控制材料应力应变状态的金属板材无毛刺精密分切加工研究

提出控制材料应力应变状态的金属板材无毛刺精密分切加工新工艺方法，通过设置上下成对圆盘刀轴向负间隙（重叠）径向正间隙、在金属板材双侧形成剪切缺口但不分开、随后增设压力分断辊使相邻带材反向错位延性断裂分离的"塑性剪切压迫分离"，形成平整分切面，不会在板厚方向产生毛刺实现无毛刺精密分切加工。采用建模仿真、加工试验、切削力信号检测、过程观察、分切面特征理化分析等手段，研究上下成对圆盘刀组刀方式、材料应力应变状态、塑性剪切滑移、残留材料层受迫延性断裂分离、局部冷却法降低材料韧性、加工参数等不同工艺条件下加工效果与加工过程特征参量的关系。应用DEFOEM-2D分析软件对金属板材分切加工的塑性剪切变形过程进行有限元数值模拟和仿真优化，分析材料塑性流变过程、分切过程不同变形阶段的应力应变场，建立金属板材分切过程模型，优化上下圆盘刀轴向间隙和径向间隙，获得金属板材无毛刺精密分切加工理论、工艺方法和技术。

金属板材圆盘剪纵向分切是复杂的材料弹塑性变形和断裂分离过程，涉及材料加工、弹塑性力学、断裂力学、金属切削和刀具设计等多个学科领域，其分切断面质量影响到材料利用率、金属制品加工效率和精度等。金属板材分切断面毛刺是决定加工质量的关键参数，针对金属板材圆盘剪纵向分切工艺进行了系统研究，分析了金属板材圆盘剪分切断面的塌角、剪切带、断裂带、撕裂角、毛刺等形貌特征，基于加工实验研究了圆盘剪侧向间隙、径向间隙、板材厚度、晶粒尺寸等工艺参数对镀锌板、不锈钢板等分切断面形貌和加工硬化的影响，结果表明侧向间隙是影响圆盘剪分切断面质量的关键因素。结合实验和DEFORM有限元仿真深入研究了圆盘剪分切过程的静水应力、材料流动规律及断面特征形成机理并计算了分切力。提出了塑性剪切压迫分离无毛刺精密分切新工艺方法，控制分切加工过程中材料的应力应变状态，将板材剪切分离过程分解为压应力状态的塑性剪切和分断辊压迫分离两个阶段，即将分切的“一次过程”转变为“二次过程”实现对材料变形机制的有效控制，在塑性剪切过程实现“剪而不断”，然后通过分断辊的反向挤压实现压迫分离，从材料变形机理消除分切毛刺，获得板材无毛刺的高质量分切断面。实验研究了塑性剪切压迫分离无毛刺精密分切加工的分切断面形貌特征，深入分析了塑性剪切过程中侧向间隙、径向间隙对板材断面形貌的影响，研究了压迫分离过程中的压力辊间隙对分切断面形貌的影响，结果表明圆盘剪径向间隙是影响断面形貌的关键因素。结合实验和DEFORM仿真深入研究了无毛刺精密分切过程的静水应力、金属流动状态及断面特征形成机理，分析了无毛刺精密分切后的断面特征。跟踪分析了圆盘刀在分切过程中的磨损过程及其对分切断面质量的影响，圆盘刀的磨损带为分布于侧面与圆柱面之间（轴截面内为长轴在径向短轴在轴向的椭圆弧）造成刃口过度圆弧半径增大，研究了磨损过程中刃口半径、刃口轮廓以及侧面磨损带的变化规律，仿真计算了直接影响圆盘刀磨损的刀刃接触压应力，依据Archard磨损模型建立圆盘刀磨损模型，预测了圆盘刀磨损的演变规律，揭示了其磨损机理，依此优化了圆盘刀刃磨工艺。针对圆盘剪侧向间隙的检测，提出利用机器视觉技术进行圆盘剪侧向间隙检测方法，以实现侧向间隙的非接触测量，根据圆盘刀刃口处的目标图像用Vertex扫描法提取圆盘刀刃口特征点信息，依特征点图像边缘计算出圆盘剪侧向间隙，结果证明该检测方法可行。