共振诱导V形槽尖端萌生裂纹机构的研究*

张立军 姜景伟

(中国石油大学(华东)，山东东营 257061)

目前低应力下料在金属棒料的精密下料中呈现出较好的发展势头［1］。低应力下料是利用裂纹技术，在金属棒料表面的圆周上预先加工一个尖锐的环状V形槽，加载后使材料在V形槽底部产生局部裂纹，依靠裂纹的缓慢扩展完成下料［2］。这种下料方法由于V形槽的应力集中，所需的外力较小，下料断面也比较平整。然而目前这种低应力下料方法大都采用车削方法预制棒料V形槽，由于车刀磨损及其寿命等问题，导致V形槽的根部圆角半径不能太小，从而使V形槽的应力集中不可能太大，进而下料力仍很大，并且对具有较大圆角半径的环状V形槽加载后形成微裂纹所用时间占据了疲劳下料总时间的80%以上，下料效率相对较低［3－4］。为此本文提出棒料进入下料机下料之前，首先采用共振机构，在棒料V形槽尖端预先产生微裂纹，然后再将其放入现有下料机中依靠V形槽尖端裂纹的缓慢扩展完成下料。这一方面能降低棒料所需的初始外力，也可使下料效率明显提高。

1 机械式激振器的组成和作用

为了对不同直径、不同材质的金属棒料进行精密下料，并有效地利用共振效应，本文设计了机械式变频激振器。该激振器的机械部分主要由振动电动机、振动体、动模具、弹簧支撑以及机座等5大部分组成，如图1所示。各部分的作用是，振动电动机提供动力与振动，依靠固定在其两端的偏心块的作用，为整个系统提供激振力。振动电动机初选为YZS3－4型振动电动机，额定转速1 450 r/min，激振力3 000 N，此时激振力的频率为24 Hz;振动体用来连接振动电动机和弹簧支撑，并且用来容纳不同尺寸的动模具，并带动棒料上下振动;动模具主要是用来防止振动体在带动棒料上下振动时使棒料承受扭转力矩，从而可以防止棒料表面被磨损和棒料的表面精度降低;弹簧支撑的作用主要是使振动体在带动弹簧上下振动时的微小振幅可变又可控;机座起承载和固定作用。振动电动机的电源接通后，由于振动电动机中偏心块的作用，电动机将会带动振动体、动模具一起上下振动，并以一定频率的激振力击打棒料。当调节激振力的频率与整个激振系统的固有频率大体相当的时候，系统将会产生共振［5］，棒料V形槽的尖端也会产生微裂纹。

2 激振系统的固有频率分析

为了更好地发挥激振系统的共振效应，首先需要对激振系统进行模态分析，确定其固有频率。

2.1 激振系统的模型简化及其网格划分

如图1所示，激振系统机械部分装配体的结构较为复杂，在将其Solidworks三维模型图导入ANSYS分析软件时，需要对模型进行相应的简化。简化的工作主要有:(1)去掉连接固定振动电动机与振动体的螺栓和螺钉，代之为两个接触面相互重合、螺栓孔相互重合的配合关系;(2)去掉振动电动机模型上的倒角及筋板，以便于快速合理划分网格;(3)去掉动模具及其相关的轴承等组件;(4)将机座上的9根弹簧用ANSYS软件中combin39弹簧单元组件代替，以方便分析。在以上基础上，得到简化后的激振系统机械部分的ANSYS网格划分模型如图2所示。

2.2 激振系统的模态分析

激振系统仿真模型的约束设置如下:一是将振动电动机的下表面与振动体的上表面设置为耦合关系，目的是使振动体和振动电动机的运动主要约束为上下运动，二是约束机座底部固定。在此基础上，选择分析类型为模态分析，并设置提取和扩展阶数为6，运行求解，得到的数据结果如图3所示，六阶振型结果如图4所示。从图3可看出，四阶和五阶固有频率在10 Hz多一点。

3 振动电动机参数的调整

由图3可知，该激振系统的最高阶频率为53.138 Hz，在其他参数不变的情况下，振动电动机所产生的激振力已大于3 000 N，超过了棒料所需外力的要求。而系统的四阶和五阶固有频率分别为10.245 Hz、10.285 Hz，因此可以利用变频器将振动电动机的转速转换成660 r/min，即能达到激振频率为11 Hz的要求，进而使激振系统产生共振。

激振力与激振频率的关系为

式中:F为激振力，N;m为振动电动机两端的偏心块质量，kg;f为激振频率，Hz;ρ为偏心块的质量与其转动中心间的距离，m。由公式(1)可知，激振力正比于激振频率的平方。当激振频率由24 Hz变为11 Hz时，原来产生的额定的激振力3 000 N将变为630 N，不符合激振力需要达到1 000 N的要求。但是激振力的大小还与偏心块的质量有关，所以此时可以方便地将振动电动机的偏心块质量调整为原来的约1.6倍，就能使激振力达到1 000 N，这样既能满足共振要求，也能使振动电动机发挥合理功用。

4 结语

(1)本文提出了一种采用共振效应来诱导棒料V形槽尖端萌生微裂纹的方法，并设计出了机械式激振系统的机械结构。

(2)借助于Solidworks和ANSYS软件对激振系统的机械部分进行了模态分析，获得了五阶固有频率，并选定11 Hz作为工作时的激振频率。

(3)通过分析激振力与激振频率的关系可知，通过对振动电动机的偏心块质量扩大6倍，就能有效满足系统的整体性能。

［1］Tang Y，Zhao S D，Lin J.Experimental investigation of the effect of the circumferential loading of a rotary striking action cropping system［J］.Proc.IMechE，Part B:Journal of Engineering Manufacture，2010，224(7):1095－1101.

［2］魏庆同，郎福元，董庆珍，等.应力断料试验研究与应力断料机(具)的研制［J］.兰州理工大学学报，1982(2):20－38.

［3］张学来.棒料低应力变频振动精密下料机理的研究［D］.西安:西安交通大学，2005.

［4］Hua C J，Zhao S D，Zhang L J，et al.Investigation of a new －type precision cropping system with variable－ frequency vibration［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2006，48(12):1333 －1340.

［5］陈海明，胡新华，杨继隆，等.共振式电磁激振器振动系统的仿真分析［J］.机床与液压，2004(7):20 －22.