CN104607525B - 一种管材下料的表面环形槽根部的液体内高压起裂方法 - Google Patents
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Abstract
一种管材下料的表面环形槽根部的液体内高压起裂方法，起裂前先对金属管材表面上预制环形槽，将金属管材一端装配法兰连接头和充液管，另一端装配密封头，两端分别通过C型密封圈、阶梯密封套进行密封，并通过螺栓进行轴向拉紧，起裂时通过充液管先向金属管材内快速填充乳化液或液压油，使金属管材内壁承受初始内压力，进而充入高压低速流体，对金属管材内壁持续施加内高压，使金属管材的环形槽的根部金属晶体在应力集中效应下发生滑移、形成驻留滑移带并最终形成微裂纹群，起裂结束后将金属管材送入下料机中进行分段下料，本发明利用了应力集中效应，有效缩短了下料时裂纹扩展时间，提高下料效率。
Description
技术领域
本发明属于金属管材下料技术领域，具体涉及一种管材下料的表面环形槽根部的液体内高压起裂方法。
背景技术
金属管材的下料广泛存在于枪管、滚动轴承内(外)圈、滑动轴承轴瓦、传送链滚筒套筒等备料工序中，其下料质量的高低直接影响着零件的制造精度、生产效率和经济成本。传统管材下料工艺主要包括三类：一类是切削加工，多采用车切、锯切、砂轮切等形式，生产效率低，加工质量难以保证；一类是冲压加工，主要通过机械压力机上配以专用模具进行切断，但因管材属于空心部件，冲压加工过程中易产生管壁塌陷、管材变形等问题；再一类是热切割，如氧炔焰切割、电火花线切割和激光切割等，但是这些方法都存在能耗大、成本高、效率低、断面质量差等问题。对于大尺寸零件的管材备料，采用传统下料工艺时对设备尺寸、成本和性能要求更高，能耗大、效率低、断面质量差、材料浪费严重等问题更加突出。
断裂力学理论及试验表明，材料的缺陷、切口或台阶等几何不连续处具有应力集中效应，在较小载荷作用下即可产生大应力及萌生裂纹，并随外载荷的持续而扩展，其中，裂纹萌生寿命Ni可占到裂纹完整扩展寿命N的80％。近年来，利用预制缺口应力集中效应及动态裂纹扩展方法发展起来的低应力管料精密下料技术使得金属管材下料工艺有了新的突破，国内专利201320338632.X和201210132333.0等提出的周向低应力弯曲疲劳断裂精密下料机均实现了无屑化节材生产，但因动态裂纹扩展寿命较长，下料效率仍然不能满足大批量生产。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种管材下料的表面环形槽根部的液体内高压起裂方法，缩短下料时裂纹扩展时间，提高下料效率。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种管材下料的表面环形槽根部的液体内高压起裂方法，包括以下步骤：
步骤一，起裂前，按照需要的下料长度，利用开槽机在金属管材1外表面开制环形槽2；
步骤二，装配时，将金属管材1一端装配法兰连接头7、第一卡箍法兰13、平焊法兰4及充液管16，另一端装配密封头9和第二卡箍法兰11，两端分别通过第一C型密封圈15、第一阶梯密封套14及第二C型密封圈10、第二阶梯密封套12进行密封，并通过第一螺栓8对金属管材1两端的法兰连接头7和密封头9轴向拉紧，最后锁紧第一卡箍法兰13、第二卡箍法兰11，在金属管材1外壁和第一阶梯密封套14、第二阶梯密封套12的结合面处形成连续、不间断的环状压力接触区；
步骤三，起裂时，通过充液管16先向金属管材1内快速填充乳化液或液压油，排出气体，使金属管材1内壁承受初始内压力，进而充入高压低速流体，采用准静态加载或循环加载方式对金属管材1内壁持续施加50-200M内高压，使金属管材1的环形槽2的根部金属晶体在应力集中效应下发生滑移、形成驻留滑移带并最终形成微裂纹群；
