徐嘉怡,張立軍,孫旭東,周強(qiáng),楊寧
(中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院,山東青島,266580)
下料是機(jī)械制造中金屬成型的第一道工序,由于傳統(tǒng)的下料方式如剪切、鋸切等存在材料浪費(fèi)嚴(yán)重、能耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題[1],一種基于裂紋技術(shù)的低應(yīng)力下料方法應(yīng)運(yùn)而生,這種下料方式具有材料利用率高、加載力小等優(yōu)點(diǎn),符合綠色制造的要求[2]。一些學(xué)者對不同的低應(yīng)力下料加載方式進(jìn)行了研究。景飛等[3]提出旋轉(zhuǎn)疲勞彎曲的精密下料加載方式并對旋轉(zhuǎn)疲勞彎曲加載機(jī)理進(jìn)行了分析;張立軍等[4-6]研究了液壓補(bǔ)償型低應(yīng)力精密斷料和高速離心下料中的棒料斷裂機(jī)理,提出了單臂低應(yīng)力下料合適的工藝參數(shù);ZHANG等[7]研究了變頻振動(dòng)精密下料方法的工藝參數(shù),通過改變振動(dòng)頻率提高斷面質(zhì)量;TANG 等[8]提出旋轉(zhuǎn)沖擊精密下料方式,設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)沖擊精密下料機(jī);WANG 等[9-10]提出了通過液壓補(bǔ)償和調(diào)節(jié)力臂實(shí)現(xiàn)控制加載力的低應(yīng)力下料系統(tǒng)。目前的低應(yīng)力下料方式大多為單臂加載的周向加壓下料,由于夾持端反支力的影響,棒料V 型槽尖端同時(shí)受到拉應(yīng)力和切應(yīng)力共同作用,導(dǎo)致萌生的裂紋為復(fù)合裂紋,難以對起裂過程進(jìn)行有效控制,而初始裂紋的起裂方向又直接影響下料效果,起裂不可控導(dǎo)致下料效率低,斷面質(zhì)量不理想。因此,低應(yīng)力下料沒有被規(guī)?;瘧?yīng)用,為了盡早實(shí)現(xiàn)低應(yīng)力下料的工業(yè)化,本文作者提出徑向掰斷低應(yīng)力下料法,借助ABAQUS 軟件進(jìn)行有限元仿真分析,應(yīng)用正交試驗(yàn)法對仿真結(jié)果進(jìn)行研究,獲取提高棒料低應(yīng)力下料質(zhì)量和效率的工藝參數(shù)。
低應(yīng)力下料是一種利用裂紋技術(shù),通過人為控制裂紋的萌生和擴(kuò)展,達(dá)到材料分離目的的下料方式。目前的低應(yīng)力下料技術(shù)是首先給棒料表面預(yù)制V 型槽,再對棒料施加一定的外載荷,進(jìn)行低周疲勞加載,使V 型槽尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng),出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展[7]。通過控制載荷和加載位置等外部條件,最后實(shí)現(xiàn)棒料完全斷裂。因此裂紋的起裂位置、起裂方向等參數(shù)直接影響棒料的斷面質(zhì)量[6]。
徑向掰斷低應(yīng)力下料工作原理如圖1所示。徑向掰斷低應(yīng)力下料原理是在棒料V 型槽兩側(cè)對稱同步加載,加載力F與夾持力在V型槽兩側(cè)對稱分布。夾持力臂L1與加載力臂L2以V 型槽尖端為對稱軸線在兩節(jié)棒料上對稱,這能減小V 型槽尖端應(yīng)力場中的切應(yīng)力,使單臂加載的復(fù)合型裂紋轉(zhuǎn)化成I型裂紋,實(shí)現(xiàn)裂紋萌生于V型槽尖端,并減小起裂角。圖1中棒料下方對稱設(shè)置的推力錘頭和棒料上方對稱施加的加載力為一個(gè)施力組合,在棒料圓周上設(shè)置4~8組力組合依次加載,對棒料進(jìn)行圓周變加壓加載以使裂紋周向均勻擴(kuò)展。
