（有色金属冶金专业论文）铬锆铜棒料复合加压精密剪切试验研究及工装结构设计.pdf

一 l 学位论文版权使用授权书 必 y 1 8 9 岑岑d 苕 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密d 。 学位论文作者签名：认钾铁 口1 1 年( ，月ik 日 指导教师签名： 知f ，年 士l 之 乙 多拥 铬锆铜棒料复合加压精密剪切试验研究及工 装结构设计 e x p e r i m e n t a ls t u d ya n de q u i p m e n td e s i g no n p r e c i s i o ns h e a r i n go fc u c r - z rb a r 专 2 0 1 1 年0 6 月 l 江苏大学硕士学位论文 ； i 摘要 点焊机的铬锆铜电极帽通常采用精密挤压完成毛坯的加工，规格多、批量大， 后续加工余量极小，因而对棒料下料断面质量要求较高。由于铬锆铜棒料强度和 硬度高，塑性差，目前常采用锯切下料，虽端面质量可满足要求，但下料效率较 低，且有锯口损耗，断面易产生需后续处理的毛刺，因此加工成本高居不下。普 通模具剪切下料方法材料浪费少，生产率高，模具结构简单，但剪切断面易产生 较为严重的斜度、压塌和撕裂等问题，无法满足精密成形的要求。鉴于此，本文 采用了径向夹紧轴向加压复合约束精密剪切工艺方法，对铬锆铜棒料精密剪切工 艺进行了进一步的探索和研究。 本文对低塑性铬锆铜棒料复合加压精密剪切原理及工艺进行了研究和分析， 阐明了影响该精密剪切断面质量的主要因素及控制要点。论文在大量试验的基础 上，从试样剪切断面宏观质量、微观形貌等方面作了对比分析，证实在适宜的工 艺条件下，实现棒料径向夹紧轴向加压精密剪切方法的可行性，并对该精密剪切 工艺原理进行了探讨，最后针对这种剪切工艺的特点和要求，进行了精密剪切模 具和主要零部件的结构设计。剪切系统采用了p l c 控制技术对机械、液压部分进 行控制，实现棒料的自动定长送进和夹紧加压剪切，提高了工装的生产效率及使 用性能。 研究结果表明，影响低塑性铬锆铜棒料精密剪切断面质量的主要因素有径向 夹紧力、轴向压力和剪切间隙等，这些参数的变化最终都将直接或间接反应到剪 切区材料的受力状况，要实现纯塑性光滑剪切，剪切区材料必须至始至终处于三 向压应力状态。试验过程中发现，在施加的径向夹紧力为0 8 5 , - 0 9 0 倍剪切力条件 下，棒料断面保持了良好的圆整度，压塌轻微；当轴向压力达到8 5 。9 0 时， 撕裂现象得以抑制，获得了平整光滑的纯塑性剪切面；此外，在整个剪切过程中， 轴向必须始终保持0 间隙。复合加压精密剪切获得的断面平整光滑，倾斜度可控 制在57 内，椭圆度可控制在5 内，完全满足冷挤压等精密成形工艺对棒料毛坯剪 切质量的要求。 本课题的研究结果表明了径向夹紧轴向加压精密剪切工艺合理，可为低塑性 棒料的精密下料及工装设计提供理论和实践指导，解决了传统下料工艺存在的断 r f _ 。j jj 。 铬锆铜棒料复合加压精密剪切试验研究及工装结构设计 面质量差、生产效率低和材料浪费严重等问题，对促进棒料精密剪切技术的推广 和应用有积极作用。 关键词：精密剪切，径向夹紧，轴向加压，断面质量，铬锆铜，低塑性 a b s t r a c t c u c r - z rs p o tw e l d i n ge l e c t r o d ec a p sa r eu s u a l l yd o n eb yp r e c i s i o ne x t r u d i n g b l a n k s ，t h e r ea r el o t so fs p e c i f i c a t i o n s ，l a r g eq u a n t i t i e sa n dm i n i m a lf o l l o w - u p a l l o w a n c e ，t h u ss e m i f i n i s h e dp r o d u c t sh a sh i g hd e m a n d i n gf o rt h eq u a l i t y t h e c u c r - z rc o p p e rb a rh a sh i g hs t r e n g t ha n dh a r d n e s sa n dp o o rp l a s t i cd e f o r m a t i o na f t e r t h es o l u t i o na n da g i n gt r e a t m e n t t h ec o m n l o nm e t h o do fs h e a r i n gi ss a w i n g a l t h o u g h t h es e c t