金屬棒料低應(yīng)力高溫精密剪切分離工藝的研究

任芋見,董淵哲，劉柏楊，趙升噸，楊芮庚

(西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 前言

金屬棒料的下料工序是大多數(shù)機械零件制造的第一道工序，廣泛存在于汽車工業(yè)、軸承工業(yè)、裝備制造業(yè)等行業(yè)中，具有量大面廣的特點[1]。傳統(tǒng)的金屬棒料下料工序主要有帶鋸鋸切、車床切斷、盤銑刀切斷和沖床剪切等4類。這些工藝存在生產(chǎn)效率低、材料利用率低、斷面質(zhì)量差、切斷力大、噪聲大、模具壽命低和能耗高等問題[2,3]。其中以帶鋸鋸切為例，按年生產(chǎn)直徑50 mm的45鋼棒材3 000萬件計算，年工件材料損耗可達到1.2萬米，折合重量1 848 t，帶鋸損耗可達1.2萬條，產(chǎn)生600 t富含硫、磷、氯等有害物質(zhì)的廢舊切削液。要想在2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，必須在工藝上進行改進，減少能耗，降低污染物的排放。

國內(nèi)外學(xué)者就傳統(tǒng)工藝的不足提出了多種新工藝，根據(jù)原理的不同主要分為以下幾類：徑向約束差動剪切、軸向加壓剪切、低應(yīng)力疲勞裂紋可控式精密分離以及高速精密剪切等[4,5]。

徑向約束差動剪切通過壓料機構(gòu)施加沿著棒料徑向的約束載荷夾緊棒料，限制棒料在剪切過程中發(fā)生測完及軸向進給方向的流動[6]。棒料在剪切過程中始終處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，提高了非剪切區(qū)的變形抗力，使得下料后的坯料斷面平整光滑。但是該工藝仍然存在一定缺陷，主要是棒料斷面存在一定程度的邊角塌陷，橢圓度誤差大，所需要的夾緊力大、剪切刃容易磨損[4]。

軸向加壓剪切工藝通過在棒料端面施加軸向壓力來保證棒料剪切處材料始終處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)[7]。塑性變形剪切延續(xù)到剪切的全過程，最終獲得了端面垂直光亮，幾何畸變小的優(yōu)質(zhì)斷面。該工藝也存在一定的缺陷，主要包括：軸向加壓結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剪切力大、刃口磨損快等[4]。

低應(yīng)力疲勞裂紋可控式精密分離技術(shù)首先在棒料表面預(yù)制環(huán)形槽，該環(huán)形槽根部存在顯著的應(yīng)力集中效應(yīng)，這樣就使得在棒料一側(cè)施加較小的徑向循環(huán)載荷就可以使得裂紋沿著環(huán)形槽起裂[8,9]、擴展直至完全分離。低應(yīng)力疲勞切斷技術(shù)可以有效地應(yīng)用于直徑2～70 mm的棒料分離工序中，相比于傳統(tǒng)工藝低應(yīng)力疲勞裂紋可控式精密分離技術(shù)斷面傾斜度的精度可提高5～19倍，效率可提高7～13倍[4]。但是對于韌性特別高的金屬棒料，如304不銹鋼，低應(yīng)力疲勞裂紋可控式精密分離技術(shù)所需要的加工時間極長，效率較低。

高速精密剪切工藝是通過施加高速載荷，降低金屬韌性來提高斷面質(zhì)量。研究表明，在棒料受到徑向約束的情況下，采用4.5～10 m/s 的加載速度能夠獲得垂直平整的斷面[10]。但是高速剪切依然存在著剪切力大、結(jié)構(gòu)龐大、設(shè)備昂貴且只適用于小直徑的金屬棒料切斷分離的問題。

為了實現(xiàn)難切斷金屬棒料低應(yīng)力、低能耗精密分離的目標(biāo)，本文提出了一種針對于該類金屬的低應(yīng)力高溫精密剪切分離工藝。該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)難剪切金屬棒料的低應(yīng)力精密分離，減少了剪切過程中的能耗，降低了污染物的排放。本文詳細的描述了該工藝的工藝原理，并建立了有限元模型，對該工藝的關(guān)鍵參數(shù)進行了初步的研究，最后和傳統(tǒng)工藝進行了對比。

