高效共振诱导起裂及裂纹扩展控制机理与下料技术研究

针对目前金属棒材存在下料品质差、效率低、所需初始外载荷大等问题，提出高效共振诱导裂纹（损伤）起始技术和闭环控制下变速周向、连续接触加载的动态裂纹扩展控制技术，在此基础上，提出变速周向低应力弯曲精密下料法。利用功率键合图和虚拟样机耦合方法，建立变速周向低应力弯曲下料机构实体模型，并对其关键部件进行动态特性仿真。研究高效共振诱导裂纹（损伤）起始的影响因素、控制方法及实现途径；建立棒材所受力矩与棒材V型槽尖端起裂及动态裂纹扩展长度间的关系式，分析V型槽几何参数、应力状态、材料性质等参数对动态裂纹扩展路径的影响规律，给出材料起裂判据和动态分离机理。以产品精度、能耗、下料时间和环境友好度为目标函数，提出综合评价当量精密下料质量的方法。研制高速周向低应力弯曲精密下料试验系统，获得最佳下料工艺参数。该研究对提高我国金属棒材下料的技术水平具有重要的理论基础和实践意义。

在金属制品和机械制造行业中，下料是金属成形加工的第一道工序，其广泛应用于模锻、冷挤压、金属链条销、螺栓、汽车配件生产等的备料工序中。目前国内每年需精密下料的棒材量达上千万吨，下料需求很大。然而目前金属棒材存在下料品质差、效率低、所需初始外载荷大等问题，为此本项目提出变速周向低应力弯曲下料法。.1、针对低应力弯曲下料中棒料V型槽尖端形状的特殊性，提出了对V型槽尖端起裂过程和裂纹扩展过程分别处理的方法。采用应力集中系数或应力强度因子计算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，耦合出了外力与裂纹扩展长度间呈近似1/4凹圆弧递减关系。.2、提出采用“应力外推法”计算棒料V型槽尖端应力强度因子。理论分析了V型槽几何参数对棒料所需初始外力的影响规律。在V型槽的三个参数中，V型槽的深度对棒料所需的初始外力的影响最大。当V型槽的深度与棒料的直径之比大于0.05时，采用应力集中系数方法计算出的初始外力较准确；当V型槽的槽深与棒料的直径之比小于0.05时，V型槽尺寸相对于整个棒料而言是很小的值，此时V型槽被当作裂纹看待较合适，采用断裂力学中的应力强度因子方法计算出的初始外力较准确。.3、分析了共振诱导裂纹的影响因素。搭建了共振诱导初始裂纹试验台，实现了高效共振诱导棒料V型槽尖端裂纹的可靠萌生。.4、利用虚拟样机技术，建立了下料机仿真模型，获得了关键部件的动力学性能。研制了金属棒料高速下料机样机。设计了五种形式的外力控制曲线，并编制了控制程序。下料试验结果表明，这种下料方法在下料时间和断面质量上都有显著改善，提出的半余弦递减外力控制曲线能使下料时间最短、断面质量最好。.5、针对现有热应力预制V型槽尖端裂纹试验装置存在V型槽处被保护程度差、棒料表面冷却不均、棒料送入冷却装置困难等不足，将侧板做成推拉式多槽的可活动部件，研制了基于推拉式多槽双侧板组合结构的冷却装置，初步试验效果较好。. 通过该下料方法，下一节棒料的时间由原来的近10s下降到3s，断面质量较好，这对提高我国金属棒材下料的技术水平具有重要的理论基础和实践意义。共发表论文10篇，其中被SCI收录3篇，EI收录4篇；申请专利8项，其中授权发明专利2项，实用新型专利3项。获厅局级自然科学三等奖1项。目前正在培养1名研究生。