Новости и события

Что влияет на силу сдвига металла? Связь с материалами

На величину и эффект силы сдвига листового металла влияет множество факторов. Для силы сдвига на металлических листах основными влияющими факторами являются свойства материала, геометрические размеры, процесс сдвига и внешние условия. Ниже приведены основные факторы, которые влияют на силу сдвига.

1. Какие факторы влияют на силу сдвига металла?

Сила сдвига, которую может выдержать металл, зависит от множества факторов, которые включают как свойства материала, так и внешние условия. Вот некоторые из ключевых факторов:

1) Прочность на сдвиг

Прочность на сдвиг металлического листа относится к максимальному напряжению сдвига, которое может выдержать металлический лист при сдвиге. Прочность на сдвиг металлического листа очень важна в процессах обработки и производства металла, таких как резка, штамповка, растяжение и формовка.

Прочность на сдвиг металлического листа обычно тесно связана с типом, толщиной, состоянием обработки и состоянием поверхности материала. В общем случае прочность на сдвиг металлического листа ниже его прочности на растяжение, но для процесса обработки понимание его прочности на сдвиг помогает определить силу сдвига, необходимую в реальном процессе.

Прочность на сдвиг обычных металлических материалов:

Низкоуглеродистая сталь: предел прочности на сдвиг составляет около 250–300 МПа.
Высокопрочная сталь (например, прочная сталь и легированная сталь): высокая прочность на сдвиг, до 400–600 МПа.
Алюминиевый сплав: прочность на сдвиг около 150–250 МПа.
Нержавеющая сталь: предел прочности на сдвиг составляет около 300–450 МПа.
Медь и ее сплавы: предел прочности при сдвиге около 150 МПа.

Прочность листового металла на сдвиг является ключевым параметром свойств материала, который определяет поведение материала при сдвиге во время обработки. Понимая прочность на сдвиг, можно эффективно управлять проектированием и оптимизацией производственного процесса, чтобы обеспечить плавную обработку и сократить отходы материала.

Материалы с высокой прочностью на сдвиг (например, высокопрочная сталь, закаленные сплавы и т. д.) обычно требуют большего усилия сдвига.
Материалы с низкой прочностью на сдвиг (такие как алюминий, медь и т. д.) требуют меньшего усилия сдвига.

2) Толщина пластины

Толщина листа напрямую влияет на величину силы сдвига. Чем толще лист, тем больше сила, необходимая для сдвига.

- Увеличенная толщина, увеличенное усилие сдвига:

Из формулы видно, что чем больше толщина t, тем больше требуемая сила сдвига F. Так как в процессе сдвига сила сдвига действует на всю толщину листа. Следовательно, чем толще лист, тем больше требуемая сила сдвига.

Например, если толщина листа увеличится с 5 мм до 10 мм, усилие сдвига увеличится примерно вдвое.

- Линейная зависимость между усилием сдвига и толщиной:

В большинстве случаев сила сдвига линейно связана с толщиной листа. Если предположить, что другие условия (такие как ширина и прочность листа на сдвиг) остаются неизменными, то требуемая сила сдвига будет примерно удваиваться при каждом удвоении толщины.

3) Длина сдвига

Влияние длины сдвига на силу сдвига аналогично толщине пластины и также играет ключевую роль. Длина сдвига относится к длине материала, контактирующего с инструментом в процессе резки, которая обычно равна ширине металлической пластины. Она определяет общую площадь материала, срезаемого в процессе обработки, что в свою очередь влияет на требуемую силу сдвига.

Линейная зависимость между силой сдвига и длиной сдвига:

Сила сдвига линейно связана с длиной сдвига. То есть, если другие условия остаются неизменными, требуемая сила сдвига будет примерно удваиваться при каждом удвоении длины сдвига.

Например, если длина сдвига увеличится со 100 мм до 200 мм, требуемое усилие сдвига также увеличится вдвое.

4) Сдвиговой зазор

Размер зазора:

Слишком маленький или слишком большой зазор сдвига повлияет на силу сдвига. Соответствующий зазор может уменьшить силу сдвига и улучшить качество сечения сдвига.

Равномерность зазора:

Неравномерные зазоры могут привести к увеличению локальных сдвигающих усилий, что повлияет на эффект сдвига.

5) Угол наклона лезвия ножа

Угол сдвига:

Соответствующий угол сдвига металла может уменьшить силу сдвига. Чем больше угол сдвига, тем более рассеянной является сила резания во время процесса сдвига, тем самым уменьшая мгновенную силу сдвига.

Острота лезвия:

Чем острее лезвие, тем меньше сила сдвига. Затупление лезвия увеличит силу сдвига листового металла.

6) Скорость сдвига

Влияние скорости сдвига на силу сдвига является важным фактором в металлообработке, особенно при высокоскоростной резке и обработке. Скорость сдвига относится к относительной скорости режущей кромки во время операции сдвига, обычно к скорости движения инструмента или стола.

В процессе сдвига величина силы сдвига зависит не только от природы и толщины материала, но и от скорости сдвига. Влияние скорости сдвига на силу сдвига обычно нелинейно, а конкретные факторы влияния зависят от множества факторов, таких как тип материала, температура, метод обработки и т. д.

