高强度金属棒料高速与应力集中复合剪切断裂行为

董渊哲; 刘柏扬; 朱成成; 任芋见; 赵升吨

西安交通大学学报 ›› 2024, Vol. 58 ›› Issue (8) : 145 -155.

董渊哲, 刘柏扬, 朱成成, 任芋见, 赵升吨

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摘要

针对传统剪切工艺不适用于高强度金属棒料高效精密切断的难题，提出了高速与应力集中复合的精密剪切新原理工艺，分析了环形槽几何参数对理论应力集中系数的影响，建立了42CrMo高强度棒料的高速剪切断裂有限元模型，研究了铣削和激光旋切环形槽对槽根等效应力应变场、应力三轴度、损伤起裂及三维裂纹扩展断裂行为的影响，并通过高速剪切试验，获得了不同环形槽对棒料剪切断面质量的影响规律。研究结果表明：对于表面不带环形槽的棒料，损伤起裂需要较大程度的塑性变形累积，切断后的棒料存在压塌及飞边缺陷；所提工艺方法有效约束了槽根附近材料的塑性变形，提高了高速剪切断面质量，圆度误差由11.2%减少到2.3%～4.7%,平面度误差由1.08 mm降低为0.58～0.65 mm,最大弯曲变形度由1.5 mm降低为0.4～0.5 mm,最大剪切载荷和断裂能量也得到了显著降低；相比铣削环形槽，激光旋切获得的尖角窄槽进一步降低了剪切载荷和断裂能量。新工艺方法可为高强度金属棒料的高效、精密及低能耗剪切行为提供参考。