化春鍵 陸云健 袁 浩

1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，無(wú)錫，2141222.江南大學(xué)江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，無(wú)錫，214122

?

雙頻振動(dòng)載荷下帶V形槽鋁合金棒料的斷裂行為

化春鍵1, 2陸云健1, 2袁 浩1, 2

1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，無(wú)錫，2141222.江南大學(xué)江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，無(wú)錫，214122

針對(duì)金屬棒料低應(yīng)力分離過(guò)程中裂紋萌生擴(kuò)展速率低的問(wèn)題，提出一種基于雙頻振動(dòng)的加載方法，探究帶V形槽7A09鋁合金棒料的斷裂行為。研究了雙頻振動(dòng)對(duì)帶V形槽金屬棒料裂紋萌生擴(kuò)展的作用機(jī)理，通過(guò)研發(fā)雙頻激振裝置，對(duì)帶V形槽7A09鋁合金棒料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于單頻振動(dòng)加載方法，雙頻振動(dòng)載荷能夠大幅縮短帶V形槽7A09鋁合金棒料的分離時(shí)間，有效提高裂紋萌生擴(kuò)展的速率與穩(wěn)定性，棒料斷面幾何精度高。

雙頻振動(dòng)；金屬棒料；鋁合金；裂紋

0 引言

帶V形槽金屬棒料低應(yīng)力斷裂的研究對(duì)金屬棒料精密下料方法的發(fā)展具有重要意義，其目的是解決常用下料方法的加載力大、斷面質(zhì)量差等問(wèn)題[1-4]。文獻(xiàn)[2-3]研究了單一變頻振動(dòng)載荷下的金屬棒料斷裂行為，該加載方式下的裂紋擴(kuò)展速率較低，且易在較高剛度處發(fā)生第二次共振，使得斷面狀態(tài)不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[4-5]描述了一種沿棒料周向循環(huán)擊打的加載方式，該加載方式下所獲得的斷面質(zhì)量較好，但徑向沖擊載荷會(huì)對(duì)棒料表面帶來(lái)?yè)p傷，且模具一直處在與軋輥、棒料強(qiáng)烈撞擊的狀態(tài)中，故模具的壽命不長(zhǎng)。

已有研究表明，低頻載荷疊加高頻載荷將會(huì)大幅縮短金屬材料的疲勞壽命[6-7]。低頻載荷振幅較大，有利于疲勞裂紋的形成；高頻載荷相對(duì)頻率較高，振幅較小，加速金屬材料的疲勞損傷。因此，本文提出一種旨在縮短帶V形槽金屬圓棒料斷裂過(guò)程、提高斷面質(zhì)量的加載新方法，通過(guò)研發(fā)的激振裝置研究雙頻振動(dòng)載荷對(duì)鋁合金棒料斷裂行為的影響規(guī)律。

1 雙頻振動(dòng)作用機(jī)理

1.1 低頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)載荷

如圖1所示，V形槽的幾何參數(shù)包括槽深t、張角α、曲率半徑ρ。在平面應(yīng)變狀態(tài)下，金屬棒料受到彎曲載荷時(shí)，V形槽尖端附近處的應(yīng)力場(chǎng)為[9]

(1)

式中，μ為材料常數(shù)。

圖1 棒料幾何參數(shù)與彎矩加載示意圖Fig.1 Geometric parameters of bar and moment loading diagram

V形槽尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子為

(2)

則V形槽尖端實(shí)際的ΔK為

(3)

式中，fα(a/b)為與棒料的幾何形狀和尺寸有關(guān)的修正系數(shù)。a為V形槽底處棒料的直徑；b為棒料直徑。

顯然，V形槽底部最易萌生疲勞裂紋。在Ⅰ型問(wèn)題中[10]，σy影響最為顯著，因此將r→ρ和KⅠ代入式(1)，可得

(4)

(5)

式中，kα為V型槽切口的應(yīng)力集中系數(shù)。

當(dāng)α=0時(shí)，

(6)

具有環(huán)形裂紋的桿僅受彎曲載荷[11]時(shí)，有

(7)

當(dāng)V形槽具有張角α?xí)r，其應(yīng)力集中系數(shù)[4]

(8)

