提高棒料下料斷面質(zhì)量途徑探討

鐘 瑋，趙升噸，王澤陽，董淵哲，景 飛

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

提高棒料下料斷面質(zhì)量途徑探討

鐘 瑋，趙升噸，王澤陽，董淵哲，景 飛

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

棒料剪切法下料是機(jī)械行業(yè)的主要下料方法，但在剪切時(shí)易出現(xiàn)斷面傾斜、壓塌、不平度等缺陷，如何降低這些缺陷尚需詳細(xì)探討。本文分析了棒料剪切過程中影響斷面質(zhì)量的幾個(gè)重要因素，如材料自身性質(zhì)、剪切溫度、剪切速度、應(yīng)力狀態(tài)等。針對(duì)這些因素提出相應(yīng)提高斷面質(zhì)量的方法，發(fā)現(xiàn)剪切斷面質(zhì)量好壞與被剪材質(zhì)自身機(jī)械性能及微觀組織有直接關(guān)聯(lián)。藍(lán)脆溫度下料是利用鋼的藍(lán)脆效應(yīng)剪切棒料，在藍(lán)脆溫度區(qū)間鋼的脆性增加使材料趨向脆性斷裂；高速剪切下料是利用材料自身韌性與剪切速度的關(guān)系，在最優(yōu)剪切速度，一般為5m/s-7m/s時(shí)剪切下料以獲得較好的斷面質(zhì)量；表面缺口應(yīng)力集中下料方式是通過提前在棒料上預(yù)制V型槽使棒料因應(yīng)力集中發(fā)生脆性斷裂。上述方法均能獲得較好的斷面質(zhì)量。

剪切下料；棒料；斷面質(zhì)量；材料硬脆性

在加熱和鍛造之前，將原材料切成所需長(zhǎng)度或所需幾何尺寸的工序就稱作下料。下料是機(jī)械加工的第一道工序，無論是長(zhǎng)的棒料、管材還是型材在制成零件時(shí)，都需要先將它們分離成單個(gè)的坯料才能進(jìn)行下一步的工序。工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在著金屬棒料的精密下料問題，如各種金屬鏈條銷、金屬標(biāo)準(zhǔn)件、軸承等零件，棒料下料質(zhì)量的高低直接影響零件的制造精度、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)成本[1-2]。普通剪切雖生產(chǎn)效率高，但是存在斷面質(zhì)量差、下料合格率低等顯著缺點(diǎn)；隨著冷擠壓、冷模鍛、精密鍛造和精密輾壓等新工藝的發(fā)展及應(yīng)用，原有的下料方法已不能滿足發(fā)展需求，為此有必要對(duì)精密剪切技術(shù)進(jìn)行深入研究，尋找提高棒料下料斷面質(zhì)量硬脆性的合理途徑。

1 棒料普通下料方法

1.1 不同下料方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

常用下料方法可以分為三類：鋸床下料、車床切削下料、剪切下料。其中鋸床下料雖可獲得精度較高的坯料，但鋸縫處材料的損耗大，生產(chǎn)效率較其他兩種下料方法要低。車床切削下料所獲得的毛坯精度很高，但材料浪費(fèi)情況較嚴(yán)重，而且由于表面刀具切痕的存在，會(huì)對(duì)今后的成型工藝帶來隱患，所以對(duì)毛坯精度要求不高的場(chǎng)合下一般不采用[3]。普通剪切下料方法生產(chǎn)毛坯，雖然具有生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)單和斷口無金屬損耗等優(yōu)點(diǎn)，但也存在剪切后斷面質(zhì)量較沖床下料和切削加工方法下料差的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：在剪切過程中總是伴隨有宏觀塑性變形，造成剪切件的幾何畸變，即出現(xiàn)塌角（塌頭）。同時(shí)在剪切過程中，被剪棒料承受動(dòng)靜剪刀刃中的剪切力，且會(huì)在其作用下產(chǎn)生向下的彎曲，造成該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力增加，這種較大的局部接觸造成該處的金屬產(chǎn)生塑性變形，變形過程中金屬一方面沿剪切面橫向流動(dòng)，使剪切毛坯截面塌陷，同時(shí)變形金屬沿軸向流動(dòng)，使被剪坯料局部伸長(zhǎng)[4]，如圖1所示。

