塑性成形原理实验指导书

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1、第一章 塑性成形原理实验一 真实应力-应变曲线的测定一、实验目的：测定铝的静态（室温、低速）真实应力应变曲线。二、实验原理：在塑性成形力学分析中，真实应力应变曲线是不可缺少的重要参数，例如材料进入塑性状态。必须满足等效应力等于单向应力状态下的屈服应力。而这个应力是随变形温度、变形速度和变形程度而变化的。在一定温度、变形速度情况下，真实应力 随变形程度 的关系称为)(s真实应力应变曲线（也称硬化曲线） 。这里真实应力是指在单向应力状态下，任一瞬时作用在试件上的变形力 与该瞬时试件横截面积)(P之比：)(F-FPS/（1）真实应力应变曲线可通过单向拉伸；均匀镦粗试验获得或通过扭转等试验间接获得。由

2、于单向拉伸试验出现颈缩，变形程度爱到一定的限制，所以广泛采用均匀镦粗获得真实应力应变曲线。本实验采取以下措施：（1） 、上下压板经淬硬、回火、硬削和抛光；（2） 、试件尺寸比为 ；1/0RD（3） 、试件端面置浅坑，储存润滑剂 。 （4） 、试件每压下 10%时，重新涂润滑剂。 压缩时对数应变：- 1 -H0ln（2）压缩前试件高度0H压缩瞬时试件高度压缩时的真实力按平均压力计算：-（3）0FPS试件变形某一瞬时面积 ；试件变形前面积；0轴向载荷。P三、实验设备和仪器：实验是在材力试验机上进行（也可在锤上或曲柄压力机上进行） 。力和变形的测量采用传感器、应变仪。由 XY 记录仪记录变形和位移的

3、变化。二个传感器及 XY 记录仪简要说明见附录。四、实验步骤：- 2 -（1） 、精确测量试件原始尺寸 ， ；0DH（2） 、安装测力、测位移传感器并将其接入动态应变仪，再将应变仪输出端接入 XY 记录仪；（3） 、标定传达传感器（可直接用标定曲线） ；（4） 、将试件上下端涂润滑剂（石腊） ，放在试件压板之间；（5） 、加压变形，每变形H= mm 卸载，重涂润滑剂；（6） 、再加压直至所需变形程度；（7） 、XY 记录仪记录变形过程。五、实验记录：（1）试件尺寸：mm0DmmH(2)标定曲线：P)(yfH )(xfP（3）XY 记录曲线 ：- 3 -六、实验报告：实验报告先根据 XY 记录曲

4、线，选定几个变形瞬时，由标定曲线计算 S 及 ，再根据 S 绘制真实应力应变曲线。- 4 -附 录一、测力传感器及其标定曲线采用自制测力传感器进行压力测定。测力传感器的弹性元件用 40 Cr 钢制成柱形。弹性元件的布片和接桥方法如图 1 所示。图 1将测力传感器接入动态应变仪，函数记录仪测试系统，材料实验机上进行标定。根据测量范围分级加载，加载一次记录对应的数值，然后依次卸载，即完成一次标定。根据精度要求，可做几次标定，标定曲线如图 2，即 PX 曲线（吨一毫米） 。X 为记录仪笔录高度（毫米） 。0 90 180 270 360 - 5 -图 2二、位移传感器及其标定曲线小位移的确定，采用自

5、制等截面悬梁式位移传感器。由材料力学可知，在比例极限内，等截面悬梁自由端的挠度关系式为：（图3） 023hxLH图 3测得 c 处应变值； 0梁的厚度；h梁自由端至固定端的距离；L从自由端至被测处距离。x因此，当确定 L、h、x 后，即可通过应变片测出 ，进而求得相应的H 值。0- 6 -将位移传感器的悬梁弹性元件上贴片接入动态应变仪、记录仪系统，置于专用的标定装置上（图 5） ，用千分表进行标定。做出HY 标定曲线，如图 4。Y 为记录仪笔录高度。图 4图 5 为专用的标定装置简图。图 5三、XY 函数记录仪该函数记录仪是一种通用的笔式自动记录器，可以同时输入两个具有函数关系的变量信号，使记

