金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 2010年8月
金属棒料高速精密剪切下料速度的研究与应用
李耀辉1，李永堂2
（1. 苏州市职业大学机电工程系，江苏苏州215104; 2. 太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原030024）摘
要：针对高速剪切技术中影响断面质量的重要参数之一速度，从裂纹扩展角度出发，结合断裂力学关于裂纹
的应变能密度理论和液气剪切机的运动力学特性，推导出径向夹紧状态下高速剪切适宜下料速度的理论表达式，并给出合理的临界剪切速度范围，有助于该项新技术的推广应用。
关键词：剪切机；金属棒料；高速剪切；断裂力学；剪切速度中图分类号：TG386
文献标识码：A
文章编号：1001-3814(2010)15-0008-04
Research and Application of Shearing Speed of High -speed Precision
Shearing for Metal Bar
LI Yaohui 1, LI Yongtang 2
(1.Dept. of Electromechanical Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China; 2. College of Material Science and Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China )
Abstract ：Aimed at the influence of speed in high-speed shearing on section-quality in shearing process, based on the related theory of fracture mechanics, the expression and range of rational shearing speed in high-speed shearing was put forward.
Key words ：shearing machine; metal bar; high-speed shearing; fracture mechanics; shearing speed
在模锻件、辊锻件和冷、温挤压件等生产批量较大的机械制造部门，棒料是主要的原材料，棒料剪切机就是为这些锻压工艺准备坯料的主要设备。现代工业发展到21世纪，精密锻造和挤压等少、无切削新工艺、新技术得到越来越广泛的应用，从而对所需坯料的体积（质量）误差、端面形状及其它几何参数提出越来越高的要求，而现在的下料方法普遍存在能耗高、效率低、材料消耗大和下料质量差等问题。因而，寻求一种高质量、高效率、低消耗的精密下料方法成为人们追求的目标。棒料高速剪切机是一种高生产率的剪切设备，能提供高质量、高效率、低消耗的精密下料工艺。为了提高下料精度，国内外学者在棒料精密剪切工艺和设备方面做了大量的研究工作，提出了一些新型的精密剪切下料工艺，如轴向加压剪切、径向夹紧剪切、渐进剪切、高速剪切、自动称重剪切等。这些方法均在一定程度上改善了剪切断面质量，但由于模具寿命低；或由于模具工装结构
收稿日期：2010-03-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50475049）
作者简介：李耀辉（1976-），女，山西运城，讲师，硕士，研究方向：剪
切工艺，模具CAD/CAE/CAM；电话：[1**********]；
复杂；或由于需要专用设备；或由于不能明确表达剪切过程中各个阶段的特性和适宜剪切参数的确定，从而使其没能得到广泛应用。
高速剪切断面质量同剪切速度的选取密切相关[1]，关于剪切速度大小目前尚没有一个明确的定义，尤其是缺乏定量的研究。一般认为当剪切速度达到5m/s以上即可获得满意的剪切质量。虽然对大多数材料来说，提高剪切速度可以改善剪切质量，但并不是说速度越高剪切质量就越好。对于速度敏感性较差的材料，提高加载速度不仅对剪切质量的贡献不大，而且容易产生温度效应；即使是对速度敏感性较好的材料，材质不同，其最佳加载速度也是不同的。因此，确定不同材料的最佳加载速度是高速剪切的关键。本文借鉴断裂力学关于裂纹研究的有关理论和结论进行剪切速度的研究和分析，同时结合剪切设备———液气剪切机的工作原理和运动力学特性，确定了获得高质量断面技术指标的适宜剪切速度的定量关系。
