張 閩，王 旭，李 勇

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

1 引言

隨著手機(jī)、平板等電子產(chǎn)品功率增加，對(duì)散熱要求越來越高，超薄熱管作為良好的傳熱元件得到大量的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)鍛造工藝簡(jiǎn)稱旋鍛工藝，適用于空心軸類零件的精密制造［1-2］，是微熱管生產(chǎn)過程中一道重要工序。旋鍛成形可以獲得較高的表面質(zhì)量，且加工效率高［3］。人們對(duì)旋鍛加工表面成形的影響因素進(jìn)行大量研究。文獻(xiàn)［4］通過改造凸輪的輪廓曲線來優(yōu)化鍛頭的運(yùn)動(dòng)曲線，減少旋鍛模具與物料的沖擊力，提高加工精度。文獻(xiàn)［5］對(duì)薄壁銅管旋鍛過程中缺陷原因進(jìn)行分析，并討論不同數(shù)量鍛模對(duì)加工后銅管應(yīng)力應(yīng)變的影響。文獻(xiàn)［6］采用MSC.Marc建立旋鍛成型，探究鍛造過程中速度對(duì)縮口后管件表面成形質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)［7］應(yīng)用ABAQUS 對(duì)徑向鍛造進(jìn)行建模，探究了芯棒的存在與否對(duì)成形精度的影響。文獻(xiàn)［8］通過比較不同縮徑加工方法，表明微小型溝槽管的縮口應(yīng)采用旋轉(zhuǎn)鍛造。文獻(xiàn)［9-10］通過實(shí)驗(yàn)的方法，研究不同溝槽管截面尺寸和材料屬性下幾種常見的缺陷和成形規(guī)律。文獻(xiàn)［11］研究四片式旋鍛成形條件下，進(jìn)給速度和縮口系數(shù)對(duì)銅管的表面精度和微觀組織的影響。但是，超薄熱管的壁厚最薄為0.08mm，且在950℃燒結(jié)后銅管的屈服強(qiáng)度和硬度大大降低，在旋鍛縮徑過程中很容易出現(xiàn)扭曲、凹陷等缺陷。故這里通過建立旋鍛縮徑的運(yùn)動(dòng)模型，計(jì)算分析成形過程中工藝參數(shù)對(duì)縮徑表面成形質(zhì)量的影響，并通過有限元方法進(jìn)一步驗(yàn)證，得出適合薄壁銅管在燒結(jié)狀態(tài)后的旋鍛縮徑加工參數(shù)。

2 旋鍛縮徑工藝過程分析

2.1 旋鍛縮徑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

旋鍛縮徑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖1所示。主要由均勻分布4套旋鍛模具構(gòu)成。主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使擊打塊和旋鍛模具因離心力而向外運(yùn)動(dòng)，擊打塊圓弧與滾動(dòng)體相切限制其向外運(yùn)動(dòng)，隨切點(diǎn)位置不同，旋鍛模具在主軸槽內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，銅管沿主軸軸心不斷進(jìn)給送入，旋鍛模具與銅管接觸后分離，如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)銅管鍛打縮徑。

圖1 旋鍛縮徑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic Diagram of Rotary Swaging Structure

2.2 旋鍛縮徑模具運(yùn)動(dòng)分析

在旋鍛縮徑過程中，旋鍛模具往復(fù)運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與銅管進(jìn)給運(yùn)動(dòng)造成旋鍛模具與銅管不同位置周期性接觸和分離。二片式、三片式和四片式模具旋鍛縮徑過程中，旋鍛模具完全閉合時(shí)，截取半徑為R處截面，旋鍛模具與銅管接觸瞬間的示意圖，如圖3所示，接觸點(diǎn)分別為A、B。從上一周期擊打完成到下一周期模具和銅管再次接觸時(shí)間間隔為Δt，其中ΔR為時(shí)間Δt內(nèi)銅管前進(jìn)的距離，δ為模具圓心與銅管圓心距離。

