一種棒材下料的表面環(huán)形槽根部的熱應(yīng)力起裂方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬棒材精密下料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種棒材下料的表面環(huán)形槽根部的熱應(yīng)力起裂方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬棒材下料廣泛存在于各種軸類、金屬標(biāo)準(zhǔn)件、內(nèi)燃機配件(如活塞銷、挺桿)、冷擠壓、精密模鍛等備料工序中，其斷料效率和斷面質(zhì)量將直接影響零件的制造精度、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟成本。傳統(tǒng)下料工藝主要采用車床切斷和鋸床鋸斷的方法，所下棒料斷面平整，但下料效率太低。工業(yè)生產(chǎn)廣泛采用剪切下料方法，但普通的剪切下料所下的棒料斷面呈現(xiàn)明顯的馬蹄形，斷面質(zhì)量差，需要增加車削平整斷面的工序，降低了生產(chǎn)效率、增加了生產(chǎn)成本、浪費材料。
[0003]近年來，利用預(yù)制缺口應(yīng)力集中效應(yīng)及動態(tài)裂紋擴展方法發(fā)展起來的低應(yīng)力棒材精密下料技術(shù)使得金屬棒材下料工藝有了新的突破，中國專利201320338632.X和201210132333.0等提出的周向低應(yīng)力彎曲疲勞斷裂精密下料機均實現(xiàn)了無肩化節(jié)材生產(chǎn)，但因動態(tài)裂紋擴展壽命較長，下料效率仍然不能滿足大批量生產(chǎn)。斷裂力學(xué)理論表明，完整的裂紋擴展過程包括裂紋萌生、穩(wěn)定擴展、失穩(wěn)擴展三個階段，其中，裂紋萌生主要指金屬管材晶體發(fā)生滑移、形成駐留滑移帶、形成微裂紋群并成核的過程，其壽命可占到裂紋完整擴展壽命的80%，因此，在下料時采用提前預(yù)制裂紋的方法可大幅縮短下料工序時長，提高下料效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種棒材下料的表面環(huán)形槽根部的熱應(yīng)力起裂方法，縮短下料時裂紋擴展時間，提高下料效率。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0006]—種棒材下料的表面環(huán)形槽根部的熱應(yīng)力起裂方法，包括以下步驟:
[0007]步驟一，按需要的下料長度，利用開槽機在金屬棒材I表面加工出等間距的環(huán)形槽22 ;
[0008]步驟二，關(guān)閉閘閥15，通過進液管5向深冷裝置中快速充入液氮11，使深冷裝置中溫度保持在_130°C到_196°C之間；
[0009]步驟三，將金屬棒材I放置送料架21上，通過送料架21上設(shè)置的滾輪20送入深冷裝置中進行分段快速深冷，冷卻開始的瞬間，金屬棒材I表面急劇冷卻收縮，使環(huán)型槽22底部受拉應(yīng)力萌生微裂紋群；
[0010]步驟四，起裂后，通過滾輪20將金屬棒材I送入液壓夾具14中夾緊，在高速載荷F沖擊下完成下料；
[0011]步驟五，下料完成后，打開閘閥15，通過排液管16將液氮11回收。
[0012]所述的深冷裝置，包括外殼8，外殼8底部連接有第一支架19和第二支架18，外殼8內(nèi)部安裝內(nèi)膽10，內(nèi)膽10的水平進料口通過第一頸管2和外殼8的水平進料口連接，夕卜殼8的水平進料口靠近送料架21，內(nèi)膽10的水平出料口通過第二頸管13和外殼8的水平出料口連接，外殼8的水平出料口靠近液壓夾具14，內(nèi)膽10的上部進液口通過第三頸管3和外殼8的上部進液口連接，外殼8的上部進液口和進液管5連接，液氮11通過進液管5并經(jīng)第三頸管3注入內(nèi)膽10中，進液管5上安裝有低溫溫度儀6，低溫溫度儀6通過感溫探桿7實時探測內(nèi)膽10中溫度數(shù)值，內(nèi)膽10的下部出液口通過第四頸管12和外殼8的下部出液口連接，外殼8的下部出液口和排液管16連接，排液管16上安裝有閘閥15。
[0013]所述的外殼8和內(nèi)膽10之間填充絕熱材料9，絕熱材料9采用多層結(jié)構(gòu)的珠光砂。
[0014]所述的外殼8和內(nèi)膽10采用耐腐蝕鋁合金材料。