1高速精密剪切模型
罗马尼亚布拉索夫（Brasov ）大学提出的建立在特奥多尔·卡尔（Theoder Karman ）基础上的精密剪
E-mail ：liyaohuixxr ＠sina.com
8Hot Working Technology 2010, Vol.39,No.15
上半月出版
切理论[2]表明：精密剪切时，对棒料的剪切区施压至屈服极限，该压力要均匀地作用于剪切区，形成材料的三向压应力状态，使裂尖处于塑性小范围屈服，方可进行无间隙的纯光洁剪切，即棒料在多向受压的情况下比在单向受压时的塑性变形状态更好。
本文所研究的是带径向夹紧装置的棒料高速精密剪切，夹紧力为棒料剪切力的1.5～2.0倍，使棒料处于弹性夹紧状态，剪切模型如图1所示。
动剪刃
动夹紧
Casting ·Forging ·Welding 金属铸锻焊技术
的扩展方向（开裂角）和裂纹扩展的临界条件（临界状态）来确定断裂判据，从而防止和控制裂纹的扩展；而剪切下料则是在确保裂纹沿欲剪切面扩展的前提下，研究适宜的欲加载荷方式及载荷大小。因此断裂力学和剪切下料是关于裂纹技术的两个逆向研究，可以借助断裂力学中关于裂纹技术的有关理论和结论研究剪切下料的相关问题。对于径向夹紧方式的高速剪切，剪切过程中产生的裂纹主要以Ⅱ型裂纹为主，只是在剪切的最后阶段出现少量撕裂现象，而且影响剪切质量的关键是初期裂纹的扩展，因此可以近似的看作纯Ⅱ型裂纹。
对于任意的裂纹方式，设裂纹体上作用的外载荷为P ，由文献[3]中应变能密度理论可知其应变能密度因子S 为：
定剪刃
定夹紧
Fig.1Model of high-speed shearing
图1高速剪切模型简图
S=a11K 1+2a 12K ⅠK Ⅱ+a22K Ⅱ+a33K Ⅲ
其中
222
(1)
整套模具分为剪切模和夹紧模，且均采用二分对开式结构。剪切模的动上模与滑块联接并随滑块上下运动，动上模的动剪刃和夹紧下模的静剪刃组成一对剪刃完成剪切工作；夹紧模的上模与夹紧缸的滑块联接并随滑块下行夹紧棒料，夹紧下模固定于底座上。剪切模的动下模与底座间装有弹顶器，该装置不仅可以在剪切时使动夹紧块夹紧棒料、防止毛坯弯曲变形；同时在剪切机回程时可以使动下模复位，保证剪切模和夹紧模刀孔中心的重合。
图2为位于剪切面附近的剪切变形区的应力状态。可以看出，采用了径向夹紧装置后，棒料的转动自由度被消除，使剪刃下方的整个剪切面都处于三向压应力状态，这样裂纹的扩展形式以Ⅱ型的滑移型裂纹为主，只是在剪切的最后阶段出现少量撕裂现象，而影响剪切质量的关键是初期裂纹的扩展，因此可近似的看作纯Ⅱ型裂纹。
a 11=a 12=a 22=
[(3-4ν-cos θ)(1+cosθ)]16πμ
1(2sinθ)[cosθ-(1-2ν)]16πμ
1[4(1-ν)(1-cos θ)+(1+cosθ)(3cosθ-1)](2)
a 33=1
式中：a 11、a 12、a 22、a 33分别为Ⅰ型、ⅠⅡ混合型、Ⅱ型及Ⅲ型裂纹的应力强度因子系数；μ为剪切弹性模量；ν为材料的泊松比；θ为极角；K Ⅰ、K Ⅱ、K Ⅲ分别为
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂纹的应力强度因子。
剪切过程中，径向夹紧力的作用使剪切区的弯曲和拉伸受到制约，同时，由于剪切速度较高(v >
4.5m/s)，塑性变形减小，使剪刃和材料的侧向挤压
力减小。当速度达到临界脆断速度时，侧向挤压力的影响可以忽略，此时裂纹扩展的贡献力量主要是Ⅱ型裂纹[4]（滑移型裂纹），而Ⅰ型裂纹（张开型裂纹）和Ⅲ型裂纹（撕开型裂纹）的贡献不大。因此，式（1）可简化为[2]：
S=a22K Ⅱ
Fig.2Stress state of material in shearing area
图2
剪切区材料的应力状态
2
(3)
为获得垂直度较高的剪切断面，应保证裂纹沿原平面扩展，即θ=0，由式（2）和（3）得
2
S=1K Ⅱ
2应变能密度理论的应用
断裂力学是通过研究给定载荷方式条件下裂纹《热加工工艺》2010年第39卷第15期