圖1 棒料下料時(shí)橢圓度缺陷

經(jīng)過這種變形后，被剪下的坯料就形成了如圖2所示形狀，即“馬蹄形”。其次，由于裂紋的擴(kuò)展方向難以控制，導(dǎo)致斷面傾斜。這些問題在圓棒剪切中尤其突出，產(chǎn)生諸如傾斜度、壓塌、橢圓度和不平度等缺陷。當(dāng)然，在剪切斷面還伴隨有毛刺和裂縫。

上述缺陷是影響金屬棒料下料過程中斷面質(zhì)量的主要因素，如何解決對(duì)于提高斷面質(zhì)量意義重大。塑性加工所需的坯料，其直徑通常較大而長(zhǎng)徑比又比較小，因而切面占全面積的比例大，而承受剪切載荷的面積卻較小。從材質(zhì)來看又多為中、低碳鋼，塑性較好，再考慮到圓棒料橫截面各處的剪切高度不一，所有這些必然造成剪切區(qū)的應(yīng)力分布極不均勻、應(yīng)力水平高、裂紋擴(kuò)展路徑長(zhǎng)、擴(kuò)展方向嚴(yán)重偏斜和擴(kuò)展穩(wěn)定性差，從而帶來剪切質(zhì)量方面的問題，也為大幅度提高剪切質(zhì)量帶來很大困難[5]。

圖2 棒料下料時(shí)“馬蹄形”斷面缺陷

1.2 影響棒料下料斷面質(zhì)量的主要因素

剪切過程中出現(xiàn)的如傾斜度、壓塌、橢圓度和不平度等缺陷是衡量棒料斷面剪切質(zhì)量高低的技術(shù)指標(biāo)，而這些指標(biāo)都和材料本身的斷裂韌性有關(guān)[5]。對(duì)于碳鋼來說，鋼中碳的含碳量對(duì)鋼的性質(zhì)有決定性影響，含碳量的高低會(huì)影響鋼的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能，而這些力學(xué)性能對(duì)于斷面質(zhì)量有著直接影響。

剪切斷面質(zhì)量同剪切速度密切相關(guān)，目前關(guān)于高速剪切尚沒有一個(gè)明確的定義，一般認(rèn)為當(dāng)剪切速度達(dá)到4.5m/s以上即可獲得滿意的斷面質(zhì)量[6]。對(duì)大多數(shù)材料來說，提高剪切速度可以改善毛坯的斷面質(zhì)量，但并不是說速度越高越好，對(duì)于速度敏感性較差的材料來說，提高加載速度不僅對(duì)剪切質(zhì)量的貢獻(xiàn)不大，而且容易產(chǎn)生溫度效應(yīng)；即使是對(duì)速度敏感性較好的材料，材質(zhì)不同，其最佳加載速度也不盡相同[7]。

剪切斷面質(zhì)量同材料力學(xué)性能也相關(guān)甚大，材料的力學(xué)性能是隨溫度變化而變化的，一般隨著溫度降低，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著增高，而塑性和韌性下降，特別是材料的韌性對(duì)溫度尤其敏感。甚至對(duì)于沖擊值存在著一個(gè)溫度區(qū)間，在此溫度范圍內(nèi)，沖擊值急劇變化，產(chǎn)生由全塑性到無塑性的轉(zhuǎn)變。

2 提高材料硬脆性改善下料斷面質(zhì)量

棒料的剪切過程可以分為彈性變形、塑性變形、裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展直至失穩(wěn)斷裂幾個(gè)階段。提高棒料剪切質(zhì)量的關(guān)鍵在于減少棒料剪切區(qū)的塑性變形引發(fā)的塌陷、加快裂紋的產(chǎn)生和控制裂紋的擴(kuò)展方向，保證斷面平整和無傾斜的斷裂。影響棒料剪切斷面質(zhì)量的因素很多，主要有剪切溫度、剪切速度、剪切間隙和受力狀態(tài)等，通過分析上述性能指標(biāo)與下料時(shí)剪切斷面質(zhì)量的關(guān)系，探討提高棒料下料時(shí)斷面質(zhì)量的途徑。

2.1 材質(zhì)硬脆性

剪切過程中出現(xiàn)的如傾斜度、壓塌、橢圓度和不平度等缺陷是衡量棒料斷面剪切質(zhì)量高低的技術(shù)指標(biāo)，而這些指標(biāo)都和材料本身的化學(xué)成分、微觀組織以及塑性、硬度等機(jī)械性能密切相關(guān)。

