难切削金属棒料高效可控旋弯精密下料工艺及断裂力学行为研究

A new efficient controllable rotating-bending fine-cropping technology has been proposed aiming to the disadvantages of present hard-cutting metal bar-cropping methods such as large cropping force, high energy consumption, low efficiency, and bad cross-section quality. It realizes the rapid initiation of the microcrack and the controllable propagation of the low-cycle fatigue crack by prefabricating the annular notch on the bar surface with significant stress concentration effect and applying the controllable rotating load on the end of the billet of the fixed bar. The damage mechanics behavior of the notch-root material during the cropping process has been discussed based on the established finite element simulation model of the bar controllable rotating-bending cropping process of different hard-cutting materials with annular notch. It reveals the influential mechanism of the microcracks’ initiation damage fields and the microcracks’ initiation load on the different process parameters. The reasonable geometric parameters of the annular notch and the minimum initiation load of the ideal microcrack are also obtained. Furthermore, the theoretical calculation formula of the initiation load, the transient-breaking load, the cracking direction, the propagation rate and the propagation time are established. The ideal load control curve of the low-cycle fatigue crack is also obtained. The cropping process experiments and its’ influence law of the cropping efficiency and the cross-section quality are carried out on the new developed cropping prototype. The reasonable cropping technological parameters of the different hard-cutting metal bar are obtained.

针对目前难切削金属棒料下料存在的下料力大、能耗高、效率低、断面质量差等问题，提出先在棒料表面切削出具有显著应力集中效应的环状缺口，然后采用棒料不动、可控旋转载荷作用于坯料端，实现微裂纹快速萌生与低周疲劳裂纹可控扩展的新型高效可控旋弯精密下料工艺。建立不同难切削材质含环状缺口棒料的可控旋弯下料过程有限元仿真模型，探讨该下料过程棒料表面环状缺口根部材料的损伤力学行为，揭示不同工艺参数对环状缺口根部微裂纹起裂损伤场及微裂纹萌生载荷的影响机制，获得环状缺口的合理几何参数及理想微裂纹的最小萌生载荷；进一步建立低周疲劳裂纹起裂载荷、瞬断载荷、扩展方向、扩展速率及扩展时间的理论计算公式，获得该低周疲劳裂纹扩展阶段的理想载荷变化曲线；研制出棒料的新型可控旋弯下料的计算机控制实验平台，进行相应的下料试验研究，开展不同工艺参数对下料效率与断面质量影响规律的研究，获得不同难切削材质金属棒料的合理下料工艺参数。

金属棒料的下料广泛存在于各类轴类零件的备料环节中，是零部件加工工艺流程中的一道重要工序，其效率和坯料断面质量直接影响后续的加工质量、生产效率和成本。传统的锯切、剪切下料方法，不同程度的存在生产效率低、能耗高、下料力大、材料利用率低、断面质量差等问题。基于金属材料“趋脆易断”的特性，将疲劳裂纹扩展技术应用到下料领域，结合旋弯载荷连续可控的特点，提出了一种综合利用环形V型缺口的缺口效应、裂尖应力集中效应、可控裂纹扩展技术和液压控制技术等原理的棒料新型可控旋弯下料方法，并采用数值模拟、理论计算和试验研究相结合的方法对该下料方法进行了全面系统的研究。.棒料上预制的环形V型缺口是该下料方法实现快速萌生微裂纹及低应力下料的重要辅助性手段。基于损伤力学理论，从理论上建立了各向同性金属材料细观损伤力学本构模型，采用径向回退应力积分算法将该本构模型转换为自定义用户材料子程序嵌入到有限元软件中。通过材料力学性能试验识别模型中的材料常数，采用正交和单因素试验法相结合建立有限元模型，定量的分析了各影响因素的影响规律，获得了理想微裂纹萌生工艺参数及缺口几何参数。根据低周旋弯致裂疲劳下料方法的特点，结合断裂力学理论，建立了包含疲劳裂纹起裂载荷、瞬断载荷、起裂方向和扩展速率在内的断裂机理，基于此进一步推导了适用于该下料方法的理想载荷控制曲线。利用液压控制技术与伺服控制技术相结合，成功研制了一台可控旋弯下料试验样机，在该试验样机上采用所设计的载荷控制策略对不同材料金属棒料进行了相应的下料试验，结合所提出的下料质量评价方法对所下的坯料质量进行了相应的评价，最终获得了不同金属棒料的下料合理工艺参数。本项目的研究不仅可以促进低应力低周弯曲疲劳下料本质机理的完善，为建立下料数据库提供理论支持，还可推进低应力下料方法在实际工业中的应用，为开发新一代高效节能精密下料装备奠定基础。