缩口关键技术参数的计算与几点联想

文/卢险峰，徐明发，罗忠民·南昌大学机电工程学院

缩口关键技术参数的计算与几点联想

文/卢险峰，徐明发，罗忠民·南昌大学机电工程学院

在20世纪前半期的俄罗斯（前苏联时期），实现工业化建设是以机械制造、金属加工产量为主，取得了锻压生产技术的巨大进步，冲压加工的规模和技术方法也得到了空前的发展。如在分离加工工艺中，在冲裁、整修的基础上，开发了光洁冲裁、斜刃冲裁；在冲压成形加工工艺中，将原已有的拉深、弯曲成形发展出了翻边、扩口、缩口等工艺。汽车后桥弹性隔套、自行车鞍管、子弹壳等很多零件的冲压生产，都必须经过一道缩口工序。冲压缩口工艺的出现，最晚可认为是在20世纪前期。经过不断完善、发展，现今已成为冲压加工基本工序。显然，期间至少经历了近百年的发展历程。

本文专门述及的冲压缩口工序，其变形过程如图1所示，直径为d0（2r0）、厚度为t0的管形坯料在缩口变形力P的作用下，经过半锥角α的缩口模，管端材料缩成直径为d（2r）、厚度为t的工件。在缩口件的工艺设计中，缩口变形力P的计算和缩口凹模半锥角α的设计，是缩口技术中至关重要的两个工艺参数。

20世纪中期以来，人们逐渐深入认识了缩口的变形实质和工艺参数的科学设计。仅其中的缩口变形力P和凹模半锥角α这两个关键技术参数的理论计算与最佳设计，于近60年里探讨出以下成果。

图1缩口变形示意图

1982年，真锅健一应用塑性力学理论和数学解析，推导出了缩口力理论计算的一组公式，包括以下两种情况：不考虑（凹模入口处）弯曲应力时为P=2πR0tcσρc，考虑（凹模入口处）弯曲应力时为：P=2πR0tc{σρc＋[F（t0＋tc/4ρ）]1+n}。文中报告了要通过逐次逼近法解出位移关系公式，求解微分平衡方程，从材料开始接触凹模到成形结束。并用4种拉制纯铝材（φ40mm×1.0mm，φ4 0mm×1.5mm，φ5 0mm×1.0mm，φ50mm×1.5mm）的缩口实验验证。同时指出，当不计凹模入口处的弯曲应力时，凹模锥角最佳值应该不存在。

2004年，胡成武等解析出了最小缩口力条件下最佳凹模半锥角的公式，并化为α=arcsin[（2-9μ2）/（5－8μ）]。

近几年里，本课题研究小组，在前人研究所取得成果的基础上，特别是针对其上述各研究中对变形本质特征认识不足和存在的问题，依据金属塑性变形的基本原理与缩口变形的本质特征，先后从理论上推导，并经工艺实验验证后提出了缩口力计算与最优凹模半锥角设计的新公式。2004年，首先基于冷变形本质特征的硬化效应且采用幂函数规律的加工硬化规律σ=kεn（现普遍认为符合大多数板料冲压加工的实际），并考虑变形区材料厚度变化（不可忽略的缩口、拉深等基本工序的变形区材料的增厚）特点，先导出了一个缩口力变形力的计算公式P=1.15KπR0t0（1+μcotα）cosα[（1+n/2）（1-mN-ln mN）+n（1-mN）（-7mN-31）/12]。2005年，再考虑其变形区材料受附加弯曲（包括凹模入口和出口处）影响，进而推导出缩口力计算公式为P=2.3KπR0t0（1+μcotα）[（1+n/2）（1-mN）-n（5-）/6]（3-2cosα）。2006年，求出其最优解与摩擦系数的关系式为：4sin3α/（6-5cosα+cos3α）=μ。2010年，依据最优化问题求解方法中二次插值、有理插值法等的思想，希望找到替代或近似处理的方法，使关系显式化。为此，对以上公式作出如下分析和近似处理，得到近似值与精确值最大误差在2.5％范围下的简化显式公式：α※=arcsin（0.76·）。

经多年较系统的研究，包括对Q235钢和T2铜两种材料、不同半锥角α的凹模进行了缩口力的实验测试和分析，验证了上文提出的缩口变形力计算公式和缩口凹模半锥角α的优化设计公式更为科学合理，也更为简便实用。

在进行缩口变形力P的计算和缩口凹模半锥角α的设计过程中，联系目前冲压技术的发展情况，有几方面想法跟大家分享：

⑴虽然以上仅仅是对缩口技术两个关键参数的沿革与新探成果的概述，但由此联想到缩口技术发展到现今这种较高的水平、对缩口变形规律及特点更为科学的认识是由于人们进行了不断的研究创新，经历了较长的历史发展时期。而且，这种研究、探索并未到终极，今后还会有新鲜的内容出现，包括其原理上和实践上。

⑵21世纪的今天，有如精冲、冷挤压等先进技术工艺，也有冲裁、拉深、弯曲、缩口等传统的工艺方法。有的人认为先进的技术要学习、要引进、要发展，传统的工艺就没有发展的必要和余地了。笔者认为，首先这种划分新与旧、先进与传统的基准是有错误的、欠科学的。如精冲技术，已有90年的发展和应用的历史，冷挤压有100多年的发展，热挤压更早，钢的冷挤压也有近80年的发展史，只是它们在我国发展应用较晚而已。而冲裁、拉深、弯曲、缩口虽均至少有百年历史，可正如本文专述的缩口关键技术那样，必有继续发展的地方。

⑶当然，锻压企业要积极发展、应用新技术，这是不言而喻的。然而，即便视为传统的加工方法的那些冲压加工基本工序，也有许多不断发展的内容与创新的空间。这些内容与空间，可以是工艺上的创新、模具上的创新、设备上的创新，还可以从产品的创新而带动工艺、模具与设备的创新。

⑷企业的创新首先要立足于企业的实际，努力吸取先进制造技术、现代设计方法的营养，一点一点的改、一步一步的变，达到有效果的改、有效益的变。一旦改进了一种工艺结构、优化了一个工艺参数，取得了一项知识产权，对很多企业而言，就是一大创新。