的算術(shù)切削溫度值或者P數(shù)減少而減少。 從實驗結(jié)果我們可以看出，如果加工條件不同，正應(yīng)力就會有非常大的變化。由于變形，應(yīng)變率，和溫度的影響，屈服點會有更大的偏離，這個偏離要比它的平均值的變化大得多。由于整個流動曲線的數(shù)學(xué)模型是十分復(fù)雜的，首先要做的是限制機械材料硬化規(guī)律檢測，為了能夠平衡變形和應(yīng)變率引起的硬化強度以及溫度引起的軟化強度。 4 切削加工材料流動曲線的理論性的確定 應(yīng)用應(yīng)力變形功的優(yōu)點不僅在于它和變形溫度有直接關(guān)聯(lián)，另一個優(yōu)點則是可以通過正應(yīng)力和實際最終剪切確定變形功。從這方面來看，通過經(jīng)驗常數(shù)確定變形溫度對屈服點的影響是可能的。 4.1確定絕熱條件下，切屑形成區(qū)的流動曲線 等式（2）將屈服點定義為一個含有三個獨立變量的函數(shù)：形變比： 應(yīng)變率比：，以及同系溫度比：。可以假定切削時應(yīng)變率比例和抗拉試驗應(yīng)變率比例是個常數(shù)并且接近108。變形系數(shù)可以作為關(guān)于同系溫度增量的函數(shù)，來描述這個比例。 在幾乎絕熱加工的變形條件下，同系溫度的增量可以由變形現(xiàn)行值組成，這個值是由正應(yīng)力功的現(xiàn)行值得出的，符合如下變形： 和剪切屈服點相比，加入正應(yīng)力功的優(yōu)點是應(yīng)力功可以根據(jù)試驗獲得的正應(yīng)力，實際抗拉強度和實際最終剪切而確定。和功Aw,t相反，屈服點不能直接根據(jù)切削實驗確定。將正應(yīng)力功作為機械材料變形條件參數(shù)加入，也可以從條件關(guān)系式中排除溫度和屈服點參數(shù)。 如果要考慮到（14）和（15），條件等式(2)也可以如下轉(zhuǎn)換： 正應(yīng)力功也可以如下定義： 將根據(jù)等式（18）計算出的應(yīng)力值和根據(jù)切削實驗測量力和切屑壓裂比率得出來的應(yīng)力值作比較。可以從中看出理論和實驗的一致。 抗拉試驗的應(yīng)力功是根據(jù)等式（10）定義的。根據(jù)單一載荷法則而推導(dǎo)出的這些值，和普通切削變形相一致，如果考慮到應(yīng)變率和溫度影響，這個值的差異就會非常大，要遠遠大于和實驗結(jié)果值的差異。合力和切屑壓裂率的實驗數(shù)據(jù)的使用更為合理（這些數(shù)據(jù)是為了直接確定實際剪切正應(yīng)力功），比描述流動曲線要合理得多。 根據(jù)比例（15），等式（18）可以根據(jù)確切削變形條件下的確立的流動曲線而有所不同，并考慮到應(yīng)變率和溫度的影響。 將切削和抗拉試驗中的流動曲線在以相同溫度，不同應(yīng)變率的情況下作比較，可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變率對屈服點有很大影響。 分析圖8可以看出，切削C45鋼時，當(dāng)前實際剪切中的變形和屈服點參數(shù)與最終剪切正應(yīng)力并沒有任何關(guān)系。其他研究者也得出了這個結(jié)論。從此看出，當(dāng)前屈服點和最大屈服點的不同僅僅只是平均值的不同。就變形而言，這個數(shù)據(jù)也顯示出流動曲線在切削和抗拉實驗中在很大范圍內(nèi)是不同的。因此，對不同加工材料而言，屈服點和最終變形的關(guān)聯(lián)可以增大，可以減小，或者保持恒定，這取決于這些材料是發(fā)生形變硬化還是溫度軟化。如果加工材料有相同的硬化和軟化強度，那么就可以得到屈服點最大值和相應(yīng)的剪切變形值。 4.2確定切屑形成區(qū)在等溫變形條件下的流動曲線 在靠近切屑形成區(qū)邊界的狹窄區(qū)域的集中變形處，硬化條件并不是必要的。由于變形的集中，屈服點不能大于最高溫度對應(yīng)的剪切力實際值： 狹窄區(qū)域集中變形現(xiàn)象和加工材料軟化現(xiàn)象可能會在很大程度上影響應(yīng)力功和正應(yīng)力在實際最終剪切的切削形成區(qū)中的相互關(guān)系。