張良英，詹艷然，謝金生

（1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化工程系，福建 南平 353000；2.福州大學(xué) 自動(dòng)化工程系，福建 福州 350116）

錐形件強(qiáng)力旋壓在進(jìn)行成形時(shí)，如果工藝方案設(shè)計(jì)不當(dāng)，極易產(chǎn)生各種形式的成形缺陷，如壁厚不均勻、錐面波紋、隆起、開裂[1]等，因此分析成形缺陷并提出控制措施對提高企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義。

范國軍[2]和祝正新[3]針對純鋁材料旋壓時(shí)產(chǎn)生表面起皮，開展旋壓工藝試驗(yàn)，得出可在旋壓時(shí)涂刷潤滑油來改善起皮；李輝[4]針對變壁厚雙錐角錐形件成形后產(chǎn)生掉底問題，設(shè)計(jì)工裝模具開展工藝試驗(yàn)，得出在旋壓過程中錐形件尖部始終受縱向拉應(yīng)力作用，導(dǎo)致開裂，最終掉底；賈蕓[5]對錐形零件進(jìn)行工藝試驗(yàn)分析后得出旋壓件壁厚超差的原因可能有旋壓設(shè)備本身精度誤差、板坯裝夾時(shí)的安裝誤差以及板坯本身板厚精度誤差等。使用數(shù)值模擬的研究方法上，Klimmek[6]模擬了錐形件強(qiáng)力旋壓成形過程，結(jié)果表面容易產(chǎn)生拉裂與凸緣起皺是因?yàn)楫?dāng)板料進(jìn)入成形區(qū)，切向壓應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力增大，而靠近凸緣時(shí)，切向壓應(yīng)力增大；徐銀麗[7-8]研究了錐形件強(qiáng)力旋壓時(shí)的回彈問題，模擬結(jié)果得出回彈前后的等效應(yīng)力差隨著旋輪進(jìn)給比的減小而減小，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而減??；陸棟[9]針對304不銹鋼材料研究錐形件強(qiáng)旋時(shí)的損傷問題，得出：主軸轉(zhuǎn)速對損傷的影響較小，但旋輪與芯模之間的間隙和進(jìn)給比對損傷的影響比較大。

本文針對某企業(yè)生產(chǎn)的薄壁尖錐形件，確定旋壓成形的工藝方案，開展旋壓件樣品試制，分析成形缺陷并提出工藝改進(jìn)措施，為產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)性意見并豐富旋壓工藝。

1 工藝方案擬定

圖1所示為某薄壁純鋁尖錐形件，有錐角為36.6°和60.6°的兩個(gè)錐，壁厚為1mm和1.2mm，而且錐角公差和厚度公差要求高，錐頂外徑與內(nèi)徑分別為?10.45mm和?9.2mm，錐底直徑為?111.71mm，錐形深度為?110mm，大批量生產(chǎn)，錐面要求光滑無毛刺，很顯然，該零件具有深度大、壁厚薄、錐形尖、精度高的特點(diǎn)。

圖1 錐形件

針對此類零件，較適合的成形工藝有拉深工藝和旋壓工藝，考慮該零件的形狀尺寸特點(diǎn)、成形難易程度以及生產(chǎn)批量，本文采用強(qiáng)力旋壓工藝成形該零件，成形過程如圖2所示。旋壓時(shí)采用雙旋輪對稱布置的原因是本零件的錐頂直徑很小，工件被芯模與尾頂所夾的面積也小，在這種情況下，使用單旋輪旋壓容易在起旋時(shí)產(chǎn)生偏載，導(dǎo)致成形后工件出現(xiàn)喇叭口、隆起等缺陷[10]，造成零件不合格。

圖2 錐形件強(qiáng)力旋壓

1.1 板坯尺寸確定

強(qiáng)力旋壓工藝成形錐形件，工件的壁厚變化遵循正弦律，即：

t=t0sinα

式中：t0為板坯原始厚度，t為工件壁厚，α為工件半錐角。則該零件的兩個(gè)錐形對應(yīng)的板坯厚度分別為3.185mm和2.378mm。為降低板坯的制造難度，本文初定板坯厚度為4mm，因而使成形后的工件壁厚偏離正弦律，偏離的程度采用偏離率Δt表示，即

式中：t′為旋壓后工件的實(shí)際壁厚，t為按正弦律所得工件壁厚。通過計(jì)算可得，小錐的偏離率Δt1=-20.38%，大錐的偏離率為Δt2=-40.53%。由此可見，在成形大錐與小錐的過程中，均出現(xiàn)了過度減薄，且大錐的過度減薄情況大于小錐。