例如：對(duì)于碳鋼來說，鋼中碳的含量對(duì)鋼的性質(zhì)有決定性影響。對(duì)低碳鋼來說，由于低碳鋼的退火組織為鐵素體和少量珠光體，因此具有含碳量低、強(qiáng)度低、塑性大、伸長(zhǎng)率和沖擊韌性高等特點(diǎn)，剪切時(shí)棒料趨于韌性斷裂，斷面傾角大，斷面橢圓度高，斷面具有較寬的光亮帶和較大的斷面傾角且斷面橢圓度高；中碳鋼的硬度值較大；對(duì)高碳鋼來說，由于含碳量較高，對(duì)淬火更加敏感，極易形成馬氏體組織，因此具有含碳量高、強(qiáng)度高、塑性小、脆性大、硬度大等特點(diǎn)，高碳鋼硬度在淬火熱處理后可達(dá)到60～65HRC，因此材料斷裂趨于脆性斷裂，斷面具有較窄的光亮帶和較小的斷面傾角且橢圓度低[8]，剪切后的坯料斷面質(zhì)量高。斷裂韌性屬于材料的固有特性，但它受一些外部參量的影響。影響材料斷裂韌性的外部參量主要為剪切速度、剪切溫度等。

也就是說，含碳量越高的碳鋼，其硬脆性越大，下料斷面質(zhì)量越好。對(duì)不同的材料，為了提高下料時(shí)的斷面質(zhì)量，可采用熱處理的方法提高材料硬度，降低其塑性。

2.2 高速下料方式

棒料高速剪切時(shí)，棒料置于定模中的定剪刃之上，隨著動(dòng)?？焖傧陆担瑒?dòng)剪刃不斷切入材料，使材料發(fā)生變形，經(jīng)由彈性變形、塑性變形、裂紋產(chǎn)生和滑移擴(kuò)展、斷裂分離等幾個(gè)階段而告終。高速下料時(shí)剪切機(jī)理如下：由于動(dòng)、靜剪刃處的剪切速度和受力大小均不相同，使棒料剪切斷面附近的塑性變形情況也不相同，在刃尖處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變集中，材料易發(fā)生屈服，形成剪切塌角。通過提高剪切速度，可減小剪切區(qū)的塑性變形，使材料受到的端面摩擦力也減小。這樣剪切斷面處剪應(yīng)力沒有發(fā)生變化，而剪切斷面處的壓應(yīng)力減少，塑性變形減小，坯料和棒料處的圓角也減小。當(dāng)動(dòng)剪刃繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，造成壓應(yīng)力急劇增大，此區(qū)域的材料沿剪刃運(yùn)動(dòng)方向的變形加劇，晶格嚴(yán)重滑移，裂紋開始形成。隨著剪刃的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，裂紋在材料內(nèi)部沿最大剪應(yīng)變方向擴(kuò)展，當(dāng)剪切間隙合理的情況下，上、下剪刃處形成的裂紋匯合，完成棒料斷裂分離[9]。

提高應(yīng)變速率可使材料的實(shí)際屈服強(qiáng)度應(yīng)力提高，這是因?yàn)?，提高?yīng)變速率，使晶格摩擦力增大，抑制了材料的塑性變形過程，同時(shí)裂紋擴(kuò)展塑性功降低，導(dǎo)致解理斷裂應(yīng)力值減小，從而有利于解理裂紋的萌生與擴(kuò)展。此外，構(gòu)件缺口、裂紋、縮孔、機(jī)加工缺陷、工件截面突變以及一切使金屬致脆的環(huán)境都能促進(jìn)解理裂紋的萌生[10]。

中強(qiáng)度鋼的斷面一般呈現(xiàn)為較窄且平整光滑的的光亮帶、毛刺小，剪切斷面的質(zhì)量較高。這是由于隨著變形速度的增加，材料的塑性降低使得剪切變形面減小，棒料斷裂變形程度減小，趨向于脆性斷裂。此外，剪切速度的提高還會(huì)減小材料的摩擦因數(shù)，從而降低變形抵抗能力，改善剪切過程中的斷面質(zhì)量。剪切過程中加載速度的提高還會(huì)影響裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)材料的斷裂韌性有很大影響[11]。普通剪切方法的剪切速度只有1m/s左右，剪切斷面不平整、橢圓度、傾斜度、壓塌等缺陷如圖 3所示。