i o nq u a l i t yc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，h o w e v e r , t h es h e a r i n ge f f i c i e n ti sv e r y l o wa n dt h e r ei sj u k o ul o s s b e s i d e s ，t h es e c t i o ni se a s yt op r o d u c eg l i t c hw h i c hn g e d s l a t e rt r e a t m e n t ；t h e r e f o r e ，p r o c e s s i n gc o s t si s a l w a y sh i g h c o m m o nm e t h o do fd i e c u t t i n gw a s t e sl e s sm a t e r i a l s ，w i n ll l i g hp r o d u c t i v i t ya n ds i m p l em o l d ，b u tt h es h e a r i n g 8 e b c t i o ni se a s yt op r o d u c em o r es e r i o u ss l o p e ，c o l l a p s e da n dt e a ra n do t h e ri s s u e s ， u n a b l et om e e tt h en e e d so fp r e c i s i o nm o l d i n g i nv i e wo ft h i s ，p r e c i s i o ns h e a r i n go f c u - c r - z rb a r su n d e rr a d i a ld a m p i n ga n da x i a ll o a dw a sp u tf o r w a r da n de x p e r i m e n t e d t oe x p l o r ea n dr e s e a r c ht h ec u t t i n gp r o c e s so fc u - c r - z rb a r sf u r t h e n i nt h i sp a p e r , c o m p o s i t ec o n s t r a i n t sp r i n c i p l ea n ds h e a r i n gp r o c e s so fl o wp l a s t i c i t y c u - c r - z rb a r sw e r es t u d i e da n da n a l y z e d ，a u t h o ri l l u s t r a t e st h ee f f e c tf a c t o r sa n dt h e c o n t r o lp o i n t so ft h ep r e c i s i o ns h e a r i n gs e c t i o n o nt h eb a s i so fl a r g en u m b e ro ft e s t s ， s h e a r i n gs e c t i o n sw e r ec o m p a r e df r o mt h es a m p l eq u a l i t y , m o r p h o l o g y , e t c c o n f i r m i n g t h a tu n d e ra p p r o p r i a t ec o n d i t i o n s ，t h ef e a s i b i l i t yo fs h e a r i n gb a r su n d e rr a d i a lc l a m p i n g a n da x i a lc o m p r e s s i o na n dd i s c u s st h ep r i n c i p l e so fp r e c i s i o ns h e a r i n gp r o c e s s f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h es h e a r i n gp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t s ，a u t h o rd e s i g n st h e m o l da n dt h em a i nc o m p o n e n t s t h i sp a p e