板坯直徑確定的原則為：由體積不變原則確定板坯的最小半徑，再考慮板坯各向異性、旋輪和芯模的彈性退讓、裝夾誤差等因素造成的影響進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓に囇a(bǔ)充。通過計(jì)算可求得，工件的體積V≈23990mm3，則板坯最小半徑約為44mm，工藝補(bǔ)充5mm，最后可得板坯直徑為98mm，即取板坯下料尺寸為98mm×4mm。

1.2 旋輪軌跡確定

由錐形件壁厚減薄率可求得，小錐的壁厚減薄率為75%，大錐的壁厚減薄率為70%，而退火態(tài)純鋁的極限減薄率可以達(dá)到80%[11]，對于鋁及其合金，通常半錐角大于15°的錐體可以在一道次中旋制[12]，因此本次成形滿足一道次成形的條件，但由于尾頂直徑小，為防止起旋時(shí)旋輪與尾頂發(fā)生干涉，在起旋階段，先讓旋輪走一小段直線，走至規(guī)定間隙后，再沿錐面母線成形小錐段與大錐段，如圖3所示。成形后零件錐頂處的余料由后續(xù)工序切除。

圖3 起旋時(shí)旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡

1.3 主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給比確定

通常含鋁95.5%的鋁板旋壓成形時(shí)的推薦合適轉(zhuǎn)速為300～500r/min[2]，本文零件的最大減薄率和最大偏離率均產(chǎn)生于成形大錐階段，產(chǎn)生的旋壓力也大，為降低旋壓力保證成形順利進(jìn)行，選取較小的主軸轉(zhuǎn)速，暫取300r/min。

旋壓成形過程中，當(dāng)旋輪的旋壓力矩大于夾持面所產(chǎn)生的摩擦力矩時(shí)，將出現(xiàn)打滑，而本文零件的錐頂直徑小，為防止打滑，則旋壓力矩需小于摩擦力矩，由剪旋力矩Mt的計(jì)算公式和摩擦力矩Mf的計(jì)算公式[13]：

式中：ξ為安全系數(shù)，t0為初始板坯厚度，f為旋輪進(jìn)給比，σs為板坯屈服應(yīng)力，α為半錐角，K為旋壓力系數(shù)，Rn為變形區(qū)所在位置的工件半徑，σs0為板坯初始屈服應(yīng)力，d為尾頂?shù)闹睆健?/p>

可得，不打滑情況下，最大旋輪進(jìn)給比在直線段為 1.3mm/r，小錐段為 0.6mm/r，大錐段為 0.2mm/r。上述為未考慮工件過度減薄時(shí)的旋壓力，而本文旋壓是在過度減薄情況下進(jìn)行，會(huì)使旋壓力急劇增大，為保證旋壓順利進(jìn)行，采用小的進(jìn)給比以降低旋壓力，直線段進(jìn)給比取0.1mm/r，錐形段取0.2mm/r。

綜上，本文錐形件的強(qiáng)力旋壓成形工藝方案如表1所示。

表1 旋壓成形初步成形工藝方案

2 樣品試制

采用表1的工藝方案，旋輪與板坯之間未潤滑，旋輪與芯模之間的間隙按照零件圖上壁厚尺寸設(shè)定，旋壓設(shè)備使用PS-CNCSXY750雙旋輪數(shù)控旋壓機(jī)，成形結(jié)果如圖4所示。

圖4 試制樣品

觀察制件可得，錐形底部不齊，錐面較為粗糙，大錐錐面出現(xiàn)一圈折疊與裂紋并存的粗糙面，小錐平均壁厚為1.02mm，基本滿足要求，大錐平均壁厚為1.41mm，超過目標(biāo)壁厚0.21mm，不滿足要求。

3 成形缺陷分析及控制工藝

3.1 壁厚超差分析與控制

由樣品試驗(yàn)結(jié)果可知，大錐壁厚大于目標(biāo)壁厚。這是因?yàn)樵谛龎撼尚未箦F時(shí)的過度減薄情況比小錐嚴(yán)重，產(chǎn)生的旋壓力也大于小錐，在大旋壓力的作用下，芯模與旋輪架將產(chǎn)生彈性變形，造成旋輪相對芯模的退讓，使原間隙增大，最終壁厚增大。