圖3 普通剪切下料斷面質(zhì)量情況[12]

剪切速度的提高，使材料的脆性增加，塑性降低，裂紋尖端的應(yīng)力集中不能因塑性變形而發(fā)生應(yīng)力松弛，從而使裂尖塑性區(qū)減小，剪切后斷面傾斜度有較大改善[13]。高速剪切消除了裂紡的軸向和橫向運(yùn)動(dòng)，加快了裂紋沿周向的擴(kuò)展，斷面的不平度、橢圓度和壓塌減小。碳鋼材料的斷裂韌性與剪切速度的關(guān)系如圖4所示。此高速剪切方法適用于硬度較高的材料。

圖4 碳鋼材料剪切時(shí)斷裂韌性與速度的關(guān)系[14]

由圖可見，高速剪切的適宜速度為5m/s～7m/s[15]，當(dāng)加載速率達(dá)到一定值時(shí)，材料斷裂韌性出現(xiàn)最低值，如此時(shí)加載速率繼續(xù)增加，由于變形中產(chǎn)生的熱能來不及散失，造成局部溫升，導(dǎo)致斷裂韌性反而增加，材料又趨于韌性斷裂。因此，合理控制剪切速度是得到較好斷面質(zhì)量的有效途徑。圖5是室溫下不同剪切速度下棒料剪切斷面情況?？梢姡咚偌羟邢铝系臄嗝尜|(zhì)量較好，斷面平整。

圖5 室溫下高速剪切棒料斷面情況[16]

高速剪切下料是通過高速加載來提高棒料的剪切質(zhì)量，在高速載荷下，被剪材料的塑性降低，脆性增大，剪切變形區(qū)域變窄，塑性變形小，從而提高剪切質(zhì)量。

2.3 藍(lán)脆溫度下料方式

材料的力學(xué)性能是隨溫度變化而變化的。在剪切過程中，變形所產(chǎn)生的熱量來不及在短時(shí)間內(nèi)向周圍擴(kuò)散，該部分熱量使剪切區(qū)溫度驟然升高，造成局部升溫。為了獲得較高質(zhì)量的剪切毛坯，需盡量減少剪切面的變形量，使剪切區(qū)材料處于脆性斷裂范圍。鋼在某低溫區(qū)域內(nèi)，其可塑性急劇降低，強(qiáng)度急劇增高，也就是說，鋼在某一低溫范圍內(nèi)具有脆性。通常把該低溫區(qū)域稱為鋼的藍(lán)脆溫度區(qū)。

對(duì)于大多數(shù)碳鋼來說，隨著溫度的升高，材料的塑性提高，真實(shí)應(yīng)力降低，但在藍(lán)脆區(qū)（300℃～450℃）內(nèi)反而發(fā)生相反的現(xiàn)象，脆性提高，塑性降低。剪切前棒料預(yù)熱半熱和溫?zé)釥顟B(tài)，利用該溫度區(qū)域的鋼的青脆性進(jìn)行剪切，該方法經(jīng)常適用于低碳鋼的剪切，剪切后斷面壓塌量小，橢圓度較小，而且由于加熱后消耗的剪切能力大大下降，所以比較適合大直徑棒料剪切。在確定棒料的剪切溫度時(shí)，應(yīng)全面考慮剪切速度、溫度效應(yīng)及加熱溫度對(duì)材料性能的綜合影響，以及剪切過程中的溫度損失。

由圖6可見，當(dāng)剪切溫度處于藍(lán)脆溫度區(qū)間時(shí)，斷面不平度最小，斷面質(zhì)量高；當(dāng)剪切溫度低于或高于藍(lán)脆溫度區(qū)間時(shí)，斷面不平度增加，斷面質(zhì)量低。因此，應(yīng)充分利用鋼的藍(lán)脆效應(yīng)進(jìn)行剪切以獲得較好的斷面質(zhì)量。圖7顯示棒料在藍(lán)脆溫度下剪切斷面情況。

圖6 碳鋼材料剪切時(shí)斷面不平度和溫度的關(guān)系[17]

圖7 藍(lán)脆溫度下斷面質(zhì)量情況[9]

藍(lán)脆溫度熱剪切下料是中低碳鋼常用的剪切手段，剪切前棒料預(yù)熱至半熱或溫?zé)釥顟B(tài)，利用這一溫度區(qū)域鋼的青脆進(jìn)行剪切，剪切面凹凸較少，質(zhì)量好。

