（材料加工工程专业论文）2024棒料复合加压精密剪切工艺试验研究及有限元模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 精密锻造和冷挤压成形工艺对坯料质量要求较高，2 0 2 4 铝合金强度高，塑性 差，普通模具的剪切下料方法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2 0 2 4 棒料精密剪切工艺进行了探索和研究。 本文在大量试验的基础上，对2 0 2 4 棒料复合加压精密剪切原理及工艺进行了 研究，从试样剪切断面宏观质量、微观形貌等方面分析了影响该精密剪切断面质 量的主要因素，得出了低塑性的2 0 2 4 硬铝合金棒料采用径向夹紧与轴向加压复合 约束精密剪切工艺实施的控制要点，探讨了精密剪切工艺原理，并对2 0 2 4 铝棒的 复合加压精密剪切过程进行了数值模拟。在工艺试验中，得到了理想的高质量塑 性剪切断面，在数值模拟分析中得出了材料变形过程中静水应力、等效应力和等 效应变的分布图，预测了其发展趋势，解释了精密剪切各个阶段的发展直到最终 断裂的全过程，并绘制了精密剪切力能曲线。从径向夹紧力、轴向压力、相对剪 切间隙等各种因素出发，分析了这些因素的变化对于变形区应力应变场与剪切面 裂纹产生的关系。 研究结果表明，影响2 0 2 4 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，施加在棒料上的径向夹紧力和轴向压力大小与棒料的剪 切质量都成正相关关系，既在低于材料屈服极限的条件下，足够大的径向与轴向 力的施加对精密剪切质量保证是十分必要的。在施加的径向夹紧力为0 7 5 加9 6 , 时，棒料断面保持了良好的圆整度，压塌轻微；当施加的轴向压力为o 9 加9 5 6 s 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，轴向必须始终保持零间隙。复合加压精密剪切获得的断面平整光滑，倾斜 度可控制在5 ，内，椭圆度可控制在5 内，完全满足精密锻造和冷挤压等精密成形 工艺对棒料毛坯剪切质量的要求。 本文的研究结果可为低塑性棒料的精密下料提供理论支撑和实践指导，解决 了传统下料工艺存在的断面质量差、生产效率低和材料浪费严重等问题，对促进 2 0 2 4 棒料复合加压精密剪切工艺试验研究及有限元模拟 棒料精密剪切技术的推广和应用有积极作用。 关键词：2 0 2 4 ，精密剪切，复合加压，径向夹紧，轴向加压，断面质量 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t 2 0 2 4a l u m i n i u ma l l o yh a st h el a r g e s tu s a g ef o rr e a s o n a b l ec o m p o s i t i o na n dg o o d c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e f r e q u e n t l yi nt h ep r o d u c t so f2 0 2 4 ，t h e r ea r ed i f f e r e n t s 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 d l i t t l ef o l l o w u pp r o c e s s i n g ，w h i c hr e q u i r e st h eb a r s t o c kc u t t i n g si nh i g hq u a l i t y h o w e v e rf o rt h ep o o rp l a s t i c i t y , h i g hs t r e n g t ha n d h a r d n e s s ，g e n e r a lm o u l ds h e a f i n gs e c t i o ni se a s yt oc a u s es e r i o u ss l o p e ，c o l l a p s ea n d t e a r i n g ，w h i c hc a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fp r e c i s i o nf o r m i n g f o rt h i sr e a s o ni nt h i s p a p e rw ea d o p t sr a d i a nd a m p i n ga x i a lc o m p r e s s i v ec o n s t r a i n tp r e c i s i o ns h e a r i n g p r o c e s st oc a r r yo u taf u r t h e re x p l o r a t i o na n dr e s e a r c ho ns h e a f i n gp r o c e s so f2 0 2 4 a l l o y 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 f2 0 2 4b a r s w 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 ec o n t r o lp o i n t so f t 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 f i n gs e c t i o n s w 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 gt h a tu n d e r a 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 ld a m p i n ga n da x i a l c 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 t h e c o m p o s i t ep r e s s u r i z e ds h e a r i n gp r o c c s so f2 0 2 