[0015]所述的第一頸管2、第二頸管13、第三頸管3和第四頸管12采用玻璃鋼。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點為，利用了缺口效應(yīng)及熱應(yīng)力作用，使金屬棒材1表面急劇受冷卻收，環(huán)型槽22底部在瞬時拉應(yīng)力下產(chǎn)生較大應(yīng)力集中并萌生微裂紋群，使得后續(xù)的下料工序中的動態(tài)裂紋能夠更快的進入擴展階段，縮短整個下料時間，提高整體下料效率。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明預(yù)制環(huán)形槽22的金屬棒材1示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明深冷裝置主剖視視圖。
[0019]圖3為圖2中深冷裝置右向視圖。
[0020]圖4為ANSYS軟件仿真的棒材深冷瞬時應(yīng)力分布圖。
【具體實施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細說明。
[0022]—種棒材下料的表面環(huán)形槽根部的熱應(yīng)力起裂方法，包括以下步驟：
[0023]步驟一，按需要的下料長度，利用開槽機在金屬棒材1表面加工出等間距的環(huán)形槽22，如圖1所示；
[0024]步驟二，參照圖2，關(guān)閉閘閥15，通過進液管5向深冷裝置中快速充入液氮11，使深冷裝置中溫度保持在_130°C到_196°C之間；
[0025]步驟三，參照圖2和圖3，將金屬棒材1放置送料架21上，通過送料架21上設(shè)置的滾輪20送入深冷裝置中進行分段快速深冷，冷卻開始的瞬間，金屬棒材1表面急劇冷卻收縮，使環(huán)型槽22底部受拉應(yīng)力萌生微裂紋群；
[0026]步驟四，起裂后，通過滾輪20將金屬棒材1送入液壓夾具14中夾緊，在高速載荷F沖擊下完成下料；
[0027]步驟五，下料完成后，打開閘閥15，通過排液管16將液氮11回收。
[0028]參照圖2和圖3，所述的深冷裝置，包括外殼8，外殼8底部連接有第一支架19和第二支架18，通過第一支架19和第二支架18橫向固定，外殼8內(nèi)部安裝內(nèi)膽10，內(nèi)膽10的水平進料口通過第一頸管2和外殼8的水平進料口連接，外殼8的水平進料口靠近送料架21，內(nèi)膽10的水平出料口通過第二頸管13和外殼8的水平出料口連接，外殼8的水平出料口靠近液壓夾具14，內(nèi)膽10的上部進液口通過第三頸管3和外殼8的上部進液口連接，外殼8的上部進液口通過第一法蘭4和進液管5連接，液氮11通過進液管5并經(jīng)第三頸管3注入內(nèi)膽10中，進液管5上安裝有低溫溫度儀6，低溫溫度儀6通過感溫探桿7實時探測內(nèi)膽10中溫度數(shù)值，內(nèi)膽10的下部出液口通過第四頸管12和外殼8的下部出液口連接，外殼8的下部出液口通過第二法蘭17和排液管16連接，排液管16上安裝有閘閥15。
[0029]所述的外殼8和內(nèi)膽10之間填充絕熱材料9，絕熱材料9采用多層結(jié)構(gòu)的珠光砂，用以減少液氮11和外界熱交換。
[0030]所述的外殼8和內(nèi)膽10采用耐腐蝕鋁合金材料。
[0031]所述的第一頸管2、第二頸管13、第三頸管3和第四頸管12采用玻璃鋼。
[0032]本發(fā)明的工作原理為：利用了缺口效應(yīng)及熱應(yīng)力作用，在金屬棒料1的冷卻過程中，由于溫度的不均勻性會引起熱脹冷縮的不均勻性，從而在金屬棒料1內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。由于表面溫度低于心部溫度，故表層急劇冷卻收縮，環(huán)型槽22底部在瞬時拉應(yīng)力及缺口效應(yīng)下產(chǎn)生較大應(yīng)力集中并萌生微裂紋群，使得后續(xù)的下料工序中的動態(tài)裂紋能夠更快的進入擴展階段，提高整體下料效率。
[0033]以外徑40mm的金屬棒材1熱應(yīng)力起裂為例，在ANSYS軟件中建立軸對稱模型，金屬棒材1材質(zhì)為45鋼，屈服強度σ s = 355MPa，抗拉強度σ b = 600MPa，外表面沿軸向每隔54mm均布有環(huán)形槽22，其槽深h為2mm、張角α為90°、尖端曲率半徑r為0. 1mm，室溫為20°C，深冷裝置中液氮溫度為_196°C，深冷0. 3s后，環(huán)形槽22底部拉應(yīng)力為479. 851Mpa，超過了材料的屈服強度，環(huán)形槽2底產(chǎn)生塑性變形并萌生微裂紋群，圖4為ANSYS軟件仿真的棒材深冷瞬間的應(yīng)力分布圖。