2.4 表面缺口應(yīng)力集中下料方式

在剪切過程中，材料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)時(shí)處于純剪切狀態(tài)，有利于材料產(chǎn)生脆性斷裂。因此，為使材料在剪切過程中處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，唯一有效的手段是增加徑向夾緊措施[18]。表面缺口應(yīng)力集中下料方式是徑向夾緊剪切和預(yù)制裂紋剪切的結(jié)合，即預(yù)先對(duì)棒料切出一定深度與角度的V型槽，如圖8所示，在徑向夾緊模具中完成剪切。它是利用人為切口的應(yīng)力集中效應(yīng)、缺口效應(yīng)和疲勞效應(yīng)等使切口尖端的裂紋迅速擴(kuò)展，完成棒料的規(guī)則分離。

圖8 棒料上預(yù)制V型槽缺口

棒料V型缺口的張開角度α、缺口根部圓角半徑ρ、缺口深h三個(gè)幾何參數(shù)對(duì)理論應(yīng)力集中系數(shù)有較大影響，利用正交試驗(yàn)方法研究V型槽幾何參數(shù)對(duì)裂紋萌生的影響規(guī)律，結(jié)果表明增大槽深或者減小槽底圓角半徑均會(huì)提高槽底的彎曲拉應(yīng)力，且槽深和槽底圓角半徑對(duì)槽底應(yīng)力集中程度影響最大，特別當(dāng)槽底圓角半徑很小時(shí)，槽底應(yīng)力水平會(huì)很高。相對(duì)而言，V型槽夾角對(duì)槽底的受力狀態(tài)影響不明顯[18]，查閱有關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)V型槽參數(shù)如下時(shí)有較好的剪切斷面質(zhì)量：張開角度α取60°～90°（對(duì)稱），缺口深h與棒料直徑D關(guān)系取h/D=4%～5%，缺口根部圓角半徑ρ取0.1mm～0.2mm[19]。

表面缺口應(yīng)力集中下料也稱為低應(yīng)力精密下料。低應(yīng)力精密下料起源于應(yīng)力斷料技術(shù)，應(yīng)力斷料技術(shù)最早由原甘肅工業(yè)大學(xué)魏慶同教授于上世紀(jì)八十年代提出，并與郎福元教授等在應(yīng)力裂紋斷料方面進(jìn)行了深入研究[20]。表面缺口應(yīng)力集中下料是指人為地在棒料上制造缺口生成應(yīng)力集中源，使應(yīng)力集中源處萌生微裂紋，并逐步擴(kuò)展直至完全斷裂，完成一次下料。由于應(yīng)力集中源的存在，能夠在大大降低外加載荷幅值情況下完成下料。由于表面缺口應(yīng)力集中下料采用的是裂紋擴(kuò)展技術(shù)，下料過程中幾乎不存在材料浪費(fèi)，不但材料利用率高，而且降低了下料機(jī)的能耗，因此，近幾十年來得到了持續(xù)廣泛的關(guān)注。由于載荷施加方式的不同，可以分為以下幾種不同形式：

（1）甘肅工業(yè)大學(xué)魏慶同教授于上世紀(jì)八十年代最早提出利用應(yīng)力集中效應(yīng)剪切棒料方法并獲得較好斷面質(zhì)量。他提出了旋轉(zhuǎn)彎曲式應(yīng)力棒料下料方法，旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力斷料機(jī)主要由旋轉(zhuǎn)夾緊機(jī)構(gòu)和可產(chǎn)生擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的預(yù)荷機(jī)構(gòu)組成，其中預(yù)荷機(jī)構(gòu)主要由預(yù)荷夾緊部件和預(yù)荷施力部件組成，預(yù)荷夾緊部件夾緊棒料預(yù)斷料的一側(cè)，使預(yù)荷施力部件所產(chǎn)生的載荷通過預(yù)荷夾緊部件間接地作用在棒料上，使已切制出V型切槽的棒料在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，棒料在旋轉(zhuǎn)和彎曲所產(chǎn)生的復(fù)合載荷作用下沿切口處產(chǎn)生應(yīng)力斷裂，斷口規(guī)則平整，降低材料消耗，圖9是旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力斷料機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖9 旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力斷料機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[21]

