厚壁金屬管料高速精密剪切新工藝及數(shù)值模擬

董淵哲，朱成成，孟德安，常鳴，趙升噸

厚壁金屬管料高速精密剪切新工藝及數(shù)值模擬

董淵哲1a，朱成成1a，孟德安1b，常鳴2，趙升噸2

（1.長安大學 a.工程機械學院；b.汽車學院，西安 710064；2.西安交通大學 機械工程學院，西安 710049）

解決厚壁金屬管料傳統(tǒng)下料工藝過程中切斷效率低、斷面質量差等問題。創(chuàng)新性地將管料表層批量預制環(huán)形槽、5～10 m/s高速剪切、管料內壁芯軸支撐3種方式有機融合，提出高速精密剪切新工藝，建立厚壁42CrMo管料高速剪切斷裂有限元模型，研究不同工藝方法對管料剪切斷裂力學行為的影響。提出的新工藝不僅顯著提高了剪切效率，還有效約束了剪切過程中的管壁塌陷，得到的管料斷面平整光滑，最大變形量由4.7 mm減小為0.6 mm；此外，最大剪切載荷有效降低了33.6%，剪切斷裂能量顯著降低了79.7%。提出的新工藝具有高效、精密與低能耗的優(yōu)勢。

厚壁管料；精密剪切；高速；數(shù)值模擬

金屬管料切斷分離的下料工序是管類機械零件成形制造的第1道工序，廣泛應用于空心軸及套筒、液壓氣動管接頭、滾動軸承內外圈和地質鉆探管等零件的制造過程中。2019年國內僅焊接鋼管和無縫鋼管的切斷需求量就達7 600多萬t，目前工業(yè)實際中常采用帶鋸鋸切、圓盤刀滾切等工藝方法，這些方法在不同程度上存在著切斷力大、生產效率低、材料浪費嚴重、刃具壽命低、能耗高等問題[1]，難以適用于中大直徑（50 mm以上）、厚壁（壁厚和外徑的比值大于0.05）的低合金高強鋼、軸承鋼以及鈦合金等管料的高效精密切斷分離。

針對傳統(tǒng)下料工藝方法存在的不足，國內外學者在如何實現(xiàn)“既平又快”的管料精密下料技術方面進行了大量研發(fā)工作。韓霞等[2]采用在管材內壁支撐芯棒的方法進行芯棒支撐剪切下料，如圖1所示，在機械壓力機上通過滑塊帶動模具進行剪切，剪切速度通常不大于1 m/s，該方法有效避免了管壁整體壓塌，但與上下刃口接觸的局部材料因起裂前塑性變形嚴重，使裂紋擴展方向偏離預剪切面，造成了斷面不垂直并產生了撕裂缺陷。趙升噸[3]在低應力疲勞下料過程中（見圖2），首先在管料表面等間距預制應力集中環(huán)形槽，并通過彎曲循環(huán)[4]、偏心旋轉[5]、非徑向鍛沖[6]、氣動多缸鍛沖[7]等方式施加疲勞載荷，使環(huán)形槽根部萌生裂紋并沿著豎直方向可控擴展，該方法大幅降低了下料載荷并獲得了平整斷面，但疲勞加載方式本身限制了切斷效率[8]。Satoshi等[9]提出了扭轉與剪切復合式下料工藝，該方法有效抑制了材料的軸向流動，斷面垂直度提高到72°～88°，所需剪切載荷降低了65%～90%，但由于扭轉載荷的存在，斷面邊緣存在棘輪狀損傷缺陷區(qū)。高速精密剪切工藝方法[10]通過施加高速載荷、降低金屬韌性來提高剪切質量，近年來的一些試驗研究表明[11]，在徑向約束狀態(tài)下，利用液氣錘或電氣伺服錘施加5～10 m/s的加載速度能獲得更加垂直平整的斷面。在發(fā)達國家，高速剪切已作為一種有效的精密下料方法而逐漸得到推廣應用，但目前主要應用于棒料的切斷分離。

