1、引言

旋轉(zhuǎn)鍛造是將管件、棒料通過鍛打模具進行高頻旋轉(zhuǎn)鍛打成形的一種加工工藝，具有加工精度高、材料利用率高，成品性好等優(yōu)點[1]。近些年來國內(nèi)外專家學(xué)者對旋鍛技術(shù)的發(fā)展，也做出了巨大研究。

周美玲、尹德征[2]對鎢管工件材料和加工工藝進行研究，能有效提高鎢管坯料在旋鍛加工成形率。V.Piwek 等[3]對旋鍛設(shè)備結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計，對動態(tài)鍛造進行討論，提高旋鍛生產(chǎn)能力。Seong-Joo Lim [4]等用旋轉(zhuǎn)鍛造法對管子的成形特性進行了實驗，分析工藝變量對管材的質(zhì)量的影響，如精度、硬度、表面粗糙度等其它微觀結(jié)構(gòu)，進而通過優(yōu)化工藝參數(shù)來提高產(chǎn)品性能。盧險峰等[5]根據(jù)鍛模擠壓成形加工中縮口變形區(qū)材料的變形力學(xué)特點進行分析，利用金屬塑性成形理論中的主應(yīng)力法，提出并建立了全新的縮口成形力的數(shù)學(xué)模型。劉斌等[6]分析芯棒旋鍛過程中芯軸尺寸和鍛模鍛打次數(shù)之間的關(guān)系，并在獲得合理的鍛打次數(shù)下研究芯軸尺寸對坯管變形的影響。

隨著制造業(yè)的發(fā)展，管件成品在汽車底盤、醫(yī)療器械等領(lǐng)域大量應(yīng)用，隨之而來對于旋鍛加工技術(shù)要求越來越高[7]。但是現(xiàn)在的旋轉(zhuǎn)鍛造加工，大都采用持續(xù)勻速的送料方式，鍛模在高頻率閉合鍛打的過程中，管件坯料會在一段時間內(nèi)受到阻礙。這會導(dǎo)致加工出的成品會出現(xiàn)凹陷、鐓粗、裂紋等缺陷，影響管件坯料成形質(zhì)量，降低使用壽命[8]。因此我們提出了基于彈性送料旋鍛成形，可以有效地避免在鍛模閉合過程中管件材料出現(xiàn)逆送料方向流動，不僅能夠減少工件凹陷、鐓粗、裂紋等缺陷，改善表面粗糙度提高產(chǎn)品性能，還能夠有效提高鍛模的使用壽命。

本文主要根據(jù)基于彈性送料方式，利用有限元軟件對不同厚度的銅管進行仿真分析，并與持續(xù)勻速的送料方式進行對比。進一步完善彈性送料方式下的旋轉(zhuǎn)鍛造加工工藝。

2、旋鍛加工理論分析

2.1. 內(nèi)旋型旋鍛機結(jié)構(gòu)原理

目前使用的旋鍛機以內(nèi)旋型為主，主要由保持架、滾柱、主軸、鍛模組成[9]。圖 1 所示：其工作原理主要是旋轉(zhuǎn)主軸帶動模具旋轉(zhuǎn)，當(dāng)模具后面圓弧面在兩滾柱之間時，在離心力的作用下被甩離。當(dāng)模具后面圓弧面與滾柱接觸時擠向工件，依此往復(fù)鍛打管件坯料。

2.2. 理論數(shù)值分析

圖 2 為鍛打變形示意圖可分為旋鍛區(qū)、旋鍛區(qū)、已旋鍛區(qū)三個區(qū)域。根據(jù)旋鍛加工坯料鍛打變形特點，鍛打縮徑口區(qū)一般會受到切向應(yīng)力和徑向力的作用，在旋鍛區(qū)任意選取一個半徑為 R 截面位置的材料。再用兩個平行的法向平面與兩個相互相交的徑向平面截取一個單元體[5]，其單元體受力如圖 3 所示。

其中 p 為作用在所取得單元體上的一個單位壓力；A1~A4 為其單元體上的所截取的截面積；α 為管件變形區(qū)的傾斜角；β 為徑向半徑到法向夾角；ψ 為單位圓弧到法向的夾角；μ 為旋鍛區(qū)管件表面摩擦系數(shù)；σθ 為切應(yīng)力；σr 為徑向應(yīng)力。

3、有限元模擬

3.1. 旋鍛加工有限元模型建立

利用有限元對兩種送料方式的旋鍛成形進行建模。如圖 4 所示，對于剛性勻速送料的旋鍛成形，直接對夾具 A 施加位移載荷。對彈性送料的旋鍛成形，位移載荷施加于夾具 B，夾具 B 通過彈性元件作用于夾具 A。彈性元件采用彈簧阻尼單元，管件坯料軸向網(wǎng)格為 1 mm，厚度方向的尺寸為 0.5 mm。管件材料為銅管，管件在室溫下旋鍛加工，屬于冷鍛成形，經(jīng)過查閱管件坯料的力學(xué)性能相關(guān)參數(shù)分別為：質(zhì)量密度為 8.96 g/cm3，彈性模量 450 GPa，泊松比 0.3。