Влияние скорости сдвига на силу сдвига:

В процессе сдвига увеличение скорости сдвига будет иметь различные эффекты на усилие сдвига, которые в основном отражаются в следующих аспектах:

– Температурный эффект

Высокая скорость сдвига вызовет локальное повышение температуры, поскольку поверхность материала будет испытывать большее трение и пластическую деформацию во время высокоскоростной резки, генерируя больше тепла. Это повышение температуры приведет к снижению прочности металлического материала, что в свою очередь уменьшит силу сдвига.

– Нагрев металла

Например, такие материалы, как алюминий и сталь, теряют свою прочность на сдвиг при высоких скоростях сдвига, особенно при высоких температурах, материал становится мягче, а усилие сдвига уменьшается. С другой стороны, низкие скорости сдвига могут привести к меньшему накоплению тепла и относительно высокому усилию сдвига.

– Динамический эффект и инерция

При высокой скорости сдвига в области сдвига материала будут возникать динамические эффекты, включая упругую реакцию и пластическое течение материала. При высокоскоростном сдвиге скорость реакции материала может быть более чувствительной, чем при низкоскоростном сдвиге, что может привести к нестабильности или мгновенным колебаниям силы сдвига.

Эффект инерции: При высокоскоростном сдвиге материал может мгновенно испытывать вибрацию или концентрацию напряжений из-за инерции, что повлияет на стабильность усилия сдвига.

– Пластическое течение и текучесть материалов

При высокой скорости сдвига пластические характеристики течения материала в зоне сдвига изменятся, и усилие сдвига может измениться. Из-за увеличения скорости пластической деформации в зоне сдвига при более высоких скоростях предел текучести материала может уменьшиться, что приведет к уменьшению усилия сдвига.

При высокоскоростной резке некоторых материалов (особенно металлов) в процессе сдвига могут возникать различные виды разрушения, такие как локальное плавление или микротрещины в зоне сдвига, что влияет на усилие сдвига.

Количественный анализ скорости сдвига по силе сдвига:

Связь между скоростью сдвига и силой сдвига не является простой линейной зависимостью, а зависит от совокупного влияния свойств материала, температурных эффектов и методов обработки. Как правило, сила сдвига имеет тенденцию к уменьшению при высоких скоростях сдвига, но конкретная степень воздействия зависит от следующих факторов:

– Тип материала

Различные материалы имеют различную температурную чувствительность. Высокие скорости сдвига оказывают большее влияние на некоторые мягкие металлы (такие как алюминий и медь) и меньшее влияние на некоторые твердые металлы (такие как закаленная сталь).

– Температура сдвига

В процессе сдвига более высокие скорости сдвига приведут к повышению локальной температуры, тем самым снижая прочность материала и уменьшая усилие сдвига.

– Метод резки

Влияние высокоскоростной резки различно в таких процессах, как лазерная резка, резка на ножницах и штамповка. Например, при лазерной резке усилие сдвига будет значительно снижено из-за высокой температуры, создаваемой лазером.

– Износ инструмента

При высокоскоростной резке время контакта инструмента с материалом сокращается, что снижает степень износа инструмента, но может также вызвать проблемы с качеством поверхности материала.

Регулирование скорости сдвига в практических применениях:

В реальном процессе обработки подходящая скорость среза выбирается в соответствии с необходимостью оптимизации усилия среза и качества резки:

– Высокая скорость сдвига

В высокоскоростных процессах обработки, таких как лазерная резка и лазерная маркировка, обычно необходимо увеличить скорость обработки для повышения эффективности производства. В то же время из-за повышения температуры материала усилие сдвига часто ниже. Подходит для материалов, требующих высокого качества режущей кромки и выдерживающих повышение температуры.

– Низкая скорость сдвига

При обычной механической резке (например, штамповке, режущая машина), скорость обычно низкая, а сила сдвига большая. Это подходит для ситуаций с высокими требованиями к качеству и точности резки.

Влияние скорости сдвига и температуры материала:

Скорость сдвига тесно связана с температурным эффектом материала, особенно при резке на высокой скорости, повышение температуры поверхности материала может повлиять на прочность на сдвиг и режущие характеристики материала. Для некоторых материалов (например, алюминиевых сплавов) усилие сдвига будет значительно снижено во время высокоскоростной резки из-за повышения температуры и размягчения материала. Для некоторых материалов высокой твердости (например, инструментальной стали) изменение усилия сдвига может быть небольшим.

Высокая скорость сдвига обычно приводит к уменьшению силы сдвига, в основном из-за совокупного эффекта таких факторов, как повышение температуры, размягчение материала и усиленное пластическое течение. Низкая скорость сдвига может привести к большей силе сдвига, поскольку материал имеет более высокую прочность на сдвиг, а процесс деформации происходит медленнее.

В процессе обработки металла оптимизация скорости сдвига является важным средством повышения эффективности производства, снижения потребления энергии и продления срока службы инструмента. Поэтому при выборе скорости сдвига необходимо комплексно учитывать такие факторы, как характер материала, требуемое качество резки, производительность оборудования и эффективность производства.