[0034]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種棒材下料的表面環(huán)形槽根部的熱應(yīng)力起裂方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一，按需要的下料長度，利用開槽機在金屬棒材(I)表面加工出等間距的環(huán)形槽(22); 步驟二，關(guān)閉閘閥(15)，通過進液管(5)向深冷裝置中快速充入液氮(11)，使深冷裝置中溫度保持在_130°C到_196°C之間； 步驟三，將金屬棒材(I)放置送料架(21)上，通過送料架(21)上設(shè)置的滾輪(20)送入深冷裝置中進行分段快速深冷，冷卻開始的瞬間，金屬棒材(I)表面急劇冷卻收縮，使環(huán)型槽(22)底部受拉應(yīng)力萌生微裂紋群； 步驟四，起裂后，通過滾輪(20)將金屬棒材(I)送入液壓夾具(14)中夾緊，在高速載何F沖擊下完成下料； 步驟五，下料完成后，打開閘閥(15)，通過排液管(16)將液氮(11)回收。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種棒材下料的表面環(huán)形槽根部的熱應(yīng)力起裂方法，其特征在于:所述的深冷裝置，包括外殼(8)，外殼(8)底部連接有第一支架(19)和第二支架(18)，外殼(8)內(nèi)部安裝內(nèi)膽(10)，內(nèi)膽(10)的水平進料口通過第一頸管(2)和外殼(8)的水平進料口連接，外殼(8)的水平進料口靠近送料架(21)，內(nèi)膽(10)的水平出料口通過第二頸管(13)和外殼(8)的水平出料口連接，外殼(8)的水平出料口靠近液壓夾具(14)，內(nèi)膽(10)的上部進液口通過第三頸管(3)和外殼⑶的上部進液口連接，外殼⑶的上部進液口和進液管(5)連接，液氮(11)通過進液管(5)并經(jīng)第三頸管(3)注入內(nèi)膽(10)中，進液管(5)上安裝有低溫溫度儀￠)，低溫溫度儀(6)通過感溫探桿(7)實時探測內(nèi)膽(10)中溫度數(shù)值，內(nèi)膽(10)的下部出液口通過第四頸管(12)和外殼⑶的下部出液口連接，夕卜殼⑶的下部出液口和排液管(16)連接，排液管(16)上安裝有閘閥(15)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種棒材下料的表面環(huán)形槽根部的熱應(yīng)力起裂方法，其特征在于:所述的外殼(8)和內(nèi)膽(10)之間填充絕熱材料(9)，絕熱材料(9)采用多層結(jié)構(gòu)的珠光砂。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種棒材下料的表面環(huán)形槽根部的熱應(yīng)力起裂方法，其特征在于:所述的外殼(8)和內(nèi)膽(10)采用耐腐蝕鋁合金材料。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種棒材下料的表面環(huán)形槽根部的熱應(yīng)力起裂方法，其特征在于:所述的第一頸管(2)、第二頸管(13)、第三頸管(3)和第四頸管(12)采用玻璃鋼。
【專利摘要】一種棒材下料的表面環(huán)形槽根部的熱應(yīng)力起裂方法，起裂前先在金屬棒材表面預(yù)制環(huán)形槽，接著向深冷裝置中快速充入液氮，使深冷裝置中溫度保持在-130℃到-196℃之間，隨后將金屬棒材送入深冷裝置中進行分段快速深冷，冷卻開始的瞬間，由于表面溫度低于心部溫度，金屬棒材表面急劇冷卻收縮，使環(huán)型槽底部在瞬時拉應(yīng)力下及缺口效應(yīng)下產(chǎn)生較大應(yīng)力集中并萌生微裂紋群，起裂結(jié)束后將金屬棒材送入下料機中進行分段下料，本發(fā)明利用了缺口效應(yīng)和熱應(yīng)力作用，使得后續(xù)的下料工序中的動態(tài)裂紋能夠更快的進入擴展階段，提高整體下料效率。
【IPC分類】C21D6/04, C21D9/00
【公開號】CN105385819
【申請?zhí)枴緾N201510746085
【發(fā)明人】趙升噸, 董淵哲, 任芋見, 曹苗, 鐘瑋
【申請人】西安交通大學(xué)
【公開日】2016年3月9日
【申請日】2015年11月5日