(4)
对于给定的材料，其临界值S C 是一定的，由开
9
金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 裂条件[3]知S=SC =1
2010年8月
式中：v 为剪切速度；m 为上模运动部分质量。
由式（10）、（11）、（12）、（13）即可得到高速剪切机上进行棒料剪切时的适宜剪切速度，即
K Ⅱ。查《应力强度因子手册》
2
得，高速剪切模型下相应的应力强度因子表达式为：
K Ⅱ=1.1215τ姨α为裂纹扩展时的起始裂纹长度。
(5)
π△d 2[τ]≤v 2≤式中：τ为剪切面上的平均剪应力（τ=P/A=P/(πd 2/4)；
高速剪切时，为了获得好的断面质量，应使剪切速度取得临界值，减小剪切面的塑性变形量，使裂纹尖端处于塑性小范围屈服，而小范围屈服要求裂纹扩展时的起始裂纹长度α应满足如下条件[3]：
1.78
2(1-ν) -ν2σd 2△
s 1
(14)
虽然式（14）中所涉及的参数比较多，在具体计算时仍存在一定的难度和误差，但从理论上解决了高速剪切时适宜剪切速度的确定依据和方法。
α≥2.5(
K Ⅱc 2
) σs
(6)
3剪切实验与结果分析
3.1剪切机工作原理
图3为试验所用高速剪切机。1KJ 液气棒料精密剪切机是集高速剪切和径向夹紧于一体的一种新型下料设备，夹紧缸和工作缸共用一套液压系统，由一个泵驱动。
式中：K Ⅱc 为材料的断裂韧度。在断裂力学中，由于
K Ⅱc 不易测量，而K Ⅰc 的测量技术已比较成熟，资料[3]研究表明，一般可用K Ⅰc 来表示K Ⅱc ，即
K Ⅱc =
K Ⅰc
姨
(7)
为了保证高速剪切后毛坯的切断面质量，应对预加载荷（或剪切速度）的上限做一个限制，即在临界速度下进行剪切，由式(4)、(5)、(6)、(7)可得：
P ≤0.89
姨
c σs d 2Ⅰc
(8)
同时，为了实现棒料顺利切断，剪切载荷必须满足：
2
πd P ≥[τ](9)
图3
液气剪切机结构简图
综上所述可知，高速剪切时，为了实现剪切断裂，并且获得高断面质量的剪切毛坯（即在临界速度下进行剪切），故应使剪切载荷满足如下关系式：
Fig.3Structure map of liquid-gas shearing machine
剪切机主机采用液气驱动，工作前一次性为气缸充入空气。剪切时首先将棒料送入，动夹紧上模下行夹紧棒料，径向夹紧力等于棒料的最大剪切力，工作缸内的液体快速排出，气体膨胀做功推动滑块快速下移，动上模系统在液路卸荷气体释能的的作用下对棒料剪切，剪切速度可达到6～7m/s；回程时靠液体压力使气体压缩蓄能。
πd [τ]≤P ≤0.892
姨
c σs d 2(10)Ⅰc
剪切过程中的平均剪切力F p 可由下式确定[5]，即
2
(1-K ) E F p =h △1
(11)
式中：△1为试件的塑性变形量；K 为恢复系数；E h 为剪切机提供的剪切能量。
为简化计算，可将平均剪切力作为剪切载荷。即
3.2实验条件
（1）实验材料：准20mm 的Q235金属棒料。（2）剪切速度：由式（14）可得出该实验条件下的临界脆断速度v 为4～6m/s，实验中取为5.6m/s。
（3）剪切温度：根据本课题的实验研究结果，合理的剪切温度在380～430℃范围内。该实验中取剪切温度为400℃。
P =F p
工作缸滑块所提供的剪切能量为：
(12)
高速剪切机上剪切时，在给定的充气压力p 下
E h =mv 2
2
10
(13)
Hot Working Technology 2010, Vol.39,No.15
上半月出版
（4）实验设备及测量仪器：1KJ 液压剪切机、普通剪切机（速度约2m/s）、自制径向夹紧剪切模。
剪切时将自制的径向夹紧剪切模装在液压剪切机上进行剪切实验，在特定的温度下，改变剪切机的充气压力，从而获得不同的剪切速度。
同时又在普通剪切机上进行了同规格棒料的剪切试验，并对两种剪切方式下的试件质量进行了对比分析。
Casting ·Forging ·Welding 金属铸锻焊技术
带与断面垂直，椭圆度也较小；而普通剪切时的各项断面指标严重降低，毛坯的断面不平度及光亮带的垂直度都有所降低，尤其是未夹紧状态下的普通剪切，试件的椭圆度和不平度较大，对于精度要求较高的使用场合，可能已经无法满足使用要求。这进一步论证了加载速度对剪切断面质量的影响，也说明了临界脆断速度理论的可行性和重要意义[7]。
