筒形件强力旋压成形特点及变形规律
发布时间：2021-05-21
摘要：强力旋压是制造薄壁筒形件的一种高效加工方法。其按旋轮进给方向与毛坯材料流动方向的异同分为正旋和反旋，包括起旋、稳定旋压和终旋3个阶段，成形中的工件可划分为3个区域，即未成形区、成形区和已成形区，材料所受到的应力、应变在不同阶段也具有不同的特点。由于受到的影响因素众多，在强力旋压成形过程中通常存在着一定的生产缺陷。为此，分析了筒形弹力旋压成形特点及变形规律。
关键词：金属学与金属工艺;强力旋压;分析;筒形件芯模;减薄率
1引言
强力旋压是在普通旋压的基础上发展起来的一种新的加工工艺。其成形过程为：主轴卡盘将毛坯夹紧，芯模和坯料在主轴带动下一起旋转，旋轮做进给运动，并在摩擦的作用下进行自转，使毛坯连续逐点地变薄并贴靠芯模而成为所需的工件。旋轮的运动轨迹是由控制系统来确定的。强力旋压按变形的性质和工件的形状又分为锥形件、筒形件、复合形工件强力旋压3类。筒形件强力旋压又称筒形变薄旋压，采用短而厚、内径基本不变的筒形毛坯，按体积不变原理变形。其成形特点为：旋轮紧压在与芯模同时旋转的管状毛坯上，并沿管坯轴向运动，从而制出薄壁长筒件[1]。带内筋筒形件强力旋压是筒形件强力旋压的一种特殊形式，筒形毛坯的内径在内筋处将发生变化，使其出现了不同于一般普通筒形件强旋成形的变形特点，工艺参数的选择也将有所变化。
2筒形件强力旋压成形特点
2.1筒形件强力旋压成形的分类
强力旋压按旋轮进给方向与毛坯材料流动方向的异同分为正旋和反旋，如图1所示。
材料的流动方向与旋轮的轴向移动方向一致的为正旋，材料的流动方向与旋轮的轴向移动方向相反的为反旋。正旋和反旋都可以达到使金属成形的目的。两者的不同之处在于;反旋时，材料处于三向压应力的塑性最佳状态，其贴模性较好，因此旋压件的壁厚偏差和内径偏差较正旋小很多;正旋时，材料的流动方向与旋轮轴向进给方向相同，流动条件好，材料的隆起比反旋小，旋压力也小，工艺参数的选择范围较反旋大。实际的生产中多采用正旋工艺。
2.2筒形件强力旋压成形过程的3个阶段
筒形件强力旋压变形过程的3个加工阶段，如图2所示。
(1)起旋阶段从旋轮接触毛坯开始至达到所要求的壁厚减薄率为止。该阶段壁厚减薄率逐渐增大，旋压力相应递增，特别是轴向旋压力，以至达到一极大值。相应于这一阶段的长度变化，工件的外径变化很大，带内筋的筒形件的内径也将发生变化，内筋初步形成，使得金属的径向流动、周向流动大于轴向流动，正旋时易出现锥度和凸边，反旋时则出现扩口或缩口现象。
(2)稳定旋压阶段是成形过程的主要阶段。旋轮旋入毛坯达到所要求的壁厚减薄率时，旋压变形进入稳定阶段，工件的形状在这一阶段成形。该阶段容易产生飞边和局部失稳，飞边和局部失稳发展到一定程度将导致工件破裂。在该阶段，金属的径向、周向和轴向变形都有很大变化，为了保证带内筋筒形件的内筋充分成形，应该增加金属的径向流动，对轴向流动应适当抑制。
(3)终旋阶段从距毛坯末端5倍毛坯厚度处开始至旋压终了。该阶段毛坯刚性显著下降，旋压件内径扩大，旋压力逐渐下降。但是，对于带内筋的筒形件，在稳定旋压阶段已经成形的内筋对坯料内壁金属的周向流动将产生阻碍作用，容易导致在旋压结束前退旋轮的时候使内筋成形处生产周向裂纹。在实际生产中，工件很少旋到端部，终旋阶段一般并不出现。
2.3筒形件强力旋压成形时的3个区域
筒形件强力旋压时，其变形中的工件可划分为3个区域，即未成形区、成形区和已成形区，如图3所示。
