药筒旋压变形工艺参数选取分析

2014-05-07孙睿敏

机械工程与自动化 2014年3期

关键词：旋轮形件薄率

孙睿敏，杨臻，李飞

（1.中北大学机电工程学院，山西太原 030051；2.内蒙古航天红岗机械有限公司，内蒙古呼和浩特 010076）

0 引言

影响强力旋压变形过程的各种工艺因素，统称为旋压变形的工艺参数。这些工艺参数的选择直接决定着材料在强力旋压时的变形过程，也影响着旋压件的质量、旋压力的大小和旋压的生产效率。本文就如何确定旋压生产中的工艺参数进行分析研究［1］。

1 减薄率的选取

旋压壁厚减薄率代表旋压变形程度的大小，用ψf表示，减薄前、后的关系为：

其中：t0为减薄前的壁厚；tf为减薄后的壁厚。

减薄率受材料最大减薄率和旋压件性能指标的制约，因此，强力旋压时必须有足够的壁厚减薄率。从提高生产效率来说，每道次旋压的减薄率都希望大一些，使旋压次数尽可能少，但减薄率过大，会带来一系列的工艺问题和质量问题，如旋压力过大，会降低模具寿命，材料流动失稳形成隆起，旋压力急剧增大最终导致旋压成型困难等。不同减薄率下的材料变形如图1所示。

图1 不同减薄率下的材料变形图

根据实践经验与仿真结果比较，筒形件一次旋压的减薄率最好小于40%。材料较软时，容易产生隆起，壁厚减薄率应该取小些。

2 进给比的选取

在强力旋压过程中，通常用vs来表示旋轮的进给速度，但由于判断成形效果时应考虑毛坯的转速，因此毛坯每转的旋轮移动量的大小是极为重要的因素，称其为旋轮的进给量，即进给比f。进给比和旋轮与旋压件接触点的线速度υ0之间的关系为：

f＝πDvs／v0.

其中：D为旋压件变形处的直径。

进给比在旋压过程中对旋压件的质量影响比较明显，尤其对内径和壁厚精度以及旋压件表面质量较为显著。一般情况下，增大进给比会使旋压件的表面质量降低，并使材料隆起增大，更容易造成表面瑕疵。但适当地增大进给比，可改善旋压件的贴模情况，使扩径减轻，直线度提高。当采用大减薄率时，应选用较小的进给比［2］。不同进给比下的材料变形如图2所示。经过仿真模拟比较，钢的进给比可在0.1 mm／r～1.5 mm／r的范围内选取。

图2 不同进给比下的材料变形图

3 旋轮结构参数的选取

强力旋压所用旋轮有各种不同的形状，其形状一方面取决于旋轮与其他零件的连接方式，另一方面旋轮的外形（包括旋轮直径和工作型面）则取决于旋压的变形情况。在满足旋压件质量的前提下，应选用形状最简单的旋轮，为节省旋轮的制造经费，提高旋轮的工作寿命，故常选取双锥面旋轮。

双锥面旋轮形面结构要素主要有旋轮的工作圆角半径rp、成形角α、旋轮直径Dp以及旋轮的工作表面状态等，它们都对能否制造出合格的产品产生直接的影响。旋轮工作型面的形状和尺寸取决于成形工序的具体条件，按照成型条件的具体要求并参考旋压件的减薄率而进行设计［3］。其筒形件变薄旋压所用旋轮的形状如图3所示。

图3 筒形件变薄旋压所用旋轮形状

3.1 旋轮的圆角半径rp

影响旋轮旋压过程的重要因素包含旋轮的圆角半径，在实际生产中，旋轮的圆角半径rp取决于毛坯的厚度，经验数据为rp＝（0.4～1）t0（t0为毛坯壁厚），对于轻型旋压机，rp＝6 mm的旋轮是最常用的［4］。

当旋轮的圆角半径rp＝（0.4～1）t0时，旋轮使得运动轨迹的重叠部分有所增加，这样可提高工件外表面的光洁度，但此时旋转速度增大，旋压力增大，且易造成毛坯凸缘部分不平衡。反之，当rp＜0.4t0时，变形区的接触压力在单位内增大，且毛坯的接触面积减小比例要更大些，所以结果使旋压力逐渐减小。如果rp过小，会造成切削现象，损害工件表面光洁度，可能会出现裂纹（尤其是旋压低塑性材料时）。在一般情况下，材料硬时，旋轮圆角半径可取的小些；相反，材料软时，rp可取的大些。

3.2 旋轮的成形角α

对于筒形件强力旋压用旋轮来说，结构参数中，成形角是十分重要的，旋压力的大小及其在各方向上的支配受制于成形角，并且影响旋压件的表面质量和精度。

依据对旋压变形的分析可知，要获得直径精度高的旋压物件，必须尽可能减少材料的周向流动而促进材料的轴向流动，便于顺利成形。由旋压力的计算公式可知，条件相同的情况下，当旋轮成形角α增大时，伴随轴向平均接触长度Zm减小而周向平均接触长度Xm增大，当Zm／Xm≤1时，材料流动正常；当Zm／Xm＞1时，材料的周向流动增大，变形不稳定，直径精度差。因此，从这个角度考虑，应取旋轮成形角α偏大些。

生产实践表明，在旋轮成形角取较大值时，工件贴模度高，尺寸精度好，但这样却容易引起材料产生隆起，于生产不利；反之旋轮成形角取较小值时，欲防止材料的隆起，却发生工件贴模差，扩径比较大。如旋压无座力炮管时，旋轮成形角由30°降至20°，伴随的扩径量增大约为50%。不同成形角下的材料变形如图4所示。