新型低应力下料工艺实验研究与数值模拟

钟斌，王攀，于正洋，赵升吨

新型低应力下料工艺实验研究与数值模拟

钟斌1，王攀1，于正洋1，赵升吨2

（1.西安科技大学 机械工程学院，西安 710054；2.西安交通大学 机械工程学院，西安 710049）

针对金属棒料精密下料过程中坯料断面质量差的问题，提出一种新型低应力下料致裂方法。利用有限元数值模拟构建低应力致裂可控旋弯下料三维有限元模型，模拟下料过程，分析缺口张角参数对下料效率的影响，并根据数值模拟结果进行相应的下料试验。当缺口张角为对称45o时，缺口根部应力集中效应最为显著，坯料断面质量较好，同时下料效率较高。使用新型低应力下料致裂方法能够在提高下料效率的同时保证较好的坯料断面质量，且数值模拟结果与实验结果有较高的一致性。

低应力下料；数值模拟；缺口；应力集中

金属棒料下料技术是锻造工艺的第1道工序，下料后坯料断面的质量和几何精度不仅会影响后续毛坯的加工质量，同时还影响到金属材料的消耗量和加工成本，所以坯料断面几何精度、材料利用率及下料效率一直是国内外精密下料行业研究的热点[1-3]。

传统下料方法存在高污染、高能耗、低效率及断面尺寸精度差等不足[4-8]。近年来，一种基于人为预制环形缺口及裂纹控制技术的低应力下料技术被提出，低应力下料是指在金属棒料表面人为预制环形缺口，加载后缺口根部由于应力集中效应产生微裂纹，在外载荷持续作用下，使微裂纹萌生于应力集中区并向棒料中心进行扩展，当达到断裂韧度时发生瞬断，完成一次下料的技术[9-10]。低应力下料采用了裂纹扩展技术，下料过程不存在材料浪费，同时降低了下料机的能耗，因此得到了广泛的关注。

李有堂等[11]提出了低应力弯曲折断下料方法，但由于施加载荷不可控，所以断面尺寸精度较差。受车断和旋弯成形原理的启发，芮执元等[12]和Tang等[13]提出了一种新型的旋转弯曲疲劳下料工艺，该下料工艺的工作原理如图1所示，但由于该下料系统是采用车床改造而成的，实际施加的载荷只能是恒位移载荷且很难进行调整，导致下料效率偏低。Zhang等[14-16]基于旋弯疲劳下料原理，提出了液压补偿式高速离心旋弯疲劳下料方法，其下料系统原理如图2所示，但获取到的坯料断面仍有较大偏心瞬断区存在。为了克服低应力弯曲疲劳下料和低应力旋弯疲劳下料方法的不足，基于径向锻造原理，Wang等[17-18]提出了一种新型的机械式低应力径向锻冲精密下料技术，但随着下料实验的不断重复，机械式往复冲击锤头与反冲辊磨损严重，下料效果明显下降。

图1 低应力旋转弯曲疲劳下料工作原理

1—同步带轮；2—液压缸1；3—轴承；4—双推力机构；5—主轴；6—连杆机构；7—滑块；8—金属棒料；9—液压夹具1；10—液压夹具2；11—液压缸2；12—活动夹紧机构；13—丝杠；14—电机。

文中提出了一种低应力可控旋弯致裂下料方法，以304不锈钢棒料作为研究对象，采用数值模拟和下料试验相结合的方法，对低应力可控旋弯致裂下料工艺的缺口张角参数及坯料断面的影响规律进行研究，进而获取理想的工艺参数。

1 低应力致裂下料原理

低应力致裂下料装置如图3所示，该装置由机械系统、液压系统以及电气控制系统构成[19]。低应力致裂下料装置的机械结构是基于C6140a车床提出的，主要由夹持系统、固定系统以及动力传动系统3部分构成，如图3a所示。其中动力传动系统用于给金属棒料提供回转的动力源；夹持及固定系统的作用是给金属棒料提供夹紧力以及约束；夹持系统的作用是防止金属棒料在下料中发生扭转以及窜动；固定系统能够调整处于悬臂状的金属棒料的力臂大小，进而改变下料力矩。低应力下料机的液压系统是实现下料的主要系统，它能够对棒料输出变幅稳定载荷，如图3b所示。

图3 新型低应力致裂下料系统

新型低应力致裂可控旋弯下料方法利用了棒料表面预制缺口的缺口效应，在低幅值载荷的持续加载下，使棒料发生微裂纹起裂、疲劳裂纹扩展，直至发生韧性断裂，完成一次下料。该下料工作原理如图4所示，其中为金属棒料直径，为金属棒料长度，为缺口深度，为套筒长度，为缺口根部半径，为缺口张角，1为夹持机构与缺口中心线距离，2为棒料套筒与缺口中心线距离。