圖1 芯棒支撐剪切工藝原理及管料斷面

圖2 低應力疲勞下料工藝原理及管料斷面

鑒于此，文中創(chuàng)新性地將管料表層批量預制應力集中環(huán)形槽、5～10 m/s高速剪切、管料內壁芯棒支撐3種方式有機融合，提出了厚壁金屬管料的高速精密剪切新工藝，在降低剪切載荷和斷裂能量的同時獲得了平整的分離斷面，并對該工藝過程中的管料剪切斷裂力學行為進行了數(shù)值模擬分析，為厚壁金屬管料的高效精密剪切提供了新的思路。

1 管料高速精密剪切新原理工藝

文中提出的新工藝與裝置結構如圖3所示，在剪切前，金屬管料表面通過對稱伺服銑削工藝批量預制出等間距的環(huán)形槽，其幾何參數(shù)包括槽深槽根半徑和張角2；管料在剪切模具中徑向約束，環(huán)形槽的槽根處于動剪模和靜剪模之間，動、靜剪模間的軸向間隙1取0.5 mm，管料和模具間的徑向間隙2取0.2 mm，模具均倒角以避免崩刃，動、靜剪模均可根據(jù)管料直徑進行柔性更換。錘頭在初始位置通過離合器鎖定，高速氣缸上腔中的壓縮氮氣蓄存定量的壓力勢能。在剪切過程中，高速氣缸有桿腔中的氣體通過單向排氣閥快速排出，無桿腔中的氣體膨脹做功，驅動錘頭快速打擊動剪塊完成高速切斷。此后，錘頭回程并再次壓縮氮氣儲能。剪切模具整體長360 mm、寬360 mm、高400 mm，其中動剪模固定在動剪塊上，其豎直方向的運動通過模具體進行導向，并通過底部彈簧阻尼復位。管料內部通過左芯軸和右芯軸支撐以避免壓塌，并通過兩端的限位軸進行軸向約束。

與刀刃直接切入管料的傳統(tǒng)工藝相比，該新工藝利用應力集中效應使環(huán)形槽根部首先產生裂紋，利用5～10 m/s高速剪切提高材料脆性及剪切效率，通過芯軸支撐管料內壁避免壓塌，使環(huán)形槽根部裂紋沿著預剪切面垂直可控擴展。

圖3 管料高速精密剪切新原理工藝與裝置結構

2 環(huán)形槽幾何尺寸與理論應力集中系數(shù)

在徑向約束剪切過程中，環(huán)形槽根部材料在剪應力作用下存在著應力集中效應。在線彈性力學范疇內，環(huán)形槽根部的理論應力集中系數(shù)t的計算見式（1）[12]。

圖4為槽深對t的影響結果。當張角2和槽根半徑一定時，t隨著的增大而逐漸增大；槽根半徑越小，增加槽深對t的提高程度越大。

圖5為槽根半徑對t的影響結果。槽根半徑是很重要的影響因素，在張角2和槽深一定時，t隨著槽根半徑的減小而顯著增大，值越小，t的增長率越大。

圖6為環(huán)形槽張角2對t的影響結果。在槽根半徑和槽深一定時，隨著張角2的增加，理論應力集中系數(shù)t稍微較低。

圖4 環(huán)形槽深度對應力集中系數(shù)的影響

圖5 槽根半徑對應力集中系數(shù)的影響

圖6 張角對應力集中系數(shù)的影響

綜上所述，環(huán)形槽的幾何參數(shù)對理論應力集中系數(shù)t的影響主次順序為、、2；減小槽根半徑或增加槽深，t逐漸增大；降低張角2，t在一定程度上增加，但變化較小。采用對稱銑削的加工方法時，槽深過大會造成材料浪費，與節(jié)能節(jié)材的理念相違背，因此，對于壁厚不大于30 mm的管料，環(huán)形槽深度宜選擇1～2 mm。刀尖圓角過小易引起磨損和崩尖，因此槽根半徑宜選擇0.2～0.3 mm。張角2對應力集中程度的影響較小，且管類零件常倒角45°以便于裝配，因此文中環(huán)形槽張角2統(tǒng)一選取為90°。