7) Методы и инструменты резки

Одинарный разрез против множественных разрезов:

Для некоторых материалов может потребоваться несколько пошаговых разрезов для завершения всего процесса резки, что может снизить усилие, необходимое для каждого разреза.

Форма и материал инструмента:

Форма режущего инструмента (например, угол изгиба лезвия, острота кромки) и материал (например, закаленная инструментальная сталь) напрямую влияют на усилие сдвига.

8) Смазка и трение

Смазка:

В процессе резки смазка может уменьшить трение между лезвием и поверхностью материала, уменьшить усилие сдвига и повысить эффективность резки.

Трение:

Высокое трение приведет к увеличению усилия сдвига, поскольку силе трения придется преодолевать большее сопротивление, что увеличивает потребление энергии в процессе сдвига.

9) Температура материала

Влияние температуры на прочность на сдвиг:

При высоких температурах прочность на сдвиг металлов, как правило, ниже, поэтому и усилие сдвига меньше. Наоборот, при низких температурах прочность на сдвиг материала выше, и требуется большее усилие сдвига.

Горячая резка:

Некоторые процессы металлообработки, такие как горячая резка, нагревают металлический лист, чтобы снизить его прочность на сдвиг, тем самым уменьшая усилие сдвига.

10) Кристаллическая структура материалов

Кристаллическая структура металлических материалов влияет на их прочность на сдвиг. Например, когда зерна металла мельче, их прочность на сдвиг выше и требуется большее усилие сдвига. Дефекты решетки металла (такие как дислокации) также влияют на усилие сдвига.

11) Пластичность и твердость материалов

Материалы с лучшей пластичностью (такие как медь и алюминий) обычно легче режутся, чем материалы с более высокой твердостью (такие как твердая сталь). Поэтому более пластичные материалы могут потребовать меньшего усилия сдвига.

Материалы с более высокой твердостью (например, высокопрочная сталь, твердый сплав и т. д.) обычно имеют более высокую прочность на сдвиг, что приводит к необходимости приложения большего усилия сдвига.

12) Предварительная обработка материала (например, отжиг, закалка и т. д.)

Отжиг:

Отжиг делает металлический материал мягче и снижает его прочность на сдвиг, тем самым уменьшая усилия сдвига.

Закалка:

Металлические материалы, подвергнутые закалке (например, закалке), тверже и имеют более высокую прочность на сдвиг, поэтому для их резки требуется большее усилие сдвига.

В целом, сила сдвига является результатом множества факторов. В реальной обработке следует выбирать соответствующие условия сдвига в соответствии со свойствами материала и требованиями к обработке для получения идеальных эффектов сдвига.

2. Связь между усилием сдвига и свойствами листового металла

Существует тесная связь между усилием сдвига и свойствами листового металла, в основном отраженная в прочности на сдвиг, твердости, пластичности и других аспектах материала. Физические и механические свойства различных материалов напрямую влияют на их поведение при сдвиге и требуемое усилие сдвига. Давайте подробно рассмотрим связь между усилием сдвига металла и свойствами материала.

Прочность на сдвиг:

Прочность на сдвиг — это максимальное сопротивление металлического листа в состоянии сдвига, указывающее критическое напряжение, при котором материал начинает разрушаться под действием силы сдвига. Чем больше прочность на сдвиг, тем больше сила сдвига.

Различные металлические материалы имеют разную прочность на сдвиг. Например, сталь обычно имеет более высокую прочность на сдвиг, чем алюминиевые сплавы.

Толщина материала:

Чем толще пластина, тем больше сила сдвига. Это происходит потому, что сила сдвига, необходимая для толстых пластин, пропорциональна толщине.

Длина сдвига:

Чем дольше лезвие ножниц находится в контакте с металлической пластиной, тем больше сила сдвига. Большая длина сдвига означает большую площадь сдвига, что требует большей силы сдвига для преодоления прочности материала на сдвиг.

Способность листового металла противостоять сдвиговым усилиям зависит от сочетания свойств материала (таких как прочность на сдвиг, прочность на растяжение, твердость и пластичность) и внешних факторов, таких как толщина, структура зерна и состояние поверхности. Более толстые, твердые и прочные материалы, как правило, будут противостоять более высоким сдвиговым усилиям, в то время как более мягкие, более пластичные материалы будут деформироваться легче. Соотношение между этими факторами играет решающую роль в таких процессах, как резка, штамповка и формовка листового металла.

3. Заключение

На силу сдвига металлических пластин влияет множество факторов, в том числе:

Прочность материала на сдвиг.
Толщина пластины и длина сдвига.
Острота, конструкция и угол наклона лезвия.
Температура, скорость сдвига и условия смазки.
Предварительная обработка и твердость материала.

На практике оптимизация этих факторов (например, выбор подходящего инструмента для резки, регулировка скорости резки и разумный нагрев материалов) может эффективно снизить усилие сдвига металла, повысить эффективность резки и качество обработки.

Статьи по Теме: