新型低應(yīng)力下料工藝實驗研究與數(shù)值模擬

鐘斌，王攀，于正洋，趙升噸

新型低應(yīng)力下料工藝實驗研究與數(shù)值模擬

鐘斌1，王攀1，于正洋1，趙升噸2

（1.西安科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，西安 710054；2.西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，西安 710049）

針對金屬棒料精密下料過程中坯料斷面質(zhì)量差的問題，提出一種新型低應(yīng)力下料致裂方法。利用有限元數(shù)值模擬構(gòu)建低應(yīng)力致裂可控旋彎下料三維有限元模型，模擬下料過程，分析缺口張角參數(shù)對下料效率的影響，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果進行相應(yīng)的下料試驗。當缺口張角為對稱45o時，缺口根部應(yīng)力集中效應(yīng)最為顯著，坯料斷面質(zhì)量較好，同時下料效率較高。使用新型低應(yīng)力下料致裂方法能夠在提高下料效率的同時保證較好的坯料斷面質(zhì)量，且數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果有較高的一致性。

低應(yīng)力下料；數(shù)值模擬；缺口；應(yīng)力集中

金屬棒料下料技術(shù)是鍛造工藝的第1道工序，下料后坯料斷面的質(zhì)量和幾何精度不僅會影響后續(xù)毛坯的加工質(zhì)量，同時還影響到金屬材料的消耗量和加工成本，所以坯料斷面幾何精度、材料利用率及下料效率一直是國內(nèi)外精密下料行業(yè)研究的熱點[1-3]。

傳統(tǒng)下料方法存在高污染、高能耗、低效率及斷面尺寸精度差等不足[4-8]。近年來，一種基于人為預(yù)制環(huán)形缺口及裂紋控制技術(shù)的低應(yīng)力下料技術(shù)被提出，低應(yīng)力下料是指在金屬棒料表面人為預(yù)制環(huán)形缺口，加載后缺口根部由于應(yīng)力集中效應(yīng)產(chǎn)生微裂紋，在外載荷持續(xù)作用下，使微裂紋萌生于應(yīng)力集中區(qū)并向棒料中心進行擴展，當達到斷裂韌度時發(fā)生瞬斷，完成一次下料的技術(shù)[9-10]。低應(yīng)力下料采用了裂紋擴展技術(shù)，下料過程不存在材料浪費，同時降低了下料機的能耗，因此得到了廣泛的關(guān)注。

李有堂等[11]提出了低應(yīng)力彎曲折斷下料方法，但由于施加載荷不可控，所以斷面尺寸精度較差。受車斷和旋彎成形原理的啟發(fā)，芮執(zhí)元等[12]和Tang等[13]提出了一種新型的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞下料工藝，該下料工藝的工作原理如圖1所示，但由于該下料系統(tǒng)是采用車床改造而成的，實際施加的載荷只能是恒位移載荷且很難進行調(diào)整，導(dǎo)致下料效率偏低。Zhang等[14-16]基于旋彎疲勞下料原理，提出了液壓補償式高速離心旋彎疲勞下料方法，其下料系統(tǒng)原理如圖2所示，但獲取到的坯料斷面仍有較大偏心瞬斷區(qū)存在。為了克服低應(yīng)力彎曲疲勞下料和低應(yīng)力旋彎疲勞下料方法的不足，基于徑向鍛造原理，Wang等[17-18]提出了一種新型的機械式低應(yīng)力徑向鍛沖精密下料技術(shù)，但隨著下料實驗的不斷重復(fù)，機械式往復(fù)沖擊錘頭與反沖輥磨損嚴重，下料效果明顯下降。

圖1 低應(yīng)力旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞下料工作原理

1—同步帶輪；2—液壓缸1；3—軸承；4—雙推力機構(gòu)；5—主軸；6—連桿機構(gòu)；7—滑塊；8—金屬棒料；9—液壓夾具1；10—液壓夾具2；11—液壓缸2；12—活動夾緊機構(gòu)；13—絲杠；14—電機。

文中提出了一種低應(yīng)力可控旋彎致裂下料方法，以304不銹鋼棒料作為研究對象，采用數(shù)值模擬和下料試驗相結(jié)合的方法，對低應(yīng)力可控旋彎致裂下料工藝的缺口張角參數(shù)及坯料斷面的影響規(guī)律進行研究，進而獲取理想的工藝參數(shù)。

