用于通过差异化夹紧实现长制品剪切分离的模具的技术与设计特点

《Scientific Reports》：Technological and design features of dies for the parting of long products by shearing with differentiated clamping

　　

摘要

通过剪切方式将长工件加工成精密零件仍然面临诸多挑战，这些问题包括弯曲变形、端面开裂以及尺寸精度不足。采用差异化夹紧方式的模具被视为一种有前景的解决方案，但其设计参数对力传递、能量效率以及变形局部化的影晌目前尚不完全清楚。本研究旨在探讨长工件差异化夹紧模具的技术与设计特点，并建立楔形机构参数、摩擦条件与加工性能之间的定量关系。根据夹紧方式、力传递机制、刀片运动学以及结构配置，对模具设计进行了系统分类。通过建立分析模型来描述楔形机构中的力传递过程，确定夹紧力、剪切力、摩擦条件与机构效率之间的关系。利用DEFORM 3D软件对剪切过程进行了有限元模拟，以分析应力-应变状态的变化、变形局部化情况以及损伤发展规律。此外，还在2.5 MN的曲柄压力机上进行了实验研究，通过应变片测量来验证理论预测并评估工件质量。研究结果表明，力传递效率以及夹紧力与剪切力的比值受楔形几何结构及摩擦条件的显著影响。研究还确定了合理的力传递角度范围，从而在力放大效果与能量效率之间实现最佳平衡。数值模拟显示，差异化夹紧方式能使塑性变形和损伤积累局限于刀片间隙附近的狭窄区域，有效抑制工件弯曲，同时促使裂纹沿预定的分离面稳定扩展。实验结果验证了所建立分析模型的准确性，计算值与实测值的峰值剪切力差异不超过8%。通过对Steel 0和Steel 40H材料制成的工件进行磁粉检测和渗透检测，确认其不存在端面裂纹。与传统方案相比，所设计的模具不仅提高了几何精度，还降低了整体尺寸和重量。本研究的科学创新之处在于建立了差异化夹紧剪切过程中楔形几何结构、摩擦条件、力传递效率与变形局部化之间的定量关系。这些研究成果为控制长工件精密分离过程中的应力-应变状态及断裂行为提供了科学依据，也可用于设计更高效的剪切技术。