Page 48 - 理化检验-物理分册2024年第四期

关意鹏, 等: 基于冲压剪切的剪应力影响因素试验

验机上进行剪切试验。图2为剪切模具外观, 试样
放在凹模上, 在凸模与凹模的共同作用下完成剪
切 [ 4 ] 。图3为剪切前的试样外观,图4为剪切后的

试样外观。

图1 剪切瞬间产生裂纹过程示意
首先在凹模刃口5产生, 继而在凸模刃口4产生, 随
着凸模3的进一步压入, 两裂纹向材料深处扩展, 当
间隙在合理范围时, 上下两条裂纹重合, 当上下两条
裂纹位于一条直线上时, 材料完全分离。这种状态
图2 剪切模具外观
的剪切使整个断面都属于剪切分离, 上下两条裂纹
重合于同一条直线上, 即为最大剪应力状态。按照
三角函数的定义, 可以推导出式( 1 )。
/

C= t ( 1- h 0t ) t g β ( 1 )
抗剪强度为最大剪应力状态下的剪应力, 源于
凸模刃口和凹模刃口的剪切力必须在单边间隙合理
的条件下才会重合于同一条直线上。

2 影响剪应力的因素 图3 剪切前的试样外观

式( 1 ) 是在最大剪应力状态下推导出来的, 其中

凸、 凹模单面间隙 C 是确定的, 间隙是由 GB / T

16743 — 2010 《 冲裁间隙》 的表4中II 类间隙中间值
查得。间隙与材料厚度有关, C / t 为相对间隙。模
具设计中凸、 凹模单面间隙C 决定了剪切时是否为

最大剪应力状态。
从式( 1 ) 可推断出影响最大剪应力状态的因素 图4 剪切后的试样外观
、 最大剪应力方向角
有: 相对间隙C / t 、 压痕深度h 0 设置3种不同的剪切速率, 在指定间隙下分别
度 。这 3 个因素与试样的材料性质、 材料硬化程 对IF250P1 、 HC420LA 、 SP221钢板进行剪切试验,
β
是最大剪应力状
度、 材料厚度等有关。抗剪强度 τ b 每种试验进行 5 次, 取平均值。 3 种剪切速率下的
态下的强度, 其数值等于最大剪应力状态下的最大 剪切试验结果如图5和表1所示。由图5可知: 在
其他条件不变的情况下, 剪切速率越大, 剪应力
剪切力除以受剪面积。影响抗剪强度的因素共有5
个, 即材料性质、 材料硬化程度、 材料厚度、 剪切速 越大。
率、 相对间隙, 其中前 3 个因素是由材料属性决定
的, 后两个因素是试验的外部条件 [ 1-2 ] 。
理论上来说, 随着塑性变形速率的增大, 金属材
料的强度提高, 塑性降低, 而这个特性是金属材料本
身的固有属性, 当剪切速率增大时, 剪应力也会增
大。另外, 当相对间隙增大时, 剪切过程处于非最大
剪应力状态, 剪应力减小 [ 3 ] 。以下通过剪切试验来
验证剪切速率、 相对间隙对剪应力的影响。

3 剪切速率对剪应力的影响 图5 3种剪切速率下的剪切试验结果

制作剪切试验模具, 制备好试样, 在材料万能试
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