金属棒料高速精密剪切适宜剪切速度的研究

・机械制造与研究・　　　　　李耀辉, 等・金属棒料高速精密剪切适宜剪切速度的研究

金属棒料高速精密剪切适宜剪切速度的研究

李耀辉, 许春龙

(苏州市职业大学机械工程系, 江苏苏州215011)

摘　要:针对高速剪切下料技术中所存在的速度问题, 从裂纹扩展角度出发, 结合断裂力学中

的应变能密度理论, 借助塑性力学中关于裂纹技术的相关理论, 对剪切过程中影响断面品质的一个重要参数———剪切速度进行分析, 推导出适宜高速剪切速度的表达式, 有助于该项新技术的推广应用。在此基础上进行了金相分析对比, 分析研究了加载速度对高速剪切断面微观组织形态的影响, 进一步说明了高速剪切比普通剪切具有更好的断面品质。关键词:高速剪切; 断裂力学; 裂纹; 剪切速度;SEM 中图分类号:TQ381　　文献标识码:B　　文章编号:167125276(2006) 0520074203

R esearch on the R ational Shearing Speed of High 2speed Precision Metal B ar

L I Yao 2hui ,XU 2(Suzhou Vocational , J , Abstract :In this paper , an the of 2speed shearing is put forward. It is an important 2of shearing process. It ’s useful for wide spread of this is byreferring to the related theory of fracture mechanics and plastic mechanics on The author also gives the analysis and correlation about the influence of speed on shearing section ’s microscopic structure by metallurgical test. It further demonstrates that high 2speed shearing can get better section quality than common shearing.

K ey w ords :high 2speed shearing ; fracture mechanics ; crack ; shearing speed ; SEM

0　前言

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, 生产实践中常用的下料方法有一般剪切、精密剪切、锯切、车床切割和砂轮切割等, 其中精密剪切生产效率高, 断面品质好, 因而得到广泛应用。本文所研究的是高速精密剪切, 文献5显示, 高速剪切断面品质同剪切速度的选取密切相关。虽然对大多数材料来说, 提高剪切速度可以改善毛坯的断面品质, 但并不是说速度越高越好, 对于速度敏感性较差的材料来说, 提高加载速度不仅对剪切品质的贡献不大, 而且容易产生温度效应; 即使是对速度敏感性较好的材料, 材质不同, 其最佳加载速度也是不同的。因此, 确定不同材料的最佳加载速度是高速剪切的关键, 通过借鉴断裂力学中关于裂纹研究的有关理论和结论来进行速度的推导, 以确定提高剪切断面品质的适宜剪切速度。

纹的扩展方向(开裂角) 和裂纹扩展的临界条件(临界状态) , 确定断裂判据, 从而防止和控制裂纹的扩展; 而剪切下料则是在确保裂纹沿欲剪切面扩展的前提下, 研究适宜的欲加载荷方式及载荷大小。因此断裂力学和剪切下料是关于裂纹技术的两个逆向研究, 可以借助断裂力学中关于裂纹技术的有关理论和结论研究剪切下料的相关问题。对于径向夹紧方式的高速剪切而言, 剪切过程中产生的裂纹主要以Ⅱ型裂纹为主, 只是在剪切的最后阶段出现少量撕裂现象, 而且影响剪切品质的关键是初期裂纹的扩展, 因此可以近似的看作纯Ⅱ型裂纹。

对于任意的裂纹方式, 设裂纹体上作用的外载荷为P , 由应变能密度理论可知应变能密度因子为:

222

S =a 11K Ⅰ+2a 12K ⅠK Ⅱ+a 22K Ⅱ+a 33K Ⅲ(1)

式中:

a 11=a 12

1　应变能密度理论的应用

断裂力学是在给定载荷方式的条件下, 研究裂

(νθ) (1+cos θ) ]μ[3-4-cos 16π(θ) θ(ν) =

μ2sin [cos -1-2]16π

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・机械制造与研究・　　　　　李耀辉, 等・金属棒料高速精密剪切适宜剪切速度的研究(ν) (1-c os θ) +(1+c os θ) (3c os θ-1) ]μ[41-16π(2) a 33=