如圖9呈現(xiàn)了35Cr3MoNi鋼加工的例子。 跟據(jù)計算可知，在加工35Cr3MoNi鋼時，實際抗拉強度剪切屈服點比率可以在集中剪切值為時得到最大值。如果最終剪切，那么實際抗拉強度的屈服點比率就會穩(wěn)定在0.694。而與之相反的是如果最終剪切分別等于3和4，那么這個比率就會穩(wěn)定在0.593和0.544。因此，實際最終剪切的切屑形成區(qū)正應(yīng)力參數(shù)的減小，是由于狹窄區(qū)域集中變形時穩(wěn)定的屈服點處變形溫度所造成的。見圖10。 因此，材料在加工中抵抗塑性變形能力以及最終剪切如何影響切屑形成區(qū)的正應(yīng)力規(guī)律中的差異之間和這些因素有關(guān)聯(lián)，例如加工材料的硬化變形趨勢，屈服點B處的變形溫度影響以及抗拉強度等。 正應(yīng)力在切屑形成區(qū)的信息并不能充分地描述材料在加工中抵抗變形的能力。實驗結(jié)果（圖3中）表明，變形條件系數(shù)在變形區(qū)域由于不同的溫度分布而而呈現(xiàn)不同的值，即使最終剪切是常數(shù)，這個洗漱2也會隨著溫度平均值的增加而變化。 考慮到加工，能夠區(qū)別切屑形成區(qū)和堆積區(qū)B， G處的變形條件系數(shù)符號是很重要的：用于切屑形成區(qū)，而用于堆積區(qū)。因此同系溫度T=0.167的情況下，K通常約等于13，這是應(yīng)變不均勻分布的剪切區(qū)的特點。 4.3確定楔的斜面及側(cè)面堆積區(qū)處絕熱變形條件下的流動曲線 若溫度在堆積區(qū)B處是平均分配（見圖1）在T’=0.33處，變形條件系數(shù)可取得極大值。此時溫度的不均勻分配也會影響變形系數(shù)。因此屈服點參數(shù)q（指在堆積區(qū)B和G的當(dāng)前實際剪切中）可以由根據(jù)下面的這個等式用變形條件系數(shù)確定： 屈服點在切屑形成區(qū)和堆積區(qū)都有相似的公式（圖11）。加工C45鋼的實際剪力為時，可得到屈服點最大值 由等式（9）可知在切削形成區(qū)達到的屈服點的最大值僅僅取決于加工材料的常數(shù)。這些常量決定了材料在抗拉試驗中的強度特征，一種向硬化變形和應(yīng)變率的趨勢，還有是向溫度軟化的趨勢。因此，屈服點的最大值可以表述機械加工材料在切屑形成區(qū)的抵抗變形的普通特性。在堆積區(qū)B處，屈服點需要下列式子來確定更大的強化應(yīng)變率。由分式測溫： 在這些變形條件下，不斷變化的塑性變形抵抗力可以描述加工材料的特點。屈服點最大值用來描述材料抵抗堆積區(qū)B處塑性變形的特征。在處的鋼C45的實際最終剪切屈服點最大值達到了q=794Mpa，鋼C45具有和圖11實驗數(shù)據(jù)相符的機械特征。在加工C45鋼時屈服點最大值794Mpa，要比實際剪切抗拉強度高出1.76倍。 研究屈服點的分配和楔側(cè)面和倒角堆積處的熱流動密度對于計算工具側(cè)面的溫度是很重要的。確定屈服點在B和C邊界處的最大值也是同樣的重要。這個信息是用來計算溫度分布及屈服點的大小的，它們相互關(guān)聯(lián)，并楔斜面和切屑之間的區(qū)域C中存在塑形接觸。 5.結(jié)論 最終推導(dǎo)出的實驗結(jié)果，我們可以確定正應(yīng)力在不同加工條件下有很大的變化，這是由于變形，應(yīng)變力還有溫度的影響。如果質(zhì)量很大，它們還會影響其屈服點。 如果切削材料的硬化和軟化強度可以被抵消，變形則會位于切屑形成區(qū)中的一個狹窄區(qū)域，并會導(dǎo)致屈服點的變化，也會由于最終整個定位區(qū)域的最終溫度影響而減小。通過實驗可以證明屈服點在切屑形成區(qū)和堆積區(qū)中達到了最大值，堆積區(qū)的屈服點比切屑形成區(qū)更高。因為屈服點并不由加工條件所決定，所以可以將它作為加工材料的實際機械特性。為了確定這些機械特性，必須實施理論方法，可以作為熱機模型來確定加工材料的實際機械特性。 熱機模型可以從分別質(zhì)量和數(shù)量上解釋屈服點如何在多種加工條件下產(chǎn)生大范圍的變化。另外，加工工件的實際機械特征（需要通過已知的熱機模型來確定）可以用在大量的剪切材料模型。 10