ra l s ou s e st h ep l cc o n t r o lt e c h n o l o g yt o c o n t r o lt h em e c h a n i c a la n d h y d r a u l i cp a r t so ft h ec u r i n gs y s t e mw h i c hc a n a c h i e v et h e b a ra u t o m a t i cf i x e d l e n g t hf e e d i n ga n dc l a m p i n gp r e s s u r es h e a r i n gs oa st oi m p r o v e t o o l i n gp r o d u c t i v i t ya n dp e r f o r m a n c e f r o mt h er e s u l t sw ec a ns e et h a tt h em a i ne f f e c tf a c t o r so fs h e a r i n gq u a l i t yi sr a d i a l c l a m p i n gf o r c e ，t h ea x i a ll o a da n ds h e a r i n gc l e a r a n c e t oa c h i e v et h eg o a lo fs m o o t h a n dp u r ep l a s t i cs h e a r i n g ，t h em a t e r i a lm u s tb ek e p ti nat h r e e - c o m p r e s s i v es t r e s sf r o m t h eb e g i n n i n gt ot h ee n d w ec a na l s os e et h a tw h e nt h er a d i a lc l a m p i n gf o r c ea p p l i e d w a s0 9 0t i m e so ft h es h e a r i n gf o r c e ，b a rs e c t i o nm a i n t a i n e dag o o dr o u n d n e s s ，a n d s l i g h t l yc o l l a p s e d 、7 v h e nt h ea x i a lp r e s s u r er e a c h e d9 0 t e a r i n gc o u l db es u p p r e s s e d a n do b t a i n e dap u r ep l a s t i cs m o o t hs u r f a c e t h ee n d i n gg r a d i e n ta n de l l i p t i c i t yc a nb e 铬锆铜棒料复合加压精密剪切试验研究及工装结构设计 c o n t r o l l e dw i t h i n5 a n d5 r e s p e c t i v e l y , w h i c hf u l l ym e e tt h ep r e c i s ee x t r u s i o np r o c e s s t h er e s u l t so ft h i st o p i cs h o wt h ec o r r e c to fp r e c i s i o ns h e a r i n go fc u - c r - z rb a r s u n d e rr a d i a lc l a m p i n ga n da x i a ll o a d ，w h i c hc a np r o v i d et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lf o rt h e p r e c i s i o ns h e a f i n gp r o c e s sa n dt o o l i n gd e s i g n e do fp o o rp l a s t i cm a t e r i a l s ，a n dc a ns o l v e t h ee x i s t e n c eo fp o o r q u a l i t y , l o wp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dm a t e r i a lw a s t ei nt r a d i t i o n a l s h e a f i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：p r e c i s es h e a f i n g ，r a d i a lc l a m p i n g ，a x i a lc o m p r e s s i o n , s e c t i o nq u a l i t y , c u c r - z r , p o o rp l a s t i c i v 江苏大学硕士学位论文 第一章 1 1 1 2 1 3 第二章 目录 绪论。