304不锈钢棒气动式可控旋弯下料工艺及试验

针对金属棒料传统下料工艺存在断面质量差、材料利用率低、能耗高等问题,提出一种综合利用预制环状V型槽缺口效应、起裂微裂纹及扩展宏观裂纹裂尖应力集中效应的新型气动式棒料可控旋弯下料工艺,详细介绍了该下料工艺的工作原理。基于该工作原理研制了金属棒料气动式旋弯下料试验装置,利用材料力学强度理论与线弹性断裂力学理论,建立了弯矩载荷作用下金属棒料下料过程的力学模型,获得了环状“V”型槽根部微裂纹萌生载荷、扩展裂纹起裂载荷及瞬断载荷的理论计算公式。采用三种不同恒应力强度因子幅水平载荷控制曲线对φ30 mm直径的304不锈钢棒料进行下料试验研究,结合所提出的坯料断面评价方法及其评价指标,对下料所得坯料质量进行了量化评价。结果表明,保持裂尖处于恒应力强度因子幅水平,可以实现金属棒料的可控精密下料,断面质量和下料时间随幅值水平提高而降低,当裂尖处△K=0.7K_c时,坯料最终瞬断区最小。该下料工艺利用断裂力学理论建立旋弯下料机理,可以指导实际下料试验,为后续下料工艺数据库的建立提供理论支撑。     

304不锈钢棒料连续旋弯低应力精密下料断裂预测

低应力下料近净成形方法是制造轴类零部件毛坯的新工艺,具有能耗低、下料效率高及坯料断面精度高等特性,然而其下料机理一直不清晰,难以获取理想的下料工艺参数,因此基于累计损伤理论提出断裂强度因子预测断裂模型进行研究。以304不锈钢为研究对象,将断裂强度因子耦合到连续旋弯低应力下料有限元模型进行断裂预测。通过连续旋弯低应力下料试验,依托断面平整度及下料时间的下料综合评价方法,验证基于断裂强度因子的连续旋弯低应力下料断裂预测数值模拟的正确性。结果表明：基于断裂强度因子断裂预测模型模拟得到的断裂位置位于环状“V”型缺口根部,与下料分离结果保持一致;断面平整度与下料时间随着加载位置提升而降低,当加载位置为L₁=5 mm,L₂=10 mm能够实现棒料高效精密下料。该下料方法利用断裂强度因子预测断裂模型建立了连续旋弯低应力下料断裂机理,为实现低应力下料工业化奠定理论基础。     

旋弯疲劳断料机设计中的几个基本问题

金属棒料在旋弯交变应力作用下会发生疲劳断裂。将这一原理应用于断料行业，就发明了旋弯疲劳应力断料机。主要探讨旋弯疲劳断料机设计的基本原理、切口参数对疲劳断裂的影响、断料效率和断面质量的主要影响因素、旋弯疲劳断料的特点及适宜参数等基本问题。     

剪切修正GTN模型在小冲杆试验中的应用研究

小冲杆试验作为一种非标准的微试样测试技术,能有效地获取薄板结构的材料参数。而选用合适的损伤模型对准确表征材料变形到断裂的整个过程有着重要影响。基于NAHSHON提出的含剪切修正项的Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)模型,通过有限元软件ABAQUS及用户自定义子程序VUMAT考察不同应力三轴度对断裂失效的影响。采用有限元模拟和拉伸试验获得冷轧硅钢材料的无损伤弹塑性力学参数以及GTN损伤演化模型中的形核参数和临界断裂参数,通过纯剪切试验和数值模拟的对比确定出材料中微孔洞的剪切变形对材料损伤演化的贡献。运用剪切修正的GTN模型对小冲杆试验进行模拟,结果表明,由于修正GTN模型考虑了微孔洞剪切畸变的对材料损伤影响,模拟结果比原GTN模型更接近于试验数据,可更好地应用于小冲杆试验的研究。     