3.3实验结果
表1是临界速度下的高速剪切与普通剪切试件
断面技术指标对比。可以看出，高速剪切的各项技术指标较普通剪切有显著提高，尤其是断面不平度和倾斜度大大降低。
表1高速剪切与普通剪切试验数据对比
Tab.1Data comparison between high -speed shearing
and common shearing
剪切方式高速剪切普通剪切
断面倾斜度准料端
棒端
断面椭圆度S /mm 断面不平度b /m 料端
棒端
料端
棒端
4结论
（1）断裂力学和剪切下料是关于裂纹技术的
两个逆向研究，可将断裂力学关于裂纹的应变能密度理论用于高速剪切工艺中的重要参数之一速度的研究。
（2）高速剪切不意味着速度越高越好，只有在临界脆断速度下进行剪切才能获得最佳剪切断面质量，每种材料都有不同的临界脆断速度。
（3）高速剪切时材料的适宜剪切速度，即临界脆断速度可结合式（14）进行确定。
（4）液气剪切机可实现高质量剪切断面指标的——夹紧状态的高速剪切。下料工艺—参考文献：
[1][2][3][4][5][6][7]
陈森灿，叶庆荣．金属塑性加工原理[M]．北京：清华大学出版社，1989．
洪慎章，胡学根．棒料的精密剪切实验[J]．锻压装备与制造技术，1983，(2)：20-22．
高庆．工程断裂力学[M]．重庆：重庆大学出版社，1985．韦尧兵．断裂力学逆问题及应力法剪切的几个问题[J]．甘肃工业大学学报，1996．22（4）：86-89．
李永堂，罗上银液压模锻锤[M]．北京：机械工业出版社，
1°15'
9°10' 30' 7°50' 1.351.421.141.330.863.100.67
2.60
图4由左到右分别为准20mm 的Q235在临界脆断速度v （5.6m/s）时的径向夹紧高速剪切、夹紧状态下的普通剪切和未夹紧状态下的普通剪切
(2m/s)试件的断面形貌[6]。可以看出在临界脆断速度
下进行高速剪切时，其毛坯的断面不平度较小，光亮
1992．
高速剪切（夹紧）
普通剪切（夹紧）普通剪切（未夹紧）
李耀辉．棒料高速精密剪切机理及剪切质量分析[D]．太原：太原重型机械学院，2002．
许春龙，李耀辉，刘旭．基于夹紧状态的棒料高速精密剪切机理及试验研究[J]．热加工工艺，2009，38(11)：30-33．
Fig.4Section comparison between high-speed shearing and
common shearing
图4高速剪切与普通剪切试件断面形貌对比
（上接第7页）显提高，加工中心硬度最高，最高显微硬度达到239HV ，加工中心两侧硬度逐渐降低。旋转速度和加工速度变化对搅拌区中心硬度影响不大。参考文献：
[1][2][3]
Leyens C ，peters M ．Titanium and titanium alloy[M]．Chem-ical Industry Press ．2003．
Mishra R S ，Ma Z Y ．Friction stir welding and processing [J]．Materials Science and Engineering R ，2005，50：1-78．Mishra R S ，Ma Z Y ．ICharit ．Friction stir processing ：A
[7][6][4][5]
Novel Technique For Fabrication of Surface Composite [J]．Materials Science and Engineering A ，2003，341：307-310．崔丽，栗桌新，魏琪．高温氧化对钛合金超塑性能的影响
[J]．钛工业进展，2006，23(2)：21-24．
王快社，王训宏，苏晓莉，等．温度对搅拌摩擦焊接接头摩擦磨损性能的影响[J]．润滑与密封，2006，（179）：87-93．
孙鹏，王快社，王文，等．工艺参数对AZ31镁合金搅拌摩擦加工微观组织的影响[J]．金属铸锻焊技术，2008，37（5）：
99-103．
王快社，张小龙，沈洋，等．TC4钛合金搅拌摩擦焊连接组织形貌研究[J]．稀有金属材料与工程，2008，37（11）：2045-2048.