4a la l l o yr o dw a ss i m u l a t e d w eg o tt h e d e f o r m a t i o np r o c e s so fh y d r o s t a t i cs t r e s s ，e q u i v a l e n ts t r e s sa n de q u i v a l e n ts t r a i n d i s t r i b u t i o n ，f o r e c a s t i n gt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fp r e c i s i o ns h e a f i n ga n de x p l a i n i n gt h e v a r i o u ss t a g e so fu n t i lt h ef m a lf r a c t u r ep r o c e s s i nt h ee n dt h ee s s e n c eo fm o m e n t u m e n e r g yc u r v e w a sd r a w t h ec l a m p i n gf o r c ei nar a d i a ld i r e c t i o n ，a x i a lp r e s s u r e ，r e l a t i v e s h e a rc l e a r a n c ea n do t h e rf a c t o r sw e r ea n a l y s e da n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s e f a c t o r sa n ds t r e s s - s t r a i nf i e l d si nd e f o r m a t i o np o s i t i o n s ，s h e a rp l a n ec r a c kw a sa l s o s t u d i e d 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 d 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 d p u r ep l a s t i cs h e a f 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 ld 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 f 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 w h e nt h ea x i a lp r e s s u r er e a c h e d9 0 o s ，t e a r i n gc o u l db es u p p r e s s e d 2 0 2 4 棒料复合加压精密剪切工艺试验研究及有限元模拟 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 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 f i n go f2 0 2 4b a r su n d e r r 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 so 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 et 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 ls h e a f i n gp r o c e s s k e y w o r d s - 2 0 2 4 ，p r e c i s i o ns h e a f i n g ，c o m p o s i t ep r e s s u r e ，r a d i a lc l a m p i n g ，a x i a l c o m p r e s s i o n ，s e c t i o nq u a l i t y i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 棒料是模锻件、辊锻件和冷、温状态挤压件等工件的主要型材，一般生产批 量大、规格多，棒料剪切就是生产这些工件必备的坯料加工工序。现代工业发展 到2 1 世纪，精密锻造和挤压等少切削或者无切削的成形工艺应用有了长足的发展， 为了尽可能地减小成形工件的切削余量和后续加工的工时以降低生产成本，所以 对坯料的下料质量提出更高的要求。目前常用的下料方法普遍存在着断面质量差、 效率低、材料消耗大和能耗高等问题，无法满足精密成形工艺的要求。因此，开 发高效率的精密下料方法对企业实现节能节材的目的是非常有意义的。 精密成形对剪切坯料的剪切断面质量要求高。生产实践中常用的普通下料方 法大致可以分为三种：剪切下料、锯切下料、车床切削下料。剪切下料一般在剪 床上完成，应用广泛，因为剪切下料材料损耗小、模具简单、生产率高，但是剪 切下料的毛坯断面质量普遍较差，无法满足精密成形的要求。锯切下料的方法所 得的坯料断面质量精度高，但是由于锯口会损失大量的材料；同时锯条的损耗也 比较大，因此经济性不高。车床是一种高精度的切削方法，但工效低，也最浪费 材料1 1 j o 近些年来，人们对精密下料的研究取得了很多的成果，采用了很多可以取代 传统剪切工艺的高新技术工型2 】。新型的下料方法有电火花剪切法、激光剪切、超 声波剪切、电子束剪切法和等离子剪切法等，但考虑到成本和实际的应用情况， 少或无切削的精密下料仍然是精密制坯研究和应用的重点。 新型的几种剪切方法虽然已经在生产实践中应用，但是要想达到棒料质量和 经济性都很好，新的下料工艺方法也面临着各种各样的问题。例如，电火花线切 割虽然加工精度非常高，但其加工速度很慢，最大的线切割速度也只有 3 2 5 m m 2 m i n ，也就是相当于切割5 0 m m 厚时，切割速度只有6 5 m m m i n ，所以电 火花线切割仅用在模具的精密加工上，不适合棒料下料。 一些其他的下料方式有氧气切割、等离子切割、激光切割。