（2）針對(duì)表面缺口應(yīng)力集中下料方式，中國(guó)石油大學(xué)張立軍提出一種利用熱應(yīng)力預(yù)制微裂紋然后進(jìn)行變頻振動(dòng)的下料方法，該方法是將預(yù)制好環(huán)狀V型槽的棒料放入中頻電加熱爐中加熱到規(guī)定的溫度[22]，出爐后采用分段快速強(qiáng)制循環(huán)壓力水冷卻的方法，在棒料的軸向分段形成不同的溫度場(chǎng)而在其內(nèi)部造成熱應(yīng)力，該熱應(yīng)力在V型槽底部的小圓角處及其斷面上沿軸向的拉應(yīng)力使V型槽底部附近產(chǎn)生理想裂紋，然后每段懸壁放入利用旋轉(zhuǎn)離心力產(chǎn)生變頻疲勞振動(dòng)下料機(jī)中進(jìn)行低應(yīng)力彎曲下料[23]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，通過上述下料方法剪切棒料，下料時(shí)間減少了20%左右，且仍可獲得高質(zhì)量的斷面平整度。圖10是變頻振動(dòng)下料機(jī)示意圖，圖11是變頻振動(dòng)下料機(jī)所下部分棒料斷面圖。

圖10 變頻振動(dòng)下料機(jī)示意圖

圖11 變頻振動(dòng)下料機(jī)所下部分棒料斷面圖[24]

（3）西安交通大學(xué)唐勇、趙升噸借鑒旋鍛機(jī)的工作原理，提出旋轉(zhuǎn)鍛打精密下料方式。該方法采用對(duì)棒料進(jìn)行周向加載的方式剪切棒料，由于棒料環(huán)狀V型槽底部的應(yīng)力集中效應(yīng)和棒料受的周向載荷，很容易導(dǎo)致微小裂紋在棒料環(huán)狀V型槽底部產(chǎn)生，微小裂紋在旋轉(zhuǎn)鍛打下料機(jī)施加的周向的可變位移載荷作用下快速且均勻地向棒料圓心擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到足夠深時(shí)，棒料不能承受載荷而瞬間斷裂，從而獲得更好的斷面質(zhì)量及更高的生產(chǎn)效率[25]。該下料方法對(duì)于低塑性高強(qiáng)度的金屬材料能獲得較為理想的斷面質(zhì)量[26]。圖12為旋轉(zhuǎn)鍛打精密下料示意圖，圖13為旋轉(zhuǎn)鍛打精密下料斷面實(shí)物圖（45#鋼外 加 680MPa拉應(yīng)力）。

圖12 旋轉(zhuǎn)鍛打精密下料示意圖

圖13 旋轉(zhuǎn)鍛打精密下料斷面實(shí)物圖[27]

（4）西安交通大學(xué)陳金德教授等[28]利用表面缺口應(yīng)力集中下料方法設(shè)計(jì)出一種低應(yīng)力直接沖擊式剪切下料機(jī)。其工作原理為利用鍛壓用中速空氣錘作為沖擊載荷源對(duì)不同直徑的金屬棒料進(jìn)行沖擊剪切下料，打擊速度為3～4.5m/s，預(yù)制的V型槽的槽深與棒料直徑之比為0.035～0.05，缺口的張開角度α為45°～ 90°，棒料放在專用模具內(nèi)，用錘頭和動(dòng)滑塊給予施加瞬時(shí)沖擊力進(jìn)行沖擊剪切，同時(shí)也利用材料變形的速度效應(yīng)，在較高的剪切速度下完成剪切，促使裂紋快速規(guī)則地?cái)U(kuò)展，最終實(shí)現(xiàn)材料精密下料，所得坯料實(shí)物照片如圖15所示[29，30]。該下料方法下料效率高，對(duì)于碳鋼及合金鋼等高硬度低塑性的圓棒材可獲得較好的斷面質(zhì)量。表面缺口應(yīng)力集中沖擊下料機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 14所示，圖15是缺口應(yīng)力集中沖擊下料坯料實(shí)物照片。

（5）蘭州理工大學(xué)李有堂教授等[32]結(jié)合低應(yīng)力下料思想和材料拉壓性能實(shí)驗(yàn)提出了低應(yīng)力軸向拉拉（壓）斷裂下料方法，并對(duì)常用的中碳鋼圓棒材進(jìn)行了下料實(shí)驗(yàn)，其所得的坯料斷面實(shí)物照片如圖16所示，采用軸向拉-壓比采用軸向拉-拉能獲得更好的斷面質(zhì)量。