1 低應(yīng)力致裂下料原理

低應(yīng)力致裂下料裝置如圖3所示，該裝置由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成[19]。低應(yīng)力致裂下料裝置的機械結(jié)構(gòu)是基于C6140a車床提出的，主要由夾持系統(tǒng)、固定系統(tǒng)以及動力傳動系統(tǒng)3部分構(gòu)成，如圖3a所示。其中動力傳動系統(tǒng)用于給金屬棒料提供回轉(zhuǎn)的動力源；夾持及固定系統(tǒng)的作用是給金屬棒料提供夾緊力以及約束；夾持系統(tǒng)的作用是防止金屬棒料在下料中發(fā)生扭轉(zhuǎn)以及竄動；固定系統(tǒng)能夠調(diào)整處于懸臂狀的金屬棒料的力臂大小，進而改變下料力矩。低應(yīng)力下料機的液壓系統(tǒng)是實現(xiàn)下料的主要系統(tǒng)，它能夠?qū)Π袅陷敵鲎兎€(wěn)定載荷，如圖3b所示。

圖3 新型低應(yīng)力致裂下料系統(tǒng)

新型低應(yīng)力致裂可控旋彎下料方法利用了棒料表面預(yù)制缺口的缺口效應(yīng)，在低幅值載荷的持續(xù)加載下，使棒料發(fā)生微裂紋起裂、疲勞裂紋擴展，直至發(fā)生韌性斷裂，完成一次下料。該下料工作原理如圖4所示，其中為金屬棒料直徑，為金屬棒料長度，為缺口深度，為套筒長度，為缺口根部半徑，為缺口張角，1為夾持機構(gòu)與缺口中心線距離，2為棒料套筒與缺口中心線距離。

圖4 新型低應(yīng)力致裂下料原理

2 不同缺口參數(shù)數(shù)值模擬

2.1 有限元模型建立

利用ABAQUS仿真軟件構(gòu)建如圖5所示的低應(yīng)力致裂可控旋彎下料三維有限元模型。為了方便低幅值位移載荷的施加，在新型低應(yīng)力致裂可控旋彎下料三維有限元模型中添加了施加位移載荷的打擊錘頭，進而得到了大小為3 mm的進給位移。為了能夠縮短ABAQUS有限元軟件的分析時間，需要對三維有限元模型中對損傷不敏感的夾緊機構(gòu)和打擊錘頭進行離散剛體處理，采用柔性體分析金屬棒料和聚氨酯套筒，并使用六面體網(wǎng)格對它們進行劃分，同時以一次完整的錘頭打擊時間作為仿真時間，其中金屬棒料網(wǎng)格最小邊長為1 mm，總共10 506個結(jié)點，8 772個網(wǎng)格。對打擊錘頭和套筒添加2個平動和3個轉(zhuǎn)動的約束。三維有限元模型中使用到的相應(yīng)幾何參數(shù)如下：= 10 mm，=390 mm，=340 mm，1=5 mm，2=10 mm，材料的彈性模量為1.93×105MPa，泊松比為0.3。

圖5 新型低應(yīng)力致裂下料有限元模型

2.2 缺口張角的影響

對缺口張角參數(shù)進行研究時，下料參數(shù)如下：金屬棒料缺口半徑=0.2 mm，缺口深度=1 mm，金屬棒料直徑=10 mm。缺口張角的選取如下：對稱30o、對稱45o、對稱60o、左30o右45o、左30o右60o、左45o右30o、左45o右60o、左60o右30o、左60o右45o，不同缺口張角參數(shù)下的Mises應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 不同缺口張角應(yīng)力云圖

圖6 不同缺口張角應(yīng)力云圖（續(xù)）

從圖6可知，人為預(yù)制環(huán)狀V 型缺口的張角類型以及角度對缺口根部的應(yīng)力集中效應(yīng)有很大的影響。缺口張角為左30°右45°、左30°右60°時的應(yīng)力集中效應(yīng)要低于左45°右30°、左60°右30°時的，這主要是因為應(yīng)力波在傳播時存在衰減性。當缺口張角為對稱45°時，缺口根部具有較強的應(yīng)力集中效應(yīng)，此時較利于缺口根部微裂紋的起裂，選取該缺口張角還能提升下料效率。

3 實驗驗證

采用低應(yīng)力致裂下料裝置對不同缺口張角參數(shù)進行實驗驗證。根據(jù)本課題組研究結(jié)果可知[20]，實驗選取材料為304不銹鋼，其金屬棒料直徑為10 mm，電機轉(zhuǎn)速為30 r/min，輸出壓力為8 MPa，缺口根部半徑為0.2 mm，缺口深度為1 mm，所得的坯料斷面照片如圖7所示。