步骤四，起裂结束后卸压，将流出的液体回收并过滤，将金属管材1送入下料机中进行分段下料，在可变周向载荷持续作用下，微裂纹向金属管材1内壁快速扩展，直至金属管材1断裂，完成下料。
所述方法采用的起裂装置，包括法兰连接头7和密封头9，第一卡箍法兰13、第一阶梯密封套14、第一C型密封圈15、法兰连接头7依序套装在金属管材1一端，第二卡箍法兰11、第二阶梯密封套12、第二C型密封圈10、密封头9依次套装在金属管材1另一端，法兰连接头7芯部设有连通于金属管材1内腔的轴向流道6，法兰连接头7大端具有台阶型开口的空腔，装配有第一C型密封圈15及第一阶梯密封套14，对插入法兰连接头7空腔内的金属管材1端部进行初始密封，法兰连接头7的小端法兰盘与平焊法兰4之间装夹有密封垫圈5，并通过第二螺栓3及螺母进行紧固，密封头9内侧设有台阶型开口，装配有第二C型密封圈10和第二阶梯密封套12，对插入密封头9内侧的金属管材1的端部进行初始密封；法兰连接头7、第一卡箍法兰13、第二卡箍法兰11及密封头9均开有轴向螺栓孔，通过第一螺栓8及螺母进行轴向拉紧；第一卡箍法兰13、第二卡箍法兰11设有上卡箍19和下卡箍18，上、下卡箍之间通过第三螺栓20及螺母进行径向锁紧，充液管16上设有压力表17。
本发明的优点为，利用了应力集中效应，使加载内压在明显低于管材屈服极限的某内压值时，环形槽2底部即产生较大应力集中，金属管材晶体(多为多晶体)发生滑移并最终形成微裂纹群，有效缩短了下料时裂纹扩展时间，提高下料效率。
附图说明
图1为本发明预制环形槽2的金属管材1的示意图。
图2为本发明起裂装置示意图。
图3为图2的A-A示意图。
图4为ANSYS软件仿真的管材内高压加载下应力分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明。
一种管材下料的表面环形槽根部的液体内高压起裂方法，包括以下步骤：
步骤一，起裂前，按照需要的下料长度，利用开槽机在金属管材1外表面开制环形槽2；
步骤二，装配时，将金属管材1一端装配法兰连接头7、第一卡箍法兰13、平焊法兰4及充液管16，另一端装配密封头9和第二卡箍法兰11，两端分别通过第一C型密封圈15、第一阶梯密封套14及第二C型密封圈10、第二阶梯密封套12进行密封，并通过第一螺栓8对金属管材1两端的法兰连接头7和密封头9轴向拉紧，最后锁紧第一卡箍法兰13、第二卡箍法兰11，在金属管材1外壁和第一阶梯密封套14、第二阶梯密封套12的结合面处形成连续、不间断的环状压力接触区；
步骤三，起裂时，通过充液管16先向金属管材1内快速填充乳化液或液压油，排出气体，使金属管材1内壁承受初始内压力，进而充入高压低速流体，采用准静态加载或循环加载方式对金属管材1内壁持续施加50-200M内高压，使金属管材1的环形槽2的根部金属晶体在应力集中效应下发生滑移、形成驻留滑移带并最终形成微裂纹群；
步骤四，起裂结束后卸压，将流出的液体回收并过滤，将金属管材1送入下料机中进行分段下料，在可变周向载荷持续作用下，微裂纹在金属管材1内壁快速扩展，直至金属管材1断裂，完成下料。
参照图2和图3，所述方法采用的起裂装置，包括法兰连接头7和密封头9，第一卡箍法兰13、第一阶梯密封套14、第一C型密封圈15、法兰连接头7依序套装在金属管材1一端，第二卡箍法兰11、第二阶梯密封套12、第二C型密封圈10、密封头9依次套装在金属管材1另一端，法兰连接头7芯部设有连通于金属管材1内腔的轴向流道6，法兰连接头7大端具有台阶型开口的空腔，装配有第一C型密封圈15及第一阶梯密封套14，对插入法兰连接头7空腔内的金属管材1端部进行初始密封；法兰连接头7的小端法兰盘与平焊法兰4之间装夹有密封垫圈5，通过第二螺栓3及螺母进行紧固，密封头9内侧设有台阶型开口，装配有第二C型密封圈10和第二阶梯密封套12，对插入密封头9内侧的金属管材1的端部进行初始密封；法兰连接头7、第一卡箍法兰13、第二卡箍法兰11及密封头9均开有轴向螺栓孔，通过第一螺栓8及螺母进行轴向拉紧；第一卡箍法兰13、第二卡箍法兰11设有上卡箍19和下卡箍18，上、下卡箍之间通过第三螺栓20及螺母进行径向锁紧，在金属管材1外壁和第一阶梯密封套14、第二阶梯密封套12的结合面处形成连续、不间断的环状压力接触区，充液管16上设有压力表17。