3 管料剪切斷裂力學行為的有限元模擬

3.1 管料剪切有限元模型

以外徑83 mm、壁厚16.5 mm、長226 mm的42CrMo低合金高強鋼管料為例，管料剪切下料長度為113 mm，剪切速度=10 m/s，分別對以下3種不同剪切工藝過程進行有限元模擬分析：工藝方法1，管料內壁不采用芯棒支撐，管料外表面不預制環(huán)形槽；工藝方法2，管料內壁采用芯棒支撐，管料外表面不預制環(huán)形槽；工藝方法3，管料內壁采用芯棒支撐，管料外表面環(huán)形槽深=1.5 mm、槽根半徑=0.2 mm、張角290°。

采用Abaqus軟件的顯示動力學模塊建立管料剪切有限元模型，如圖7所示。在網格劃分上，管料的環(huán)形槽區(qū)域以及遠端均采用八節(jié)點六面體熱力耦合單元（C3D8RT），在中間過渡區(qū)域采用四節(jié)點四面體熱力耦合單元（C3D4RT）；在環(huán)形槽區(qū)域進行網格加密，最小單元尺寸為0.1 mm，單元數(shù)量為140萬左右；動、靜剪模和芯棒均采用四節(jié)點剛體單元（R3D4）。模具與管料間的接觸采用庫倫摩擦模型，摩擦因數(shù)為0.2，模具軸向間隙為0.5 mm，徑向間隙為0.2 mm。

圖7 管料剪切有限元模型

3.2 材料本構關系及斷裂模型

管料的剪切斷裂判定采用修正的Lou–Huh斷裂準則[19]，如式（4）所示。該斷裂準則考慮了剪切斷裂過程中的韌窩形成機制，即微孔洞的形核、生長和剪切聚合成微裂紋的演化機制[20]，認為材料的斷裂主要與不同應變速率下的等效塑性應變有關，當?shù)刃苄詰兂^材料的臨界閾值時即發(fā)生斷裂。

式中：3、4為材料參數(shù)。對于42CrMo鋼，1=2.305，2=1.381，3=0.336，4=?0.039，這些參數(shù)可以通過不同應力三軸度、應變率及溫度下的拉伸、壓縮和剪切試驗獲得[21]。

4 結果與分析

4.1 環(huán)形槽及芯棒對剪切斷裂力學行為的影響

圖8為采用工藝方法1的42CrMo管料剪切斷裂模擬結果，管料表面未預制環(huán)形槽，管料內壁無芯棒支撐。由圖8可知，管料上、下表面均受到來自剪切模具的接觸擠壓，處于左側靜剪模中管料頂部的區(qū)域I受到右側材料的向下拉伸，導致沿剪切方向的最大彎曲變形量為4.7 mm，同時管料芯部產生明顯的塑性塌陷；而處于右側動剪模中的棒料底部區(qū)域Ⅱ則在左側材料拉伸作用下向芯部塑性塌陷。上述局部材料的彎曲變形導致管料頂部和底部的起裂位置點不在同一豎直平面上，使剪切斷面Ⅲ產生一定程度的偏斜，剪切斷面圓度及平整度較差，并存在顯著的毛刺缺陷。

圖9為采用工藝方法2的42CrMo鋼管料剪切斷裂模擬結果，管料表面未預制環(huán)形槽，管料內壁采用芯棒支撐。由圖9可知，芯棒支撐方式有效約束了管料外壁向芯部的塑性塌陷，沿剪切方向的最大彎曲變形量由4.7 mm減小為2.5 mm，剪切斷面圓度較好，但剪切斷面Ⅲ上仍存在一定的撕裂凹陷區(qū)，降低了斷面的整體平整度。

圖10為采用工藝方法3的42CrMo管料剪切斷裂模擬結果，管料表面預制深1.5 mm、張角90°、槽根半徑0.2 mm的環(huán)形槽，在剪切過程中管料內壁始終受到芯棒支撐。由圖10可知，在有支撐芯棒抑制管壁塌陷和環(huán)形槽應力集中的雙重效果下，42CrMo管料剪切斷面整體平整無壓塌，沿剪切方向的最大彎曲變形量僅為0.6 mm，斷面精度得到顯著改善。