1 课题的研究背景1 国内外精密剪切的研究动态2 本课题的研究内容、意义及方法8 棒料剪切试验及断面分析一1 0 2 1 试验材料、设备1 0 2 1 1 试验材料的选择及要求1 0 2 1 2 试验设备及仪器1 0 2 2 试验方案设计及剪切流程。1 2 2 3 试样断面宏观分析1 4 2 3 1 径向夹紧力对剪切质量的影响1 4 2 3 2 轴向压力对剪切质量的影响。1 5 2 3 3 径向夹紧轴向加压剪切断面形貌1 6 2 3 4 轴向间隙对剪切质量的影响1 7 2 3 5 剪切速度对断面质量的影响。1 9 2 3 6 毛坯长径比对剪切质量的影响。2 0 2 3 7 棒料直径对剪切断面的影响。2 0 2 3 8 热处理状态对精密剪切断面质量的影响2 1 2 4 剪切断面微观分析2 2 2 4 1 金属材料的断裂类型2 2 2 4 2 剪切断面光滑区微观形貌2 3 2 4 3 剪切断面光滑与撕裂过渡区域的微观形貌2 4 2 4 4 撕裂区微观形貌及形成原因分析。2 4 2 4 5 显微应力分布2 6 2 4 6 剪切应变分析2 7 2 5 本章小结2 8 第三章复合加压精密剪切变形过程及机理探讨一。一3 0 3 1 影响精密剪切质量的因素分析3 0 3 1 1 材料的受力状态。3 0 3 1 2 剪切速度3 0 3 1 3 轴向间隙3 1 v 铬锆铜棒料复合加压精密剪切试验研究及工装结构设计 3 1 4 毛坯长径比o d ) 3 1 3 1 5 模具结构与剪刃的锋利程度。3 l 3 2 剪切变形过程分析3 2 3 2 1 工艺力的特点3 2 3 2 2 剪切变形过程三阶段3 3 3 2 3 变形区划分及力学分析3 5 3 3 剪切机理探讨3 7 3 3 1 复合加压精密剪切过程3 7 3 3 2 裂纹产生机理分析。3 8 3 4 本章小结。3 9 第四章复合加压精密剪切模具设计及p i , c 一。4 l 4 1 精密剪切模的要求4 1 4 2 复合加压精密模具结构设计及工作过程4 2 4 2 1 棒料夹紧的实现。4 2 4 2 2 轴向加压的实现4 3 4 2 3 斜楔的结构特点。4 3 4 2 4 模具总体结构设计及工作过程4 4 4 3 设计和制造要点。4 6 4 3 1 模具主要参数及材料选择4 6 4 3 2 刀片设计与制造4 6 4 4p l c 在棒料精密剪系统上的应用4 8 4 4 1 p l c 可编过程控制器基础知识4 8 4 4 2 剪切控制过程及定长送进的实现。4 9 4 4 3 剪切系统控制原理。5 0 4 4 4 棒料精密剪切系统p l c 编程步骤5 1 4 5 本章小结5 3 第五章结论与展望。一一。5 4 5 1 全文总结5 4 5 2 研究展望5 5 参考文献 致谢 硕士期间发表论文 v i 5 6 5 9 6 0 l l 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 ； 第一章绪论 从所周知，下料是挤压加工的首道工序，长的棒料在挤压成形前，首先需要 将它们分离成段。随着等精密模锻和挤压成形工艺的发展，对切断毛坯的断面质 量、生产率和材料利用率等各项要求越来越高，因而，采用适当的工艺来分离棒 料，既能获得满足要求的优质毛坯，又能得到较好的经济效益，是目前精密成形 领域急需解决的问题。目前，剪床或剪切模、锯床是棒料分离通常采用设备或工 装。其中，剪床剪切或模具剪切下料生产效率较高，且材料损耗小，工装结构也 比较简单，得到了广泛的应用，但剪切过程中棒料与刀片之间存在一定的径向间 隙，棒料未受到约束，坯料剪切断面的质量普遍较差，断面存在倾斜、压塌、撕 裂等缺陷，无法满足冷挤压等精密成形工艺的要求。锯床下料虽说能获得精度较 高的坯料，但锯口损耗较大，尤其是毛坯长径比较小时这种浪费更为严重，此外， 锯条的损耗也很严重【1 1 。 因而，高质量、低能耗、高效率的棒料精密下料方法逐渐成为精密成形行业 领域内努力方向。由于精密塑性成形所需的毛坯长径比通常较小，因而在整个面 积中切断面所占的比例较大，而承受剪切载荷的面积相对较小，再加上棒料的直 径误差，造成剪切区的应力分布不均匀，断面的撕裂现象不易控制，这些都是影 响剪切质量的问题，给提高剪切质量带来了挑战。 