圖7 坯料斷面實物照片

圖7a—i對應(yīng)的下料時間分別為5.28、5.98、7.66、9、6.5、10、5、4、8 s。通過圖7和下料時間可知，使用新型低應(yīng)力致裂下料裝置能夠較好地完成下料實驗，同時坯料斷面沒有毛刺且未出現(xiàn)馬蹄形缺陷，下料不需要特殊模具，下料過程沒有出現(xiàn)材料浪費的現(xiàn)象。從斷面特征來看，當缺口張角為對稱45°時，坯料斷面的疲勞裂紋擴展區(qū)占比最大，瞬斷區(qū)只有中心少量區(qū)域，占比最低，這主要是因為棒料在斷裂過程中受到較大幅值位移載荷的影響，引發(fā)了波動，因此通過該缺口張角能夠獲取到理想的坯料斷面。此外近缺口根部的斷面較為光整，顏色較亮，表明該下料方法初期微裂紋起裂源多且均勻，基本可以解決下料過程中的偏心起裂問題；該下料方法較傳統(tǒng)下料方法在下料效率上具有很大的優(yōu)勢，坯料截面能夠直接應(yīng)用于后續(xù)的鍛造工藝，無需二次加工。

4 結(jié)論

1）提出的新型低應(yīng)力致裂下料方法提高了下料效率并解決了下料的偏心起裂問題。

2）建立了新型低應(yīng)力致裂下料的仿真模型，通過數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，當缺口張角為對稱45°時，缺口根部應(yīng)力集中效應(yīng)最為顯著，較利于缺口根部微裂紋起裂，還能提升下料效率。

[1] ZHAO Sheng-dun, WANG Ji, WANG Li-hong, et al. Iterative Learning Control of Electro-Hydraulic Proportional Feeding System in Slotting Machine for Metal Bar Cropping[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2004, 45(7): 923-931.

[2] 張立軍, 韓琳, 張德瀟, 等. 精密下料中圓形錘頭-棒料摩擦副的摩擦學(xué)性能分析[J]. 中國機械工程, 2020, 31(4): 410-416.

ZHANG Li-jun, HAN Lin, ZHANG De-xiao, et al. Tribological Performance Analysis of Circular Hammerhead-Bar Friction Pair in Precision Blanking[J]. China Mechanical Engineering, 2020, 31(4): 410-416.

[3] ZHANG L, ZHAO S, LEI J, et al. Investigation on the Bar Clamping Position of a New Type of Precision Cropping System with Variable Frequency Vibration[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, 47(7): 1125-1131.

[4] 郭繼富, 韓會杰, 趙東巖, 等. 金屬冷熱切圓鋸片開裂、掉塊原因分析及改進措施[J]. 軋鋼, 2019, 36(5): 93-96.

GUO Ji-fu, HAN Hui-jie, ZHAO Dong-yan, et al. Causes Analysis of Cracking and Falling Problem of Metal Cold and Hot Cutting Circular Saw Blade and Its Improvement Measures[J]. Steel Rolling, 2019, 36(5): 93-96.

[5] 趙升噸, 景飛, 趙仁峰, 等. 金屬管料下料技術(shù)概述[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù), 2015, 50(2): 11-14.

ZHAO Sheng-dun, JING Fei, ZHAO Ren-feng, et al. Overview of Metal Pipe Blanking Technology[J]. China Metal Forming Equipment & Manufacturing Technology, 2015, 50(2): 11-14.

[6] 李衛(wèi)民, 成宗勝, 鞏再艷. 高速精密剪切設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 機械設(shè)計與制造, 2012(5): 136-138.

LI Wei-min, CHENG Zong-sheng, GONG Zai-yan. Study on Design and Key Technology of High-Speed Precision Shear[J]. Machinery Design & Manufacture, 2012(5): 136-138.

[7] 鐘瑋, 趙升噸, 王澤陽, 等. 提高棒料下料斷面質(zhì)量途徑探討[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù), 2016, 51(2): 77-83.

ZHONG Wei, ZHAO Sheng-dun, WANG Ze-yang, et al. Discussion about Method of Improving the Bar Cutting Surface Quality through Raising the Hard Brittle of Material[J]. China Metalforming Equipment & Manufacturing Technology, 2016, 51(2): 77-83.

[8] 鐘斌, 于正洋, 呂源, 等. 新型棒料氣動式可控旋彎致裂精密下料系統(tǒng)研制[J]. 鍛壓技術(shù), 2018, 43(8): 131-139.

ZHONG Bin, YU Zheng-yang, LYU Yuan, et al. Development on a New Controllable Pneumatic Rotary Cracking Fine Cutting System for Metal Bar[J]. Forging & Stamping Technology, 2018, 43(8): 131-139.

[9] 趙升噸, 任芋見, 楊昌群, 等. 低應(yīng)力疲勞裂紋可控式精密分離技術(shù)[J]. 塑性工程學(xué)報, 2020, 27(12): 1-8.

ZHAO Sheng-dun, REN Yu-jian, YANG Chang-qun, et al. Low-Stress Fatigue Crack Controllable Precision Cropping Technology[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2020, 27(12): 1-8.