在三角形OO1A中，由余弦定理可得：

化簡(jiǎn)可得：

式中：β—旋鍛模具與銅管接觸點(diǎn)與模具圓心夾角的一半，前進(jìn)距離ΔR表達(dá)式為：

旋鍛模具沿著徑向的運(yùn)動(dòng)軌跡可以近似為余弦形函數(shù)運(yùn)動(dòng)［5］，如圖2所示，軌跡表達(dá)式為：

式中：δmax—旋鍛模具最大鍛打行程；f—鍛打頻率。

在圖2中旋鍛模具和銅管接觸時(shí)間點(diǎn)t3位于t2（旋鍛模具完全打開）至t1（旋鍛模具完全閉合）之間。當(dāng)旋鍛模模具和銅管接觸時(shí)間點(diǎn)t3位于t0至t2之間時(shí)，旋鍛模具處于向外運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，未達(dá)到最大旋鍛行程，此時(shí)銅管與旋鍛模具相向運(yùn)動(dòng)，則在銅管旋鍛成形過程中，部分時(shí)間段處于擠壓縮口的狀態(tài)，鍛打過程不夠明顯，同時(shí)造成單次鍛打行程內(nèi)需要減小的尺寸較大，模具和銅管之間產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，造成銅管上殘存應(yīng)力較大。故需要控制進(jìn)給速度F，讓模具與銅管接觸時(shí)間點(diǎn)t3應(yīng)該處于t2到t1之間，使得旋鍛能夠順利進(jìn)行，圖2中陰影部分即為銅管和旋鍛模具接觸時(shí)間段。根據(jù)式（2）～式（4）并結(jié)合圖2發(fā)現(xiàn)，在接觸時(shí)間范圍內(nèi)，δ為關(guān)于時(shí)間t的減函數(shù)，ΔR為關(guān)于Δt的增函數(shù)，故接觸時(shí)間點(diǎn)Δt隨著cosβ的增大而增大。

圖2 擊打塊運(yùn)動(dòng)曲線圖Fig.2 The Motion Diagram of Hammer

二片式模具鍛打、三片式模具鍛打和四片式模具鍛打?qū)?yīng)的β值分別為90°，60°和45°。所以當(dāng)進(jìn)給速度F、鍛打頻率f一定情況下，在一個(gè)鍛打周期內(nèi)，旋鍛模具數(shù)量越多，cosβ值越小，Δt值越小，t3越接近t2，旋鍛模具和銅管鍛打接觸時(shí)間更長(zhǎng)，且ΔR越小。故四片式旋鍛單次鍛打行程范圍內(nèi)鍛打更平緩、更均勻，銅管縮徑表面成形質(zhì)量更好。

結(jié)合圖3分析可以看出，當(dāng)旋鍛模具半徑R相等時(shí)，旋鍛模具所圍起來的銅管的范圍越大，總包角（包角指不同數(shù)量旋鍛模具與銅管剛接觸時(shí)，旋鍛模具和銅管接觸點(diǎn)與銅管圓心之間夾角∠AO1B，兩片式、三片式和四片式模具旋鍛過程中分別有2、3和4個(gè)包角）更大，在旋鍛模具圓弧范圍外的銅管弧度更小，且更加分散。在旋鍛模具繼續(xù)向下鍛打過程中，銅管會(huì)因?yàn)閿D壓產(chǎn)生壓縮變形，但當(dāng)δ過大時(shí)，旋鍛模具未包含處的材料將向外擠出或者向內(nèi)屈服等失穩(wěn)現(xiàn)象，故需要在旋鍛模具重合處倒角，留出材料流動(dòng)空間，不然會(huì)使得旋鍛模具完全重合時(shí)流出的材料受到更大的壓力，以及應(yīng)力應(yīng)變，進(jìn)而產(chǎn)生銅屑。四片式模具旋鍛會(huì)因?yàn)榭偘歉?，未在旋鍛模具圓弧內(nèi)的銅管弧度小且分散等原因，不易產(chǎn)生缺陷。當(dāng)材料更薄，彈性模量更小時(shí)，擠壓過程中產(chǎn)生材料失穩(wěn)產(chǎn)生屈服可能性更大。