1 低應(yīng)力高溫精密剪切分離工藝原理

低應(yīng)力高溫精密分離工藝原理如圖1所示，首先利用開槽設(shè)備在金屬棒料表面預(yù)制環(huán)形槽，以產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)。然后將開槽后的棒料在加熱爐中進行加熱，待棒料達到鍛造溫度后，及時將棒料取出放置在對擊式高速精密剪切設(shè)備上。對擊式高速精密剪切設(shè)備由8個交流永磁同步伺服電動機驅(qū)動兩個錘頭反向運動到規(guī)定位置。上下錘頭兩側(cè)儲存的氮氣被壓縮，產(chǎn)生壓力勢能，剪切開始時，伺服電機解鎖，上下兩錘頭在壓力勢能的驅(qū)動下相向運動，完成棒料的高速剪切。

圖1 低應(yīng)力高溫精密剪切分離工藝原理

由于棒料已經(jīng)在加熱爐中加熱到鍛造溫度，此時材料的變形阻力將急劇減小，變形能也得到很大改善。此時再進行剪切，所需要的剪切力顯著降低，有效地解決了難剪切棒料高速剪切的問題。

2 棒料低應(yīng)力高溫精密剪切的有限元分析

2.1 有限元模型建立

如圖2所示，建立棒料低應(yīng)力高溫精密剪切的有限元分析模型。材料為06#鋼，材料性能如表1所示。棒料進行徑向和軸向的約束，徑向約束距離棒料的間隙C1=0.3 mm。棒料右側(cè)為剪切模具，剪切模具沿-Z方向運動，剪切模具和左側(cè)徑向約束間的間隙C2=0.5 mm。棒料直徑D=50 mm，環(huán)形槽張角α=90°，槽深h=2 mm,底角半徑0.1 mm(另一組未開槽)。使用Abaqus軟件的Explicit顯示動力學(xué)模塊進行熱力耦合分析。對于棒料模型在環(huán)形槽區(qū)域及遠端區(qū)域采用8節(jié)點六面體熱力耦合單元(C3D8RT),在過渡區(qū)域采用4節(jié)點剛體單元(R3D4),在環(huán)形槽部位進行單元細化，最小單元尺寸為0.05 mm，模型單元總數(shù)為531 679個。模型采用的斷裂準(zhǔn)則為Cockrofl-Latham 斷裂準(zhǔn)則。

圖2 棒料低應(yīng)力高溫剪切精密有限元模型

表1 06#鋼材料性能[11]

2.2 有限元結(jié)果分析

如圖3所示，圖3a表示棒料在未開槽的情況下剪切過程及斷面損傷情況，圖3b表示棒料在預(yù)制裂紋槽的情況下剪切過程及斷面損傷情況。圖中S代表剪切模具沿-Z方向的位移，Dmax代表斷面最大損傷點的損傷值。通過比較可以看出，當(dāng)剪切模具向下移動2 mm時，在未開槽的情況下，起始損傷點的最大損傷值為0.081，在初始槽深為2 mm時，起始損傷點的最大損傷值為0.315。這是由于環(huán)形槽底部產(chǎn)生了應(yīng)力集中效應(yīng)，同樣位移載荷產(chǎn)生了更大的損傷。當(dāng)剪切位移進一步增大時，可以看到預(yù)制環(huán)形槽的棒料斷面損傷程度更大，棒料更容易發(fā)生分離。當(dāng)S=50 mm時，兩類棒料均實現(xiàn)了切斷分離，初始槽深2 mm的棒料斷面更加平整，斷面的損傷數(shù)值更小，而未預(yù)制環(huán)形槽的棒料呈現(xiàn)出一側(cè)斷面損傷大，一側(cè)損傷小的特點，且斷面損傷數(shù)值更大達到0.273。以上結(jié)果表明，在相同剪切位移下，預(yù)制環(huán)形槽的棒料更容易在應(yīng)力集中處發(fā)生損傷，即可以在更小的位移載荷下實現(xiàn)切斷分離，且表面預(yù)制環(huán)形槽能夠增加斷裂分離后的平整度，有助于提升金屬棒料剪切分離后的斷面質(zhì)量。