正旋时，未变形区在旋压过程中不产生塑性变形，只做刚时体移动，此区可视为刚性区;反旋时，未变形区由于受旋轮作用较小，仅在与变形区交界处有微小变形，因此未变形区也被视为刚性区。坯料与旋轮接触的区域是变形区，变形区在变形过程中形状和面积都不发生变化，属于稳定变形，也就是单位时间内流入变形区的金属量等于流出变形区的金属量。已变形区是由变形区经过塑性变形而形成的，在以后的变形过程中，它不再发生塑性变形，是最终成形工件的一部分。筒形件的旋制过程就是刚性的未变形区经过变形区最终成为已变形区的过程。成形过程中的3个区域是相互影响又相互制约的，带内筋筒形件中内筋的形成使得3个区域的相互影响和制约进一步增加强。
3筒形件强力旋压变形规律
3.1筒形件强力旋压成形过程中的应力和应变
筒形件变薄旋压在变形过程中，变形区的受力情况如图4所示。
对于正旋变形，在已变形区和变形区相交的截面上作用着轴向拉应力，而变形区应力状态较为复杂[2]。对于反旋变形为压应力，未变形区内也为压应力[3]。另外，正旋时已变形区和反旋时待变形区都还要承受由于传递扭转力矩所产生的周向剪应力。在带内筋的筒形件强旋成形时，内筋成形处的应力、应变明显要大于其它区域。另外，内筋的存在也会对轴向剪应力起到阻碍作用，因此在内筋成形处容易产生断裂等缺陷。
相关期刊推荐：《农机化研究》本刊为综合性学术期刊。以西南大专院校的论文为收集重点。以交流大农业(包括农、林、牧、副、渔)的机械化、电气化、自动化的学术、科研成果以及与之相关的综合性述评为办刊宗旨，严把质量关，使其知名度与学术地位日渐提高。
带芯模的筒形件强力旋压的应变状态是三向的，但由于旋压是局部小区域变形，其周向变形阻力较轴向、径向大得多，变形量很小，一般为了简化分析可将三向应变状态视为平面应变状态，即假设沿周向不变形。变形区内A点的应力、应变状态如图5所示。
3.2筒形件强力旋压成形过程中产生的缺陷
与普旋相比，确定筒形件变薄旋压的加工条件相对来说是容易的，但是筒形变薄旋压的影响因素却很多，如材料性能、旋轮形状、旋轮进给率、壁厚减薄率、润滑及加工方法等。对于带内筋的筒形件强力旋压来说，除了以上影响因素外，内筋的存在将是缺陷形成的主要原因。
筒形件变薄旋压的缺陷多由材料的堆积和隆起所引起。隆起过大，就会引起旋压力的明显增加，从而导致开裂、起皱、表面粗糙、尺寸精度恶化等现象。在加工的过程中，如果有些材料隆起，但是并不继续发展，而保持一定的高度，直到旋压终了(稳定变形)，则是可以的;反之，如果材料隆起，并在旋压过程中不断增高(非稳定变形)，造成金属的不稳定流动，一般会产生表面缺陷，工件破裂直至旋压过程中断。铝及其合金隆起增高的倾向性很强，软钢和高强度钢的隆起现象很相似，不锈钢的隆起则稍高。旋轮进给率、壁厚减薄率、旋轮成形角越大，则隆起增大。
此外，反旋比正旋更容易形成隆起[4]。对于带内筋的筒形件，内筋处的裂纹是成形过程中产生的主要缺陷。在内筋成形处，应力和应变的变化较大，再加上材料缺陷、工艺参数以及变形不均等因素，使得内筋处极易产生裂纹[5]。
4结论
本文通过对筒形件强力旋压成形类别、阶段和区域的划分，对成形过程中的应力、应变，以及成形过程中产生的缺陷等多个方面进行了比较深入的分析，揭示了该工艺的成形特点和变形规律，为实际生产和三维有限元模拟提供了一定的理论基础。——论文作者：张利鹏1，刘智冲2，周宏宇3
