藥筒旋壓變形工藝參數(shù)選取分析

孫睿敏，楊 臻，李 飛

（1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.內(nèi)蒙古航天紅崗機(jī)械有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010076）

0 引言

影響強(qiáng)力旋壓變形過(guò)程的各種工藝因素，統(tǒng)稱為旋壓變形的工藝參數(shù)。這些工藝參數(shù)的選擇直接決定著材料在強(qiáng)力旋壓時(shí)的變形過(guò)程，也影響著旋壓件的質(zhì)量、旋壓力的大小和旋壓的生產(chǎn)效率。本文就如何確定旋壓生產(chǎn)中的工藝參數(shù)進(jìn)行分析研究［1］。

1 減薄率的選取

旋壓壁厚減薄率代表旋壓變形程度的大小，用ψf表示，減薄前、后的關(guān)系為：

其中：t0為減薄前的壁厚；tf為減薄后的壁厚。

減薄率受材料最大減薄率和旋壓件性能指標(biāo)的制約，因此，強(qiáng)力旋壓時(shí)必須有足夠的壁厚減薄率。從提高生產(chǎn)效率來(lái)說(shuō)，每道次旋壓的減薄率都希望大一些，使旋壓次數(shù)盡可能少，但減薄率過(guò)大，會(huì)帶來(lái)一系列的工藝問(wèn)題和質(zhì)量問(wèn)題，如旋壓力過(guò)大，會(huì)降低模具壽命，材料流動(dòng)失穩(wěn)形成隆起，旋壓力急劇增大最終導(dǎo)致旋壓成型困難等。不同減薄率下的材料變形如圖1所示。

圖1 不同減薄率下的材料變形圖

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與仿真結(jié)果比較，筒形件一次旋壓的減薄率最好小于40%。材料較軟時(shí)，容易產(chǎn)生隆起，壁厚減薄率應(yīng)該取小些。

2 進(jìn)給比的選取

在強(qiáng)力旋壓過(guò)程中，通常用vs來(lái)表示旋輪的進(jìn)給速度，但由于判斷成形效果時(shí)應(yīng)考慮毛坯的轉(zhuǎn)速，因此毛坯每轉(zhuǎn)的旋輪移動(dòng)量的大小是極為重要的因素，稱其為旋輪的進(jìn)給量，即進(jìn)給比f(wàn)。進(jìn)給比和旋輪與旋壓件接觸點(diǎn)的線速度υ0之間的關(guān)系為：

f＝πDvs／v0.

其中：D為旋壓件變形處的直徑。

進(jìn)給比在旋壓過(guò)程中對(duì)旋壓件的質(zhì)量影響比較明顯，尤其對(duì)內(nèi)徑和壁厚精度以及旋壓件表面質(zhì)量較為顯著。一般情況下，增大進(jìn)給比會(huì)使旋壓件的表面質(zhì)量降低，并使材料隆起增大，更容易造成表面瑕疵。但適當(dāng)?shù)卦龃筮M(jìn)給比，可改善旋壓件的貼模情況，使擴(kuò)徑減輕，直線度提高。當(dāng)采用大減薄率時(shí)，應(yīng)選用較小的進(jìn)給比［2］。不同進(jìn)給比下的材料變形如圖2所示。經(jīng)過(guò)仿真模擬比較，鋼的進(jìn)給比可在0.1 mm／r～1.5 mm／r的范圍內(nèi)選取。

圖2 不同進(jìn)給比下的材料變形圖

3 旋輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取

強(qiáng)力旋壓所用旋輪有各種不同的形狀，其形狀一方面取決于旋輪與其他零件的連接方式，另一方面旋輪的外形（包括旋輪直徑和工作型面）則取決于旋壓的變形情況。在滿足旋壓件質(zhì)量的前提下，應(yīng)選用形狀最簡(jiǎn)單的旋輪，為節(jié)省旋輪的制造經(jīng)費(fèi)，提高旋輪的工作壽命，故常選取雙錐面旋輪。

雙錐面旋輪形面結(jié)構(gòu)要素主要有旋輪的工作圓角半徑rp、成形角α、旋輪直徑Dp以及旋輪的工作表面狀態(tài)等，它們都對(duì)能否制造出合格的產(chǎn)品產(chǎn)生直接的影響。旋輪工作型面的形狀和尺寸取決于成形工序的具體條件，按照成型條件的具體要求并參考旋壓件的減薄率而進(jìn)行設(shè)計(jì)［3］。其筒形件變薄旋壓所用旋輪的形狀如圖3所示。

圖3 筒形件變薄旋壓所用旋輪形狀

3.1 旋輪的圓角半徑rp

影響旋輪旋壓過(guò)程的重要因素包含旋輪的圓角半徑，在實(shí)際生產(chǎn)中，旋輪的圓角半徑rp取決于毛坯的厚度，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為rp＝（0.4～1）t0（t0為毛坯壁厚），對(duì)于輕型旋壓機(jī)，rp＝6 mm的旋輪是最常用的［4］。