近些年来，国内外出现了很多新的材料切断方法，如等离子切割，电火花切 割，超高压水切割和激光切割等，这些新工艺在下料行业取得了很好的应用，然 而要实现棒料的高效精密下料，这些新方法也面临着一系列问题。 其中，等离子切割、激光切割和氧气切割都是热切割，将材料加热至熔化状 态来完成切割。其中，氧气切割的切割厚度最大，可以切割厚度为4 0 0 r a m 的碳素 钢，但其切割精度较差，而且热影响区较大，用在精密下料行业还有一定的难度。 等离子切割的问题主要是切口宽度大、断面倾斜严重，精密等离子切割虽然 提高了切割精度，但切割厚度要小很多，且切割过程中会产生烟尘、有害气体、 铬锆铜棒料复合加压精密剪切试验研究及工装结构设计 辐射等，这些对人体都有很大的危害。 电火花线切割虽然加工精度较高，但速度慢，最快也只能达到3 2 5 m m 2 m i n ， 主要用于模具等高硬度材料的精密加工。 超高压水切割的最大优点是几乎可以切割所有的金属和非金属材料，因其是 非热源的高能量射流速加工，无热过程，所以特别适合于热切割难以或不能切割 的材料。这种切割的问题主要是切割厚度较大的材料或硬质材料时操作成本太高， 且切割速度太底。 激光切割的精度较好，主要用于中、薄板行业的高精度切割。要提高其切割 厚度，则需大大增加激光器的功率，设备投资太大，不经济。 可以看出，这些新型的材料切割方法由于利用了电能、光能、化学能等，其 切割部件移动方便，比较适合切割板料。然而棒料的厚度较大，这些断裂方法难 以满足其高效精密下料，因为，少无切屑的精密剪切仍将是近阶段研究和应用的 重点阁。 1 2 国内外精密剪切的研究动态 长期以来，各国研究人员在金属棒料剪切理论、工艺和设备方面做了大量的 研究工作，也取得了一定的进展。在理论方面：益田森治、山内信、神马敬【3 l 等人 用滑移线场理论求解分析了剪切力及剪切区的应力分布情况；e i w a i l d 1 4 1 运用直 观塑性法分析了棒料整个剪切过程；r wa r ms t r o n g 等从位错机制探讨了高应变 率、激波等现象并作了解释；j r k l e p c c z k o 等从细观方面对硬金属材料断裂进行 了研究，并发现断裂经历的三个阶段：达到临界应力时，微观裂纹将成核，在邻 近均质地方发生绝热剪切，当达到临界应变后发生绝热剪切开裂，此外，他还运 用了双剪切方式对t i 6 a 1 4 v 合金进行高应变率试验，并建立了应变率与温度之间 的函数关系、绝热剪切本构关系和相应的破坏准则；中科大的董新龙1 5 】等采用 h o p k i n s o n 单压杆方法对单边平行裂纹棒料进行高速剪切加载，利用实测的棒；i ：r 加 载面上载荷p ( + ) 结合有限元法计算并确定其动态应力的强度因子，并且发展了 实测裂尖动态应力强度因子近似方法；贵州科学院于杰等人与美国田纳西大学的 p e t e rk l a w 归纳并总结了金属材料受到冲击载荷时裂纹的扩展情况，材料在受到 冲击与非冲击疲劳载荷作用下裂纹扩展速率有哪些不同，还指出冲击载荷经常导 2 江苏大学硕士学位论文 致材料脆化及加速裂纹的扩展。这些研究基本都是从理论上来分析剪切机理，只 是探索性的，缺乏定量研究工作，还需进一步深化研究。 在工艺方面：太原科技大学的李永堂和李耀辉【6 】等人研究了高速剪切对中低碳 钢断面质量的影响，取得了较好的效果，但剪切断面只有脆性断裂，对较软有色 金属的断面无明显提高，且较高的速度产生的噪音大，容易引起震动，模具寿命 低，对设备要求高。中南大学的陈明安和湖南大学的李学谦等川对紫铜棒料轴向加 压精密剪切进行了研究，分析了剪切分离面附近的微观组织形态及断面形貌、剪 应变和硬度分布等，为深入认识塑性剪切的加工原理、确定精密剪切工艺参数及 工装设计提供了依据。甘肃工业大学的李有堂等人【8 】从断裂力学角度将裂纹技术中 应力断裂原理运用到剪切下料领域，提出应力剪切下料法，并对精密剪切设备进 行了虚拟开发；西安交大赵升吨【9 】等人提出棒料热应力预制裂纹精密下料法，且进 行了数值模拟。此方法也能获得较好的剪切分离质量，但工艺上实现比较困难， 需将棒料在轴向分段形成不同的温度场，在其内部造成热应力，工艺复杂，生产 效率很低。 在设备方面，西德生产了机械传动式的k s g h 系列棒料剪断机，英国r i v e r s m a c h i n e r y 公司推出了高速棒料剪切机等，主要是靠裂纹产生最终导致棒料断裂， 剪切断面质量提高不大。甘肃工业大学李有堂【1 0 l 等人提出了双飞轮式高速剪切设 备，在传统的单个动剪刃基础上，改用两个动剪刃，做同步相向旋转运动，使剪 刃相对速度提高到5 m s 以上，实现了高速剪切。在模具设计方面，山东工业大学 的郝滨海在其论文中提出了一种新的方法【1 1 】，采用了斜面滑块定位结构，该结构 能自动补偿剪切时动剪刃对棒料产生的弯矩，在径向定位的同时，抑制了坯料沿 轴向变形，消除了棒料由于直径公差而引起的重量误差。