氧气切割可切割 2 0 2 4 棒料复合加压精密剪切工艺试验研究及有限元模拟 厚度为4 0 m m 的碳素钢，切割厚度最大，但是热影响区大，切割断面质量差，精 度达不到要求，不能应用于精密下料。等离子切割面倾斜，切口宽度大，而且等 离子切割在使用过程中存在大量的有害气体和金属烟尘，并伴有弧光辐射和高频 电磁场，对身体有严重的伤害，不适合批量大的下料工序。激光切割可以达到很 高的精度，但随着切割厚度的增加，所需的激光器的功率要求高，对设备要求太 高，造价高，经济性差。 超高压射流切割是一种非热源的高能量射流束加工方法，因为切割中无热过 程，所以可以切割所有的金属和非金属材料，尤其是一些用热切割方法难以或者 不能加工的材料。这种切割方法在切割硬质材料或者厚度较大的材料的时候，所 需的磨料的要求高，价格高导致成本高，切割厚度较大是切割速度也不理想。 通过上述的加工方法可以发现，这些新型的下料方法由于利用了化学能、光 能、电能或者高能射流束，所以其切割部件容易移动，适合切割加工形状复杂的 零件，或者用于下料后的一些加工工序中。但是棒料形状简单，厚度较大，这些 新型的下料方法显然不能满足高效高经济性的精密下料要求，所以少无切削的精 密剪切仍然是棒料下料研究的重点【3 】。 随着精密模锻和精密挤压等工艺的不断发展，毛坯的质量要求越来越高，对 下料工序的要求越来越高，开发一种高精度、高效、高经济性的剪切工艺和剪切 设备成为一个重要的课题。 剪切过程中的变形机理比较复杂，涉及塑性变形、断裂等理论。在理论上目 前还不是很成熟，处于发展阶段。尤其是关于剪切的各种因素( 材料、速度、径 向间隙、轴向间隙、剪切温度和长径比等) 对剪切断面的影响规律，一般资料仅 限于理论研究和定性分析，但在实际应用中还存在一定的困难，无法为生产实践 提供有效的理论知识。 理论力学和计算机数值模拟技术在2 0 世纪9 0 年代后日益完善与普及，学者 开始应用有限元模拟的方法，结合韧性、损伤、断面理论对棒料的剪切过程进行 分析，分析剪切过程中的塑性变形、裂纹的萌生、断裂的过程，从而用于指导生 产实践【4 】。 2 江苏大学硕士学位论文 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剪切下料理论、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【5 】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 6 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【7 】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，利用实测的棒料加 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 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删8 l 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1 9 】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【1 0 l 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【1 l j 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， 3 2 0 2 4 棒料复合加压精密剪切工艺试验研究及有限元模拟 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 2 1 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 r n 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【1 3 】在其论文中提出了一种新的方法，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 4 6 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 图1 1 所示为高速剪切机构简图1 1 7 1 ，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【1 8 1 。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。 4 江苏大学硕士学位论文 图1 1 高速精密剪切机简图 f i 9 1 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 丁作汽缸；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 9 1 ： ( 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， 获得的剪切面比较平整，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2 0 l 。 ( 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 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 5 2 0 2 4 棒料复合加压精密剪切工艺试验研究及有限元模拟 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【2 1 1 。 