[10] 金東, 李靖祥, 任芋見, 等. 偏心旋轉(zhuǎn)低周疲勞下料的聲發(fā)射特性實驗[J]. 鍛壓技術(shù), 2019, 44(6): 168-172.

JIN Dong, LI Jing-xiang, REN Yu-jian, et al. Experiment of Acoustic Emission Characteristics for Eccentric Rotating Low Cycle Fatigue Cutting[J]. Forging & Stamping Technology, 2019, 44(6): 168-172.

[11] 李有堂, 魏慶同, 芮執(zhí)元, 等. 一種彎曲限制型應(yīng)力斷料裝置: CN2362612[P]. 2000-02-09.

LI You-tang, WEI Qing-tong, RUI Zhi-yuan, et al. Bending Limited Stress Material-Cutter: CN2362612[P]. 2000-02-09.

[12] 芮執(zhí)元, 龔俊, 黃建龍,等.一種旋轉(zhuǎn)彎曲式應(yīng)力斷料機: CN96202853.3[P]. 1997-07-16.

RUI Zhi-yuan, GONG Jun, HUANG Jian-long, et al. Rotary Bending Type Stress Cutting Machine: CN96202853.3[P]. 1997-07-16.

[13] TANG Li-you, FENG Yan-chang, BING Wei-yao. The Application of Fracture for Middle Carbon Steel in Extralow Cycle Inverse Rotating Bending Fatigue Loading[J]. Key Engineering Materials, 2004, 488(261/262/ 263): 1147-1152.

[14] ZHANG Li-jun, ZHAO Yong-rui, WANG Han-xiang. Investigation on the Precision Cropping System with High-Speed and Centrifugal Action[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 80(5/6/7/8): 1311-1317.

[15] ZHANG Li-jun, CHEN Xian-feng, WANG Han-xiang, et al. Research on Critical Loading Force in Precision Cropping System Based on Hydraulic Compensation[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2018, 142/143: 44-50.

[16] ZHANG Li-jun, ZHANG De-pei, WANG Han-xiang, et al. Research on Variable Frequency-Loading Curve in Precision Cropping System with High-Speed and Centrifugal Action[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018, 97(5/6/7/8): 2969-2978.

[17] WANG Zhen-wei, ZHAO Sheng-dun, YU Ya-ting. Study on the Dynamic Characteristics of the Low-Stress Vibration Cropping Machine[J]. Journal of Materials Processing Tech, 2007, 190(1): 89-95.

[18] WANG Z W, ZHAO S D.Transistant Analysis of the Variant Frequency Vibration Cropping System[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C, Journal of Mechanical Engineering Science, 2007, 7(221): 769-778.

[19] 于正洋, 鐘斌, 李進, 等. 新型低應(yīng)力致裂精密下料裝置試驗研究[J]. 鍛壓技術(shù), 2022, 47(3): 125-129.

YU Zheng-yang, ZHONG Bin, LI Jin, et al. Test Study on New Type Low Stress Cracking Precision Blanking Device[J]. Forging & Stamping Technology, 2022, 47(3): 125-129.

[20] YU Z Y, ZHONG B, ZHANG C W, et al. Theoretical and Experimental Study on Optimal Cropping Load Control Strategy of Duralumin Alloy AlCu4Mg1 Based on Linear Elastic Fracture Mechanics[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C-Journal of Mechanical Engineering Science, 2019(238): 1630-1639.

Experimental Research and Numerical Simulation of New Low-stress Cropping Process

ZHONG Bin1, WANG Pan1, YU Zheng-yang1, ZHAO Sheng-dun2

(1. School of Mechanical Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, China; 2. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

The work aims to propose a new low-stress cropping cracking method, so as to solve the problem of poor cross-section quality of blank in precise cropping of metal bars.Finite element numerical simulation was used to build a three-dimensional finite element model of low-stress cracking controllable rotary bending cropping, the cropping process was simulated, the effect of different notch opening angle on cropping efficiency was analyzed and the corresponding cropping test was carried out according to the numerical simulation results. When the notch angle was symmetrically 45o, the stress concentration effect at the root of the notch was the most significant, the cross-section quality of blank was better, and the cropping efficiency was high. The new low-stress cropping cracking method can improve the cropping efficiency and ensure the cross-section quality of blank. The numerical simulation results are in good agreement with the experimental results.

low stress cropping; numerical simulation; notch; stress concentration

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.07.008

TG316.1

A

1674-6457(2022)07-0058-06

2022–05–06

國家自然科學(xué)基金（51705416）

鐘斌（1984—），男，博士，副教授，主要研究方向為金屬塑性成形過程與模擬技術(shù)。

責任編輯：蔣紅晨