采用此种模具设计方法， 可将坯料的体积误差控制在4 左右；郑州机械研究所郝盛钢也曾对棒料剪切模具 进行过研究，并申请了专利“棒料径向夹紧精密剪切模”，但这些方法与模具剪切时 被剪下的坯料外形往往呈现为菱形，塌角倾斜严重，剪切断面质量仍无法得到明 显改善。可以看出，这些工装设备在一定程度上改善了普通剪切的部分缺陷，但 精密剪切工艺的研究和相关工装设备的开发仍然是关注的焦点问题【1 m 4 1 。 目前，国内外研究和应用的精密剪切工艺主要有以下几种： 1 高速剪切 3 铬锆铜棒料复合加压精密剪切试验研究及工装结构设计 图1 1 所示为高速剪切机构简图，该剪切原理是利用高的剪切速度来改善剪切 断面质量的现象。对速度有着很大敏感性的材料，随着剪切加载速度的提高，韧 性会相对下降，脆性增加，当加载速度达到一定时，韧性出现最低值，裂纹扩展 很快，使坯料部分来不及弯曲就已经断裂，此时剪切变形区变的很窄，几乎没有 塑性变形的产生，基本上全为脆性断裂，从而提高了剪切件断面质量。高速剪切 速度通常可达到5 7 m s ，具体要根据材料来合理选择。该剪切方法比较适应于硬 度较大的中低碳钢，剪切过程中冲击力很大，能量消耗大，模具受力状况恶劣， 剪刃寿命较低【”l 。高速剪切主要有两种形式：一种是开式摸，主要用于剪切长径 比大于4 的坯料；另一种是闭式模，主要用于剪切长径比较小的坯料。精锻用的 毛坯长径比一般都小于2 5 3 ，因而采用闭式模剪切效果较好。 图1 1 高速精密剪切机简图 f i g a 1d i a g r a mo fh i g h - s p e e dp r e c i s i o ns h e a r i n gm a c h i n e 1 - t 作汽缸；2 活塞；3 夹紧缸；4 夹紧模；5 送料装置；6 棒料 1 c y l i n d e r ；2 p i s t o n ；3 c l a m p i n gc y l i n d e r ；4 c l a m p i n gd i e ；5 f e e d i n gd e v i c e ；6 b a r 2 加热剪切 按剪切温度的高低加热剪切可分为以下两种： ( 1 ) 蓝脆温度热剪切该剪切方法在中低碳钢剪切中应用比较广泛，在剪切 前先将棒料加热至一定温度，利用这一温度区间内材料的青脆性进行棒料的剪切， 获得的剪切顽比较平整，椭圆度小，压塌和倾斜都显著减小，而且由于加热后材 料强度降低，消耗的剪切力大大减小，比较适合大直径棒料的切蝌1 5 1 。 ( 2 ) 将棒料加热至精锻温度后再进行剪切，特别是无飞边模锻时，在锻造温 度下进行棒料剪切应用越来越普遍，因为材料的体积可以根据需要随时更改，如 4 江苏大学硕士学位论文 果是已经冷剪好的坯料，则难以做到这一点。资料表明，对于优质棒料，热剪后 毛坯的质量误差可控制在0 3 。若热剪与电子称重相结合，就有可能取得较好的 经济效益。此外，冷剪易开裂的棒料也适宜用热剪加工。 3 径向夹紧剪切 径向夹紧剪切原理如图1 2 所示，先采取措施将棒料夹紧，然后再进行棒料的 剪切。使用这种方法，棒料在剪切过程中径向受到强力约束，毛坯将始终沿着动 刀片的运动方向平行下移而不能弯曲，解决了传统剪切中棒料先弯曲后剪切的问 题，从而使剪切面平整光滑，倾角及马蹄形畸变很小。同时，径向夹紧力的存在 改变了剪切区材料的受力状态，提高了该区材料的塑性，从而改善了剪切断面质 量。但由于夹紧力及剪切力较大，被剪下的棒料外形往往呈菱形，且压塌比较严 重，还存在一定的倾斜度，剪切面与棒料轴线之间的垂直度较差【垌。 1 2 3 图1 2 径向夹紧剪切示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs h e a r i n gu n d e rr a d i a lc l a m p i n g 1 动剪刃；2 待剪棒料；3 动夹紧块：4 定剪刃；5 定压紧块 1 f i x e db l a d e2 b a rt ob ec u t3 f i x e dd a m p i n gb l o c k4 f l x e db l a d e5 c o m p r e s s i o nb l o c k 4 应力法剪切 图1 3 所示为应力剪切方法，其是由裂纹技术与精密剪切方法相结合而产生， 是在径向夹紧精密剪切的前提之下，将裂纹技术的应力切断材料原理运用到棒料 剪切下料领域的一种剪切下料工艺方法。剪切前先在棒料上沿圆周车出具有一定 深度和角度的v 形槽，然后将其径向夹紧进行剪切。这种剪切下料方法主要是利 用载荷产生剪切裂纹，再使裂纹扩展实现断料来提高剪切断面质量。在应力法剪 切下料中，切口的存在可使剪切力大大降低，剪切过程中材料的塑性变形很小， 最终提高了剪切件的断面质量，同时该剪切方法还能比传统剪切方法节能 3 0 , , 4 0 1 7 1 。 