6、录笔按函数关系沿直角坐标的 X 轴和 Y 轴运动，在记录纸上- 7 -描绘出两变量间的函数关系曲线 （同时还可以记录某一变量的时间历程）)(xfy。其工作原理如图 6 所示。由于记录仪具有衰减器，可记录的信号电压达到几毫伏至三百伏的范围。该记录仪即可记录电量的函数关系曲线，也可配合传达感器测量和记录非电量的函数关系曲线。常用的 LZ3 系列的函数记录仪作 y=f(x)记录时，x 轴方向的记录幅面为300 毫米，y 轴方向为 250 毫米。当 y 轴的满量程为 12.5 毫伏（x 轴为 15 毫伏）时，LZ3 系列函数记录仪的记录幅值灵敏度可达 20 毫米/毫伏。LZ3 系列函数记录仪在直接输入

7、时，静态指标误差仅为 0.5%（通过衰减器时，附加误差为 0.3%） 。它的记录速度快，记录笔在 y 轴方向的全行程时间仅为 0.5秒，在 x 轴方向为 0.60.8 秒。测定真实应力应变曲线时的测试线路框图如图 7。M-直流伺服电机G-测速发电机图 6- 8 -图 7(X-Y 记录仪使用说明见说明书)实验二 摩擦因素的测定一、实验目的：测定塑性变形过程中的摩擦因素。二、实验原理：摩擦对塑性变形有很大的影响。由于摩擦使变形力和变形功增加，使模具磨损，工件不均匀变形，这不仅降低模具寿命，而且影响产品质量。但也正由于摩擦才能充满模膛，咬入金属（轧钢时）有利于塑性成形，所以准确地测定摩擦因素就很有必

8、要。测定摩擦因素的方法很多，如夹钳轧制法、锥形锤头法、钢球压入法、园柱镦粗法，但因影响因素很多，变形过程又不稳定，各种方法测定之摩擦因素出入很大。圆环镦粗法是六十年代提出的较好的测定方法。园环镦粗法的理论- 9 -根据是短环镦粗某瞬时存在一个分流层，这个分流层的位置根据塑性力学中总能量最小大批量推得，结果是：当 时140200 )/(31ln)/1(2LRRHmii 202104)(12/3RxxiiN式中： )(ep00Hmii当 时：1L30220 13)(1)(3LHRmRHiiiN 及式中各参数见图 1。在推导过程中采用、L1摩擦不变条件。sm3图 1根据 及 求得 的2L3NR- 1

9、0 -位置。我们知道 的位置仅与试件几何尺寸及 m 有关。如能测定NR的位置，则可决定摩擦因素。但直接试验确定 的位置是比NR NR较困难的，人们根据体积不变条件（不考虑鼓肚）将 的变化转化成内径变化来测定摩擦因素 m.转换公式： iNi LhRHR220)(0220 _)(iN三、理论校准曲线绘制：应用这种方法，需要准确的理论校准曲线。该曲线可根据电算结果整理得出。电算框图如图 2。19.5 试件原始内径39 试件原始外径0.665 这形步长,由 0.1 到 10.1m 步长由 B3 到 4.665否是- 11 -开始说明0 . 1 m1 9 . 5 R i3 9 R 01 3 . 3 Hm