3 旋鍛縮經(jīng)工藝過程有限元建模

采用非線性有限元仿真軟件Abaqus對(duì)銅管旋鍛縮徑成形過程進(jìn)行數(shù)值分析，建立四片式模具旋鍛模型，如圖4所示。旋鍛模具、夾具和頂塊相對(duì)于銅管強(qiáng)度大、硬度高，在成形過程中不需要考慮形變等特征，故建模時(shí)定義其為剛體；銅管采用C3D8R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格前密后松，為了避免沙漏現(xiàn)象，網(wǎng)格在直徑劃分為4層。

圖4 四片式模具旋鍛縮徑有限元模型Fig.4 Finite Element Model of Four-Split Dies

夾具夾持銅管，前進(jìn)頂塊以速度F向前推動(dòng)銅管軸向運(yùn)動(dòng)，旋鍛模具旋轉(zhuǎn)速度為n，同時(shí)在徑向?yàn)橛嘞倚椭芷谶\(yùn)動(dòng)，頻率為f。采用庫倫摩擦模型，旋鍛模具與銅管、夾具與銅管、頂塊與銅管之間的摩擦系數(shù)分別為0.2、0.3和0。模型基本參數(shù)，如表1所示。材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線通過拉伸試驗(yàn)獲得，如圖5所示。忽略摩擦產(chǎn)生的熱量和殘余熱應(yīng)力等影響。

表1 銅管旋鍛縮徑工藝參數(shù)表Tab.1 Technical Parameters of Copper Pipe Forging and Reducing Diameter

圖5 950℃燒結(jié)態(tài)銅真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 The True Stress-Strain Curve of Sintered Copper at 950℃

4 結(jié)果分析及驗(yàn)證

模擬壁厚T=0.1mm銅管，進(jìn)給速度F分別為5mm/s，10mm/s以及20mm/s的等效應(yīng)力分布云圖，如圖6所示。當(dāng)進(jìn)給速度F=5mm/s時(shí)，銅管鍛打成形后表面平整、光滑，無明顯的凹陷或者突出，且等效應(yīng)力分布較為均勻，如圖6（a）所示。當(dāng)進(jìn)給速度F=10mm/s 時(shí)，可以看出銅管成形表面產(chǎn)生了局部凹陷，呈現(xiàn)出條狀，且在鍛打和待鍛打連接區(qū)域出現(xiàn)了屈服的現(xiàn)象，該區(qū)域的管數(shù)值比進(jìn)F=5mm/s時(shí)分布更為不均勻，且大應(yīng)力部分的范圍更廣，如圖6（b）所示。當(dāng)進(jìn)給速度F=20mm/s時(shí)，可以看出銅管鍛打成形表面產(chǎn)生明顯的凹陷，銅管成形表面的大等效應(yīng)力區(qū)域范圍明顯擴(kuò)大，且分布更不均勻。因?yàn)榇竺娣e凹陷的產(chǎn)生，抵消銅管在鍛打過程中阻力，所以此時(shí)在鍛打和待鍛打連接區(qū)域沒有看到因阻力而產(chǎn)生的往外突出的失圓現(xiàn)象，如圖6（c）所示。根據(jù)以上分析，可以看出速度是產(chǎn)生凹陷的一個(gè)原因。

圖6 不同進(jìn)給速度下銅管應(yīng)變示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Copper Tube Stress at Different Feeding Speed