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 dc l a m p i n gb l o c k4 f i 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 应力法剪切不意图 f i g 1 3s 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 0 i st h er a d i a lc l a m p i n gf o r c e ；pi st h es h e a f i n gf o r c e ；vi st h es h e a r 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 图1 3 所示为应力剪切方法【2 2 倒，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 6 江苏大学硕士学位论文 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 肄2 5 1 。 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。 f - 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 r 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 r 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： ( 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阳7 】。 ( 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 7 2 0 2 4 棒料复合加压精密剪切工艺试验研究及有限元模拟 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 工时瞄】。 ( 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。 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 o s 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 对于铜、铝等较软的有色金属，剪切过程中裂纹不容易产生，改善切断面质 量的主要方向是抑制裂纹的产生及扩展，实现纯塑性滑移剪切，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 2 6 - 2 9 1 。采用径向夹紧轴向加压的复合加压方式，可以有效的使棒 料的剪切区处于三向压应力状态。 8 江苏大学硕士学位论文 1 3 本课题的研究内容、意义和方法 目前，针对棒料复合加压精密剪切方式的研究较少，常见的剪切方式集中于 径向夹紧和轴向加压单一的剪切方式，本文对低塑性的2 0 2 4 硬铝合金棒料的复合 加压精密剪切工艺进行了初步试验研究，分析了剪切中重要工艺参数对剪切质量 的影响，并利用d e f o r m 3 d 软件进行了有限元仿真模拟，预测剪切变化过程及应 力应变变化，利用模拟得到的数据进行剪切质量控制。 2 0 2 4 铝合金属于硬铝合金，相当于国产铝合金l y l 2 ，是一种用途最为广泛的 铝合金。由于加入了铜、镁等元素，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i 雏3 1 1 ，普通剪切中容易产生撕裂问题，难以得到理想的断面。针 对这个情况，本文主要从试验和模拟两个方面研究了两种2 0 2 4 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。 本文在试验的基础上研究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、轴向间隙等) ，对棒料径向夹紧轴向加压精密剪切工艺、原理 进行了研究分析，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精密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。 因此，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2 0 2 4 铝合金棒料，研究其径向夹紧轴向加压精密剪切工 艺，分析工艺参数对剪切质量的影响。 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 陷产生的原因。 3 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 9 2 0 2 4 棒料复合加压精密剪切工艺试验研究及有限元模拟 提供理论依据。 4 利用d e f o r m 3 d 软件对棒料的剪切过程进行有限元模拟，了解剪切时金属 的流动情况，分析剪切时的应力应变情况，从而确定最佳的剪切工艺参数。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章2 0 2 4 铝棒剪切试验及断面分析 2 1 试验材料、设备 2 1 1 试验材料及性能 试验材料为q 0 1 3 m m 和q 0 1 4 m m 的2 0 2 4 铝棒，分别经固溶和时效处理，具体化 学成分含量和性能参数见表2 - 1 与2 2 。 表2 12 0 2 4 铝合金化学成分 t a b2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f2 0 2 4a 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 2 ) ，能分别按径向夹紧、轴向加压及复合加压 等不同的需求对棒料进行剪切。 1 1 20 2 4 棒料复合加压精密剪切工艺试验研究及有限元模拟 图2 1 旧2 3 6 3 冲床 f i g 2 1 m 2 3 - 6 3p u n c h 图2 2 剪切模具 f i g 2 2s h e a r i n gd 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。 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 指标单位 公称压力 行程次数 行程 6 3 0 k n 4 0 次n l i i l 江苏大学硕士学位论文 3 本试验中断面质量检测仪器见表2 _ 4 表2 _ 4 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 型金相抛光机用金刚石抛光剂进行抛光，再用氢氟酸水溶液进行腐蚀， 经腐蚀后的试样放在扫描电镜和金相显微镜下进行观察。 