10、 L 1L 2 R N L 2 R N 计算 L 4 R iL 5 R 0M + 0 . 1 mM 4 . 6 6 5H 0 . 6 6 5 H打印 R i R 0 m H R N关闭宽行结 果图 2电算时，选定 m 取某一瞬时， ( 为步长)，变形尺寸为hH前一阶段的变形尺寸 ，变形后尺寸可根据式Ri-0、计算出来，这个值即作为下一个瞬时的原始尺寸，54321LL、循环直至我们所需的尺寸。- 12 -根据电算结果绘制 曲线（图 3） 。%),(dfm图 3 X-X 纯铝-工具钢无润滑情况实验点四、试件、实验用设备、仪器：试件：材料：铝、铅、紫铜尺寸： 0RiH1:36:0HRi实验设备：10

11、0T 材力试验机，实验仪器，游标卡尺。五、实验步骤：（1） 、测量试件尺寸，填入实验报告中；（2） 、注明润滑条件。本实验分涂黄油和用丙酮清洗上下模具表面两组；（3） 、将试件装在模具间逐次变形，每次变形量约为 5%，变形后卸载测量试件高度、内径、外径，测量时，高度及外径取三点，内径上、中、下取九点。（4） 、整理实验结果，绘制%di %n0.10.40.30.20.50.60.70.80.9- 13 -与 曲线（ 与 曲线可直接绘入图 3） ；%din%ndi（5） 、根据实验结果与理论校准曲线对照决定 m 。六、实验记录： 0DihH实验润滑情况试件原始尺寸七、实验结论：本次实验 m =

12、（注明什么条件）八、讨论：（1） 、园环镦粗法测定 m 有什么优点？有什么缺点？（2） 、园环镦粗为什么采用短园环？你能解释吗？（3） 、你对本实验有什么新的想法？140N0D均0上id中i下id均ib b 均 hiD%ndi123415实验三 圆柱体镦粗时接触面上正应力分布实验一、实验目的：测定圆柱体试件镦粗时，接触面上正应力分布，校验理论计算公式。二、实验概述：由理论分析可知，圆柱体试件镦粗时，接触面上正应力分布可能是指数曲线、直线和抛物线的组合，与它们对应的摩擦条件是库伦摩擦条件、最大摩擦力条件及摩擦力按直线下降到中心为零的条件。这三种曲线的组合根据 及 不同可有五种组合：hb1 ，任何

13、 情况下，正应力分布是水平线，其值为：0D（图 1a）1sz2 ，正应力分布按一段抛物线，其值为：,（图 1b） 。 。 。 。224xhsz3当 ，0 0.5 时，正应力分布由两段组成，a 段指数、1a曲线、b 段抛物线，正应力分布计算公式为：在 a 段： 。 。 。 。 。 。 。3hxdsz5.02exp在 b 段: .4)1(2cz式中: 2nl粘制区和滑动区分界点的应力(图 1c)。c4当 ， ，正应力分布也由两段组成，图 1d。0hDA 段是直线，b 段是抛物线，正应力分布计算公式为：A 段： 。 。 。 。 。 。 。5)5.1(xszB 段： 。 。 。 。 。 。 。 。 。

14、 。 。62hsczz0 xsz0.5 sc16图 1a图 1b图 1c)21(0hs 3241xDhsz21hxczdacsL)(ephxdJsz )5.0(2expssJcxD5.0C D5.017.图 1d粘制 制动 滑动图 1e5.当 ， 时，应力分布由三段组成，a 段是指数曲线，)1(2hD5.0b 段是直线，c 段是抛物线。正应力分布计算公式为：a 段： hxDszbd )(expb 段： bszcc 段： 25.0hxszb本实验根据实验一测定之真实应力，实验二测定之磨擦系数，按试件尺寸可决定属于何类正应力分布即理论应力分布曲线，然后根据实测数据与理论曲线对比，校验理论计算结果。正应力分布实测采用电测法。三、实验设备、模具、仪器及试件：21hxsczDsc )5.01(hxssnx0.5D0.5 s0.50.5 s 250hD0 25.0hxSCZbbaspJsZ)(exs05.)1(25.0exphDJhabsbcs18圆柱镦粗接触面上正应力分布实验在 100 吨材料试验机上进行，