基于冲击加载的棒料剪切断面质量研究

第３期（总第１４８期）　２００８年６月　机械工程与自动化　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．　

文章编号：１６７２—６４１３（２００８）０３—０１１４—０３　

基于冲击加载的棒料剪切断面质量研究　

巨　丽　，李永堂　，王　静　

（１．太原科技大学，山西　太原０３００２４；２．吉林通化市起重运输机械制造有限责任公司，吉林　通化　１３４０００）　

摘要：从理论和实验分析了冲击载荷产生的高应力和高速度对棒料剪切质量的影响，论证了冲击加载产生的高　速度剪切对减少棒料剪切区的塑性变形、加快裂纹的产生以及控制裂纹的扩展方向具有显著的优势。　

关键词：冲击系统；棒料剪切；断裂韧度　中图分类号：ＴＧ３１６　文献标识码：Ａ　

０引言　

近年来，随着精密模锻等精密成形工艺的不断发　

展和少无切削成形等新工艺的不断出现，棒料制坯精　

度成为了直接影响成品零件精度的一个重要因素，如　

何提高毛坯的几何精度、断面质量、重量公差及生产　

率以提高产品在国际市场上的竞争力是摆在我们面前　

急需研究并解决的问题。　

衡量棒料断面剪切质量高低的技术指标是剪切断　

面的塌陷程度、断面不平度、断面倾角以及断面椭圆　

度。棒料的剪切过程可以分为弹性变形、塑性变形、裂　

纹萌生、裂纹扩展直至失稳断裂几个阶段。提高棒料　

剪切质量的关键在于减少棒料剪切区的塑性变形引发　

的塌陷、加快裂纹的产生和控制裂纹的扩展方向，保　

证断面平整和无倾斜的断裂。随着冲击加载应变率的　

提高，本构关系中的动态效应逐渐显著，导致材料的　

强度和脆性提高，塑性和韧性下降。研究棒料在冲击　

加载剪切条件下的理论对提高棒料的下料质量有重要　

的意义。　

１理论研究　

１．１　剪切模型和冲击模型的建立　

冲击载荷是以应力波的形式在材料中快速传播　

的，同时在晶体中产生大量的位错、空位和空位簇。锻　

锤是常用的冲击机械，其冲击速度可以达到３ｍ／ｓ　

１０ｍ／ｓ。本文将可实现冲击加载的锻锤作为棒料剪切　

的冲击系统，分析棒料高速剪切的力学过程。　

棒料剪切模型见图１。在剪切过程中，锤杆带动上　

剪刃向下运动，与棒料接触后，在上、下剪刃剪切力　

收稿日期：２００８—０３—２８　作者简介：巨丽（１９７２一），女，甘肃泾川人，讲师，硕士。　的作用下，实现棒料的分离，完成棒料的剪切过程。　

ｌ一上剪刃；２－－Ｆ剪刃；．３一上夹紧；４一Ｆ夹紧　图１棒料剪切模型　

冲击系统模型见图２。在剪切过程中，棒料端随冲　

击系统一起下行，坯料端与下剪刃固定静止。对冲击　

系统作如下假设：①冲击系统由假设为弹性杆的锤杆　

（ｓ　）和刚体的上剪刃（ｓ。）组成，锤杆和剪刃可看作是　

由不同截面、不同材质组成的复合杆，其截面和材质　

的突变处为ＡＢ面；②锤杆和上剪刃的几何和材料参　

数分别为杆件受约束的截面积　、Ａ。，材料密度　、　

．Ｄ　，应力波在材料中的传播速度Ｃ　、Ｃ。；③从上剪刃接　

触棒料的瞬间开始计时，当时间ｆ＝０时，锤头的位移　

“＝０，锤头速度　锤一ｄｕ／ｄｔ＝ｖ。；④忽略重力影响。　

１．２　冲击加载高应力的产生　

当剪切开始时，首先在上剪刃ｓ。部分产生一压应　

力波　（轴向入射波），并自下向上传播至材质的突变　

面ＡＢ处，这个应力波在ＡＢ面上将部分透射、部分反　

射。设在ｓ。中产生强度为　的反射波，在ｓ　中产生　

强度为　的透射波。显然，在ｓ。中的总应力为　＋　

，所以由ＡＢ截面力的平衡条件可得：

　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第３期　巨丽．等：基于冲击加栽的棒料剪切断面质量研究　・１１５・　