圖1 徑向掰斷低應(yīng)力下料工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of radial breaking of low-stress cropping
根據(jù)徑向掰斷的力學(xué)模型,理想狀態(tài)下棒料為純彎曲變形,其V 型槽尖端的橫截面上只有彎矩,裂紋應(yīng)為純I 型[11]。根據(jù)斷裂力學(xué)對裂紋尖端應(yīng)力集中的研究理論,帶有預(yù)制V 型槽的構(gòu)件受到外載荷的作用,在V 型槽底部應(yīng)力增大產(chǎn)生初始裂紋[12]。I 型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI決定了裂紋尖端具有奇異性的應(yīng)力場的強(qiáng)度,當(dāng)KI達(dá)到I型裂紋的材料斷裂韌性KIC時(shí),棒料的初始微裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。根據(jù)最大周向正應(yīng)力理論的基本方程[13]:
其中:α為起裂角;KI為I型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子;KII為II型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子,對于純I型裂紋,KII=0,得:
此時(shí)裂紋應(yīng)沿V 型槽底部向所在橫截面的中心擴(kuò)展,起裂角應(yīng)為0°。但在實(shí)際下料過程中往往存在一定的起裂角,即產(chǎn)生的裂紋為復(fù)合裂紋,這是因?yàn)榱鸭y方位、載荷分布不能夠完全對稱或材料不能達(dá)到嚴(yán)格的各向同性等。研究裂紋的起裂質(zhì)量和起裂條件對徑向掰斷低應(yīng)力下料的工業(yè)化應(yīng)用十分關(guān)鍵,而下料過程中的復(fù)合型裂紋的起裂質(zhì)量和起裂條件通過理論分析很難得到準(zhǔn)確結(jié)果,本文通過仿真技術(shù)與理論分析相結(jié)合的方法對徑向掰斷低應(yīng)力下料的起裂階段進(jìn)行探究。
采用文獻(xiàn)[6]提出的棒料低應(yīng)力下料有限元分析模型和加載方式,以棒料直徑d=15 mm 為例進(jìn)行研究。棒料毛坯通常需要加工45°的倒角[14],為減少后續(xù)加工,選擇V型槽張角φ=90°,單節(jié)棒料長度L=40 mm。利用ABAQUS 軟件中的part 模塊建立棒料有限元分析模型,如圖2所示。為提高計(jì)算精度與可靠性,將棒料分為左右棒體、V型槽底部及兩側(cè)過渡邊5個(gè)部分,進(jìn)行2種類型的網(wǎng)格劃分,其中左右棒體及V 型槽底部采用六面體C3D8R 網(wǎng)格劃分,棒體網(wǎng)格最小邊長為1 mm,V 型槽底部進(jìn)行最小邊長為0.2 mm 的網(wǎng)格細(xì)化;而兩側(cè)過渡邊采用四面體二次單元C3D10 進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共劃分84 651個(gè)結(jié)點(diǎn),52 112個(gè)網(wǎng)格。棒料材料為45 號鋼,性能參數(shù)如表1 所示,在ABAQUS 中采用XFEM 仿真分析[15],邊界條件和加載方式為以V 型槽為中心,兩側(cè)對稱,在棒料下方夾持力處各添加3個(gè)平動(dòng)自由度的約束,棒料上方加載力處各添加豎直向下的集中靜態(tài)加載力,模擬徑向掰斷加載方式。為探究徑向掰斷下料的最佳工藝參數(shù),采用正交試驗(yàn)法探討夾持力臂L1、加載力臂L2、V 型槽槽深q和底角半徑ρ對起裂偏距e和起裂角α的影響規(guī)律。
圖2 棒料有限元三維模型Fig.2 Finite element 3D model of bar
表1 棒材性能參數(shù)Table 1 Material performance parameters
