高强度金属棒料高速与应力集中复合剪切断裂行为

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。