基于改进GTN损伤模型的镁合金镦粗成形损伤及裂纹预测研究

镁合金在成形过程中极易产生开裂，精准的损伤预测可以为塑性成形工艺提供理论支撑。为此，基于含连续介质剪切损伤因子的Gurson-Tvergarrd-Needleman(GTN)损伤模型被应用于预测镁合金成形时的损伤演化，通过压缩试样的力-位移曲线标定了AZ31B镁合金的流动应力和剪切损伤参数，预测并验证了AZ31B镁合金在镦粗工艺下的表面损伤及开裂，扩展了模型对低应力三轴度下的成形工艺损伤预测的适用性。在此基础上，对AZ31B镁合金在受压条件下损伤成因、裂纹扩展进行了分析。结果表明，随着压缩位移的增加，镁合金侧面中心区域的切应力不断增加，在此作用下基体内部孔洞沿非垂直压缩方向伸长、聚合，最终形成宏观裂纹；镦粗后的试样侧面裂纹走向与垂直压缩方向所成角度范围为34°～46°，改进的GTN模型模拟结果为44°～54°，原始GTN模型模拟结果均呈90°；改进后的GTN模型可应用于预测镁合金在轧制、热冲压等工艺下的损伤演化行为，为后续工艺优化奠定基础。     

3 MN棒料剪断机液压系统设计

金属棒料下料是机械行业中应用量很大的一项工作,如齿轮、轴承、锻压件等的备料都是用棒料下料,用锯切方式下料其形状精度好,但效率低、成本高,而剪断方式下料则有较高的生产效率且生产成本较低。本文论述用于金属棒料剪切下料的３ＭＮ棒料剪断机的液压系统设计与分析...     

低周疲劳精密下料新工艺及试验研究

传统的金属棒料下料工艺存在着材料利用率低、能耗高、生产效率低以及下料断面质量差等问题。采用一种新的下料工艺-周向加载低周疲劳精密下料技术,利用V形槽的应力集中效应,促使棒料V形槽底尖端处疲劳裂纹的萌生及疲劳裂纹的快速扩展。描述周向加载低周疲劳精密下料机的工作原理。给出在低周疲劳下棒料V形槽根部裂纹是否起裂的判据。采用两种控制曲线对5种材料(20钢、H59、45钢、20Cr和LY12)的棒料进行试验研究,实现加速棒料裂纹的产生、扩展并获得良好的棒料断面质量。试验结果表明,V形槽的应力集中效应可以有效地减小棒料下料过程中的平均应力,在不断增加打击位移的同时减小冲击频率可以保证棒料裂纹的稳定扩展和断裂。     

用应力下料法等重量剪切技术的研究

随着科学技术的发展，冷挤压、温热挤压。精密模锻和电热镦锻等少无切削工艺在机械工业中的应用越来越多，因而对毛坯的下料精度和下料效率等提出了越来越高的要求，研究开发下料质量高、材料消耗低、生产效率高、能量消耗低的精密下料方法是十分必要的。应力下料法等重量剪切技术就是将裂纹技术的应力断料原理引入剪切下料领域。众所周知，带有裂纹的物体在受到外力作用时，裂纹尖端存在着应力奇异性。利用裂纹的应力奇异性，敏感应力状态和适宜预荷方式，可以实现固体材料连续界面的规则分离。应力下料法等重量剪切技术具有以下特点：①剪…     

基于GTN损伤模型对含边部缺陷硅钢薄板冷轧时边裂的预测

采用拉伸试验和显微组织观测的方法确定了GTN损伤模型中的9个损伤参数,运用GTN损伤模型对冷轧硅钢薄板边部缺陷的扩展及边裂的产生进行了有限元模拟,并与预置缺口的钢板轧制试验进行对比。结果表明:轧制过程中边部缺陷是造成钢板边部裂纹萌生和扩展的一个重要原因,GTN损伤模型可用来预测含边部缺陷硅钢薄板在冷轧过程中边裂的产生;预测结果与试验结果基本一致。     

