一种棒材下料的表面环形槽根部的热应力起裂方法技术领域
本发明属于金属棒材精密下料技术领域，具体涉及一种棒材下料的表面环
形槽根部的热应力起裂方法。
背景技术
金属棒材下料广泛存在于各种轴类、金属标准件、内燃机配件(如活塞销、
挺杆)、冷挤压、精密模锻等备料工序中，其断料效率和断面质量将直接影响零
件的制造精度、生产效率和经济成本。传统下料工艺主要采用车床切断和锯床
锯断的方法，所下棒料断面平整，但下料效率太低。工业生产广泛采用剪切下
料方法，但普通的剪切下料所下的棒料断面呈现明显的马蹄形，断面质量差，
需要增加车削平整断面的工序，降低了生产效率、增加了生产成本、浪费材料。
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
力棒材精密下料技术使得金属棒材下料工艺有了新的突破，中国专利
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。断裂力学理论表明，完整的裂纹扩展过程包括裂纹萌生、稳
定扩展、失稳扩展三个阶段，其中，裂纹萌生主要指金属管材晶体发生滑移、
形成驻留滑移带、形成微裂纹群并成核的过程，其寿命可占到裂纹完整扩展寿
命的80％，因此，在下料时采用提前预制裂纹的方法可大幅缩短下料工序时长，
提高下料效率。
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棒材下料的表
面环形槽根部的热应力起裂方法，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：
一种棒材下料的表面环形槽根部的热应力起裂方法，包括以下步骤：
步骤一，按需要的下料长度，利用开槽机在金属棒材1表面加工出等间距
的环形槽22；
步骤二，关闭闸阀15，通过进液管5向深冷装置中快速充入液氮11，使深
冷装置中温度保持在-130℃到-196℃之间；
步骤三，将金属棒材1放置送料架21上，通过送料架21上设置的滚轮20
送入深冷装置中进行分段快速深冷，冷却开始的瞬间，金属棒材1表面急剧冷
却收缩，使环型槽22底部受拉应力萌生微裂纹群；
步骤四，起裂后，通过滚轮20将金属棒材1送入液压夹具14中夹紧，在
高速载荷F冲击下完成下料；
步骤五，下料完成后，打开闸阀15，通过排液管16将液氮11回收。
所述的深冷装置，包括外壳8，外壳8底部连接有第一支架19和第二支架
18，外壳8内部安装内胆10，内胆10的水平进料口通过第一颈管2和外壳8的
水平进料口连接，外壳8的水平进料口靠近送料架21，内胆10的水平出料口通
过第二颈管13和外壳8的水平出料口连接，外壳8的水平出料口靠近液压夹具
14，内胆10的上部进液口通过第三颈管3和外壳8的上部进液口连接，外壳8
的上部进液口和进液管5连接，液氮11通过进液管5并经第三颈管3注入内胆
10中，进液管5上安装有低温温度仪6，低温温度仪6通过感温探杆7实时探
测内胆10中温度数值，内胆10的下部出液口通过第四颈管12和外壳8的下部
出液口连接，外壳8的下部出液口和排液管16连接，排液管16上安装有闸阀
15。
所述的外壳8和内胆10之间填充绝热材料9，绝热材料9采用多层结构的
珠光砂。
所述的外壳8和内胆10采用耐腐蚀铝合金材料。
所述的第一颈管2、第二颈管13、第三颈管3和第四颈管12采用玻璃钢。
本发明的优点为，利用了缺口效应及热应力作用，使金属棒材1表面急剧
受冷却收，环型槽22底部在瞬时拉应力下产生较大应力集中并萌生微裂纹群，
使得后续的下料工序中的动态裂纹能够更快的进入扩展阶段，缩短整个下料时
间，提高整体下料效率。
附图说明
图1为本发明预制环形槽22的金属棒材1示意图。
图2为本发明深冷装置主剖视视图。
图3为图2中深冷装置右向视图。
图4为ANSYS软件仿真的棒材深冷瞬时应力分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明。
一种棒材下料的表面环形槽根部的热应力起裂方法，包括以下步骤：
步骤一，按需要的下料长度，利用开槽机在金属棒材1表面加工出等间距
的环形槽22，如图1所示；
步骤二，参照图2，关闭闸阀15，通过进液管5向深冷装置中快速充入液
氮11，使深冷装置中温度保持在-130℃到-196℃之间；
步骤三，参照图2和图3，将金属棒材1放置送料架21上，通过送料架21
上设置的滚轮20送入深冷装置中进行分段快速深冷，冷却开始的瞬间，金属棒
材1表面急剧冷却收缩，使环型槽22底部受拉应力萌生微裂纹群；
步骤四，起裂后，通过滚轮20将金属棒材1送入液压夹具14中夹紧，在
高速载荷F冲击下完成下料；
步骤五，下料完成后，打开闸阀15，通过排液管16将液氮11回收。
参照图2和图3，所述的深冷装置，包括外壳8，外壳8底部连接有第一支
架19和第二支架18，通过第一支架19和第二支架18横向固定，外壳8内部安
装内胆10，内胆10的水平进料口通过第一颈管2和外壳8的水平进料口连接，
外壳8的水平进料口靠近送料架21，内胆10的水平出料口通过第二颈管13和
外壳8的水平出料口连接，外壳8的水平出料口靠近液压夹具14，内胆10的上
部进液口通过第三颈管3和外壳8的上部进液口连接，外壳8的上部进液口通
过第一法兰4和进液管5连接，液氮11通过进液管5并经第三颈管3注入内胆
10中，进液管5上安装有低温温度仪6，低温温度仪6通过感温探杆7实时探
测内胆10中温度数值，内胆10的下部出液口通过第四颈管12和外壳8的下部
出液口连接，外壳8的下部出液口通过第二法兰17和排液管16连接，排液管
16上安装有闸阀15。
所述的外壳8和内胆10之间填充绝热材料9，绝热材料9采用多层结构的
珠光砂，用以减少液氮11和外界热交换。
所述的外壳8和内胆10采用耐腐蚀铝合金材料。
所述的第一颈管2、第二颈管13、第三颈管3和第四颈管12采用玻璃钢。
本发明的工作原理为：利用了缺口效应及热应力作用，在金属棒料1的冷
却过程中，由于温度的不均匀性会引起热胀冷缩的不均匀性，从而在金属棒料1
内部产生内应力。由于表面温度低于心部温度，故表层急剧冷却收缩，环型槽
22底部在瞬时拉应力及缺口效应下产生较大应力集中并萌生微裂纹群，使得后
续的下料工序中的动态裂纹能够更快的进入扩展阶段，提高整体下料效率。
以外径40mm的金属棒材1热应力起裂为例，在ANSYS软件中建立轴对称
模型，金属棒材1材质为45钢，屈服强度σs＝355MPa，抗拉强度σb＝600MPa，
外表面沿轴向每隔54mm均布有环形槽22，其槽深h为2mm、张角α为90°、
尖端曲率半径r为0.1mm，室温为20℃，深冷装置中液氮温度为-196℃，深冷
0.3s后，环形槽22底部拉应力为479.851Mpa，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软件仿真的棒材深冷瞬间的
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。