夹紧状态下的棒料高速精密剪切机理研究_李耀辉

为了进一步研究高速剪切与普通剪切试件的断 并验证所得出的基于塑性小范围屈服的高 面质量， 速剪切机理， 在 1 KJ 的液气棒料剪切机样机上进行 了高 速 剪 切 实 验。 试 验 材 料 有 直 径 为 16 mm、 18 mm、 20 mm 的 Q235 和直径为 8 mm、 10 mm、 12 mm 的 45 圆钢棒料， 根据剪切参数的优化结果， 剪切温 度在 300 ℃ ～ 500 ℃ 范围内分组进行， 剪切速度为 4 m / s ～ 6 m / s。同时利用普通剪床 （ 速度约 1 m / s ） 进行了棒料传统剪切试验， 并进行了对比分析， 表1 为20 mm 的 Q235 棒料分别采用夹紧方式的高速 精密剪切工艺与普通剪切工艺所得试件的断面技术 ［ 7］ 指标对比 。
On the Mechanism of Highspeed Precision Shearing of a Bar Under Clamping State
Li Yaohui1 ，Li Yongtang2 ，Li Zhenxing1
（ 1 Suzhou Vocational University， Suzhou 215104 ；
图1 高速剪切模型简图
令 A = sin （ 1 ） 整理后得
3θ 3θ θ θ sin（ ） ， B = cos cos（ ） 则式 2 2 2 2
θ σx = 1 － K Ⅱ sin （ 2 + B ） 2 r 2 π 槡 1 θ K Ⅱ B sin σy = 2 2 πr 槡 θ τ xy = 1 K Ⅱ cos （ 1 － A） 2 2 r 槡π
基金项目： 国家自然科学基金项目（ 50475049 ） 资助 作者简介： 李耀辉（ 1976 － ） ， 讲师， 硕士研究生， 研究方向为棒料剪 liyaohuixxr@ sina. com 切、 模具 CAD / CAE / CAM，
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机械科学与技术
第 28 卷
许多不完善之处， 有待于进一步分析研究， 探讨更符 合实际情况、 精度更高、 具有工程应用价值的理论模 型， 从而更好地解决实际生产中的具体问题。 笔者 结线弹性断裂理论关于Ⅱ型裂纹裂尖塑性区域解析 解研究， 深入探讨了夹紧状态下的棒料高速精密剪 切机理， 为剪切工艺参数的选择提供理论依据。 在 理论研究基础上， 进行了棒料高速精密剪切工艺试 验， 得到了令人满意的剪切质量。 1 高速精密剪切模型及应力状态分析 根据罗马尼亚布拉索夫 （ Brasov ） 大学提出的建
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Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024 ）
Abstract： Fracture theory is applied to the research of highspeed precision shearing. The mechanism of bar highspeed precision shearing under clamping state is studied in detail by using the theory of elasticity fracture in the stress field and the size of plastic area for model Ⅱ crack tip. Results show that the essence of highspeed shearing is to get smallscale plastic yield and bring regular fracture. Experimental research of highspeed precision shearing was performed on the above basis，and better shearing quality was obtained. Key words： bar； highspeed shears； shearing mechanism； clamping； model Ⅱ crack； smallscale yield 在机械加工的各个行业中， 下料大多是加工工 。 、 艺过程的第一道工序 随着冷 热模锻、 挤压等精密 无切削新工艺、 新技术的应用和发 锻造工艺及少、 展， 对切断毛坯的断面质量、 几何精度、 体积与重量 偏差、 生产率及材料利用率等各项要求越来越高 。 因此， 剪切工艺的选择不仅决定能否获得理想的毛 坯， 同时对经济效益也有很大的影响 。 目前常用的棒料下料工艺， 一般采用机械式剪 切机下料、 锯床下料、 车床下料和阳极机械切割等。
为获得垂直度较高的剪切断面， 应保证裂纹沿 0 c22 = 3 ， 预剪切面扩展， 即 θ = 0。 当 θ = 0 时， 代入式 （ 6） ， 可得到平面应变状态下， 在裂纹延长线上塑性 区边界到裂纹尖端的距离为 r0 = r