5 铬锆铜棒料复合加压精密剪切试验研究及工装结构设计 图1 3 应力法剪切不意图 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t r e s ss h e a f i n g q 为径向夹紧力；p 为剪切力；v 为剪切方向 1 动模；2 棒料；3 定模 oi st h er a d i a ld a m p i n gf o r c e ；pi st h es h e a r i n gf o r c e ；vi st h es h e a f i n gd i r e c t i o n 1 d y n a m i cm o l d ；2 b a r ；3 f i x e dm o l d 5 轴向加压剪切 图1 4 所示为轴向加压剪切示意图，这种剪切方法是在剪切过程中在棒料两端 自始至终施加一相向的轴向压力，使剪切区材料始终处于三向压应力状态，增加 了静水压应力，从而提高了剪切区材料的塑性，且抑制了材料的轴向流动，使得 塑性剪切变形存在于剪切的全过程，实现棒料的塑性滑移分离。该剪切方法获得 的毛坯断面平整光洁，几何精度高。这种剪切方法比较适用于铜、铝等塑性较好 及尺寸小的棒料精密下料，对于硬度较大的金属则存在一定的困难，主要是轴向 压力过大，实现比较困难，且这种剪切方法要求动、定剪刃之间的间隙极小，容 易导致刀面与被剪材料粘结、咬合，模具刃口磨损很严重，寿命极低，实现机构 复杂，昂贵。 i 图1 4 轴向加压剪切示意图 f i g 1 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs h e a f i n gu n d e ra x i a ll o a d 1 动剪刃；2 待剪棒料；3 定剪刃；4 定压紧块 1 d y n a m i cs h e a f i n gb l a d e ；2 b a rt ob ec u t ；3 f i x e db l a d e ；4 f i x e dc l a m p i n gb l o c k 目前在棒料精密剪切工艺和理论的研究方面有了很大的进展，但也存在着一 系列难以解决的问题，主要有以下几个方面： 6 i ， 江苏大学硕士学位论文 i ( 1 ) 高速剪切：剪切时锤头将以极大的速度( 5 7 m s ) 撞击模具，会产生很 大的噪音和振动，严重影响模具使用寿命。此外，目前高速剪切多半采用直线式 高速剪切机，由于结构方面的原因，通常只能传递部分能量至棒料，能量传递效 率很低，锤头的打击能量得不到充分利用，从而限制了棒料剪切直径的大小【堋。 ( 2 ) 径向夹紧剪切：夹紧力和剪切力较大，使被剪下的坯料外形畸变严重， 往往呈菱形，而且剪切面附近压塌严重，剪切面与棒料轴线之间的垂直度不高。 ( 3 ) 轴向加压剪切：通常只适用于低强度小直径棒料的下料。若轴向压力过 小，则达不到纯塑性滑移剪切的目的，轴向压力过大，刀片易与棒料粘结、咬合， 模具刃口磨损极其严重，寿命低，而且工艺装备复杂，剪切费用很高，生产率低。 ( 4 ) 应力剪切法：剪切前须在棒料圆周上车v 形切口，增加了剪切成本与 工时。 ( 5 ) 加热剪切：剪切前须对棒料进行加热，实现起来比较麻烦，而且在蓝脆 温度下材料的变形抗力会提高，须加载大的剪切力，容易导致剪切毛坯压塌变形 严重【例。 从上述分析可知，剪切断裂可以分为两种类型：第一种是剪切过程中伴随有 裂纹产生的剪断，断面主要由裂纹区组成，图1 5 ( a ) 所示。这种类型的剪切， 裂纹面质量的优劣将直接决定剪切面的质量，要提高剪切面质量，必须在裂纹产 生之前，控制裂纹的扩展方向，以得到平滑的剪切带。第二种是剪切过程中无裂 纹产生的纯塑性滑移断裂，这种类型的剪切断面完全由纯塑性滑移区组成，在剪 切过程中始终没有裂纹的产生和扩展，图1 5 ( b ) 所示，利用了板料精冲时使断 面全部成为光亮带的方法。这样，由于整个剪切面没有裂纹的产生，从而断面平 整光洁，质量较好。 ，塑性滑移 断面 ( a )( b ) 图1 5 两种剪切方式断面形貌 f i g 1 5 s h e a r e ds u r f a c e so ft w os h e a r i n gp r o c e s s ( a ) 普通剪切断面；( b ) 精密剪切断面 ( a ) g e n e r a ls h e a r i n gs e c t i o n ；( b ) p r e c i s i o ns h e a r i n gs e c t i o n 第一种剪切方法改善切断面质量的方法是尽量使裂纹的产生提前，并控制裂 7 铬锆铜棒料复合加压精密剪切试验研究及工装结构设计 纹的扩展方向，以得到优质的剪裂带，改善剪切缺陷的主要方向是极力减小塑性 变形。