《热加工工艺》2010年第39卷第15期11
金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 2010年8月
金属棒料高速精密剪切下料速度的研究与应用
李耀辉1，李永堂2
（1. 苏州市职业大学机电工程系，江苏苏州215104; 2. 太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原030024）摘
要：针对高速剪切技术中影响断面质量的重要参数之一速度，从裂纹扩展角度出发，结合断裂力学关于裂纹
的应变能密度理论和液气剪切机的运动力学特性，推导出径向夹紧状态下高速剪切适宜下料速度的理论表达式，并给出合理的临界剪切速度范围，有助于该项新技术的推广应用。
关键词：剪切机；金属棒料；高速剪切；断裂力学；剪切速度中图分类号：TG386
文献标识码：A
文章编号：1001-3814(2010)15-0008-04
Research and Application of Shearing Speed of High -speed Precision
Shearing for Metal Bar
LI Yaohui 1, LI Yongtang 2
(1.Dept. of Electromechanical Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China; 2. College of Material Science and Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China )
Abstract ：Aimed at the influence of speed in high-speed shearing on section-quality in shearing process, based on the related theory of fracture mechanics, the expression and range of rational shearing speed in high-speed shearing was put forward.
Key words ：shearing machine; metal bar; high-speed shearing; fracture mechanics; shearing speed
在模锻件、辊锻件和冷、温挤压件等生产批量较大的机械制造部门，棒料是主要的原材料，棒料剪切机就是为这些锻压工艺准备坯料的主要设备。现代工业发展到21世纪，精密锻造和挤压等少、无切削新工艺、新技术得到越来越广泛的应用，从而对所需坯料的体积（质量）误差、端面形状及其它几何参数提出越来越高的要求，而现在的下料方法普遍存在能耗高、效率低、材料消耗大和下料质量差等问题。因而，寻求一种高质量、高效率、低消耗的精密下料方法成为人们追求的目标。棒料高速剪切机是一种高生产率的剪切设备，能提供高质量、高效率、低消耗的精密下料工艺。为了提高下料精度，国内外学者在棒料精密剪切工艺和设备方面做了大量的研究工作，提出了一些新型的精密剪切下料工艺，如轴向加压剪切、径向夹紧剪切、渐进剪切、高速剪切、自动称重剪切等。这些方法均在一定程度上改善了剪切断面质量，但由于模具寿命低；或由于模具工装结构
收稿日期：2010-03-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50475049）
作者简介：李耀辉（1976-），女，山西运城，讲师，硕士，研究方向：剪
切工艺，模具CAD/CAE/CAM；电话：[1**********]；
复杂；或由于需要专用设备；或由于不能明确表达剪切过程中各个阶段的特性和适宜剪切参数的确定，从而使其没能得到广泛应用。
高速剪切断面质量同剪切速度的选取密切相关[1]，关于剪切速度大小目前尚没有一个明确的定义，尤其是缺乏定量的研究。一般认为当剪切速度达到5m/s以上即可获得满意的剪切质量。虽然对大多数材料来说，提高剪切速度可以改善剪切质量，但并不是说速度越高剪切质量就越好。对于速度敏感性较差的材料，提高加载速度不仅对剪切质量的贡献不大，而且容易产生温度效应；即使是对速度敏感性较好的材料，材质不同，其最佳加载速度也是不同的。因此，确定不同材料的最佳加载速度是高速剪切的关键。本文借鉴断裂力学关于裂纹研究的有关理论和结论进行剪切速度的研究和分析，同时结合剪切设备———液气剪切机的工作原理和运动力学特性，确定了获得高质量断面技术指标的适宜剪切速度的定量关系。