當(dāng)旋輪的圓角半徑rp＝（0.4～1）t0時(shí)，旋輪使得運(yùn)動(dòng)軌跡的重疊部分有所增加，這樣可提高工件外表面的光潔度，但此時(shí)旋轉(zhuǎn)速度增大，旋壓力增大，且易造成毛坯凸緣部分不平衡。反之，當(dāng)rp＜0.4t0時(shí)，變形區(qū)的接觸壓力在單位內(nèi)增大，且毛坯的接觸面積減小比例要更大些，所以結(jié)果使旋壓力逐漸減小。如果rp過(guò)小，會(huì)造成切削現(xiàn)象，損害工件表面光潔度，可能會(huì)出現(xiàn)裂紋（尤其是旋壓低塑性材料時(shí)）。在一般情況下，材料硬時(shí)，旋輪圓角半徑可取的小些；相反，材料軟時(shí)，rp可取的大些。

3.2 旋輪的成形角α

對(duì)于筒形件強(qiáng)力旋壓用旋輪來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)參數(shù)中，成形角是十分重要的，旋壓力的大小及其在各方向上的支配受制于成形角，并且影響旋壓件的表面質(zhì)量和精度。

依據(jù)對(duì)旋壓變形的分析可知，要獲得直徑精度高的旋壓物件，必須盡可能減少材料的周向流動(dòng)而促進(jìn)材料的軸向流動(dòng)，便于順利成形。由旋壓力的計(jì)算公式可知，條件相同的情況下，當(dāng)旋輪成形角α增大時(shí)，伴隨軸向平均接觸長(zhǎng)度Zm減小而周向平均接觸長(zhǎng)度Xm增大，當(dāng)Zm／Xm≤1時(shí)，材料流動(dòng)正常；當(dāng)Zm／Xm＞1時(shí)，材料的周向流動(dòng)增大，變形不穩(wěn)定，直徑精度差。因此，從這個(gè)角度考慮，應(yīng)取旋輪成形角α偏大些。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，在旋輪成形角取較大值時(shí)，工件貼模度高，尺寸精度好，但這樣卻容易引起材料產(chǎn)生隆起，于生產(chǎn)不利；反之旋輪成形角取較小值時(shí)，欲防止材料的隆起，卻發(fā)生工件貼模差，擴(kuò)徑比較大。如旋壓無(wú)座力炮管時(shí)，旋輪成形角由30°降至20°，伴隨的擴(kuò)徑量增大約為50%。不同成形角下的材料變形如圖4所示。

圖4 不同成形角下的材料變形圖

由以上因素綜合分析得知，每一旋壓條件具體都存在一個(gè)成形角最佳值的選取，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真模擬，一般成形角的取值大小為20°～30°，現(xiàn)行的實(shí)際旋壓生產(chǎn)中所用旋輪的成形角基本都在上述范圍內(nèi)，而一般都以20°，25°和30°的居多。

3.3 旋輪直徑D p

旋輪直徑Dp的增加有利于旋輪與工件間的周向平均接觸長(zhǎng)度Xm的增加，并且使Zm／Xm值減小，可提高旋壓件的直徑精度，有利于提高工作面的光潔度和壽命。而增大旋輪直徑將增加其制造費(fèi)用，且旋輪的最大直徑還受到工件最小壁厚的限制，旋輪最大直徑可由下式確定：

其中：tmin為成品筒形件的最小壁厚；μ為摩擦因數(shù)；σkK為變形率為K時(shí)的材料抗拉強(qiáng)度。

旋輪的最小直徑取決于其強(qiáng)度、剛度及軸承的承載能力，并應(yīng)根據(jù)規(guī)定的生產(chǎn)率和其他有關(guān)工藝參數(shù)計(jì)算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式一般取Dp＝（1.2～2）d（d為芯模直徑）。

4 結(jié)論

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和仿真模擬比較，對(duì)旋壓時(shí)工藝參數(shù)的選取原則如下：①筒形件一次旋壓的減薄率最好小于40%，材料較軟時(shí)，容易產(chǎn)生隆起，壁厚減薄率應(yīng)該取小些；②對(duì)鋼的進(jìn)給比可在0.1 mm／r～1.5 mm／r的范圍內(nèi)選??；③成形角的大小一般取20°～30°，一般都以20°，25°和30°的居多。

［1］ 徐洪烈.強(qiáng)力旋壓技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1984.

［2］ 陳國(guó)光，董素榮.彈藥制造工藝學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

［3］ 張華.旋壓藥筒筒體成形過(guò)程工藝參數(shù)優(yōu)化仿真研究［D］.太原：中北大學(xué)，2012：21－23.

［4］ 張濤.旋壓成形工藝［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.