针对铜、铝等较软的有色金属，剪切过程中裂纹不容易产生，我们将研究 方向放在第二种，纯塑性滑移剪切。 第二种剪切方法改善切断面质量的主要方向是抑制裂纹的产生及扩展，其主 要手段是施加径向夹紧力和轴向压力，使剪切变形区材料处于三向压应力状态， 从而有利于塑性变形的实现例。 1 3 本课题的研究内容、意义及方法 针对目前棒料精密剪切集中于径向夹紧或轴向加压单一方式的研究较多，而 对复合加压精密剪切的研究基本未见报道，本文对低塑性铬锆铜棒料的复合加压 精密剪切及工装结构进行了初步研究。 经过固溶和时效处理后的铬锆铜合金中析出c r a z r 等金属化合物，使材料具有 较高的强度和导电性，然而其塑性变形能力较差【2 1 1 ，剪切过程中产生的撕裂问题 较难控制，针对这一情况，本文主要研究两种铬锆铜合金棒料的剪切工艺，探讨 工艺参数如材料受力状况、径向夹紧力、轴向压力等对棒料精密剪切质量的影响 规律，从而为工艺制定及工装设计提供理论指导。 近年来国内外开发的精密剪切机床和装备在解决剪切质量和效率上提高不 大，而且成本较高，因此设计一种既能提高剪切质量又能提高生产率且能降低成 本的工装势在必行。本文是在分析前人研究的基础上，认识到径向夹紧轴向加压 精密剪切机理的合理性并设计出相关的剪切工艺装备。 本文对棒料径向夹紧轴向加压精密剪切原理、工艺进行了研究分析，阐述了 影响精密剪切断面质量的主要工艺因素( 如径向夹紧力、轴向压力、轴向间隙、 长径比等) ，并在普通压力机上用自主设计的精密剪切模具上进行了试验。剪切后 首先对剪切试样断面宏观形貌进行了观察和测量，然后又在扫描电子显微镜下进 行了微观扫描观察，分析了在不同的剪切工艺参数下，剪切坯料的断面质量和微 观形貌，并对观察结果进行了理论分析，探讨剪切对材料金相组织、微观硬度等 的影响和剪切缺陷产生的深层原因，最终确定了最佳剪切工艺参数。本课题的研 究对低塑性材料的下料生产实践能提供一定的指导，同时能为相关工装的设计提 供理论依据。 8 江苏大学硕士学位论文 本课题是以铬锆铜棒料径向夹紧轴向加压精密剪切为研究对象，并以此为基 础来设计相关的工艺装备。围绕以上目标，本文的研究内容主要包括： 1 针对塑性较差的铬锆铜棒料，研究其复合加压精密剪切工艺。 2 从微观角度分析工艺参数对剪切面附近材料组织性能的影响规律及剪切缺 陷产生的深层原因。 3 研究在普通冲床条件下，合理设计精密剪切工装来高质量高效率生产毛坯。 主要包括工艺及工装结构设计。 4 分析径向夹紧与轴向加压复合约束精密剪切原理，提出低塑性材料的精密剪 切断面质量的控制方法，为该类型材料精密下料领域内的生产实践和工装设计提 供理论依据。 9 铬锆铜棒料复合加压精密剪切试验研究及工装结构设计 第二章棒料剪切试验及断面分析 2 1 试验材料、设备 2 1 1 试验材料的选择及要求 试验材料为q 1 3 1 6 r a m 的等截面铬锆铜棒料，经固溶或时效处理，具体化学 成分含量和性能参数见表2 - 1 与2 2 。 表2 - 1c - u c r - z r 合金化学成分 t a b2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fc u - c r - z ra l l o y 表2 - 2 材料的性能参数 t a b2 - 2p a r a m e t e r so fm a t e r i a lp r o p e r t i e s 2 1 2 试验设备及仪器 ( 注：材料变形量大于5 0 ) 1 剪切模具 该模具为自制试验模具( 图2 1 ) ，能按要求分别实现径向夹紧、轴向加压及 复合加压等不同精密剪切工艺的需求。 1 0 江苏大学硕士学位论文 图2 1m 2 3 6 3 冲床和模具 f i g 2 1 j b 2 3 - 6 3p u n c ha n dd i e 2 冲床 试验在j b 2 3 6 3 冲床( 图2 1 ) 上完成，剪切速度约为0 3 m s ，冲床具体参数 如表2 3 所示。冲床公称压力应大于棒料的剪切应力，工作台面尺寸必须足够安装 模具，最大封闭高度应能保证模具的安装、调整，剪切行程必须大于棒料直径。 表2 3 冲床主要技术参数 t a b2 - 3t e c h n i c a lp a r a m e t e r so fp u n c h 3 本试验中断面质量检测仪器见表2 - 4 表猫试验仪器列表 t a b 2 - 4e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t s 4 显微组织分析 将试样剖切后在x q 一2 型金相镶嵌机上镶嵌，镶嵌后在金相砂纸上进行研磨， 然后在p 一2 型金相抛光机用氧化铝抛光剂进行抛光，再用金相腐蚀剂进行腐蚀， 1 1 铬锆铜棒料复合