以外径650mm、壁厚40mm的金属管材1内高压起裂为例，在ANSYS软件中进行了建模仿真，金属管材1材质为Gr15，屈服强度σs＝518.42MPa，抗拉强度σb＝861.3MPa，外表面沿轴向每隔200mm均布有环形槽2，其槽深h为5mm、张角α为60°、尖端曲率半径r为0.1mm，腔内施加载荷为100MPa，环形槽2底应力超过了材料的屈服强度，环形槽2底产生塑性变形并萌生微裂纹群，图4为ANSYS软件仿真的管材内高压加载下应力分布图。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种管材下料的表面环形槽根部的液体内高压起裂方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，起裂前，按照需要的下料长度，利用开槽机在金属管材(1)外表面开制环形槽(2)；
步骤二，装配时，将金属管材(1)一端装配法兰连接头(7)、第一卡箍法兰(13)、平焊法兰(4)及充液管(16)，另一端装配密封头(9)和第二卡箍法兰(11)，两端分别通过第一C型密封圈(15)、第一阶梯密封套(14)及第二C型密封圈(10)、第二阶梯密封套(12)进行密封，并通过第一螺栓(8)对金属管材(1)两端的法兰连接头(7)和密封头(9)轴向拉紧，最后锁紧第一卡箍法兰(13)、第二卡箍法兰(11)，在金属管材(1)外壁和第一阶梯密封套(14)、第二阶梯密封套(12)的结合面处形成连续、不间断的环状压力接触区；
步骤三，起裂时，通过充液管(16)先向金属管材(1)内快速填充乳化液或液压油，排出气体，使金属管材(1)内壁承受初始内压力，进而充入高压低速流体，采用准静态加载或循环加载方式对金属管材(1)内壁持续施加50-200M内高压，使金属管材(1)的环形槽(2)的根部金属晶体在应力集中效应下发生滑移、形成驻留滑移带并最终形成微裂纹群；
步骤四，起裂结束后卸压，将流出的液体回收并过滤，将金属管材(1)送入下料机中进行分段下料，在可变周向载荷持续作用下，微裂纹向金属管材(1)内壁快速扩展，直至金属管材(1)断裂，完成下料。
2.根据权利要求1所述方法采用的起裂装置，包括法兰连接头(7)和密封头(9)，其特征在于：第一卡箍法兰(13)、第一阶梯密封套(14)、第一C型密封圈(15)、法兰连接头(7)依序套装在金属管材(1)一端，第二卡箍法兰(11)、第二阶梯密封套(12)、第二C型密封圈(10)、密封头(9)依次套装在金属管材(1)另一端，法兰连接头(7)芯部设有连通于金属管材(1)内腔的轴向流道(6)，法兰连接头(7)大端具有台阶型开口的空腔，装配有第一C型密封圈(15)及第一阶梯密封套(14)，对插入法兰连接头(7)空腔内的金属管材(1)端部进行初始密封，法兰连接头(7)的小端法兰盘与平焊法兰(4)之间装夹有密封垫圈(5)，并通过第二螺栓(3)及螺母进行紧固，密封头(9)内侧设有台阶型开口，装配有第二C型密封圈(10)和第二阶梯密封套(12)，对插入密封头(9)内侧的金属管材(1)的端部进行初始密封；法兰连接头(7)、第一卡箍法兰(13)、第二卡箍法兰(11)及密封头(9)均开有轴向螺栓孔，通过第一螺栓(8)及螺母进行轴向拉紧；第一卡箍法兰(13)、第二卡箍法兰(11)设有上卡箍(19)和下卡箍(18)，上卡箍、下卡箍之间通过第三螺栓(20)及螺母进行径向锁紧，充液管(16)上设有压力表(17)。
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