作者：洪慎章 曾振鵬
（上海交通大學(xué)）

　　摘　要：敘述了旋壓工藝過程及其參數(shù)選擇，管形毛坯尺寸計(jì)算及工藝裝備設(shè)計(jì)。
　　關(guān)鍵詞：銅合金襯套；工藝參數(shù)；工藝裝備設(shè)計(jì)
　　圖1所示為一細(xì)長薄壁錐形襯套零件，大頭外徑Φ80mm，小頭外徑Φ60mm，長度350mm，壁厚4mm，材料為HPb59-1鉛黃銅，且尺寸精度要求較高。若采用常規(guī)的加工方法，如切削加工、拉、擠壓等工藝，則既達(dá)不到產(chǎn)品的形狀及尺寸要求，又要多耗費(fèi)銅合金材料，多投資設(shè)備和模具費(fèi)用以及低的生產(chǎn)率。本襯套零件按其形狀及尺寸，經(jīng)工藝分析，確定采用強(qiáng)力旋壓工藝。

圖1　襯套零件圖

　　強(qiáng)力旋壓工藝過程
　　強(qiáng)力旋壓的變形過程如圖2所示，將短而厚的管形毛坯套在芯模上，其一端與芯模的凸肩環(huán)形面接觸，使其固定在芯模上，用尾座的頂緊塊緊靠芯模的另一端。在旋輪進(jìn)給推力作用下，由此產(chǎn)生接觸端面間摩擦力，并經(jīng)未減薄的工件壁來傳遞扭矩。旋輪從一端開始旋壓，被旋出的金屬向著旋輪進(jìn)給方向相反的方向流動(dòng)?？梢?，已旋出的金屬處于壓縮應(yīng)力狀態(tài)，而未旋壓部分的毛坯則處于無應(yīng)力狀態(tài)。

圖2　管形件的強(qiáng)力旋壓

　　旋壓工藝參數(shù)選擇
　　選擇合適的工藝參數(shù)是保證旋壓成功的關(guān)鍵。旋壓過程中主要的工藝參數(shù)有：減薄率、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、旋輪安裝角及旋壓道次等。
　　1.減薄率。金屬材料的可旋性是強(qiáng)力旋壓工藝的基本條件之一。所謂可旋性，就廣義地講，是指某種金屬材料能否承受旋壓，除了由于設(shè)備條件對于高的變形抗力和過厚的毛坯是否可以進(jìn)行旋壓成形外，還指給定材料經(jīng)受旋壓而不破裂、不產(chǎn)生局部失穩(wěn)和堆積等疵病的能力，即某種金屬材料經(jīng)受旋壓變形而不產(chǎn)生破裂的Z大能力。
　　在強(qiáng)力旋壓過程中，減薄率是變形區(qū)的一個(gè)主要工藝參數(shù)，因?yàn)樗苯佑绊懙叫龎毫Φ拇笮『托龎壕鹊暮脡模瑯O限減薄率在很大程度上取決于材料的塑性。由此可知，材料的可旋性定義可表達(dá)為材料在破裂前所能承受的極限壁厚減薄率ψ_1max，即

　　式中：t₀——旋壓前管形毛坯的壁厚；
　　t_1min——旋壓后制件的Z小壁厚。
　　根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，許多材料一次旋壓中通常取減薄率ψ₁＜30%～40%，就可保證零件達(dá)到較高的尺寸精度。本襯套銅合金材料按上述公式計(jì)算可得極限壁厚減薄率ψ_1max=34%，是滿足一次旋壓工藝的許可條件。
　　2.主軸轉(zhuǎn)速。這個(gè)參數(shù)對旋壓過程影響不顯著，但提高轉(zhuǎn)速，可以減小零件表面的粗糙度，并提高生產(chǎn)率。對本襯套銅合金材料，Z大主軸轉(zhuǎn)速為600～800r/min。
　　3.進(jìn)給量。芯模每轉(zhuǎn)一圈時(shí)旋輪沿芯模母線移動(dòng)的距離稱為進(jìn)給量。其數(shù)值的大小，對旋壓過程影響很大，與零件的尺寸精度、表面粗糙度、旋壓力的大小和毛坯的減薄率都有密切關(guān)系，進(jìn)給量較大，有利于旋壓件貼模；其值較小，有利于減小零件表面粗糙度。
　　根據(jù)Cu-Zu二元狀態(tài)圖，在室溫下的顯微組織由α+β兩相組成，即呈面心立方體和體心立方體晶格的金屬材料，具有較大的塑性變形程度。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)資料，進(jìn)給量可取0.3～3mm/r。
　　4.旋輪安裝角。芯模曲線和旋輪軸線構(gòu)成的夾角稱為旋輪安裝角。安裝角不能過大，以免旋輪前沿過深壓入毛坯和零件過渡區(qū)內(nèi)，使金屬流向旋輪前面，從而造成極粗糙的銼齒形表面。為消除這種現(xiàn)象，可增大旋輪圓角半徑或減小進(jìn)給量和減薄率。根據(jù)本襯套零件的形狀，應(yīng)采用旋輪軸線平行于芯模軸線。
　　5.旋壓道次的計(jì)算。旋壓道次的多少是直接影響制件的表面質(zhì)量，以及能否成功地旋壓出所需零件的重要工藝參數(shù)。當(dāng)旋壓道次增加，旋輪道次間距較大時(shí)，制件壁會(huì)破裂。為此，應(yīng)盡可能減小道次，以增加減薄率。對本襯套零件的形狀、尺寸及材料而言，據(jù)初步計(jì)算，采用單道強(qiáng)力旋壓工藝。
　　管形毛坯尺寸計(jì)算
　　根據(jù)材料位移而體積不變原則，即假定材料是不可壓縮的，在旋壓前的毛坯體積等于旋壓后制件的體積。
　　旋壓后制件體積V₁按下式計(jì)算（圖3）：