上述3種工藝結果表明，所提出的新工藝方法3可以顯著降低管料斷面附近材料的塑性變形程度，得到的剪切管料斷面平整、無芯部塌陷，斷面精度得到顯著提高。

圖8 采用工藝方法1的42CrMo管料剪切模擬結果

圖9 采用工藝方法2的42CrMo管料剪切模擬結果

圖10 采用工藝方法3的42CrMo管料剪切模擬結果

4.2 模具間隙對剪切斷裂力學行為的影響

模具間隙參數(shù)包括動、靜剪模間的軸向間隙1以及管料和套筒式剪切模具間的徑向間隙2。對于徑向約束式剪切，徑向間隙2越小，管料徑向約束效果越好，但長棒料往往存在直線度誤差及表面粗糙度，2太小則難以送料，因此文中徑向間隙采用0.2 mm。

保持徑向間隙2=0.2 mm不變，將圖10中的軸向間隙1從0.5 mm調整為2 mm及4 mm，有限元模擬結果分別如圖11和圖12所示。因軸向間隙過大，剪切模的刃口切入管料表面，使剪切斷面偏離豎直方向，同時在斷口邊緣上形成“飛邊”缺陷。因此，為獲得較好的剪切斷面質量，可采用以下工藝參數(shù)：軸向間隙1=0.5 mm、徑向間隙2=0.2 mm。

圖11 采用軸向間隙C1=2 mm、徑向間隙C2=0.2mm的有限元模擬結果

圖12 采用軸向間隙C1=4 mm、徑向間隙C2=0.2 mm的有限元模擬結果

4.3 剪切載荷?位移曲線

圖13為剪切速度為10 m/s時3種不同工藝下的42CrMo管料剪切載荷?位移曲線，對曲線積分可獲得剪切加載過程中所消耗的斷裂能量。工藝1和工藝2的管料表面均未預制環(huán)形槽，當采用芯棒支撐時，最大剪切載荷從1 500.4 kN降低至1 207.5 kN，降低了19.5%；剪切斷裂能量從8 444.1 J降低至5 527.9 J，降低了34.5%，表明在管料剪切過程中采用芯棒支撐可以顯著降低最大剪切載荷和斷裂能量。

圖13 采用不同工藝方法的42CrMo管料剪切載荷?位移曲線

工藝2和工藝3均采用了芯棒支撐，當表面預制深1.5 mm、張角90°、槽根半徑0.2 mm的環(huán)形槽后，最大剪切載荷從1 207.5 kN進一步降低至996.8 kN，降低了17.4%；剪切斷裂能量從5 527.9 J降低至1 718.3 J，降低了68.9%，表明在采用芯棒支撐的基礎上，管料表面預制應力集中環(huán)形槽可以進一步降低最大剪切載荷和斷裂能量。

5 結論

提出了厚壁金屬管料高速精密剪切新工藝，建立了42CrMo厚壁管料高速剪切斷裂有限元模型，獲得了不同工藝方法對管料剪切斷裂力學行為及載荷?位移曲線特征的影響結果。該新工藝具有高效、精密與低能耗的優(yōu)勢。主要結論如下。

1）環(huán)形槽的幾何參數(shù)對理論應力集中系數(shù)的影響主次順序為槽根半徑、槽深、張角2；減小槽根半徑或增加槽深，t逐漸增大；降低張角2，t在一定程度上增大，但變化較小。合理的剪切工藝參數(shù)如下：環(huán)形槽表面深度1 mm≤≤2 mm，槽根半徑0.2 mm≤≤0.3 mm，張角2=90°，軸向間隙1= 0.5 mm，徑向間隙2=0.2 mm。

2）對于外徑83 mm、壁厚16.5 mm的42CrMo管料，新工藝有效約束了管料剪切過程中的管壁塌陷，降低了剪切斷面的塑性變形程度，得到的剪切管料斷面平整光滑，沿剪切方向最大變形量由4.7 mm減小為0.6 mm。

3）新工藝采用高達10 m/s的剪切速度，不僅顯著提高了剪切效率，還有效降低了最大剪切載荷和斷裂能量，最大剪切載荷從1 500.4 kN降低至996.8 kN，降幅為33.6%；剪切斷裂能量從8 444.1 J大幅降低至1 718.3 J，降幅達79.7%。

[1] 趙升噸, 景飛, 趙仁峰, 等. 金屬管料下料技術概述[J]. 鍛壓裝備與制造技術, 2015, 50(2): 11-14.