因此，本文采用減小旋輪與芯模之間的間隙，對旋輪的退讓進(jìn)行補(bǔ)償，小錐段補(bǔ)償0.02mm，大錐段補(bǔ)償0.21mm。

3.2 錐面粗糙分析與控制

樣品的錐面粗糙是由于旋壓成形過程中既有滾動(dòng)摩擦又有滑動(dòng)摩擦，在摩擦應(yīng)力的作用下，若板坯表面有少量油污或氧化層，會(huì)造成表層金屬的塑性變差，產(chǎn)生剝離，故為提高表面質(zhì)量，在旋壓前需對板坯進(jìn)行處理，一方面去除表面氧化層和臟污，另一方面使用潤滑以減小旋輪與板坯之間的摩擦應(yīng)力，除此之外，還可通過提高主軸轉(zhuǎn)速來限制材料的環(huán)向流動(dòng)以改善材料剝離。

改進(jìn)措施為在旋壓過程中采用46#耐磨液壓油潤滑，并將主軸轉(zhuǎn)速提高至600r/min。

3.3 錐面折疊分析與控制

旋壓時(shí)產(chǎn)生折疊，這是因?yàn)楫?dāng)在過度減薄情況進(jìn)行旋壓時(shí)，隨著旋壓過程的進(jìn)行，在旋輪前方會(huì)堆積越來越多的材料，形成隆起，當(dāng)隆起過高時(shí)，會(huì)使材料的流動(dòng)變得不穩(wěn)定，在旋輪的碾壓下，過高的隆起被旋輪切斷，剪切端面被壓入工件表面，最終形成一圈折疊與裂紋并存的粗糙錐面。

為了改善這一缺陷，需讓旋輪前的材料流動(dòng)盡量趨于穩(wěn)定。為進(jìn)一步研究防止錐面折疊的措施，定義旋輪前隆起夾角γ和隆起高度h，如圖5所示，其中γ越小，h越大，則越易折疊。

圖5 旋輪前方材料堆積示意圖

因折疊出現(xiàn)于大錐錐面，所以可通過改變成形大錐時(shí)的工藝參數(shù)，研究其對 角的影響。具體的試驗(yàn)安排如表2所示。

表2 工藝參數(shù)對錐面隆起影響的試驗(yàn)安排

圖6為轉(zhuǎn)速300r/min不同進(jìn)給比條件下，旋壓成形至大錐中段時(shí)旋輪前方的材料堆積情況。由圖可知，隨著旋輪進(jìn)給比的增加，γ角增大，即同等轉(zhuǎn)速條件下，提高進(jìn)給比有助于改善隆起。這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)給比增大，旋輪兩次輾壓之間的重合面積減小，導(dǎo)致錐面的波紋高度增加，環(huán)向材料增多，軸向材料流動(dòng)量減小，隆起減輕，但壁厚會(huì)增厚。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1mm/r時(shí)，錐面波紋嚴(yán)重且壁厚不滿足要求，所以進(jìn)給比0.8mm/r時(shí)較為合適。

圖7為進(jìn)給比0.8mm/r不同轉(zhuǎn)速條件下，旋壓成形至大錐中段時(shí)旋輪前方的材料堆積情況。由圖可知，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，γ角減小，即在同等進(jìn)給比條件下，降低主軸轉(zhuǎn)速有利于改善隆起。這是因?yàn)殡S著主軸轉(zhuǎn)速的提高，旋輪軸向速度加快，材料軸向流動(dòng)速度加快，慣性作用增大，隆起部分材料貼緊旋輪，造成γ角減小。

圖6 轉(zhuǎn)速300r/min不同進(jìn)給比下的材料堆積情況

圖7 進(jìn)給比0.8mm/r不同轉(zhuǎn)速下的材料堆積情況

綜合以上分析，可得改進(jìn)后的工藝方案如表3所示。

表3 改進(jìn)后的工藝方案

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用表3的工藝方案旋壓得到的錐面光滑的合格旋壓件如圖8所示。

圖8 合格旋壓件

4 結(jié)論

（1）旋壓后制件錐面粗糙缺陷可通過油潤滑并提高主軸轉(zhuǎn)速的方法改善。

（2）旋壓后制件錐面的折疊與裂紋缺陷是由于旋壓時(shí)金屬材料堆積于旋輪前方形成隆起，可通過減小主軸轉(zhuǎn)速和增大旋輪進(jìn)給比來改善。

（3）成形本文旋壓件的工藝方案為：一道次旋壓，旋壓時(shí)采用油潤滑，主軸轉(zhuǎn)速600r/min，旋輪進(jìn)給比直線段0.1mm/r，小錐段0.2mm/r，大錐段0.8mm/r，旋輪與芯模間隙小錐段1mm，大錐段0.99mm。