正交試驗(yàn)是一種使試驗(yàn)次數(shù)盡可能減少且所得結(jié)果與全面試驗(yàn)所得的結(jié)果相差不大的統(tǒng)計(jì)方法。本文通過“正交表”用盡可能少的仿真試驗(yàn)獲得典型數(shù)據(jù),分析掰斷下料的最佳工藝參數(shù)[16]。根據(jù)掰斷棒料的下料原理,取夾持力臂L1(因素A),加載力臂L2(因素B),槽深q(因素C)和底角半徑ρ(因素D)4 個(gè)因素,每個(gè)因素根據(jù)實(shí)際的加工范圍選取5 個(gè)水平,選用L25(54)正交表,正交試驗(yàn)方案及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
表2 試驗(yàn)方案及仿真結(jié)果Table 2 Test scheme and simulation results
仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果以起裂偏距e和起裂角α為評價(jià)指標(biāo),同時(shí)作為每次試驗(yàn)的評價(jià)參數(shù)得分,e和α含義如圖3所示,其中,起裂偏距e定義為起裂點(diǎn)位置與V型槽最底部的水平最短距離,起裂角α定義為裂紋的徑向起裂角。
圖3 起裂偏距和起裂角的定義Fig.3 Definition of crack initiation deviation and initiation angle
該正交試驗(yàn)有起裂偏距和起裂角2個(gè)指標(biāo),采用多指標(biāo)正交試驗(yàn)分析方法中的綜合平衡法進(jìn)行分析[16],即先對各指標(biāo)分別按單一指標(biāo)進(jìn)行直觀分析,然后再對各指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行綜合比較,得出最佳試驗(yàn)方案。表3所示為以起裂偏距和起裂角為評價(jià)指標(biāo),通過極差分析得到較優(yōu)水平和因子主次。最優(yōu)方案使起裂偏距和起裂角盡可能小,結(jié)果分析時(shí)得分越小,試驗(yàn)所得效果越好。K表示單一因子各水平的分?jǐn)?shù);極差為各因素主效應(yīng)的差值,表示該因素的重要水平,因子主次根據(jù)對應(yīng)的極差排序,表示對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。通過分析以起裂偏距為評價(jià)指標(biāo)的K和以起裂角為評價(jià)指標(biāo)的K,得到單一指標(biāo)的較優(yōu)水平組合,再通過綜合平衡法給出起裂偏距和起裂角的較優(yōu)水平組合,得到試驗(yàn)的最優(yōu)方案。
表3 試驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 Analysis of test results
3.3.1 起裂偏距下較優(yōu)水平的確定
起裂偏距e對斷面質(zhì)量和下料效率有直接影響。在理想下料過程中,裂紋在V型槽尖端萌生,即起裂偏距為0,但在實(shí)際下料過程中,由于棒料加工工藝和加載方式很難達(dá)到理想狀態(tài),最大主應(yīng)力常出現(xiàn)在偏離V 型槽尖端處,即出現(xiàn)起裂偏距,進(jìn)而影響裂紋的擴(kuò)展走向,因此,在下料過程中應(yīng)盡量減小起裂偏距。初始裂紋在V 型槽底端最大主應(yīng)力處萌生,如圖4所示,掰斷下料棒料起裂前一個(gè)時(shí)刻的應(yīng)力云圖中,Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力集中在V型槽底部,τxy切應(yīng)力關(guān)于V型槽底部近似呈對稱分布。
圖4 徑向掰斷低應(yīng)力下料V型槽尖端的應(yīng)力云圖Fig.4 Stress contour of V-shaped notch tip with radial breaking of low-stress cropping