2 2 试验方案设计及剪切流程 本试验分别采用无约束、径向夹紧、轴向加压和复合加压几种工艺方案进行 剪切，对每一种方案中的相关参数按一定顺序逐渐变化进行试剪，并对剪切方式 不同的断面质量加以研究，分析剪切质量后确定棒料的合理剪切工艺及最佳工艺 参数。根据本试验特点和目的确定试验方案如下： ( 1 ) 普通剪切 室温下，在j b 2 3 6 3 冲床上利用试验模具对2 0 2 4 铝棒进行无约束剪切。 ( 2 ) 径向夹紧剪切 试验中采用几组不同的夹紧力进行试验，将得到的试样进行对比分析，然后 将断面质量最好的试样对应的夹紧力作为最佳夹紧力。试验参数见表2 5 。 表2 - 5 径向夹紧力 t a b2 - 5r a d i a ld a m p i n gf o r c e 2 0 2 4 棒料复合加压精密剪切工艺试验研究及有限元模拟 ( 3 ) 轴向加压剪切 试验采用四组不同的轴向压力进行剪切试验，将剪切后得到的试样进行对比 分析，然后将断面质量最好的试样对应的轴向压力作为最佳轴向压力。试验参数 见表2 6 。 表2 - 6 轴向压力 t a b2 - 6a x i a l1 0 a d ( 4 ) 径向夹紧轴向加压剪切 复合加压精密剪切过程中棒料处于夹紧固定状态，且承受一定的轴向压力， 径向夹紧力和轴向压力可根据需要逐渐变化，两剪切刀片之间为零间隙。本试验 共分为六组，具体如下： 第一组i 利用方案1 和方案2 中得到的最佳径向夹紧力和轴向压力进行试验。 首先轴向压力保持不变，逐渐增加径向夹紧力进行剪切试验，然后径向夹紧力大 小保持不变，逐渐增加轴向压力进行剪切试验，将剪切后的试样进行对比分析， 将断面质量最好的试样对应的径向夹紧力和轴向压力作为最佳工艺参数。 第二组：在相同剪切约束力和相同剪切速度下剪切，比较同等条件下直径大 小对剪切质量的影响情况。剪切速度为0 3 m s ，径向夹紧力为0 9 倍剪切力，轴向 压力为0 9 魄。 第三组：在相同剪切约束力和相同剪切速度下，进行固溶和时效的棒料剪切， 比较热处理工艺对剪切质量的影响情况。剪切速度为0 3 m s ，径向夹紧力为0 9 倍 剪切力，轴向压力为0 9 0 s 。 第四组：根据以上方案确定的最佳剪切工艺参数进行剪切，动剪刃下移分别 为1 4 i ) ；1 2 d ；3 4 d ；d ，然后沿轴线垂直于剪切面剖切试样，获得剪切中间过 程试样，抛光腐蚀后在电镜下观察测量断口附近材料的应力和应变情况，弄清楚 材料在剪切过程中的组织变化规律、变形情况及内部位错移动和形成机理，最终 从根本上抑制裂纹的萌生及扩展。 剪切试验过程中，必须严格按要求操作，具体过程如下： 1 4 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 剪切模具安装在冲床工作台上，并进行调试，务必保证模具固定且剪切 间隙为0 ； ( 2 ) 喷涂润滑剂，减小剪切过程中的模具摩损； ( 3 ) 棒料定长送入剪切模，并按试验设计调整夹紧力与轴向压力； ( 4 ) 开始剪切，记录剪切力、夹紧力和轴向压力； 2 3 试样宏观断面分析 2 3 12 0 2 4 铝棒剪切断面形貌分析 ( a ) 锯f f j 普通剪切 ( a ) f r a c t u r es u r f a c eo fs a w i n g( b ) f r a c t u r es u r f a c eo fc o m m o ns h e a r i n g ( c ) 径向夹紧剪切( d ) 轴向加压剪切 ( c ) f r a c t u r es u r f a c eo fs h e a r i n gw i t hr a d i a l( d ) f r a c t u r es u r f a c eo fs h e a r i n gw i t h a x i a lp r e s s u r e 图2 3 其他剪切方式的断面形貌 f i g2 3f r a c a u es u r f a c eo fo t h e r ss h e a r i n gp r o c e s s e s 图2 3 分别为锯切、普通剪切、径向夹紧剪切、轴向加压剪切、复合加压剪切 的断面形貌。可以看出，用砂轮锯切的坯料断面质量一般，毛刺现象严重，需后 续的处理，所以一般下料都采用带锯，带锯的断面质量高，但是材料损耗严重， 经济性较差；普通剪切的剪切质量较差，尤其是剪切断面压塌严重，断面成椭圆 2 0 2 4 棒料复合加压精密剪切工艺试验研究及有限元模拟 形，这是由于普通剪切无径向央紧装置，剪切时材料上翘导致的，另外普通剪切 由于轴向没有约束，剪切间隙较大，所以其剪切光亮面的比例也不是很大，只有 上部少量的月牙状的塑性剪切面，其余大部分都是撕裂面；径向夹紧剪切的断面 由于径向利用模具对棒料固定，防止了棒料的窜到，相对普通剪切改善了断面压 塌的问题，断面圆度保持较高，但光亮带面积和普通剪切并没有很大的提高，撕 裂现象也比较严重，断面精度较差。轴向加压剪切的断面由于施加了轴向压力， 光亮带面积达到8 0 ，棒料的压塌很小，剪切质量虽然有了很大的提高，但仍达 不到精密剪切的要求。所以，开发一种剪切精度高，而且经济性好的剪切方法十 分必要。采用复合加压方式进行剪切就是基于这个目的产生的。 图2 42 0 2 4 铝棒复合加压断面形貌 f i 9 2 4f r a c t u r es u r f a c eo f2 0 2 4b a r sw i t hc o m p o s i t ep r e s s u r es h e a r i n g 如图2 4 所示为直径为1 3 m m 的2 0 2 4 铝棒径向夹紧轴向加压剪切的试验剪切 断面宏观照片。此时，棒料径向通过模具完全夹紧，轴向力为0 9 倍的屈服极限o s 。 从图中可以看出，剪切后的2 0 2 4 铝棒没有弯曲与拉伸变形，倾斜和压塌的现象很 小，断面平整光滑，光亮带面积占整个断面面积超过9 9 ，基本没有撕裂现象， 完全满足精密成形工艺对坯料的要求。 试验表明，要获得如图2 4 所示的断面质量，在棒料剪切时需要同时保证径向 夹紧力大于0 7 5 6 s ，轴向压力大于0 9 6 s ，此时剪切面全部为纯塑性滑移面，无撕 裂现象。 除剪