图4 新型低应力致裂下料原理

2 不同缺口参数数值模拟

2.1 有限元模型建立

利用ABAQUS仿真软件构建如图5所示的低应力致裂可控旋弯下料三维有限元模型。为了方便低幅值位移载荷的施加，在新型低应力致裂可控旋弯下料三维有限元模型中添加了施加位移载荷的打击锤头，进而得到了大小为3 mm的进给位移。为了能够缩短ABAQUS有限元软件的分析时间，需要对三维有限元模型中对损伤不敏感的夹紧机构和打击锤头进行离散刚体处理，采用柔性体分析金属棒料和聚氨酯套筒，并使用六面体网格对它们进行划分，同时以一次完整的锤头打击时间作为仿真时间，其中金属棒料网格最小边长为1 mm，总共10 506个结点，8 772个网格。对打击锤头和套筒添加2个平动和3个转动的约束。三维有限元模型中使用到的相应几何参数如下：= 10 mm，=390 mm，=340 mm，1=5 mm，2=10 mm，材料的弹性模量为1.93×105MPa，泊松比为0.3。

图5 新型低应力致裂下料有限元模型

2.2 缺口张角的影响

对缺口张角参数进行研究时，下料参数如下：金属棒料缺口半径=0.2 mm，缺口深度=1 mm，金属棒料直径=10 mm。缺口张角的选取如下：对称30o、对称45o、对称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，不同缺口张角参数下的Mises应力云图如图6所示。

图6 不同缺口张角应力云图

图6 不同缺口张角应力云图（续）

从图6可知，人为预制环状V 型缺口的张角类型以及角度对缺口根部的应力集中效应有很大的影响。缺口张角为左30°右45°、左30°右60°时的应力集中效应要低于左45°右30°、左60°右30°时的，这主要是因为应力波在传播时存在衰减性。当缺口张角为对称45°时，缺口根部具有较强的应力集中效应，此时较利于缺口根部微裂纹的起裂，选取该缺口张角还能提升下料效率。

3 实验验证

采用低应力致裂下料装置对不同缺口张角参数进行实验验证。根据本课题组研究结果可知[20]，实验选取材料为304不锈钢，其金属棒料直径为10 mm，电机转速为30 r/min，输出压力为8 MPa，缺口根部半径为0.2 mm，缺口深度为1 mm，所得的坯料断面照片如图7所示。

图7 坯料断面实物照片

图7a—i对应的下料时间分别为5.28、5.98、7.66、9、6.5、10、5、4、8 s。通过图7和下料时间可知，使用新型低应力致裂下料装置能够较好地完成下料实验，同时坯料断面没有毛刺且未出现马蹄形缺陷，下料不需要特殊模具，下料过程没有出现材料浪费的现象。从断面特征来看，当缺口张角为对称45°时，坯料断面的疲劳裂纹扩展区占比最大，瞬断区只有中心少量区域，占比最低，这主要是因为棒料在断裂过程中受到较大幅值位移载荷的影响，引发了波动，因此通过该缺口张角能够获取到理想的坯料断面。此外近缺口根部的断面较为光整，颜色较亮，表明该下料方法初期微裂纹起裂源多且均匀，基本可以解决下料过程中的偏心起裂问题；该下料方法较传统下料方法在下料效率上具有很大的优势，坯料截面能够直接应用于后续的锻造工艺，无需二次加工。

4 结论

1）提出的新型低应力致裂下料方法提高了下料效率并解决了下料的偏心起裂问题。

2）建立了新型低应力致裂下料的仿真模型，通过数值模拟分析结果可知，当缺口张角为对称45°时，缺口根部应力集中效应最为显著，较利于缺口根部微裂纹起裂，还能提升下料效率。

[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] 张立军, 韩琳, 张德潇, 等. 精密下料中圆形锤头-棒料摩擦副的摩擦学性能分析[J]. 中国机械工程, 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] 郭继富, 韩会杰, 赵东岩, 等. 金属冷热切圆锯片开裂、掉块原因分析及改进措施[J]. 轧钢, 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] 赵升吨, 景飞, 赵仁峰, 等. 金属管料下料技术概述[J]. 锻压装备与制造技术, 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] 李卫民, 成宗胜, 巩再艳. 高速精密剪切设计及其关键技术研究[J]. 机械设计与制造, 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] 钟玮, 赵升吨, 王泽阳, 等. 提高棒料下料断面质量途径探讨[J]. 锻压装备与制造技术, 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] 钟斌, 于正洋, 吕源, 等. 新型棒料气动式可控旋弯致裂精密下料系统研制[J]. 锻压技术, 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] 赵升吨, 任芋见, 杨昌群, 等. 低应力疲劳裂纹可控式精密分离技术[J]. 塑性工程学报, 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] 金东, 李靖祥, 任芋见, 等. 偏心旋转低周疲劳下料的声发射特性实验[J]. 锻压技术, 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, 魏庆同, 芮执元, 等. 一种弯曲限制型应力断料装置: 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] 芮执元, 龚俊, 黄建龙,等.一种旋转弯曲式应力断料机: 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, 钟斌, 李进, 等. 新型低应力致裂精密下料装置试验研究[J]. 锻压技术, 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

国家自然科学基金（51705416）

钟斌（1984—），男，博士，副教授，主要研究方向为金属塑性成形过程与模拟技术。

责任编辑：蒋红晨