μ4π

其中:μ———剪切弹性模量;

a 22=

度下进行剪切,

2

x ) 3(1-2ν

故应满足P ≤0. 89×μσ, 同时, 为了实现棒料顺K Ⅰc

ν———材料的泊松比; θ———极角;

K Ⅰ、K Ⅱ、K Ⅲ分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂纹的应力

π2

利切断, 剪切载荷必须满足P ≥[τ]。

4

综上所述可知, 高速剪切时, 为了实现剪切断裂, 并且获得高断面品质的剪切毛坯, 应使剪切载荷满足如下关系式:

π2

[τ]≤P ≤4

0. 89

2) 3(1-2ν

强度因子。

剪切过程中, 径向夹紧力的作用使剪切区的弯

曲和拉伸受到制约, 同时, 由于剪切速度较高(ν>5m/s ) , 塑性变形减小, 使剪刃和材料的侧向挤压

μσK Ⅰc

(6)

力减小。当速度达到临界脆断速度时, 侧向挤压力的影响可以忽略, 此时裂纹扩展的贡献力量主要是Ⅱ型裂纹(滑移型裂纹) , 而Ⅰ型裂纹(张开型裂纹) 和Ⅲ型裂纹(撕开型裂纹) 的贡献不大。因此, 式(1) 可简化为:

S =a 22K Ⅱ

2

3)

　　锤上剪切时, 锤的充气压力p 是一定的, 剪切过程中剪切能量E 为定值, 气体膨胀做功转化为动能, p 存在一定关系, 。所以式(6) 也, 根据此关系式ν。

　　θ, 2) 式(3) 得

S =

2　剪切实验结果分析

图1为d 20mm 的Q235剪切后断口附近区域和中央区域的SEM 图。其中图1(a ) 和图1(b ) 分别为临界脆断速度下的SEM 照片, 由图可以看出, 当速度接近临界脆断速度时, 在靠近切口的边缘区域有一条弯曲黑带, 黑带沿断口面(照片上边界为断口面) 与轴向近似成45°延伸。接近断口中央部分时变为平直黑带, 所有的塑性变形都发生在黑带上方的剪切塑变带内, 断口中央的剪切断面产生河流状花样和韧窝并存的断裂形貌。进一步论证速度的提高使材料断裂韧度下降, 剪切面的塑性变形区减小, 裂纹尖端的应力集中难以通过塑性变形松弛, 裂尖应力奇异性效果发挥引裂作用; 并且由于裂尖的塑性小范围屈服状态使裂纹沿欲剪切面扩展, 从而实现规则剪切分离, 裂纹主要以准解理方式为主, 产生准解理穿晶断裂。剪切后毛坯断面的不平度和倾斜度均有很大改善。图1(c ) 和图1(d ) 分别为非临界脆断速度下剪切坯件断口区域的SEM 结果, 由于速度过低或过高(温度效应显著) 使裂尖不满足塑性小范围屈服条件, 可看到切口附近区域断面上产生许多“韧窝”小坑, 一直延续到切口中央区域, 断口中央部分产生由于金属塑性流动而形成的“山崖”状挤出组织。同时裂尖应力集中松弛使裂纹尖端产生钝化, 在位错堆积影响下材料发生沿晶断裂。

μ4π

K Ⅱ

2

(4)

　　对于给定的材料, 其临界值S C 是一定的, 由2

开裂条件知S =S C =πK 。查《应力强度因子

4μⅡ

手册》得, 高速剪切模型下相应的应力强度因子表

达式为:

K Ⅱ=1. 1215τa

　　式中, τ为剪切面上的平均剪应力(τ=P/A

2

=P/d ) ; a 为裂纹扩展时的起始裂纹长度。

4

高速剪切时, 为了获得好的断面品质, 应使剪切速度取得临界值, 减小剪切面的塑性变形量, 使裂纹尖端处于塑性小范围屈服, 而小范围屈服要求裂纹扩展时的起始裂纹长度a 应满足如下条件, 即:

a ≥2. 5

αs

(5)