將式(6)～式(9)合并可得棒料的幾何形狀修正系數(shù)

(9)

為了求得V型槽尖端實(shí)際的ΔK，還需求得V型槽尖端所受的名義應(yīng)力，即

(10)

ΔM=Mmax-Mmin=4EIA/l2

式中，Mmax、Mmin分別為棒料所受最大力矩和最小力矩；l為受力力臂的長(zhǎng)度；E為材料彈性模量；I為截面慣性矩；A為棒料撓度即系統(tǒng)振幅。

棒料的振動(dòng)加載系統(tǒng)為圖2所示的二階振動(dòng)系統(tǒng)，其振動(dòng)微分方程為

(11)

式中，k為棒料剛度；x為振動(dòng)位移；ω為振動(dòng)角速度；c為導(dǎo)軌阻尼；Fm為偏心塊激振力。

圖2 棒料振動(dòng)模型Fig.2 Bar vibration model

(12)

(13)

由式(13)可知，當(dāng)系統(tǒng)振幅A足夠大時(shí)，鋁合金棒料V形槽底部裂紋就會(huì)萌生擴(kuò)展。換言之，若欲使V形槽底部裂紋快速萌生，則需為棒料加載端提供足夠大的振幅。

1.2 高頻載荷對(duì)疲勞損傷的加速作用

已有研究成果表明[6-7]，疊加在低頻振動(dòng)載荷上的高頻振動(dòng)載荷能夠縮短材料的疲勞壽命。結(jié)合以上分析可知，當(dāng)?shù)皖l振動(dòng)載荷提供較大振幅時(shí)，V形槽底部的應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK將會(huì)達(dá)到一個(gè)較大值，疊加在其上的高頻振動(dòng)載荷提供的較小振幅將會(huì)加速裂紋的萌生擴(kuò)展。為討論高頻載荷的影響，引入高低周復(fù)合疲勞損傷模型[12]：

(14)

(15)

2 雙頻激振裝置

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.動(dòng)夾具 2.保護(hù)罩 3.定夾具 4.導(dǎo)軌 5.電機(jī) 6齒輪箱圖3 雙頻激振裝置三維簡(jiǎn)圖Fig.3 3D schematic diagram of dual-frequency exciting device

圖3為雙頻激振裝置的三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，實(shí)驗(yàn)棒料一端由定夾具固定，另一端在動(dòng)夾具處加載雙頻振動(dòng)載荷。齒輪箱中的齒輪通過(guò)特殊工藝對(duì)稱安裝。箱中的2組偏心塊分別由2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可提供水平方向的高頻和低頻的激振力，使得齒輪箱在直線導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)單自由度振動(dòng)。此激振裝置通過(guò)變頻器和調(diào)節(jié)偏心塊擋位即可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求調(diào)節(jié)高頻、低頻載荷的頻率及振幅[13-16]。

大小變頻電機(jī)通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)齒輪箱中的大小偏心塊旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激振力。由于兩對(duì)偏心塊均為上下對(duì)稱安裝，故豎直方向的偏心力抵消，水平方向的偏心力疊加形成激振力。大變頻電機(jī)的額定功率為15 kW，額定轉(zhuǎn)速為2930 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為48.9 N·m，減速比為1∶1。小變頻電機(jī)的額定功率為4 kW，額定轉(zhuǎn)速為2880 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為13.3 N·m，減速比為3∶1，即小偏心塊轉(zhuǎn)速為小變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速的3倍。大小變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速均由變頻器控制。該設(shè)備最大設(shè)計(jì)激振力為105N，最大空載振幅為3.2 mm。設(shè)備的高頻激振頻率范圍為0～150 Hz，低頻激振頻率范圍為0～50 Hz。

2.2 計(jì)算機(jī)控制部分

雙頻激振裝置的測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)從功能上分為振動(dòng)控制和過(guò)程監(jiān)測(cè)兩個(gè)部分。振動(dòng)控制部分將計(jì)算機(jī)發(fā)出的模擬量輸入變頻器，用以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得雙頻激振裝置能夠提供預(yù)定的振動(dòng)頻率。振動(dòng)過(guò)程監(jiān)測(cè)部分主要完成振動(dòng)過(guò)程中主軸轉(zhuǎn)速和高低頻振幅的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖4 雙頻激振裝置的測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Dual-frequency excitation device monitoring and control system structure