　　式中：D₁、D₂——分別為制件大頭內(nèi)徑和外徑；
　　d₁、d₂——分別為制件小頭內(nèi)徑和外徑；
　　L₁——制件長度。

圖3　管形毛坯尺寸計(jì)算

　　旋壓前管形毛坯體積V₀為

　　式中：D₀、d₀——分別為管形毛坯外徑和內(nèi)徑；
　　L₀——管形毛坯長度。
　　上式中有3個(gè)未知數(shù)L₀、D₀、d₀，具體確定這3個(gè)未知數(shù)的數(shù)值，應(yīng)按照金屬材料的可旋性及旋壓工藝參數(shù)。
　　通過試驗(yàn)，管形毛坯的壁厚經(jīng)計(jì)算得t₀=6mm。由上式計(jì)算管形毛坯長度L₀=197.44mm，再加放制件的兩端修正余量，Z后選用管形毛坯尺寸為：長度L₀=200mm，外徑D₀=84mm，內(nèi)徑D₀=72mm及壁厚t₀=6mm。
　　工藝裝備設(shè)計(jì)
　　為完成旋壓過程，顯然需要一些主要工藝裝備，例如旋輪、芯模、仿形板和尾頂塊等。
　　1.旋輪。它是旋壓加工的主要工具之一，也是使旋壓工藝取得良好效果的一個(gè)重要影響因素。工作時(shí)，它與毛坯直接接觸，承受著巨大的接觸壓力、劇烈的摩擦和一定的工作溫度。旋輪設(shè)計(jì)得正確與否將直接影響制件的質(zhì)量和旋壓力大小。旋輪工作部分的表面狀況(形狀尺寸、精度、硬度和粗糙度等)也直接地反映到制件的外表面。因此，對旋輪的要求是具有足夠的強(qiáng)度、剛度、硬度和耐熱性，合理的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸精度，以及良好的工作表面。
　　根據(jù)本襯套零件形狀，旋輪的形狀設(shè)計(jì)如圖4所示。外徑為80mm，寬度為24mm及頂端圓角半徑為12mm。材料為Cr12MoV合金工具鋼，熱處理硬度為HRC62～64。

圖4　旋輪形狀及尺寸

　　2.芯模。它是旋壓過程中不可缺少的重要變形工具。外旋壓時(shí)，芯模的外表面與制件的內(nèi)表面直接接觸，所以，芯模的形狀是隨旋壓件的形狀而定?？梢?，在其表面上承受相當(dāng)大的局部作用力，而其作用點(diǎn)沿進(jìn)給方向按螺旋線變化。同時(shí)，金屬材料變形時(shí)沿芯模接觸面流動(dòng)產(chǎn)生很大的摩擦。因此，對芯模的要求應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、硬度、精度和良好的耐磨性；同時(shí)，其表面應(yīng)具有較小的粗糙度、不得有裂紋、劃痕、擦傷和局部凸凹等缺陷。否則，它們都將不同程度地影響著制件的精度和表面質(zhì)量。
　　芯模材料采用40CrMn合金結(jié)構(gòu)鋼，熱處理硬度為HRC56～60。
　　3.仿形板。為了使旋輪沿一定軌跡作平行移動(dòng)，可在普通車床的刀架上設(shè)計(jì)一個(gè)專用仿形板，其形狀及尺寸可按制件的形狀及尺寸來計(jì)算。旋壓時(shí)，旋輪的運(yùn)動(dòng)軌跡和它所決定的制件母線幾何形位狀況主要取決于仿形板的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

來源：《新技術(shù)新工藝》