GTN损伤模型对C-Mn钢缺口拉伸试样延性断裂的预测

用GTN(Gurson, Tvergaard, Needleman)损伤模型对不同缺口根半径的C-Mn钢缺口圆棒拉伸试样的延性断裂进行有限元模拟预测.结果表明, 当缺口根半径R≤2 mm时,GTN模型对缺口拉伸时的最大载荷Pm、起裂载荷Pi、断裂载荷Pf和断裂功E的预测值与实验值较为接近.而当R＞2 mm后,预测值与实验值的偏差变大.其原因在于GTN模型是基于微孔洞长大和聚合的延性断裂机理而建立,对于根半径较小,促使孔洞长大的三向应力度较高的缺口试样较为适用.GTN模型预测的三个特征载荷,尤其是表征韧性的断裂功E的值总体上高于实验测定值,并且其预测的延性起裂位置在R≥1 mm时也与实验观察不一致.其原因是GTN模型未考虑实际材料组织中具体的夹杂物/孔洞的尺寸、形态、分布和方位对损伤演化和断裂过程的影响.     

反旋转弯曲载荷下V型切口棒料的疲劳寿命估算方法

针对应力下料的实际要求,介绍反旋转拉弯复合应力加载模型。提出带缺口棒料的疲劳寿命由始裂寿命和裂纹扩展寿命两部分组成的思想。在考虑V型切口棒料几何参数及材料拉伸性能影响基础上,给出裂纹起始寿命估算公式。通过分析裂纹扩展过程中应力比的变化规律,提出当量应力比概念,结合Walker公式得到反旋转弯曲载荷下带缺口棒料疲劳寿命估算公式。结合具体案例计算棒料疲劳寿命,与已有的反旋转应力下料方式实验结果对比,表明该估算公式预测结果精度高,具有较好的应用价值。     

应力法剪切下料的若干问题

在断裂设计原理的基础上,提出了应力法剪切下料概念,并进行了实验研究。本文论述了应力法剪切下料的基本概念;探讨了应力法剪切下料的特点,确定了影响剪切质量的几个因素的适宜参数、剪刃形式及几何角度。这项技术既为精密下料拓宽了道路,又为裂纹技术增加了新的研究内容。     

金属棒料精密下料新工艺及实验研究

提出了一种能获得高质量断面的金属棒料下料新工艺——旋转锻打疲劳下料技术,探讨了旋转锻打疲劳下料技术的机理,描述了旋转锻打疲劳下料新工艺的实验情况,展示了成功的实验结果,还根据下料断面特点提出一种新的断面质量评价方法。实践证明,研制的新型旋转锻打疲劳下料机能对不同直径的不同材料进行快速精密下料,下料后的形态能完全满足精密塑性加工要求,能直接进行下一步工序加工。     

棒料疲劳断裂的有限元研究

低应力断料在精密下料中有比较突出的理论优点,且断口平整,重量误差小。采用AN-SYS有限元软件对环状V型缺口悬臂件进行了有限元分析,对不同的加载方式影响断裂的扩展进行了初步探讨。     

截面形状对材料微孔洞损伤破坏的影响

为探讨截面形状对金属材料微孔洞损伤破坏的影响,针对圆形、矩形横截面缺口试样进行了拉伸破坏、预拉伸低温冲断试验,断口扫描电镜观察及有限元计算;用细观力学模型计算了缺口试样断裂时微孔洞长大体积率沿断口的分布和断口的起裂位置,并模拟了断口上起裂处微孔洞长大。结果表明：截面形状对材料微孔洞损伤演化有较大的影响,圆形、矩形横截面缺口试样断裂时起裂处微孔洞长大体积率相差较大,微孔洞长大的临界值不是材料常数;用R-T模型、GTN模型模拟非轴对称三轴应力状态下材料微孔洞损伤演化有较大的误差。     