1高速精密剪切模型
罗马尼亚布拉索夫（Brasov ）大学提出的建立在特奥多尔·卡尔（Theoder Karman ）基础上的精密剪
E-mail ：liyaohuixxr ＠sina.com
8Hot Working Technology 2010, Vol.39,No.15
上半月出版
切理论[2]表明：精密剪切时，对棒料的剪切区施压至屈服极限，该压力要均匀地作用于剪切区，形成材料的三向压应力状态，使裂尖处于塑性小范围屈服，方可进行无间隙的纯光洁剪切，即棒料在多向受压的情况下比在单向受压时的塑性变形状态更好。
本文所研究的是带径向夹紧装置的棒料高速精密剪切，夹紧力为棒料剪切力的1.5～2.0倍，使棒料处于弹性夹紧状态，剪切模型如图1所示。
动剪刃
动夹紧
Casting ·Forging ·Welding 金属铸锻焊技术
的扩展方向（开裂角）和裂纹扩展的临界条件（临界状态）来确定断裂判据，从而防止和控制裂纹的扩展；而剪切下料则是在确保裂纹沿欲剪切面扩展的前提下，研究适宜的欲加载荷方式及载荷大小。因此断裂力学和剪切下料是关于裂纹技术的两个逆向研究，可以借助断裂力学中关于裂纹技术的有关理论和结论研究剪切下料的相关问题。对于径向夹紧方式的高速剪切，剪切过程中产生的裂纹主要以Ⅱ型裂纹为主，只是在剪切的最后阶段出现少量撕裂现象，而且影响剪切质量的关键是初期裂纹的扩展，因此可以近似的看作纯Ⅱ型裂纹。
对于任意的裂纹方式，设裂纹体上作用的外载荷为P ，由文献[3]中应变能密度理论可知其应变能密度因子S 为：
定剪刃
定夹紧
Fig.1Model of high-speed shearing
图1高速剪切模型简图
S=a11K 1+2a 12K ⅠK Ⅱ+a22K Ⅱ+a33K Ⅲ
其中
222
(1)
整套模具分为剪切模和夹紧模，且均采用二分对开式结构。剪切模的动上模与滑块联接并随滑块上下运动，动上模的动剪刃和夹紧下模的静剪刃组成一对剪刃完成剪切工作；夹紧模的上模与夹紧缸的滑块联接并随滑块下行夹紧棒料，夹紧下模固定于底座上。剪切模的动下模与底座间装有弹顶器，该装置不仅可以在剪切时使动夹紧块夹紧棒料、防止毛坯弯曲变形；同时在剪切机回程时可以使动下模复位，保证剪切模和夹紧模刀孔中心的重合。
图2为位于剪切面附近的剪切变形区的应力状态。可以看出，采用了径向夹紧装置后，棒料的转动自由度被消除，使剪刃下方的整个剪切面都处于三向压应力状态，这样裂纹的扩展形式以Ⅱ型的滑移型裂纹为主，只是在剪切的最后阶段出现少量撕裂现象，而影响剪切质量的关键是初期裂纹的扩展，因此可近似的看作纯Ⅱ型裂纹。
a 11=a 12=a 22=
[(3-4ν-cos θ)(1+cosθ)]16πμ
1(2sinθ)[cosθ-(1-2ν)]16πμ
1[4(1-ν)(1-cos θ)+(1+cosθ)(3cosθ-1)](2)
a 33=1
式中：a 11、a 12、a 22、a 33分别为Ⅰ型、ⅠⅡ混合型、Ⅱ型及Ⅲ型裂纹的应力强度因子系数；μ为剪切弹性模量；ν为材料的泊松比；θ为极角；K Ⅰ、K Ⅱ、K Ⅲ分别为
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂纹的应力强度因子。
剪切过程中，径向夹紧力的作用使剪切区的弯曲和拉伸受到制约，同时，由于剪切速度较高(v >
4.5m/s)，塑性变形减小，使剪刃和材料的侧向挤压
力减小。当速度达到临界脆断速度时，侧向挤压力的影响可以忽略，此时裂纹扩展的贡献力量主要是Ⅱ型裂纹[4]（滑移型裂纹），而Ⅰ型裂纹（张开型裂纹）和Ⅲ型裂纹（撕开型裂纹）的贡献不大。因此，式（1）可简化为[2]：
S=a22K Ⅱ
Fig.2Stress state of material in shearing area
图2
剪切区材料的应力状态
2
(3)
为获得垂直度较高的剪切断面，应保证裂纹沿原平面扩展，即θ=0，由式（2）和（3）得
2
S=1K Ⅱ
2应变能密度理论的应用
断裂力学是通过研究给定载荷方式条件下裂纹《热加工工艺》2010年第39卷第15期
(4)
对于给定的材料，其临界值S C 是一定的，由开