圖3 低應(yīng)力高溫精密剪切過程有限元分析

圖4為在溫度T=1 250℃,剪切速率0.2 m/s下未開槽棒料(槽深h=0 mm)和開槽深度h=2 mm的棒料剪切力隨剪切位移變化的趨勢?？梢钥闯鲭S著槽深從0 mm加深到2 mm,最大剪切載荷從85.92 kN減至66.23 kN，最大載荷下降了22.92%。對剪切力和剪切位移積分得到剪切功，得到槽深h=0 mm所需要的剪切功為750.03 J,槽深h=2 mm所需的剪切功降低到285.86 J，降低了61.89%。以上結(jié)果進一步說明了預(yù)制環(huán)形槽可顯著降低最大剪切載荷和剪切功。

圖4 低應(yīng)力高溫精密剪切不同開槽深度h下的F-S曲線

圖5表示了不同坯料溫度下剪切載荷隨著剪切位移的變化規(guī)律。實驗組和對照組的槽深h=2 mm,剪切速率v=0.2 m/s。可以看出溫度從25 ℃上升到1 250 ℃，最大剪切載荷從294.06 kN減至66.23 kN，最大剪切載荷下降了77.48%。相應(yīng)的所需要的剪切功從1 243.0 J減至285.86J，剪切功下降了77.0%。以上結(jié)果表明提高坯料的初始溫度能夠顯著降低最大剪切載荷和剪切功，而這一結(jié)果主要是由于溫度升高降低了材料的變形抗力所導(dǎo)致的。

圖5 低應(yīng)力高溫精密剪切不同坯料溫度T下的F-S曲線

為了進一步研究低應(yīng)力高溫精密剪切在降低主動載荷和減少能耗方面的效果，通過有限元仿真將新工藝和傳統(tǒng)工藝進行了比較。如圖6所示，傳統(tǒng)工藝剪切槽深h=0 mm,坯料溫度T=25 ℃，新工藝槽深h=2 mm,坯料溫度T=1 250 ℃，兩種工藝的剪切速率均為v=0.2 m/s?？梢钥吹较啾扔趥鹘y(tǒng)工藝，新工藝的最大剪切載荷由373.34 kN下降到66.23 kN,減少了82.26%。剪切功由2 418.21 J減至285.86 J，下降了88.18%。說明新工藝相對于傳統(tǒng)工藝在剪切載荷和剪切功兩方面均有顯著的降低，新工藝是一種綠色節(jié)能的工藝。

圖6 傳統(tǒng)工藝與新工藝F-S曲線對比

3 結(jié)論

本文提出了一種金屬棒料的低應(yīng)力高溫精密剪切分離工藝，并詳細闡述了該工藝的原理，建立了該工藝的有限元模型，就是否開槽，加熱溫度對斷面質(zhì)量、剪切載荷和剪切功的影響進行了討論，得到以下結(jié)論：

(1)預(yù)制環(huán)形槽有利于在初始剪切時在應(yīng)力集中處產(chǎn)生更大程度的損傷，同時預(yù)制環(huán)形槽的棒料斷面剪切后斷面平整，針對直徑D=50 mm的06#鋼棒料最大損傷Dmax=0.270。未預(yù)制環(huán)形槽的剪切后斷面呈現(xiàn)一端損傷程度大，另一端損傷程度小的特點，針對直徑D=50 mm的06#鋼棒料最大損傷Dmax=0.273。預(yù)制環(huán)形槽有助于提升金屬棒料分離后斷面質(zhì)量。

(2)針對直徑D=50 mm的06#鋼棒料，在溫度T=1 250℃,剪切速率0.2 m/s下開槽深度h=2 mm相較于未開槽最大剪切載荷下降22.92%，剪切功下降61.89%，預(yù)制環(huán)形槽可顯著降低最大剪切載荷和剪切功。

(3)針對直徑D=50 mm的06#鋼棒料，在開槽深度h=2 mm,剪切速率0.2 m/s下溫度從25 ℃上升到1 250 ℃，最大剪切載荷下降77.48%，剪切功下降77.0%，提高坯料的初始溫度能夠顯著降低最大剪切載荷和剪切功。

(4)針對直徑D=50 mm的06#鋼棒料，新工藝相比較于傳統(tǒng)工藝最大剪切載荷減少了82.26%。剪切功下降了88.18%。新工藝相對于傳統(tǒng)工藝在剪切載荷和剪切功兩方面均有顯著的降低，新工藝是一種綠色節(jié)能的工藝。