新型低應力下料工藝實驗研究與數值模擬

鐘斌，王攀，于正洋，趙升噸

新型低應力下料工藝實驗研究與數值模擬

鐘斌1，王攀1，于正洋1，趙升噸2

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

針對金屬棒料精密下料過程中坯料斷面質量差的問題，提出一種新型低應力下料致裂方法。利用有限元數值模擬構建低應力致裂可控旋彎下料三維有限元模型，模擬下料過程，分析缺口張角參數對下料效率的影響，并根據數值模擬結果進行相應的下料試驗。當缺口張角為對稱45o時，缺口根部應力集中效應最為顯著，坯料斷面質量較好，同時下料效率較高。使用新型低應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量，且數值模擬結果與實驗結果有較高的一致性。

低應力下料；數值模擬；缺口；應力集中

金屬棒料下料技術是鍛造工藝的第1道工序，下料后坯料斷面的質量和幾何精度不僅會影響后續毛坯的加工質量，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外精密下料行業研究的熱點[1-3]。

傳統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，一種基于人為預制環形缺口及裂紋控制技術的低應力下料技術被提出，低應力下料是指在金屬棒料表面人為預制環形缺口，加載后缺口根部由于應力集中效應產生微裂紋，在外載荷持續作用下，使微裂紋萌生于應力集中區并向棒料中心進行擴展，當達到斷裂韌度時發生瞬斷，完成一次下料的技術[9-10]。低應力下料采用了裂紋擴展技術，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注。

李有堂等[11]提出了低應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，芮執元等[12]和Tang等[13]提出了一種新型的旋轉彎曲疲勞下料工藝，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整，導致下料效率偏低。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存在。為了克服低應力彎曲疲勞下料和低應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力徑向鍛沖精密下料技術，但隨著下料實驗的不斷重復，機械式往復沖擊錘頭與反沖輥磨損嚴重，下料效果明顯下降。

圖1 低應力旋轉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；5—主軸；6—連桿機構；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；13—絲杠；14—電機。

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

1 低應力致裂下料原理

低應力致裂下料裝置如圖3所示，該裝置由機械系統、液壓系統以及電氣控制系統構成[19]。低應力致裂下料裝置的機械結構是基于C6140a車床提出的，主要由夾持系統、固定系統以及動力傳動系統3部分構成，如圖3a所示。其中動力傳動系統用于給金屬棒料提供回轉的動力源；夾持及固定系統的作用是給金屬棒料提供夾緊力以及約束；夾持系統的作用是防止金屬棒料在下料中發生扭轉以及竄動；固定系統能夠調整處于懸臂狀的金屬棒料的力臂大小，進而改變下料力矩。低應力下料機的液壓系統是實現下料的主要系統，它能夠對棒料輸出變幅穩定載荷，如圖3b所示。

圖3 新型低應力致裂下料系統

新型低應力致裂可控旋彎下料方法利用了棒料表面預制缺口的缺口效應，在低幅值載荷的持續加載下，使棒料發生微裂紋起裂、疲勞裂紋擴展，直至發生韌性斷裂，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 新型低應力致裂下料原理

2 不同缺口參數數值模擬

2.1 有限元模型建立

利用ABAQUS仿真軟件構建如圖5所示的低應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，其中金屬棒料網格最小邊長為1 mm，總共10 506個結點，8 772個網格。對打擊錘頭和套筒添加2個平動和3個轉動的約束。三維有限元模型中使用到的相應幾何參數如下：= 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

對缺口張角參數進行研究時，下料參數如下：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，不同缺口張角參數下的Mises應力云圖如圖6所示。

圖6 不同缺口張角應力云圖

圖6 不同缺口張角應力云圖（續）

從圖6可知，人為預制環狀V 型缺口的張角類型以及角度對缺口根部的應力集中效應有很大的影響。缺口張角為左30°右45°、左30°右60°時的應力集中效應要低于左45°右30°、左60°右30°時的，這主要是因為應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力集中效應，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

采用低應力致裂下料裝置對不同缺口張角參數進行實驗驗證。根據本課題組研究結果可知[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馬蹄形缺陷，下料不需要特殊模具，下料過程沒有出現材料浪費的現象。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占比最大，瞬斷區只有中心少量區域，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；該下料方法較傳統下料方法在下料效率上具有很大的優勢，坯料截面能夠直接應用于后續的鍛造工藝，無需二次加工。

4 結論

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

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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。

責任編輯：蔣紅晨