對(duì)壁厚T=0.1mm的銅管，進(jìn)給速度F=20mm/s時(shí)旋鍛縮徑成形過程進(jìn)行單步分析，具體形變，如圖7所示。鍛打成形前期，在旋鍛模具的合模過程中，因接觸的銅管直徑大于旋鍛模具直徑，銅管會(huì)受擠壓而往合模間隙間流動(dòng)，因采用四片式旋鍛時(shí)，銅管圓周會(huì)形成4個(gè)外凸出的部分。但是，旋鍛模具在合模過程中同時(shí)也在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋鍛模具在旋轉(zhuǎn)過程中將外凸的部分重新被包含到模具當(dāng)中，凸出的材料在被模具包含過程中，會(huì)受到模具的擠壓，這時(shí)凸出部分左右兩邊的材料會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，而向下凹陷；旋轉(zhuǎn)會(huì)造成轉(zhuǎn)向邊的應(yīng)力更大，此時(shí)圓周會(huì)出現(xiàn)下凹、凸出、下凹的形狀，如圖7（a）所示。隨著鍛打過程不斷進(jìn)行，模具不停的開合，銅管四周不停產(chǎn)生波浪形狀，如圖7（b）所示。隨著鍛打加工的進(jìn)一步進(jìn)行，波浪形狀不停的產(chǎn)生，波峰波谷不停的重合或交叉，銅管局部位置會(huì)因?yàn)閼?yīng)力集中而失穩(wěn)，在某一個(gè)時(shí)刻，銅管會(huì)在失穩(wěn)位置產(chǎn)生明顯的凹陷，如圖7（c）所示。隨著加工進(jìn)一步進(jìn)行，凹陷產(chǎn)生的地方會(huì)因?yàn)榉€(wěn)定性降低而進(jìn)一步加劇，造成凹陷越來越明顯，如圖7（d）所示。因?yàn)槟＞吆豌~管加工過程中是線接觸到面接觸轉(zhuǎn)變過程，故從管長(zhǎng)方向看過去可以發(fā)現(xiàn)，缺陷呈現(xiàn)出條狀。

圖7 凹陷產(chǎn)生步驟Fig.7 Collapse Generation Step

結(jié)合式（3）進(jìn)行分析，當(dāng)進(jìn)給速度F增加之后，銅管上一次鍛打分離到下一次鍛打接觸時(shí)間t范圍內(nèi)，銅管前進(jìn)的距離ΔR增加，包角變小造成銅管流動(dòng)較大，形成的波浪條紋幅值會(huì)更大，造成應(yīng)力過大，當(dāng)大到一定程度時(shí)候，模具無法完全閉合，銅管中流動(dòng)的金屬會(huì)嵌入到模具之間，造成飛邊；當(dāng)波浪幅值較小的時(shí)候，銅管在不停的被鍛打的過程中，波峰和波谷不停的交叉，銅管外表面逐漸變得光滑，應(yīng)力應(yīng)變變得更加均勻。

因?yàn)殂~管壁厚只有0.1mm，銅管的剛性和穩(wěn)定性較差，同時(shí)銅管經(jīng)過950℃燒結(jié)后，銅管的屈服強(qiáng)度和硬度減小，故較小的應(yīng)力會(huì)造成銅管失穩(wěn)而產(chǎn)生缺陷，鍛打過程產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)加劇銅管的失穩(wěn)。所以在實(shí)際生產(chǎn)過程中，針對(duì)燒結(jié)態(tài)薄壁銅管需要通過減小進(jìn)給速度來提高表面鍛打成形質(zhì)量。

5 結(jié)論

通過對(duì)銅管旋轉(zhuǎn)鍛打進(jìn)給過程中旋鍛模具與銅管之間的接觸運(yùn)動(dòng)特性分析，得出以下結(jié)論：

（1）在相同條件下，增加鍛打模具數(shù)量可以提高銅管在鍛打過程中與模具接觸面積以及接觸時(shí)間，增加鍛打均勻性，提高成形表面質(zhì)量；

（2）減小銅管壁厚T、降低銅管硬度和屈服極限會(huì)造成旋鍛過程銅管剛性變差，不利于旋鍛成形表面質(zhì)量；

（3）對(duì)于壁厚為0.1mm的退火態(tài)銅管，當(dāng)進(jìn)給速度F=5mm/s時(shí)，能獲得較好的成形質(zhì)量。進(jìn)給速度F=10mm/s時(shí)，銅管表面會(huì)產(chǎn)生凸出等缺陷；當(dāng)進(jìn)給速度F=20mm/s，銅管表面會(huì)產(chǎn)生凹陷。造成這些缺陷的主要原因是表面應(yīng)力過大導(dǎo)致銅管屈服。