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金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 裂条件[3]知S=SC =1
2010年8月
式中：v 为剪切速度；m 为上模运动部分质量。
由式（10）、（11）、（12）、（13）即可得到高速剪切机上进行棒料剪切时的适宜剪切速度，即
K Ⅱ。查《应力强度因子手册》
2
得，高速剪切模型下相应的应力强度因子表达式为：
K Ⅱ=1.1215τ姨α为裂纹扩展时的起始裂纹长度。
(5)
π△d 2[τ]≤v 2≤式中：τ为剪切面上的平均剪应力（τ=P/A=P/(πd 2/4)；
高速剪切时，为了获得好的断面质量，应使剪切速度取得临界值，减小剪切面的塑性变形量，使裂纹尖端处于塑性小范围屈服，而小范围屈服要求裂纹扩展时的起始裂纹长度α应满足如下条件[3]：
1.78
2(1-ν) -ν2σd 2△
s 1
(14)
虽然式（14）中所涉及的参数比较多，在具体计算时仍存在一定的难度和误差，但从理论上解决了高速剪切时适宜剪切速度的确定依据和方法。
α≥2.5(
K Ⅱc 2
) σs
(6)
3剪切实验与结果分析
3.1剪切机工作原理
图3为试验所用高速剪切机。1KJ 液气棒料精密剪切机是集高速剪切和径向夹紧于一体的一种新型下料设备，夹紧缸和工作缸共用一套液压系统，由一个泵驱动。
式中：K Ⅱc 为材料的断裂韧度。在断裂力学中，由于
K Ⅱc 不易测量，而K Ⅰc 的测量技术已比较成熟，资料[3]研究表明，一般可用K Ⅰc 来表示K Ⅱc ，即
K Ⅱc =
K Ⅰc
姨
(7)
为了保证高速剪切后毛坯的切断面质量，应对预加载荷（或剪切速度）的上限做一个限制，即在临界速度下进行剪切，由式(4)、(5)、(6)、(7)可得：
P ≤0.89
姨
c σs d 2Ⅰc
(8)
同时，为了实现棒料顺利切断，剪切载荷必须满足：
2
πd P ≥[τ](9)
图3
液气剪切机结构简图
综上所述可知，高速剪切时，为了实现剪切断裂，并且获得高断面质量的剪切毛坯（即在临界速度下进行剪切），故应使剪切载荷满足如下关系式：
Fig.3Structure map of liquid-gas shearing machine
剪切机主机采用液气驱动，工作前一次性为气缸充入空气。剪切时首先将棒料送入，动夹紧上模下行夹紧棒料，径向夹紧力等于棒料的最大剪切力，工作缸内的液体快速排出，气体膨胀做功推动滑块快速下移，动上模系统在液路卸荷气体释能的的作用下对棒料剪切，剪切速度可达到6～7m/s；回程时靠液体压力使气体压缩蓄能。
πd [τ]≤P ≤0.892
姨
c σs d 2(10)Ⅰc
剪切过程中的平均剪切力F p 可由下式确定[5]，即
2
(1-K ) E F p =h △1
(11)
式中：△1为试件的塑性变形量；K 为恢复系数；E h 为剪切机提供的剪切能量。
为简化计算，可将平均剪切力作为剪切载荷。即
3.2实验条件
（1）实验材料：准20mm 的Q235金属棒料。（2）剪切速度：由式（14）可得出该实验条件下的临界脆断速度v 为4～6m/s，实验中取为5.6m/s。
（3）剪切温度：根据本课题的实验研究结果，合理的剪切温度在380～430℃范围内。该实验中取剪切温度为400℃。
P =F p
工作缸滑块所提供的剪切能量为：
(12)
高速剪切机上剪切时，在给定的充气压力p 下
E h =mv 2
2
10
(13)
Hot Working Technology 2010, Vol.39,No.15
上半月出版
（4）实验设备及测量仪器：1KJ 液压剪切机、普通剪切机（速度约2m/s）、自制径向夹紧剪切模。
剪切时将自制的径向夹紧剪切模装在液压剪切机上进行剪切实验，在特定的温度下，改变剪切机的充气压力，从而获得不同的剪切速度。
同时又在普通剪切机上进行了同规格棒料的剪切试验，并对两种剪切方式下的试件质量进行了对比分析。
Casting ·Forging ·Welding 金属铸锻焊技术
带与断面垂直，椭圆度也较小；而普通剪切时的各项断面指标严重降低，毛坯的断面不平度及光亮带的垂直度都有所降低，尤其是未夹紧状态下的普通剪切，试件的椭圆度和不平度较大，对于精度要求较高的使用场合，可能已经无法满足使用要求。这进一步论证了加载速度对剪切断面质量的影响，也说明了临界脆断速度理论的可行性和重要意义[7]。