Ａ２（ｃｒ，＋　）一Ａ１　，。　………………………（１）　

同时，在截面ＡＢ处两段材料结合良好，质点的速　

度应该连续，即有：　

Ｊ一　一　ｒ　。　………………………………　（２）　

其中：　，、一　７．１　分别为人射波、反射波和透射波引　

起的质点运动速度，７．１　项前的负号是因为反射波的行　

进方向和入射波相反。设波阵面后介质的应力和质点　

的速度分别为　和７．１，而在波阵面前均为零。波阵面在　

ｄｆ时间内走过ｄｘ距离，由波阵面的动量定理可得：　

ａＡｄｔ＝ｐＡｖｄｘ或　一ｐｃｖ。　………………（３）　

其中：　为受约束的截面面积；ｃ为应力波的传播速　

度，即是波阵面的行进速度。根据式（３）的关系由式　

（２）可得：　

（ｃｒ，一　）／（１Ｄ２ｃ２）一　／（１Ｄ１ｃ１）。　……………（４）　

联立求解式（１）和式（４）可得：　

一　２Ａ　２ｐ　ｌｃｌ　ｃｒ，　

｛　一　Ａ１ｌｌＤｐ１ｌｃ１ｌ＋Ｚ　Ａ２ｌＤｐ２ｃ２ｃｒ，　。…………（５）　

ｌ　ｆ　２Ａ】　ｃ　ｌ　厂一　一　一—Ａ２ｐ２ｃ２＋—Ａｌｐｌｃｌ　

在锤杆ｓ　部分的最上端即自由端此时受约束的　

截面积Ａ１—０　从而由式（５）得：　Ｔ一０、　Ｔ＝０、　Ｒ一　

一ｃｒ，。这表示应力波在自由端反射后应力改变了方向，　

原来的压缩波改变为强度相等的拉伸波，而自由杆端　

的总应力Ｏ＂Ｉ＋　一０，正好满足自由端的边界条件。在　

上剪刃Ｓ。部分与棒料的接触端可看作是具有约束的　

固定端，此时受约束的截面积　。一ｃｘ３，从而由式（５）　

得：　ｒ一０、　一０、　一ｃｒ，，应力波在固定端反射时的　

应力和入射时的相同，所以在固定端的总应力加倍。　

锤杆　ｉ　ｉ　＼　｝　

只　、　ｉＳ　：剪刃　ｌ　ｉ　＼　ｉ　

料　ｌ、　ｍ　。　Ｉ坯料　＼　Ｉ　｛　ｌ　＼　，　

：　

图２冲击系统模型　

１．３　冲击加栽对剪切断面裂纹产生和扩展的影响　

棒料剪切实质上属于金属的断裂，金属断裂要经　

过弹性变形、塑性变形、失稳断裂几个过程，而失稳　

断裂又分为裂纹萌发、裂纹扩展、断裂几个过程，棒　料剪切断面质量的控制与以上几个过程密切相关。　

在冲击加载条件下，棒料剪切处出现了高应力并　

产生应力集中，在材料的局部区域几乎瞬时发生变形，　

而且变形集中在局部区域并难于充分进行，同时这种　

变形的不均匀情况也限制了塑性变形的发展，使得局　

部区域的材料提前达到屈服状态，这就表明应用冲击　

加载剪切可以较为容易地在剪切断面上产生裂纹，并　

减小了剪切断面的塑性变形，进而减小了断面的塌陷　

面积，获得了比较平整的外端面。　

由Ｃｏｔｔｒｅｌｌ位错反应理论可知，断裂的控制过程　

是裂纹的扩展而不是裂纹的萌生。金属材料在裂纹扩　

展前，其尖端附近总是要先出现一个或大或小的塑性　

变形区。在裂纹尖端的塑性变形使尖端应力集中得到　

松弛，裂纹尖端的尖锐程度减弱，甚至有可能中断裂　

纹的发展过程，并且裂纹在扩展过程中，各个点的扩　

展方向不是呈一直线发展，而是根据裂尖应力集中的　

松弛程度不同进行取向。在剪切过程中，裂纹一经萌　

发，当裂纹尖端塑性区的应力发生松弛时，就会形成　

剪切断面的不平度和倾斜度。在冲击加载条件下，剪　

切断面产生的裂纹是滑移型裂纹。在考虑裂纹尖端塑　

性区应力松弛条件下，裂纹裂尖塑性区宽度，．。为：　

ｒ０一　３丌（Ｋ　ｎ）。。……………………・（６）　

式中：ＫⅡ——断裂韧度；　

广一材料的屈服极限。　

由式（６）可知，塑性区宽度与（Ｋ　／　）。成正比，材　

料的Ｋ　越高，　越低，塑性区宽度就越大。在考虑发　

生应力松弛条件下，降低材料的断裂韧度可以减小塑　

性区宽度，减小应力松弛效应的影响。冲击加载提高　

了剪切速度，等同于提高了剪切应变率￡，￡每增加一　

个数量级，Ｋ　约降低１０％。　

２冲击加载剪切实验研究　

剪切实验分别在普通剪切的剪切机和冲击加载剪　

切的ｌｋＪ液压对击锤上完成。两组实验均取加热到　

３００　Ｃ～５００　Ｃ的圆截面棒料。实验选用的材料型号、规　