　　式中, K Ⅱc 为材料的断裂韧度, 在断裂力学中, 由于K Ⅱc 不易测量, 而K Ⅰc 的测量技术已比较成熟, 文献1研究表明, 一般可用K Ⅰc 来表示K Ⅱc , 即K Ⅱc =

由此式可得知, 为2K Ⅰc 。) -ν(1-ν

了保证高速剪切后毛坯的切断面品质, 应对预加载荷(或剪切速度) 的上限做一个限制, 即在临界速

M achi ne B uil di ng &A utomation , Oct 2006, 35(5) :74～76

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品质。每种材料都有不同的临界脆断速度;

c ) 高速剪切时, 材料的适宜剪切速度, 即临界脆断速度可结合式(6) 进行确定。

参考文献:

[1]高　庆. 工程断裂力学[M ].重庆:重庆大学出版社,19851[2]李永堂, 罗上银. 液压模锻锤[M ].北京:机械工业出版社,

19921

[3]韦尧兵, 等. 断裂力学逆问题及应力法剪切的几个问题[J].甘

肃工业大学学报,1996,22(4) :862891

[4]李耀辉1棒料高速精密剪切机理及剪切质量分析[D ].太原:

太原重型机械学院,20021

[5]陈森灿, 叶庆荣. 金属塑性加工原理[M ].北京:清华大学出版

社,19891

[6]上海交通大学《金相分析》编写组编. 金相分析[M ].北京:国防

工业出版社,198212052图1　剪切后断口的SEM 图

(　　图2

切时, 其毛坯的断面不平度较小, 光亮带与断面垂直, 椭圆度也较小; 临界脆断速度之上剪切时, 毛坯的断面不平度及光亮带的垂直度都有所降低; 而临界脆断速度之下的剪切毛坯, 其各项断面指标严重降低, 尤其是椭圆度和不平度较大, 对于精度要求较高的使用场合, 可能已经无法满足使用要求。进一步证明了加载速度对剪切断面品质的影响, 也说明了临界脆断速度理论的可行性和重要意义。

K s 有利于提高曲线轮廓的加工精度。如果进给伺服系统采用前馈补偿措施, 则更易保证减小曲线轮廓加工中的半径误差。实践证明, 在数控机床上有前馈补偿, 较无补偿的系统, 切削进给速度可提高8倍(一般由0. 5m/min 增大到4m/min ) , 但加工过程中零件的加工误差并未增大。因此, 在数控编程中, 有效设定进给速度, 也能起到控制加工误差的作用。

2　结束语

编程误差在复杂曲线轮廓数控加工中是普遍存在的。在编程误差控制方面, 应根据零件的结构工艺特点, 选择合适的逼近方法处理非圆曲线轮廓, 编写出正确的加工程序是至关重要的, 这也是解决数控加工中难点问题的捷径。生产中对提升普通数控机床功能和应用范围, 节约设备更新费用和降低生产成本均具有较好的效果, 同时符合复杂曲线轮廓零件加工的技术要求, 起到事半功倍之效。

参考文献:

[1]廖效果. 数控技术[M ].武汉:湖北科学技术出版社,2000. [2]于春生. 数控机床编程及应用[M ].北京:高等教育出版社,

2001.

[3]陈洪涛. 数控加工工艺与编程[M ].北京:高等教育出版社,

2003.

[4]严爱珍. 机床数控原理与系统[M ].北京:机械工业出版社,

1998.