將編寫(xiě)的模擬量與所需的頻率線性標(biāo)定，變頻器的輸出振動(dòng)控制頻率[17]為

f=Uf0/U0

式中，f0為基準(zhǔn)頻率，一般為50 Hz ；U0為基準(zhǔn)電壓；U為所需電壓。

考慮到本裝置處于振動(dòng)和少量油污的工作環(huán)境，過(guò)程監(jiān)測(cè)部分采用抗振和耐油污的旋轉(zhuǎn)變壓器作為速度傳感器[18]；研華PCI-E1810多功能采集卡采集速度信息；通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理后獲得主軸轉(zhuǎn)速。采用壓電傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量振動(dòng)幅值；LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出振幅信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文針對(duì)7A09航空鋁合金棒料進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)研究，其屈服強(qiáng)度為370 MPa，伸長(zhǎng)率為7，疲勞裂紋門檻值ΔKth約為2.61 MPa·m0.5。棒料幾何尺寸如圖5所示。

圖5 鋁合金棒料幾何參數(shù)圖Fig.5 Geometric parameters of aluminum alloy bar

3.2 加載實(shí)驗(yàn)

本文實(shí)驗(yàn)包括單頻振動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)和雙頻振動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[19]的研究結(jié)果，V形槽底部裂紋隨著加載振動(dòng)頻率的線性遞減和振幅的增加可實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)擴(kuò)展。因此，本文在單頻振動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)中采用擋圖6所示的線性降頻控制曲線，并根據(jù)上述單頻振動(dòng)載荷下裂紋萌生條件，計(jì)算確定了偏心塊的擋位。

圖6 單頻加載控制曲線Fig.6 Single frequency loading control curve

雙頻振動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)中，低頻振動(dòng)采用線性降頻控制曲線，高頻振動(dòng)采用恒頻控制曲線，如圖7所示。進(jìn)行棒料斷裂實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)棒料加載4種不同空載振幅比(R分別為0.1、0.2、0.3、0.4)的載荷，研究驗(yàn)證不同的空載振幅比對(duì)裂紋萌生擴(kuò)展的影響規(guī)律。

圖7 雙頻加載控制曲線Fig.7 Dual-frequency loading control curve

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

單頻振動(dòng)和雙頻振動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)所獲得的棒料斷面如圖8所示，斷面均無(wú)塌角，軸線垂直度均良好。加載實(shí)驗(yàn)過(guò)程中激振體振幅曲線如圖9所示，斷裂時(shí)間和表面幾何精度如表1所示。

圖8 7A09航空鋁合金棒料斷面照片F(xiàn)ig.8 7A09 aviation aluminum alloy bar section photo

加載方式斷面凸起高度(mm)斷面凹陷深度(mm)斷裂時(shí)間(s)單頻0．500．5220雙頻R=0．10．100．1210雙頻R=0．20．160．209雙頻R=0．30．240．269雙頻R=0．40．320．308

單頻振動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)中，振動(dòng)載荷的頻率首先由零快速上升至最高設(shè)定值，然后載荷頻率依照?qǐng)D6中的控制曲線遞減。系統(tǒng)在升頻和降頻過(guò)程中，兩次穿越共振區(qū)。因此，如圖9b所示，激振體的振幅曲線中存在前后兩個(gè)較大振幅。第1次穿越共振區(qū)時(shí)，如前所述，較大振幅促使V形槽底部萌生裂紋，隨后振幅隨頻率下降而增大，即進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段。第二次通過(guò)共振區(qū)時(shí)，裂紋的擴(kuò)展使得棒料連接面積變小，較大振幅導(dǎo)致棒料瞬斷。如圖8和表1所示，在單頻振動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)中，棒料斷面的瞬斷區(qū)面積較大，且斷面平整度較差，裂紋萌生至失穩(wěn)斷裂所需要的時(shí)間較長(zhǎng)。

(a)部分低頻空載載荷

(b)單頻載荷振幅

(c)部分雙頻空載載荷

(d)雙頻載荷振幅圖9 加載實(shí)驗(yàn)過(guò)程激振體振幅曲線Fig.9 Amplitude curve of exciting body during loading experiment