格见表１。经实验，两种剪切方式下得到的棒料剪切断　

面（Ｑ２３５，　１８ｍｍ）的测量数据以及外观形貌见表２及　

图３。　

由表２和图３可以看出，冲击加载剪切断面的各　

项技术指标较普通剪切有显著提高，尤其是断面不平　

度和倾斜度大大减小。冲击加载剪切的断面较为光滑，　

剪切带细窄、平齐且均匀扩展到整个剪切面上，说明　

冲击加载剪切有效地控制了裂纹的扩展。普通加载剪　

切有明显的失稳断裂面，断面凸凹不平，剪切带粗大　

且倾斜较大，说明裂纹滑移扩展过程中偏离了剪刃的　维普资讯 http://www.cqvip.com 机械工程与自动化　２００８年第３期　

运动方向，从而造成剪切后严重的断面倾斜现象。　

表１实验用材料及规格　

编号　１　２　３　４　５　６　材料　Ｑ２３５　Ｑ２３５　Ｑ２３５　４５＃　４５＃　４５＃　规格ｍｍ　垂１６　垂１８　垂２Ｏ　垂８　垂１Ｏ　垂１２　

袭２　两种剪切方式下剪切断面测量数据对比　

断面倾角　断面椭圆度　断回小平厦　剪切方式　ｍｍ　１２１ｍ　棒料端　坯料端　棒料端　坯料端　棒料端　坯料端　冲击加载剪切　３Ｏ　１ｏ１７　１．１４　１．３５　Ｏ．６７　０．８６　普通加载剪切　７￣５０　９。１０　１．３３　１．４２　２．６　３．１　

图３不同加载条件下剪切断面形虢　

３结论　

（１）剪切断面的质量控制关键在于减少棒料剪切　

区的塑性变形、加快裂纹的产生和控制裂纹的扩展方　向。　

（２）应用冲击载荷和断裂力学理论对冲击加载剪　

切进行分析，表明材料抵抗裂纹扩展阻力与加载速度　

有关。冲击加载剪切可以降低材料裂纹的扩展阻力。　

（３）冲击加载剪切可以有效控制裂纹裂尖塑性区　

的变形量，降低应力松弛效应影响，使变形延续到整　

个剪切面，减小了剪切面中心的撕裂现象，改善了坯　

料的断面质量。　

参考文献：　

［１］刘德顺．冲击机械系统动力学［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９９．　

［２］　温彤．金属剪切过程的理论研究状况［Ｊ］．锻压技术，　

２０００，２５（３）：４４—４７。　［３３　

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［６］　［７］　贾建军．精冲过程的韧性断裂［Ｊ］．上海交通大学学报，　

１９９９，３３（２）：１８１－１８３．　郝滨海．剪切下料过程分析及提高毛坯断面质量的途径　

［Ｊ］．金属成型工艺，２０００，１８（４）：４４—４５．　

李永堂．液压模锻锤［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９２．　

赖祖涵．断裂力学原理［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９８９．　

崔振源．表面裂纹理论及其应用［Ｍ］．西安：西北工业大　

学出版社，１９８７．　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｓｈｅａｒｉｎｇ　Ｓｅｃｔｉｏｎ　Ｑｕａｌ　ｉｔｙ　ｏｆ　Ｂａｒ　ｕｎｄｅｒ　Ｉｍｐａｃｔ　Ｌｏａｄ　

ｊｕ　Ｌｉ　，ＬＩ　Ｙｏｎｇ—ｔａｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｊｉｎｇ。　

（１．Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｊｉｌｉｎ　Ｔｏｎｇｈｕａ　Ｈｏｉｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　Ｃｏ．　Ｌｔｄ．，Ｔｏｎｇｈｕａ　１３４０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｂａｒ　

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