3.3实验结果
表1是临界速度下的高速剪切与普通剪切试件
断面技术指标对比。可以看出，高速剪切的各项技术指标较普通剪切有显著提高，尤其是断面不平度和倾斜度大大降低。
表1高速剪切与普通剪切试验数据对比
Tab.1Data comparison between high -speed shearing
and common shearing
剪切方式高速剪切普通剪切
断面倾斜度准料端
棒端
断面椭圆度S /mm 断面不平度b /m 料端
棒端
料端
棒端
4结论
（1）断裂力学和剪切下料是关于裂纹技术的
两个逆向研究，可将断裂力学关于裂纹的应变能密度理论用于高速剪切工艺中的重要参数之一速度的研究。
（2）高速剪切不意味着速度越高越好，只有在临界脆断速度下进行剪切才能获得最佳剪切断面质量，每种材料都有不同的临界脆断速度。
（3）高速剪切时材料的适宜剪切速度，即临界脆断速度可结合式（14）进行确定。
（4）液气剪切机可实现高质量剪切断面指标的——夹紧状态的高速剪切。下料工艺—参考文献：
[1][2][3][4][5][6][7]
陈森灿，叶庆荣．金属塑性加工原理[M]．北京：清华大学出版社，1989．
洪慎章，胡学根．棒料的精密剪切实验[J]．锻压装备与制造技术，1983，(2)：20-22．
高庆．工程断裂力学[M]．重庆：重庆大学出版社，1985．韦尧兵．断裂力学逆问题及应力法剪切的几个问题[J]．甘肃工业大学学报，1996．22（4）：86-89．
李永堂，罗上银液压模锻锤[M]．北京：机械工业出版社，
1°15'
9°10' 30' 7°50' 1.351.421.141.330.863.100.67
2.60
图4由左到右分别为准20mm 的Q235在临界脆断速度v （5.6m/s）时的径向夹紧高速剪切、夹紧状态下的普通剪切和未夹紧状态下的普通剪切
(2m/s)试件的断面形貌[6]。可以看出在临界脆断速度
下进行高速剪切时，其毛坯的断面不平度较小，光亮
1992．
高速剪切（夹紧）
普通剪切（夹紧）普通剪切（未夹紧）
李耀辉．棒料高速精密剪切机理及剪切质量分析[D]．太原：太原重型机械学院，2002．
许春龙，李耀辉，刘旭．基于夹紧状态的棒料高速精密剪切机理及试验研究[J]．热加工工艺，2009，38(11)：30-33．
Fig.4Section comparison between high-speed shearing and
common shearing
图4高速剪切与普通剪切试件断面形貌对比
（上接第7页）显提高，加工中心硬度最高，最高显微硬度达到239HV ，加工中心两侧硬度逐渐降低。旋转速度和加工速度变化对搅拌区中心硬度影响不大。参考文献：
[1][2][3]
Leyens C ，peters M ．Titanium and titanium alloy[M]．Chem-ical Industry Press ．2003．
Mishra R S ，Ma Z Y ．Friction stir welding and processing [J]．Materials Science and Engineering R ，2005，50：1-78．Mishra R S ，Ma Z Y ．ICharit ．Friction stir processing ：A
[7][6][4][5]
Novel Technique For Fabrication of Surface Composite [J]．Materials Science and Engineering A ，2003，341：307-310．崔丽，栗桌新，魏琪．高温氧化对钛合金超塑性能的影响
[J]．钛工业进展，2006，23(2)：21-24．
王快社，王训宏，苏晓莉，等．温度对搅拌摩擦焊接接头摩擦磨损性能的影响[J]．润滑与密封，2006，（179）：87-93．
孙鹏，王快社，王文，等．工艺参数对AZ31镁合金搅拌摩擦加工微观组织的影响[J]．金属铸锻焊技术，2008，37（5）：
99-103．
王快社，张小龙，沈洋，等．TC4钛合金搅拌摩擦焊连接组织形貌研究[J]．稀有金属材料与工程，2008，37（11）：2045-2048.
《热加工工艺》2010年第39卷第15期11