圖14 表面缺口應(yīng)力集中沖擊下料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖15 缺口應(yīng)力集中沖擊下料坯料實(shí)物照片[31]

圖16 低應(yīng)力軸向拉拉（壓）斷裂下料坯料斷面實(shí)物照片[33]

表面缺口應(yīng)力集中下料方式通過提前在棒料上預(yù)制V型槽的方式來提高棒料下料斷面質(zhì)量，缺口處由于應(yīng)力集中不能因塑性變形而發(fā)生應(yīng)力松弛，從而使裂紋尖端塑性區(qū)減小，提高剪切后斷面傾斜度等缺陷。

3 結(jié)論

（1）含碳量越高的碳鋼，其硬脆性越大，下料斷面質(zhì)量越好。對(duì)不同的材料，為了提高下料時(shí)的斷面質(zhì)量，可采用熱處理的方法提高材料硬度，降低其塑性。

（2）高速剪切下料消除了裂紋的軸向和橫向運(yùn)動(dòng)，加快了裂紋沿周向的擴(kuò)展，裂紋尖端的應(yīng)力集中不能因塑性變形而發(fā)生應(yīng)力松弛，從而使裂尖塑性區(qū)減小，使材料的脆性增加，塑性降低，剪切后斷面傾斜度有較大改善。對(duì)于一般中強(qiáng)度碳鋼而言，剪切速度根據(jù)上述理論應(yīng)該控制在5m/s～7m/s最適宜。

（3）藍(lán)脆下料是在藍(lán)脆溫度區(qū)間，即350℃～450℃時(shí)剪切棒料，此溫度下的剪切具有比室溫條件下更好的剪切精度，鋼在藍(lán)脆溫度區(qū)間脆性提高，塑性降低，剪切后斷面壓塌量小，橢圓度小且加熱后消耗的剪切能力大大下降，能獲得良好的毛坯質(zhì)量及斷面質(zhì)量。

（4）表面缺口應(yīng)力集中下料方式是通過預(yù)先在棒料上切出一定深度與角度的V型槽的方法提高棒料下料斷面質(zhì)量。具有一定深度的缺口處由于應(yīng)力集中不能因塑性變形而發(fā)生應(yīng)力松弛，從而使裂紋尖端塑性區(qū)減小，提高剪切后斷面傾斜度等缺陷，它是利用人為切口的應(yīng)力集中效應(yīng)、缺口效應(yīng)和疲勞效應(yīng)等使切口尖端的裂紋迅速擴(kuò)展，完成棒料的規(guī)則分離。

[1] 顧海澄，何家文.節(jié)約金屬材料手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[2] Chen J D，Wang Y W，Yu D H，et al.Brittle Precision Cropping of Metal Materials[J].Journal of Materials Processing Technology，1992，32（3）：415-424.

[3] 郝濱海.剪切下料過程分析及提高毛坯斷面質(zhì)量的途徑[J].金屬成形工藝，2000，（4）：44-45，52.

[4] 郝濱海，夏霄紅.棒料剪切機(jī)理與提高剪切精度的方法[J].鍛壓技術(shù)，2000，（5）：7-9.

[5] 李茂清.液氣式高速棒料剪切機(jī)的虛擬開發(fā)研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2004.

[6] 高麗娟，李永堂，齊會(huì)萍，等.棒料的高速精密剪切實(shí)驗(yàn)研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008，43（5）：68-71.

[7] 李耀輝.棒料高速精密剪切合理加載速度的探討[J].鍛壓技術(shù)，2007，（2）：94-97.

[8] 李耀輝，李永堂.金屬棒料高速精密剪切下料速度的研究與應(yīng)用[J].熱加工工藝，2010，15：8-11.

[9] 趙仁峰.金屬圓管料的低周疲勞下料工藝及其斷裂力學(xué)行為研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2015.

[10] 鐘群鵬，周 煜，張 錚.裂紋學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2014：26-27.

[11]高麗娟.金屬棒料高速精密剪切的實(shí)驗(yàn)研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2008.

[12] 晉江市雙華機(jī)械設(shè)備有限公司.棒料剪斷機(jī)剪切棒料斷面情況.

[13] 李耀輝，雷步芳，張文杰，等.棒料高速精密剪切機(jī)理和斷面質(zhì)量的研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2002，（2）：4-5，12.