V型缺口应力集中系数分析及应用

为了分析V型缺口的应力集中系数,引入Filippi缺口应力场方程,计算了对称拉伸(Ⅰ型)和反对称剪切(Ⅱ型)两种载荷类型下的应力场参数。建立拉伸载荷下的V型缺口参数化模型,通过数值计算和理论分析结果比较,验证了Filippi方程的准确性。考虑到缺口根部的微观约束效应,采用Neuber应力平均概念和虚拟缺口半径方法,获得了缺口约束因子,虚拟缺口半径等与缺口参数之间的关系。在此基础上,采用有限元方法计算了尖锐V型缺口在不同约束尺寸和缺口角度下的平均应力集中系数和等效应力集中系数,两种缺口应力集中系数偏差基本保持在10%以下,表明所求解的缺口应力集中系数具有较高的可信度。最后将缺口应力集中系数应用在焊接接头的缺口应力分析中,从而避免了因单元尺寸不同而造成的结果差异。     

新型低应力弯曲下料外力加载模式的研究

针对新型低应力弯曲下料中棒料V型槽尖端形状的特殊性,提出对V型槽尖端起裂和裂纹扩展分别处理,采用应力集中系数计算V型槽尖端起裂所需的初始外力,采用裂纹扩展门槛值计算V型槽尖端裂纹扩展所需的外力。利用曲线拟合方法,耦合出外力与裂纹起裂扩展长度间呈近似1/4凹圆弧递减关系。基于低应力下料特点,设计4种形式的外力控制曲线。下料实验结果表明,所提出的凹圆弧递减外力控制曲线能使下料时间最短、断面质量最好。     

基于GTN模型的20钢孔洞扩张比数值模拟

孔洞扩张比VG可以作为描述钢材损伤时微孔洞演化情况的细观损伤变量,GTN模型可用于金属塑性材料的细观损伤有限元模拟。应用GTN模型模拟20钢圆棒型缺口试件拉伸过程的不同阶段,得到细观损伤参量应力三轴度Rσ、等效塑性应变εp、孔洞体积百分数f及孔洞扩张比VG在试件中心截面的变化规律。结果表明:在整个拉伸过程中,上述参数的数值随着载荷的增加而增大,且εp对VG的影响较大。当试件断裂时,试件缺口截面中心位置的细观损伤参量值大于缺口根部的值,此时20钢的临界孔洞扩张比VGC为3.134。     

基于LabVIEW的新型下料机监测方法研究

为了对金属棒料精密下料过程进行实时可靠监测,提出在软件和硬件设计中采用滤波、消除趋势项、零均值、加窗处理、分段积分以及前置放大TG306等综合抑制干扰信号的方法。利用LabVIEW软件平台,建立了基于虚拟仪器的新型下料机在线监测系统。通过对信号采集、预处理、频域分析和时域分析等四部分进行详细分析,获得了下料机的幅频特性曲线,进而指出下料机的初始加载频率和截止频率最好设置为其较低阶固有频率和较高阶固有频率。实验结果表明:该新型下料机监控系统监测数据准确,修改程序方便。     

材料重复冲击损伤模型与数值计算方法研究

基于连续介质损伤力学,将有效应力概念和应变等效假设应用于Johnson-Cook本构模型中,建立了重复冲击载荷作用下材料力学性能退化的损伤模型,以及考虑材料性能退化对冲击应力应变响应影响的数值计算方法。首先,推导了基于损伤耦合J-C本构模型的应力应变数值计算关系式,并在ABAQUS中进行二次开发,采用两种方法实现了考虑损伤影响的应力应变数值计算。进一步,建立了试件在重复冲击下损伤累积的计算方法,并采用所建方法对含缺口三点弯试件的重复冲击损伤进行了数值计算,研究了缺口根部应力应变及损伤度,并对试件整体损伤规律进行了分析。进一步开展了缺口三点弯试件的重复冲击试验,通过计算结果与试验结果的对比验证了建立的数值计算方法的可行性和适用性。与无损伤耦合模型计算结果相比,损伤耦合模型更能合理反映出缺口根部材料的力学性能退化过程以及损伤累积与冲击响应之间的相互影响。