图2　试件的断面

3　结论

a ) 断裂力学和剪切下料是关于裂纹技术的两

个逆向研究, 可将断裂力学关于裂纹的应变能密度理论用于高速剪切中的重要参数之一研究;

b ) 高速剪切不意味着速度越高越好, 只有在

速度的

临界脆断速度下进行剪切才能获得最佳剪切断面

收稿日期:2006204220

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・机械制造与研究・　　　　　李耀辉, 等・金属棒料高速精密剪切适宜剪切速度的研究

金属棒料高速精密剪切适宜剪切速度的研究

李耀辉, 许春龙

(苏州市职业大学机械工程系, 江苏苏州215011)

摘　要:针对高速剪切下料技术中所存在的速度问题, 从裂纹扩展角度出发, 结合断裂力学中

的应变能密度理论, 借助塑性力学中关于裂纹技术的相关理论, 对剪切过程中影响断面品质的一个重要参数———剪切速度进行分析, 推导出适宜高速剪切速度的表达式, 有助于该项新技术的推广应用。在此基础上进行了金相分析对比, 分析研究了加载速度对高速剪切断面微观组织形态的影响, 进一步说明了高速剪切比普通剪切具有更好的断面品质。关键词:高速剪切; 断裂力学; 裂纹; 剪切速度;SEM 中图分类号:TQ381　　文献标识码:B　　文章编号:167125276(2006) 0520074203

R esearch on the R ational Shearing Speed of High 2speed Precision Metal B ar

L I Yao 2hui ,XU 2(Suzhou Vocational , J , Abstract :In this paper , an the of 2speed shearing is put forward. It is an important 2of shearing process. It ’s useful for wide spread of this is byreferring to the related theory of fracture mechanics and plastic mechanics on The author also gives the analysis and correlation about the influence of speed on shearing section ’s microscopic structure by metallurgical test. It further demonstrates that high 2speed shearing can get better section quality than common shearing.

K ey w ords :high 2speed shearing ; fracture mechanics ; crack ; shearing speed ; SEM

0　前言

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, 生产实践中常用的下料方法有一般剪切、精密剪切、锯切、车床切割和砂轮切割等, 其中精密剪切生产效率高, 断面品质好, 因而得到广泛应用。本文所研究的是高速精密剪切, 文献5显示, 高速剪切断面品质同剪切速度的选取密切相关。虽然对大多数材料来说, 提高剪切速度可以改善毛坯的断面品质, 但并不是说速度越高越好, 对于速度敏感性较差的材料来说, 提高加载速度不仅对剪切品质的贡献不大, 而且容易产生温度效应; 即使是对速度敏感性较好的材料, 材质不同, 其最佳加载速度也是不同的。因此, 确定不同材料的最佳加载速度是高速剪切的关键, 通过借鉴断裂力学中关于裂纹研究的有关理论和结论来进行速度的推导, 以确定提高剪切断面品质的适宜剪切速度。

纹的扩展方向(开裂角) 和裂纹扩展的临界条件(临界状态) , 确定断裂判据, 从而防止和控制裂纹的扩展; 而剪切下料则是在确保裂纹沿欲剪切面扩展的前提下, 研究适宜的欲加载荷方式及载荷大小。因此断裂力学和剪切下料是关于裂纹技术的两个逆向研究, 可以借助断裂力学中关于裂纹技术的有关理论和结论研究剪切下料的相关问题。对于径向夹紧方式的高速剪切而言, 剪切过程中产生的裂纹主要以Ⅱ型裂纹为主, 只是在剪切的最后阶段出现少量撕裂现象, 而且影响剪切品质的关键是初期裂纹的扩展, 因此可以近似的看作纯Ⅱ型裂纹。

对于任意的裂纹方式, 设裂纹体上作用的外载荷为P , 由应变能密度理论可知应变能密度因子为:

222

S =a 11K Ⅰ+2a 12K ⅠK Ⅱ+a 22K Ⅱ+a 33K Ⅲ(1)

式中:

a 11=a 12

1　应变能密度理论的应用

断裂力学是在给定载荷方式的条件下, 研究裂

(νθ) (1+cos θ) ]μ[3-4-cos 16π(θ) θ(ν) =

μ2sin [cos -1-2]16π

・　74・

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・机械制造与研究・　　　　　李耀辉, 等・金属棒料高速精密剪切适宜剪切速度的研究(ν) (1-c os θ) +(1+c os θ) (3c os θ-1) ]μ[41-16π(2) a 33=