ZHAO Sheng-dun, JING Fei, ZHAO Ren-feng, et al. Overview of Metal Pipe Blanking Technology[J]. China Metal Forming Equipment & Manufacturing Technology, 2015, 50(2): 11-14.

[2] 韓霞, 郝南海. 軸承鋼管剪切實驗研究[J]. 機械制造與自動化, 2009, 38(2): 31-33.

HAN Xia, HAO Nan-hai. Experimental Study on the Cutting of Bearing Steel Tube[J]. Machine Building & Automation, 2009, 38(2): 31-33.

[3] 趙升噸. 低應力疲勞裂紋可控式精密分離技術[M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2019: 13-14.

ZHAO Sheng-dun. Controllable Precision Separation Technology of Low Stress Fatigue Crack[M]. Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press, 2019: 13-14.

[4] REN Yu-jian, LIU Bo-yang, WANG Xiao-gang, et al. Optimization Scheme of the Precision Separation Process of the Notched Bar Based on the Acoustic Emission Hit Energy Angle[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2022, 119: 103328.

[5] DONG Yuan-zhe, LI Jing-xiang, REN Yu-jian, et al. Laser-Assisted Cyclic Chipless Splitting for Hard-to-Cut Thick Wall Tubes and Fatigue Fracture Mechanism Analysis[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2020, 168(C): 105308.

[6] 趙仁峰, 趙升噸, 鐘斌, 等. 低周疲勞精密下料新工藝及試驗研究[J]. 機械工程學報, 2012, 48(24): 38-43.

ZHAO Ren-feng, ZHAO Sheng-dun, ZHONG Bin, et al. Experimental Study on New Low Cycle Fatigue Precision Cropping Process[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(24): 38-43.

[7] ZHONG Bin, ZHAO Sheng-dun, CHEN Wen-jie, et al. Theoretical and Experimental Investigation on Influence of Load Control Strategy of LY12 Duralumin Alloy Bar Fine Cropping Process[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2018, 96: 362-369.

[8] REN Y, DONG Y, LI J, et al. The Investigation of Low-Cycle Fatigue Crack Propagation of 16 Mn Eccentric Bar Based on the Acoustic Emission Technique[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 2020, 235(4): 1235-1247.

[9] SATOSHI K, MOTOO A. New Billet Cutting Process Combining Torsion and Shear Load to Reduce Droop Height[J]. Journal of Materials Processing Tech, 2019, 282: 116660.

[10] SONG J, LI Y, LIU Z, et al. Numerical Simulation and Experiments of Precision Bar Cutting Based on High Speed and Restrained State[J]. Materials Science & Engineering A, 2007, 499(1): 225-229.

[11] DONG Yuan-zhe, REN Yu-jian, JIANG Hong, et al. Numerical and Experimental Investigation of Notch-Induced High-Speed Precise Shearing of 42CrMo Bar[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C-Journal of Mechanical Engineering Science, 2021, 235(19): 4204-4213.

[12] ZAPPALORTO M, LAZZARIN P, YATES J. Elastic Stress Distributions for Hyperbolic and Parabolic Notches in Round Shafts under Torsion and Uniform Antiplane Shear Loadings[J]. International Journal of Solids and Structures, 2008, 45(18): 4879-4901.

[13] ZAPPALORTO M, BERTO F, LAZZARIN P. Practical Expressions for the Notch Stress Concentration Factors of round Bars under Torsion[J]. International Journal of Fatigue, 2011, 33(3): 382-395.