根據(jù)表3中起裂偏距極差可知,對起裂偏距影響最大的因素是底角半徑,影響最小的是加載力臂。因?yàn)閺较蜿嗟募虞d方式為關(guān)于棒料V 型槽最底部對稱施加加載力,起裂偏距在V 型槽底部對稱的兩側(cè)隨機(jī)起裂,而在工業(yè)化可實(shí)現(xiàn)的范圍內(nèi),底角半徑越小,應(yīng)力集中效果越好,起裂位置越靠近V 型槽最底部,起裂偏距就越小[4],因此,對于起裂偏距評價(jià)指標(biāo)的較優(yōu)水平的組合是
3.3.2 起裂角下較優(yōu)水平的確定
棒料V 型槽底部應(yīng)力場復(fù)雜,形成了立體的不規(guī)則裂紋,如圖5所示。起裂角總體分為從棒料表面向內(nèi)部擴(kuò)展的徑向起裂角α和沿棒料表面圓周擴(kuò)展的周向起裂角β(見圖3),2種起裂角均對棒料斷面質(zhì)量均產(chǎn)生直接影響,即起裂角越小,起始斷面越平整。由于徑向掰斷下料方式在V 型槽尖端基本消除了切應(yīng)力,周向起裂角β極小可以忽略不計(jì),因此本文中未特別說明的起裂角是指徑向起裂角α。根據(jù)表3 中起裂角極差,對起裂角偏距影響最大的因素是底角半徑,影響最小的是夾持力臂。起裂角主要與V 型槽底端的切應(yīng)力相關(guān),而切應(yīng)力在V型槽底部近似呈對稱分布,如圖4所示。底角半徑影響V 型槽底部的應(yīng)力集中程度,底角半徑減小使得主應(yīng)力與切應(yīng)力的比值增大,萌生的裂紋也能更好地向棒料中心徑向擴(kuò)展,從而減小起裂角。以起裂角為評價(jià)指標(biāo)的較優(yōu)水平組合是A1B1C1D1。
圖5 徑向掰斷低應(yīng)力下料初始裂紋形態(tài)Fig.5 Initial crack morphology of radial breaking of lowstress cropping
3.3.3 較優(yōu)工藝參數(shù)分析
根據(jù)綜合平衡法綜合考慮2個(gè)評價(jià)指標(biāo),對起裂偏距和起裂角影響最大的都是底角半徑,較優(yōu)水平均為D1,由于現(xiàn)用開槽工藝開槽越深對刀具的磨損越大,能耗也越高,且開槽過程中產(chǎn)生一定的材料浪費(fèi),因此,在影響斷面質(zhì)量較小的情況下選擇槽深較小的水平C1;夾持力臂和加載力臂對起裂偏距和起裂角的影響較小,根據(jù)徑向掰斷力學(xué)原理,同側(cè)夾持力與加載力的距離越遠(yuǎn),棒料所受彎矩越大,因此,選擇較小的夾持力臂和較大的加載力臂A1B5。綜合以上因素可知,較優(yōu)的工藝參數(shù)如下:夾持力臂為5 mm,加載力臂為35 mm,槽深為0.6 mm,底角半徑為0.1 mm。
對于不同的加載方式,V 型槽處的應(yīng)力狀態(tài)不同。圖6所示為目前常見的棒料單臂加載低應(yīng)力下料原理圖,在棒料V 型槽一端使用夾持機(jī)構(gòu)對棒料進(jìn)行固定,另一端進(jìn)行周向加載。圖7所示為仿真中單臂加載低應(yīng)力下料方式起裂前一時(shí)刻棒料V型槽尖端的應(yīng)力狀態(tài)。由圖7可知,棒料V型槽處的最大主應(yīng)力分布不對稱,而是偏向V 型槽底部附近靠近加載力一側(cè),這就導(dǎo)致裂紋萌生位置出現(xiàn)在靠近加載力一側(cè),Mises應(yīng)力和切應(yīng)力集中在V型槽底部靠右側(cè),萌生的裂紋擴(kuò)展時(shí)偏離垂直于棒料中心的方向,使斷面凹凸不平[6]。這主要與單臂加載時(shí)棒料V型槽處的受力狀態(tài)有關(guān)。
圖6 單臂加載低應(yīng)力下料原理圖Fig.6 Schematic diagram of single-arm loading lowstress cropping
圖7 單臂加載低應(yīng)力下料V型槽尖端的應(yīng)力云圖Fig.7 Stress contour of V-shaped notch tip of single-arm loading low-stress cropping
