預制棒料V形槽尖端裂紋實驗裝置的改進*

張立軍 趙永瑞 趙升噸

（①中國石油大學（華東），山東東營257061;②西安交通大學，陜西西安 710049）

為了實現低應力精密下料，西安交通大學趙升噸教授等人提出了“低能耗熱應力變頻振動精密下料方法”［1］。其下料過程中是先通過開槽機在棒料表面預制環向V形槽，然后再利用熱應力［2］預制棒料V形槽尖端裂紋，最后將帶有熱裂紋的棒料送入變頻振動下料機中進行下料。大量下料實驗結果證明，該下料方法能夠實現低應力彎曲下料［3－4］。這種下料方法首次將熱應力預制裂紋技術應用于精密下料中，這在減小棒料所需外載荷，實現低能耗下料方面邁出了重要一步。熱應力預制棒料V形槽尖端裂紋的基本原理如圖1所示，首先將金屬棒料加熱到特定溫度，然后用石棉隔板保護V形槽部分，最后分段同時冷卻棒料的其它表面部分，這樣由于材料的熱脹冷縮效應，將會在V形槽尖端處產生軸向拉應力，當該拉應力達到材料的強度極限后就會產生微裂紋（損傷），相應的冷卻裝置的拆分示意圖如圖2所示。該冷卻裝置主要由側板、上端蓋和進水管、水槽和出水管以及中心帶有石棉隔板的多個矩形插板組成。矩形插板的間距正好與棒料上V形槽的間距一樣，起保護V形槽的作用。然而目前的熱應力預制裂紋實驗中的冷卻裝置由于本身是一體的，即上端蓋和側板都是安裝在水槽上的，這導致熱應力預制裂紋實驗結果與其FEM數值模擬結果有一定誤差。為此，本文首先指出了目前現有實驗裝置的不足，并給出了完善的建議。在此基礎上，提出了基于推拉式多槽雙側板組合結構的冷卻裝置，這在很大程度上解決了上述問題。

1 現有熱應力預制裂紋實驗裝置的不足

筆者在西安交通大學讀博士期間，曾利用現有的冷卻裝置做過熱應力預制裂紋實驗。通過將實驗結果與其數值模擬結果對比，發現現有的熱應力預制裂紋實驗裝置存在如下3方面的不足。

（1）如圖2所示，帶V形槽的棒料在冷卻過程中其兩端沒有被固定，僅靠熱脹冷縮效應使其在V形槽尖端產生的熱應力來引起棒料V形槽尖端附近材料的熱損傷是不夠的。

（2）加熱到500℃的45鋼棒料是直接由人逐根插入到中間帶有與棒料表面上V形槽數目相同的石棉隔板上的孔中的，如圖2所示。但由于石棉隔板上孔的直徑與棒料的直徑越接近冷卻效果越好，因此這種設計對于生產中常用的較長的棒料而言是很難在很短時間內順利地穿過石棉隔板上每個孔的，時常出現等加熱到500℃的棒料放置到冷卻裝置中的規定位置時，棒料的實際加熱溫度已經降低，但這個過程又是不穩定的，帶有隨機性，導致熱應力效果不是很明顯，進而下料試驗結果也明顯帶有隨機性和不準確性，這已通過試驗證實。

（3）帶V形槽的棒料在冷卻過程中冷卻水是直接從冷卻裝置的上端蓋高壓快速噴射到高溫棒料上的，即棒料上與上端蓋相對的外表面和冷卻水的接觸時間最早，力度也最大，而棒料的其他外表面則與冷卻水的接觸時間相對要晚一些，而且力度也小一些，這在某種程度上可能導致整個棒料外表面冷卻不均，V形槽所在斷面處產生不均勻的溫度梯度，進而影響熱應力效果。

2 熱應力預制裂紋實驗裝置的改進建議

2.1 推拉式多槽雙側板組合結構的冷卻裝置

針對現有熱應力預制裂紋實驗裝置存在棒料V形槽處被保護程度差、棒料送入冷卻裝置困難問題，提出了基于推拉式多槽雙側板組合結構的冷卻裝置。將冷卻裝置的側板做成可活動部件，如圖3所示，側板上有推拉手柄。側板裝在水槽兩端的槽上，可沿棒料徑向滑動，如圖4所示。側板做成對稱的兩部分插在兩側板的插槽中，以便快速擋在棒料的V形槽上。冷卻進行時，將加熱好的棒料從長方形的端口處直接快速插入放置好，迅速將兩側板推進去使其上的隔板準確夾緊棒料V形槽缺口，然后進行冷卻。因此這種方案操作十分方便，既加快了棒料的裝入速度，同時也提高了冷卻裝置的工作效率和V形槽處的密封效果。

2.2 實驗棒料表面冷卻不均的分析

熱應力預制棒料V形槽尖端裂紋的FEM計算結果表明，棒料V形槽尖端由于熱應力產生損傷的時間很短，約為0.2～0.6 s［4］，因此當室溫下的冷卻水高壓快速噴射到500℃的金屬棒料上時，圍在冷卻箱相鄰石棉隔板之間的水會被迅速霧化，并瞬間充滿由相鄰兩個石棉隔板、冷卻箱上端蓋和冷卻箱下端蓋所組成的整個近似密閉空間，使棒料外表面都會瞬間均勻迅速冷卻。再加上經過改進的熱應力試驗裝置，棒料V形槽處的密封效果已得到極大改善。實驗后的棒料V形槽尖端處材料的金相組織顯示，棒料V形槽尖端附近在其周向上均能產生相同程度的均勻熱損傷，這證明改進后的實驗裝置能滿足要求。

另外，新設計的熱應力預制裂紋實驗裝置中，送入冷卻裝置的實驗棒料的兩端都有卡扣被牢靠地固定住。

3 熱應力預制裂紋實驗裝置

熱應力預制棒料V形槽尖端裂紋實驗裝置主要由冷卻裝置、離心泵、水箱、開關閥和通水管道等組成，如圖5所示。其工作過程為:首先接通電源，開動離心泵驅動電動機，將開關閥打在放水狀態，調試系統。如果沒有問題，迅速把已加熱好的棒料送入冷卻裝置，將開關閥打在冷卻狀態，便開始對棒料進行循環激冷大約1 s;當冷卻結束后，將開關閥再次指向放水狀態，實現水的回流，最后取出棒料。值得一提的是，由于該冷卻系統中離心泵的自吸能力差，所以在每次冷卻前，需要對離心泵進行人為灌水。從圖5中可以看出，整個冷卻系統結構簡單、布局合理、便于拆卸和維修、同時操作方便。

4 結語

本文提出了一種結構簡單、基于推拉式多槽雙側板組合結構的冷卻裝置，該冷卻裝置是熱應力預制裂紋實驗裝置的核心部件，也是提高熱應力預制裂紋的效率和萌生質量的關鍵。

［1］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.

［2］李維特.熱應力理論分析及應用［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［3］化春鍵，趙升噸，張立軍，等.新型變頻振動精密下料研究［J］.塑性工程學報，2005，12（增刊）:109－112，134.

［4］張立軍，趙升噸，柳偉，等.棒料熱應力預制裂紋的數值模擬研究［J］.中國機械工程，2006，17（23）:2512－2516.

［5］閔行，岳愉，凌偉.材料力學［M］.西安:西安交通大學出版社，1999.