θ = 00
=
1 ( 2 ) 3KⅡ 2 π σ2 s
（ 7）
图 4 为裂尖塑性区域形状图。由图 4 可以看出， 平面应变状态下的裂尖塑性区尺寸比平面应力状态 的塑性区尺寸大大减小， 这也进一步说明采用夹紧装 置后的高速剪切更容易实现塑性小范围屈服。
表1 剪切方式 夹紧状态 高速剪切 夹紧状态 普通剪切 高速剪切与普通剪切试验数据对比 断面倾斜度 φ 棒端 1°15′ 料端 30′ 断面椭圆度 S （ mm） 棒端 1. 35 料端 1. 14 1. 33 断面不平度 b （ mm） 棒端 0. 86 3. 10 料端 0. 67 2. 60
θ （ 1 － A） 2 。 2
[ [
]
（ 4）
]
[
]
图2
剪切区材料的应力状态
3
裂尖塑性区域形状与尺寸估算 要确定 裂 尖 塑 性 区 域 的 形 状 和 大 小， 可利用
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5］ Mises 屈服准则 ［ ， 即
李耀辉等： 夹紧状态下的棒料高速精密剪切机理研究
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（Байду номын сангаасσx － σy ）
2
+ （ σy － σz ）
2
图3 受双向压应力和剪应力的无限大板
由于对称关系， 只考虑右边的裂纹端点。 取右 边裂纹端点为坐标原点， 裂纹端点附近各点的坐标 为 r 和 θ， 由前面分析可知： 径向夹紧状态下的高速 裂纹的扩展形态以Ⅱ型裂纹为主， 因此其裂纹 剪切， 尖端附近的应力分量表达式为
［ 4］
{
σ = － K Ⅱ sin θ 2 + cos θ cos（ 3 θ ） x 2 2 2 2 πr 槡 KⅡ 3θ θ θ （ 1） sin cos cos（ ） σy = 2 2 2 2 πr 槡 KⅡ θ 3θ θ τ xy = cos 1 － sin sin（ ） 2 2 2 2 πr 槡 0 平面应力 （ 2）
(
)
(
)
υ（ σx + σy ） =
2υ θ － KⅡsin 2 2 r 槡π
(
)
平面应变 （ 3）
y 轴上的正 式中： σ x 、 σy 、 τ xy 分别是图 3 中裂尖在 x、 应力和 O xy 面上的剪应力； K Ⅱ 为 Ⅱ 型裂纹的应力强 KⅡ = τb 槡 2 a 和 υ 分别是裂纹长度和材 πa ， 度因子， 料的泊松比。
李耀辉
要： 针对目前国内外对高速精密剪切理论研究的不成熟而制约其推广应用等实际问题 ， 提出了 将断裂理论引入高速精密剪切机理的研究中 。结合断裂力学中的线弹性断裂理论关于 Ⅱ型裂纹裂 摘 深入探讨了夹紧状态下的金属棒料高速精密剪切机理 ， 得出高速精密 尖应力场和塑性区域的研究， 剪切的实质是实现裂尖塑性小范围屈服 ， 产生规则断裂。在理论研究基础上， 结合课题组研究所得 出的有关适宜剪切参数， 在 1 KJ 液气棒料剪切机样机上进行了剪切工艺试验 ， 试验数据表明： 基于 塑性小范围屈服的高速剪切可以获得满意的剪切质量 。 词： 棒料； 高速剪切； 剪切机理； 夹紧； Ⅱ型裂纹； 小范围屈服 8728 （ 2009 ） 12166703 中图分类号： TG5 文献标识码： A 文章编号： 1003关 键
2
线弹性断裂力学裂尖的应力场 无限大平板上有一长为 2 a 的中心贯穿裂纹， 在
无限远处受双向压应力和剪应力作用 ， 如图 3 所示。
立在特奥多尔. 卡尔 （ Theoder Karman ） 基础上的精 ［ 3］ 密剪切理论 ， 在精密剪切时， 要使棒料的剪切区 施压至屈服极限， 该压力要均匀地作用在剪切区， 形 ， 成材料的三向压应力状态 使裂尖处于塑性小范围屈 服， 方可进行无间隙的纯光洁剪切， 即棒料在多向受 压的情况下比在单向受压时的塑性变形状态更好。 笔者所研究的是带径向夹紧装置的棒料高速精 密剪切， 夹紧力为棒料剪切力的 1. 5 倍 ～ 2. 0 倍， 使 棒料处于弹性夹紧状态， 剪切模型如图 1 所示。 图 2 为位于剪切面附近的剪切变形区的应力状态， 由 采用了径向夹紧力后， 棒料的转动自由 图可以看出， 度被消除， 使剪刃下方的整个剪切面都处于三向压 应力状态， 裂纹的扩展形式以 Ⅱ 型的滑移型裂纹为 主， 只是在剪切的最后阶段出现少量撕裂现象 ， 而影 响剪切质量的关键是初期裂纹的扩展， 因此可近似 的看作纯Ⅱ型裂纹。 σz =
2009 年 第 28 卷
12 月 第 12 期
机械科学与技术 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering
December Vol. 28
2009 No. 12
夹紧状态下的棒料高速精密剪切机理研究
1 2 1 李耀辉 ， 李永堂 ， 李振兴 （ 1 苏州市职业大学， 苏州 215104 ； 2 太原科技大学， 太原 030024 ）
+ （ σz － σx ）