3.2. 旋鍛加工工藝分析

在不同送料條件下銅管坯料成形質(zhì)量受到各種工藝參數(shù)的影響，旋鍛加工成形的影響因素有：鍛模頻率 f，送料速度 v，鍛模打擊一次工件的轉(zhuǎn)動弧度 ω，鍛模角度 α，管件內(nèi)徑 d1，管件外徑 D1，摩擦系數(shù) μ，彈性元件系數(shù) K。對于彈性送料旋鍛過程，考慮到工藝參數(shù)影響，根據(jù)旋鍛主應(yīng)力數(shù)學(xué)模型和彈性送料理論分析，彈性元件系數(shù)取 800 N/mm (表 1)。

4、結(jié)果分析和討論

本文采用加工成形后管件的軸向方向內(nèi)外徑和厚度分布作為成形質(zhì)量和合格率的主要依據(jù)。選取銅管坯料外徑為 42 mm，厚度分別為 2.5 mm、3.5 mm、4.5 mm，銅管坯料在加工過程中施加同樣的位移載荷，對比彈性和剛性送料的加工成品沿軸向內(nèi)外徑和厚度分布進行分析。

4.1. 加工內(nèi)外徑分布對成形質(zhì)量的分析

施加同樣的位移載荷下，對不同厚度的銅管坯料的旋鍛成形進行分析，通過后處理對加工后成品進行數(shù)據(jù)分析，得到不同厚度管件內(nèi)外徑分布。圖 5~7 為 2.5 mm、3.5 mm、4.5 mm 厚度管件坯料兩種送料方式下的沿軸向方向內(nèi)外徑的變化對比。在不同厚度下，已旋鍛區(qū)彈性送料比剛性送料方式下，旋鍛成形后的管件更加均勻。由于管件是由施加的位移載荷下沿軸向勻速移動，鍛模上下閉合會阻礙管件送入腔體內(nèi)鍛打，剛性送料下未旋鍛區(qū)管件會被兩個軸向上的力擠壓變形，即出現(xiàn)明顯的鐓粗現(xiàn)象，隨著管件厚度的增加可以明顯的看到擠壓變形程度更嚴(yán)重。相比較而言，彈性送料在鍛模上下閉合會阻礙管件的時候，彈性元件會起到緩沖的作用，有效地避免了在未旋鍛區(qū)出現(xiàn)鐓粗。

4.2. 加工厚度對成形質(zhì)量的分析

如圖 8 為不同厚度的管件在成形后沿軸向方向壁厚分布圖，加工管件厚度相同的情況下，在已旋鍛區(qū)、旋鍛區(qū)、未旋鍛區(qū)，彈性送料方式下可以明顯看出管件成形后的壁厚要比剛性送料下要薄且分布更加均勻。結(jié)合圖 8 和圖 9 對比剛性和彈性送料條件加工下可知：在管件厚度相同的情況下，剛性送料方式的已旋鍛區(qū)相對于彈性送料方式的已旋鍛區(qū)斜率更大，也就是說明剛性送料方式下管件材料逆送料方向流動更強烈，隨著管件厚度的增加剛性送料方式下成形后的管件厚度鐓粗現(xiàn)象更嚴(yán)重。圖 9(b)已旋鍛區(qū)和旋鍛區(qū)的夾角比圖 9(a)的夾角更加“尖銳”，所以剛性送料方式下易造成已旋鍛區(qū)和旋鍛區(qū)之間發(fā)生應(yīng)力集中。同時在未旋鍛區(qū)也進一步驗證了剛性送料方式下，管件擠壓變形出現(xiàn)阻礙壓潰現(xiàn)象越明顯。

不同厚度的管件相較于彈性送料方式下成形，都可以有效改善剛性送料下出現(xiàn)的各種問題，鍛打出的管件厚度變化更加均勻，成形質(zhì)量更好。

5、結(jié)論

本文針對目前旋鍛加工中管件材料逆送料方向流動導(dǎo)致厚度變大出現(xiàn)鐓粗現(xiàn)象，基于彈性送料研究，并根據(jù)理論分析，同時建立了相對應(yīng)的仿真模型，進一步驗證了彈性送料的合理性，可在后續(xù)旋鍛彈性送料相關(guān)研究提供參考。

在提供同樣位移載荷的條件下，隨著管件坯料厚度的不斷增加，剛性送料下旋鍛過程中管件材料逆流現(xiàn)象更明顯，成形后管件厚度變大，已發(fā)生鐓粗現(xiàn)象，且為旋鍛區(qū)隨著厚度增大更易發(fā)生擠壓變形出現(xiàn)阻礙崩潰現(xiàn)象。彈性送料可以有效避免成形件的擠壓變形且成形厚度更加均勻。在一定程度上能夠有效改善了管件成形后鐓粗現(xiàn)象，提高成形質(zhì)量。在實際生產(chǎn)過程中彈性送料方式可提高管件成形合格率。

致 謝

本文作者非常感謝大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，同時感謝團隊其他成員的協(xié)助，他們的支持和協(xié)助使得大創(chuàng)項目能夠順利進行。

基金項目

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(項目編號：S202210361081)。

參考文獻

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[4]Lim, S.-J., Choi, H.-J., et al. (2009) Forming Characteristics of Tubular Product through the Rotary Swaging Process.Journal of Materials Processing Technology, 209, 283-288. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.08.086

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