雙頻振動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)中，低頻振動(dòng)和高頻振動(dòng)的頻率首先均由零快速上升至最高設(shè)定值后，按圖7中的控制曲線分別遞減和保持恒定。如圖9d所示，系統(tǒng)僅在升頻過(guò)程中穿越共振區(qū)，而在降頻過(guò)程中，尚未穿越共振區(qū)時(shí)，棒料就已完全斷裂。如圖8和表1所示，在雙頻振動(dòng)加載條件下，斷面的幾何精度較高，可獲得平整的斷面，無(wú)任何幾何形變和毛刺，且棒料斷裂時(shí)間比單頻振動(dòng)加載條件下縮短了50%以上；對(duì)比不同空載比R條件下的斷面精度和斷裂時(shí)間可發(fā)現(xiàn)，空載比R增大時(shí)，棒料斷裂時(shí)間縮短，但斷面精度降低，與前述分析結(jié)果一致。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙頻振動(dòng)加載條件下，高頻振動(dòng)載荷可有效降低7A09航空鋁合金棒料的強(qiáng)度，使其斷裂時(shí)間大幅縮短，裂紋擴(kuò)展過(guò)程更加平穩(wěn)，可獲得更高的斷面質(zhì)量。此外，由于棒料從V形槽底部斷裂，使得所獲得的坯料自帶倒角，不僅可避免原材料的浪費(fèi)，亦可省去制作倒角的工序，直接將其用于銷類零件的冷擠壓生產(chǎn)中，提高生產(chǎn)率，降低成本。

4 結(jié)論

(1)本文提出了基于雙頻振動(dòng)加載的金屬棒料分離新方法，促進(jìn)了帶V形槽金屬棒料表面裂紋萌生擴(kuò)展，并研發(fā)雙頻激振實(shí)驗(yàn)裝置。

(2)低頻振動(dòng)載荷可提供V形槽底部裂紋萌生所需的應(yīng)力幅值，高頻振動(dòng)載荷能夠加速積累疲勞損傷量。

(3)與單頻振動(dòng)加載條件相比，雙頻振動(dòng)載荷下，7A09航空鋁合金棒料的強(qiáng)度大幅下降，斷裂時(shí)間縮短50%以上，裂紋擴(kuò)展過(guò)程更平穩(wěn)，可獲得更高的斷面質(zhì)量。

(4)本文方法所提供7A09航空鋁合金棒料坯料帶有倒角，斷面平整，可直接用于銷類零件的冷擠壓生產(chǎn)。

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(編輯 張 洋)

Fracture Behavior of Aluminum Alloy Bars with V-shape Notchsunder Dual Frequency Vibration Loads

HUA Chunjian1,2LU Yunjian1,2YUAN Hao1,2

1.School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi,Jiangsu,2141222.Jiangsu Key Laboratory of Food Manufacturing Equipment Technology,Jiangnan University,Wuxi,Jiangsu,214122

Aiming at problems of low crack initiations and propagation rates in low stress separation processes of metal bars, a new method was proposed based on double frequency vibrations. This method was used to explore the fracture behaviors of 7A09 aluminum alloy bars with V-shape notchs. The mechanism of double-frequency vibrations on the crack initiations and expansions of V-shaped metal bars was given. Experiments of the V-shaped groove 7A09 aluminum alloy bars were carried out by developed dual-frequency exciting device. Experimental results show that compared with the single frequency vibration loading method, double frequency vibration load may shorten separation time of 7A09 aluminum alloy bars with V-shape notchs significantly, improve the crack initiation rates and stability of the expansion effectively, also the bar section geometric accuracy is high.

double frequency vibration; metal bar; aluminum alloy; crack

2016-09-29

國(guó)家高科技研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(61104213);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(JUSRP11008)

TG111.9

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.14.020

化春鍵，男，1975年生。江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)榻饘侔袅戏蛛x方法與機(jī)器視覺(jué)。發(fā)表論文26篇。E-mail:277795559@qq.com。陸云健，男，1992年生。江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。袁 浩，男，1988年生。江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。