單臂加載方式的最佳加載參數(shù)為L1=15 mm,L2=30 mm[6]。單臂加載低應(yīng)力下料初始裂紋形態(tài)如圖8所示。單臂加載方式中應(yīng)力分布的不對稱也導(dǎo)致了徑向起裂角增大且同時(shí)出現(xiàn)周向起裂角,切應(yīng)力導(dǎo)致V型槽處的應(yīng)力集中效應(yīng)減小。
圖8 單臂加載低應(yīng)力下料初始裂紋形態(tài)Fig.8 Initial crack morphology of single-arm loading low-stress cropping
圖9所示為在最佳加載參數(shù)下掰斷加載和單臂加載2 種方式V 型槽處的應(yīng)力最大值對比。從圖9可以看出,掰斷下料方式的最大應(yīng)力關(guān)于V 型槽中心對稱分布,而單臂下料應(yīng)力最大值分布復(fù)雜,導(dǎo)致起裂質(zhì)量相對較差。與單臂加載最佳加載參數(shù)的起裂評價(jià)指標(biāo)相比,基于較優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行徑向掰斷加載得到的起裂偏距減小了8.2%,徑向起裂角減小了17.9%。進(jìn)一步試驗(yàn)結(jié)果顯示,此較優(yōu)工藝參數(shù)對直徑為12~20 mm、單節(jié)大于35 mm的常用長度45 號鋼棒料進(jìn)行徑向掰斷低應(yīng)力下料同樣適用。
圖9 棒料表面最大主應(yīng)力對比Fig.9 Comparison of the maximum principal stress on surface of bars
4.2.1 確定臨界起裂加載力的意義
在棒料參數(shù)確定的情況下,通常V 型槽尖端的臨界起裂力是一定的,對于不同的加載方式和加載參數(shù),只要得到棒料起裂所需的臨界起裂加載力,令實(shí)際加載力大于臨界起裂加載力,即可實(shí)現(xiàn)棒料的起裂加載[17]。下料過程中施加準(zhǔn)確的臨界起裂加載力能夠縮短起裂時(shí)間,進(jìn)而提高下料效率。對于目前單臂加載的下料方式,棒料V 型槽尖端起裂加載力是根據(jù)斷裂力學(xué)的估算和有限的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的,由于這種加載方式下V 型槽尖端應(yīng)力場復(fù)雜,理論計(jì)算較為困難,數(shù)值模擬得出的數(shù)據(jù)規(guī)律性較弱,因此,很難采用理論分析和數(shù)值模擬的方法來準(zhǔn)確計(jì)算下料時(shí)棒料V 型槽起裂力,進(jìn)而難以對起裂力進(jìn)行有效估算,導(dǎo)致起裂過程不易可靠控制:起裂加載力過小,導(dǎo)致起裂時(shí)間增加或下料不成功;起裂加載力過大,棒料瞬斷區(qū)面積增大導(dǎo)致下料斷面質(zhì)量變差,從而使得斷面質(zhì)量與下料時(shí)間無法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)解,限制了這種低應(yīng)力下料方法的工業(yè)化應(yīng)用[18]。但是對于徑向掰斷的低應(yīng)力下料加載方式,因其棒料V型槽處應(yīng)力場分布對稱,主應(yīng)力集中,力學(xué)模型相對容易建立,理論分析數(shù)值偏差較小,對仿真結(jié)果進(jìn)行擬合的準(zhǔn)確性也高,因此可以通過理論分析和仿真相結(jié)合的方式計(jì)算起裂加載力。
4.2.2 臨界起裂加載力的確定方法
臨界起裂加載力的確定方法和步驟如圖10 所示。在ABAQUS 中進(jìn)行仿真試驗(yàn)的流程為:首先細(xì)化分析步跨度,保證裂紋萌生時(shí)的起裂力為棒料起裂的臨界加載力,進(jìn)而能夠控制棒料的起裂深度滿足初始裂紋要求,即起裂深度為0.1~0.2 mm[10](圖5)。然后,根據(jù)裂紋萌生時(shí)的分析步時(shí)間和施加總載荷計(jì)算臨界加載力。棒料的強(qiáng)度極限與通過臨界加載力計(jì)算所得的最大正應(yīng)力比值即為V型槽尖端的應(yīng)力集中系數(shù)[19]。進(jìn)行多組棒料參數(shù)和加載參數(shù)的仿真試驗(yàn)并得到對應(yīng)的臨界加載力后,運(yùn)用MATLAB 進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到應(yīng)力集中系數(shù)的表達(dá)式。最后,通過仿真試驗(yàn)對應(yīng)力集中系數(shù)表達(dá)式進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證,即可確定不同加載參數(shù)的臨界起裂加載力。