μ4π

其中:μ———剪切弹性模量;

a 22=

度下进行剪切,

2

x ) 3(1-2ν

故应满足P ≤0. 89×μσ, 同时, 为了实现棒料顺K Ⅰc

ν———材料的泊松比; θ———极角;

K Ⅰ、K Ⅱ、K Ⅲ分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂纹的应力

π2

利切断, 剪切载荷必须满足P ≥[τ]。

4

综上所述可知, 高速剪切时, 为了实现剪切断裂, 并且获得高断面品质的剪切毛坯, 应使剪切载荷满足如下关系式:

π2

[τ]≤P ≤4

0. 89

2) 3(1-2ν

强度因子。

剪切过程中, 径向夹紧力的作用使剪切区的弯

曲和拉伸受到制约, 同时, 由于剪切速度较高(ν>5m/s ) , 塑性变形减小, 使剪刃和材料的侧向挤压

μσK Ⅰc

(6)

力减小。当速度达到临界脆断速度时, 侧向挤压力的影响可以忽略, 此时裂纹扩展的贡献力量主要是Ⅱ型裂纹(滑移型裂纹) , 而Ⅰ型裂纹(张开型裂纹) 和Ⅲ型裂纹(撕开型裂纹) 的贡献不大。因此, 式(1) 可简化为:

S =a 22K Ⅱ

2

3)

　　锤上剪切时, 锤的充气压力p 是一定的, 剪切过程中剪切能量E 为定值, 气体膨胀做功转化为动能, p 存在一定关系, 。所以式(6) 也, 根据此关系式ν。

　　θ, 2) 式(3) 得

S =

2　剪切实验结果分析

图1为d 20mm 的Q235剪切后断口附近区域和中央区域的SEM 图。其中图1(a ) 和图1(b ) 分别为临界脆断速度下的SEM 照片, 由图可以看出, 当速度接近临界脆断速度时, 在靠近切口的边缘区域有一条弯曲黑带, 黑带沿断口面(照片上边界为断口面) 与轴向近似成45°延伸。接近断口中央部分时变为平直黑带, 所有的塑性变形都发生在黑带上方的剪切塑变带内, 断口中央的剪切断面产生河流状花样和韧窝并存的断裂形貌。进一步论证速度的提高使材料断裂韧度下降, 剪切面的塑性变形区减小, 裂纹尖端的应力集中难以通过塑性变形松弛, 裂尖应力奇异性效果发挥引裂作用; 并且由于裂尖的塑性小范围屈服状态使裂纹沿欲剪切面扩展, 从而实现规则剪切分离, 裂纹主要以准解理方式为主, 产生准解理穿晶断裂。剪切后毛坯断面的不平度和倾斜度均有很大改善。图1(c ) 和图1(d ) 分别为非临界脆断速度下剪切坯件断口区域的SEM 结果, 由于速度过低或过高(温度效应显著) 使裂尖不满足塑性小范围屈服条件, 可看到切口附近区域断面上产生许多“韧窝”小坑, 一直延续到切口中央区域, 断口中央部分产生由于金属塑性流动而形成的“山崖”状挤出组织。同时裂尖应力集中松弛使裂纹尖端产生钝化, 在位错堆积影响下材料发生沿晶断裂。

μ4π

K Ⅱ

2

(4)

　　对于给定的材料, 其临界值S C 是一定的, 由2

开裂条件知S =S C =πK 。查《应力强度因子

4μⅡ

手册》得, 高速剪切模型下相应的应力强度因子表

达式为:

K Ⅱ=1. 1215τa

　　式中, τ为剪切面上的平均剪应力(τ=P/A

2

=P/d ) ; a 为裂纹扩展时的起始裂纹长度。

4

高速剪切时, 为了获得好的断面品质, 应使剪切速度取得临界值, 减小剪切面的塑性变形量, 使裂纹尖端处于塑性小范围屈服, 而小范围屈服要求裂纹扩展时的起始裂纹长度a 应满足如下条件, 即:

a ≥2. 5

αs

(5)