[14] 陳躍良, 張柱柱, 卞貴學, 等. 高應變率條件下38CrMoAl鋼的動態(tài)力學行為及失效模型[J]. 航空學報, 2020, 41(10): 423709.

CHEN Yue-liang, ZHANG Zhu-zhu, BIAN Gui-xue, et al. Dynamic Mechanical Behavior and Failure Model of 38CrMoAl Steel under High Strain Rate[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2020, 41(10): 423709.

[15] SHANG H C, WU P F, LOU Y S, et al. Machine Learning-Based Modeling of the Coupling Effect of Strain Rate and Temperature on Strain Hardening for 5182-O Aluminum Alloy[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2022, 302: 117501.

[16] GUO Y, RUAN Q, ZHU S, et al. Temperature Rise Associated with Adiabatic Shear Band: Causality Clarified[J]. Physical Review Letters, 2019, 122(1): 015503.

[17] 尚宏春, 武鵬飛, 婁燕山. SPRC340S金屬在不同應變率下的本構模型評估[J]. 精密成形工程, 2020, 12(6): 44-48.

SHANG Hong-chun, WU Peng-fei, LOU Yan-shan. Constitutive Model Evaluation of SPRC340S Metal at Different Strain Rates[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2020, 12(6): 44-48.

[18] 鄭月, 鄧樺坤, 楊帥帥, 等. AA5182鋁合金兩步高速拉伸的試樣設計及其性能研究[J]. 精密成形工程, 2021, 13(4): 23-28.

ZHENG Yue, DENG Hua-kun, YANG Shuai-shuai, et al. Two-Step High Speed Tensile Method Design of AA5182 and Research on Its Tensile Property[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2021, 13(4): 23-28.

[19] LOU Yan-shan, YOON J W, HUH H. Modeling of Shear Ductile Fracture Considering a Changeable Cut-off Value for Stress Triaxiality[J]. AIP Conference Proceedings, 2013, 1567(1): 567-570.

[20] ZHUANG Xin-cun, MENG Ye-hui, ZHAO Zhen. Evaluation of Prediction Error Resulting from Using Average State Variables in the Calibration of Ductile Fracture Criterion[J]. International Journal of Damage Mechanics, 2018, 27(8): 1231-1251.

[21] ZHANG C, WANG Y, CHEN Z, et al. Characterization of Plasticity and Fracture of an QP1180 Steel Sheet[J]. Procedia Manufacturing, 2020, 50: 529-534.

New Method for High-speed Precise Shearing of Thick-walled Metal Tube and Numerical Simulation

DONG Yuan-zhe1a, ZHU Cheng-cheng1a, MENG De-an1b, CHANG Ming2, ZHAO Sheng-dun2

(1. a. School of Construction Machinery; b. School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710064, China; 2. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

The workaims to solve the problems of low efficiency and inferior section quality of thick-walled metal tube in the traditional cropping process. A new high-speed precise shearing method was proposed by integrating the technologies of prefabricating circumferential notches on tube surface, 5-10 m/s high-speed load, and punch support inside the tube. The finite element model of high-speed shearing was established for thick-walled 42CrMo tube, and the effects of different methods on the fracture behavior of tube were studied. The new method not only improved the shearing efficiency, but also effectively restricted the tube wall collapse during the shearing process. The cropped tube section was flat and smooth, and the maximum deformation was reduced from 4.7 mm to 0.6 mm along with the shearing direction. In addition, the maximum shear load was effectively reduced by 33.6%, and the fracture energy was reduced by 79.7%. The proposed method shows advantage of high efficiency and precision, and low energy consumption.

thick-walled tube; precise shearing; high-speed; numerical simulation

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.07.005

TG38

A

1674-6457(2022)07-0036-08

2022–05–06

國家自然科學基金（52105398）；陜西省自然科學基礎研究計劃（2022JQ–440，2021JQ–278）；長安大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（300102252105）

董淵哲（1989—），男，博士，講師，主要研究方向為金屬成形及損傷斷裂。

朱成成（1988—），男，博士，講師，主要研究方向為金屬塑性成形。

責任編輯：蔣紅晨