圖10 確定臨界起裂加載力公式流程圖Fig.10 Flow chart to determine formula of critical crack initiation loading force
4.2.3 臨界起裂加載力計(jì)算公式
針對徑向掰斷加載方式的力學(xué)模型,V型槽尖端起裂所需的臨界起裂加載力計(jì)算公式為[20]:
式中:k為應(yīng)力集中系數(shù);δb為材料的強(qiáng)度極限,MPa;d為棒料直徑,mm;q為V型槽深度,mm;d=2a+2q。由式(3)和圖1可知,臨界起裂加載力與V型槽處截面半徑a和實(shí)際力臂(L2-L1)有關(guān)。本文中以45 號鋼為例,參數(shù)如表1 所示,根據(jù)實(shí)際工況固定d和L1進(jìn)行仿真試驗(yàn),用MATLAB 進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合計(jì)算,綜合考慮擬合效果,得到k關(guān)于變量q和L2表達(dá)式:
圖11 所示為基于仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)力集中系數(shù)公式擬合圖,用確定系數(shù)R2表征仿真試驗(yàn)結(jié)果擬合程度,R2為預(yù)測數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)均值之差的平方和與原始數(shù)據(jù)和均值之差的平方和的比值,確定系數(shù)的取值范圍為[0,1]。R2越大,表明建立的方程模型對數(shù)據(jù)擬合效果越好,即q和L2對k的解釋能力越強(qiáng)。根據(jù)式(4)得出R2=0.848,可見通過式(3)和(4)計(jì)算得出的臨界起裂加載力與仿真所得結(jié)果在取值范圍內(nèi)(V 型槽深度為0.6~1.4 mm,加載力臂為15~35 mm),高度吻合,因此,通過公式可方便地對不同參數(shù)棒料的臨界起裂加載力進(jìn)行估算。
圖11 基于仿真結(jié)果的應(yīng)力集中系數(shù)公式擬合圖Fig.11 Formula fitting diagram of stress concentration factor base on simulation results
1)提出了中小直徑棒料徑向掰斷的低應(yīng)力下料方法,該方法提高了棒料的起裂質(zhì)量和起裂力估算準(zhǔn)確性。
2)建立了中小直徑棒料徑向掰斷下料的仿真模型。通過對直徑d=15 mm 棒料進(jìn)行正交試驗(yàn),得到針對直徑為12~20 mm、單節(jié)大于35 mm的45號鋼棒料徑向掰斷加載方式的較優(yōu)工藝參數(shù)組合為L1=5 mm,L2=35 mm,q=0.6 mm,ρ=0.1 mm,得到的相應(yīng)起裂角為4.24°,起裂偏距為0.009 mm,在V型槽底部中心起裂。
3) 提出了能夠滿足工業(yè)化應(yīng)用的評判標(biāo)準(zhǔn):棒料起裂質(zhì)量起裂角<5°,起裂偏距<0.05 mm?;谄鹆哑嗪推鹆呀堑脑u價(jià)指標(biāo),與目前的單臂下料方式相比,徑向掰斷下料的起裂質(zhì)量較高,且掰斷下料時(shí)起裂力范圍可以通過理論計(jì)算和仿真分析確定,在研究取值范圍內(nèi)準(zhǔn)確性較高,方便獲得不同參數(shù)下棒料徑向掰斷低應(yīng)力下料的臨界起裂力。