　　式中, K Ⅱc 为材料的断裂韧度, 在断裂力学中, 由于K Ⅱc 不易测量, 而K Ⅰc 的测量技术已比较成熟, 文献1研究表明, 一般可用K Ⅰc 来表示K Ⅱc , 即K Ⅱc =

由此式可得知, 为2K Ⅰc 。) -ν(1-ν

了保证高速剪切后毛坯的切断面品质, 应对预加载荷(或剪切速度) 的上限做一个限制, 即在临界速

M achi ne B uil di ng &A utomation , Oct 2006, 35(5) :74～76

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品质。每种材料都有不同的临界脆断速度;

c ) 高速剪切时, 材料的适宜剪切速度, 即临界脆断速度可结合式(6) 进行确定。

参考文献:

[1]高　庆. 工程断裂力学[M ].重庆:重庆大学出版社,19851[2]李永堂, 罗上银. 液压模锻锤[M ].北京:机械工业出版社,

19921

[3]韦尧兵, 等. 断裂力学逆问题及应力法剪切的几个问题[J].甘

肃工业大学学报,1996,22(4) :862891

[4]李耀辉1棒料高速精密剪切机理及剪切质量分析[D ].太原:

太原重型机械学院,20021

[5]陈森灿, 叶庆荣. 金属塑性加工原理[M ].北京:清华大学出版

社,19891

[6]上海交通大学《金相分析》编写组编. 金相分析[M ].北京:国防

工业出版社,198212052图1　剪切后断口的SEM 图

(　　图2

切时, 其毛坯的断面不平度较小, 光亮带与断面垂直, 椭圆度也较小; 临界脆断速度之上剪切时, 毛坯的断面不平度及光亮带的垂直度都有所降低; 而临界脆断速度之下的剪切毛坯, 其各项断面指标严重降低, 尤其是椭圆度和不平度较大, 对于精度要求较高的使用场合, 可能已经无法满足使用要求。进一步证明了加载速度对剪切断面品质的影响, 也说明了临界脆断速度理论的可行性和重要意义。

K s 有利于提高曲线轮廓的加工精度。如果进给伺服系统采用前馈补偿措施, 则更易保证减小曲线轮廓加工中的半径误差。实践证明, 在数控机床上有前馈补偿, 较无补偿的系统, 切削进给速度可提高8倍(一般由0. 5m/min 增大到4m/min ) , 但加工过程中零件的加工误差并未增大。因此, 在数控编程中, 有效设定进给速度, 也能起到控制加工误差的作用。

2　结束语

编程误差在复杂曲线轮廓数控加工中是普遍存在的。在编程误差控制方面, 应根据零件的结构工艺特点, 选择合适的逼近方法处理非圆曲线轮廓, 编写出正确的加工程序是至关重要的, 这也是解决数控加工中难点问题的捷径。生产中对提升普通数控机床功能和应用范围, 节约设备更新费用和降低生产成本均具有较好的效果, 同时符合复杂曲线轮廓零件加工的技术要求, 起到事半功倍之效。

参考文献:

[1]廖效果. 数控技术[M ].武汉:湖北科学技术出版社,2000. [2]于春生. 数控机床编程及应用[M ].北京:高等教育出版社,

2001.

[3]陈洪涛. 数控加工工艺与编程[M ].北京:高等教育出版社,

2003.

[4]严爱珍. 机床数控原理与系统[M ].北京:机械工业出版社,

1998.

图2　试件的断面

3　结论

a ) 断裂力学和剪切下料是关于裂纹技术的两

个逆向研究, 可将断裂力学关于裂纹的应变能密度理论用于高速剪切中的重要参数之一研究;

b ) 高速剪切不意味着速度越高越好, 只有在

速度的

临界脆断速度下进行剪切才能获得最佳剪切断面

收稿日期:2006204220

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