[14] 張立清.棒料高速精密剪切過程理論分析與數(shù)值模擬[D].太原：太原科技大學(xué)，2005.

[15] 張立清，李永堂.影響高速剪切毛坯斷面質(zhì)量的技術(shù)參數(shù)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40（2）：72-74.

[16] 炬龍機(jī)床廠.精密高效棒料切斷機(jī)棒料剪切斷面.

[17] 付建華，李永堂，雷步芳，等.金屬棒料高速精密剪切試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，（5）：154-156.

[18] 化春鍵，趙升噸，宋 濤，等.V型槽幾何參數(shù)對(duì)裂紋萌生的影響規(guī)律[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38（9）：947-950.

[19] B.Zhongetal./InternationalJournalofMechanicalSciences76（2013）144-151.

[20] 潘天明.工頻和中頻感應(yīng)爐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1998：45-46.

[21] 魏慶同，郎福元.一種旋轉(zhuǎn)彎曲式應(yīng)力斷料機(jī) [P].中國(guó)：ZL96202853.3，1997.

[22] 馬廣英，郎福元，龔 俊.裂紋技術(shù)在應(yīng)力下料中的研究與應(yīng)用[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，15（3）：86-90.

[23] 張立軍，管陽春，相恒富.熱應(yīng)力預(yù)制裂紋技術(shù)在低應(yīng)力精密下料中的實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2010，（5）：4-5，8.

[24] C.J Hua，S.D.Zhao，L.J.Zhang，et al.Investigation of a new-type precision cropping system with variable-frequency vibration [J].International Journal of Mechanical Sciences，2006，48：1333-1340.

[25] 唐 勇，趙升噸，王振偉.一種新型旋轉(zhuǎn)鍛打精密下料機(jī)的研制[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，（6）：14-17.

[26] Li YT，Yang CF，Wei YB.The application of fracture for middle carbon steel in extra-low cycle inverse rotating bending fatigue loading[J].Key Engineering Materials，2004，261-263（2）：1147-1152.

[27]魯春朋.低周疲勞下中碳鋼的損傷分析［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2006.

[28] 陳金德，王朝民，于德弘.低應(yīng)力沖擊剪切法 [P].中國(guó)：ZL88108351.8，1989.

[29]Chen MA，Chen JD，Yu DH.A study on mechanism of plastic cropping for production of flat parts[C].Proceedings of the 9th International Cold Forging Congress.UK：Elsevier Ltd，1995.

[30]Chen JD，Wang YW，Yu DH.Plastic precision cropping of metal materials[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，1992，32（3）：425-433.

[31]Chen JD，Wang YW，Yu DH.The controlled fracture technique and its application in metalworking [J].Engineering Fracture Mechanics，1991，39（1）：61-69.

[32]譚 帥.軸向加載條件下中碳鋼的超低周疲勞斷裂設(shè)計(jì)研究［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2006.

[33]鐘 斌.氣動(dòng)式彎曲疲勞下料方法及其斷裂行為的研究斷裂行為的研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2014.

Discussion about method of im proving the bar cutting surface quality through raising the hard brittle of material

ZHONG Wei,ZHAO Shengdun,WANG Zeyang,DONG Yuanzhe,JING Fei
（School of Mechanical Engineering,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,Shanxi China）

Several important factors which affects the bar cutting surface quality including the properties of material,cutting temperature,shear rate and stress state have been analyzed in the text.Aiming at the above factors,the corresponding methods of improving the cutting quality have been put forward.It is found out that the cutting surface quality is directly related to the micro-structure and mechanical properties of material;the blue brittle cutting is a way to cut metal bar by use of blue brittle effect and make the bar tend to brittle fracture by increasing the fragility of the metal materialunder particular temperature;the high speed cutting can obtain better cutting quality at the optimized speed of 5m/s-7m/s by use of the relationship between theductile of material and the cutting rate;the stress concentration cutting at the bar surface of the material is a way to pre-cut the V-shaped groove in the bar in order to make the bar fracture due to stress concentration.All the above methods can obtain better cutting surface quality.

Metal bar material;Cutting surface quality;Hard brittle of material

TG315.5+5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.021

1672-0121（2016）02-0077-07

2015-09-06；

2015-11-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175413）

鐘 瑋（1992-），女，碩士在讀，主攻機(jī)電工程、金屬材料精密下料研究。E-mail：jixiezhongwei@163.com