縮口關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的計(jì)算與幾點(diǎn)聯(lián)想

文/盧險(xiǎn)峰，徐明發(fā)，羅忠民·南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

縮口關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的計(jì)算與幾點(diǎn)聯(lián)想

文/盧險(xiǎn)峰，徐明發(fā)，羅忠民·南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

在20世紀(jì)前半期的俄羅斯（前蘇聯(lián)時(shí)期），實(shí)現(xiàn)工業(yè)化建設(shè)是以機(jī)械制造、金屬加工產(chǎn)量為主，取得了鍛壓生產(chǎn)技術(shù)的巨大進(jìn)步，沖壓加工的規(guī)模和技術(shù)方法也得到了空前的發(fā)展。如在分離加工工藝中，在沖裁、整修的基礎(chǔ)上，開發(fā)了光潔沖裁、斜刃沖裁；在沖壓成形加工工藝中，將原已有的拉深、彎曲成形發(fā)展出了翻邊、擴(kuò)口、縮口等工藝。汽車后橋彈性隔套、自行車鞍管、子彈殼等很多零件的沖壓生產(chǎn)，都必須經(jīng)過一道縮口工序。沖壓縮口工藝的出現(xiàn)，最晚可認(rèn)為是在20世紀(jì)前期。經(jīng)過不斷完善、發(fā)展，現(xiàn)今已成為沖壓加工基本工序。顯然，期間至少經(jīng)歷了近百年的發(fā)展歷程。

本文專門述及的沖壓縮口工序，其變形過程如圖1所示，直徑為d0（2r0）、厚度為t0的管形坯料在縮口變形力P的作用下，經(jīng)過半錐角α的縮口模，管端材料縮成直徑為d（2r）、厚度為t的工件。在縮口件的工藝設(shè)計(jì)中，縮口變形力P的計(jì)算和縮口凹模半錐角α的設(shè)計(jì)，是縮口技術(shù)中至關(guān)重要的兩個(gè)工藝參數(shù)。

20世紀(jì)中期以來(lái)，人們逐漸深入認(rèn)識(shí)了縮口的變形實(shí)質(zhì)和工藝參數(shù)的科學(xué)設(shè)計(jì)。僅其中的縮口變形力P和凹模半錐角α這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的理論計(jì)算與最佳設(shè)計(jì)，于近60年里探討出以下成果。

圖1縮口變形示意圖

1982年，真鍋健一應(yīng)用塑性力學(xué)理論和數(shù)學(xué)解析，推導(dǎo)出了縮口力理論計(jì)算的一組公式，包括以下兩種情況：不考慮（凹模入口處）彎曲應(yīng)力時(shí)為P=2πR0tcσρc，考慮（凹模入口處）彎曲應(yīng)力時(shí)為：P=2πR0tc{σρc＋[F（t0＋tc/4ρ）]1+n}。文中報(bào)告了要通過逐次逼近法解出位移關(guān)系公式，求解微分平衡方程，從材料開始接觸凹模到成形結(jié)束。并用4種拉制純鋁材（φ40mm×1.0mm，φ4 0mm×1.5mm，φ5 0mm×1.0mm，φ50mm×1.5mm）的縮口實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)指出，當(dāng)不計(jì)凹模入口處的彎曲應(yīng)力時(shí)，凹模錐角最佳值應(yīng)該不存在。

2004年，胡成武等解析出了最小縮口力條件下最佳凹模半錐角的公式，并化為α=arcsin[（2-9μ2）/（5－8μ）]。

近幾年里，本課題研究小組，在前人研究所取得成果的基礎(chǔ)上，特別是針對(duì)其上述各研究中對(duì)變形本質(zhì)特征認(rèn)識(shí)不足和存在的問題，依據(jù)金屬塑性變形的基本原理與縮口變形的本質(zhì)特征，先后從理論上推導(dǎo)，并經(jīng)工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后提出了縮口力計(jì)算與最優(yōu)凹模半錐角設(shè)計(jì)的新公式。2004年，首先基于冷變形本質(zhì)特征的硬化效應(yīng)且采用冪函數(shù)規(guī)律的加工硬化規(guī)律σ=kεn（現(xiàn)普遍認(rèn)為符合大多數(shù)板料沖壓加工的實(shí)際），并考慮變形區(qū)材料厚度變化（不可忽略的縮口、拉深等基本工序的變形區(qū)材料的增厚）特點(diǎn)，先導(dǎo)出了一個(gè)縮口力變形力的計(jì)算公式P=1.15KπR0t0（1+μcotα）cosα[（1+n/2）（1-mN-ln mN）+n（1-mN）（-7mN-31）/12]。2005年，再考慮其變形區(qū)材料受附加彎曲（包括凹模入口和出口處）影響，進(jìn)而推導(dǎo)出縮口力計(jì)算公式為P=2.3KπR0t0（1+μcotα）[（1+n/2）（1-mN）-n（5-）/6]（3-2cosα）。2006年，求出其最優(yōu)解與摩擦系數(shù)的關(guān)系式為：4sin3α/（6-5cosα+cos3α）=μ。2010年，依據(jù)最優(yōu)化問題求解方法中二次插值、有理插值法等的思想，希望找到替代或近似處理的方法，使關(guān)系顯式化。為此，對(duì)以上公式作出如下分析和近似處理，得到近似值與精確值最大誤差在2.5％范圍下的簡(jiǎn)化顯式公式：α※=arcsin（0.76·）。

經(jīng)多年較系統(tǒng)的研究，包括對(duì)Q235鋼和T2銅兩種材料、不同半錐角α的凹模進(jìn)行了縮口力的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析，驗(yàn)證了上文提出的縮口變形力計(jì)算公式和縮口凹模半錐角α的優(yōu)化設(shè)計(jì)公式更為科學(xué)合理，也更為簡(jiǎn)便實(shí)用。

在進(jìn)行縮口變形力P的計(jì)算和縮口凹模半錐角α的設(shè)計(jì)過程中，聯(lián)系目前沖壓技術(shù)的發(fā)展情況，有幾方面想法跟大家分享：

⑴雖然以上僅僅是對(duì)縮口技術(shù)兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的沿革與新探成果的概述，但由此聯(lián)想到縮口技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)今這種較高的水平、對(duì)縮口變形規(guī)律及特點(diǎn)更為科學(xué)的認(rèn)識(shí)是由于人們進(jìn)行了不斷的研究創(chuàng)新，經(jīng)歷了較長(zhǎng)的歷史發(fā)展時(shí)期。而且，這種研究、探索并未到終極，今后還會(huì)有新鮮的內(nèi)容出現(xiàn)，包括其原理上和實(shí)踐上。

⑵21世紀(jì)的今天，有如精沖、冷擠壓等先進(jìn)技術(shù)工藝，也有沖裁、拉深、彎曲、縮口等傳統(tǒng)的工藝方法。有的人認(rèn)為先進(jìn)的技術(shù)要學(xué)習(xí)、要引進(jìn)、要發(fā)展，傳統(tǒng)的工藝就沒有發(fā)展的必要和余地了。筆者認(rèn)為，首先這種劃分新與舊、先進(jìn)與傳統(tǒng)的基準(zhǔn)是有錯(cuò)誤的、欠科學(xué)的。如精沖技術(shù)，已有90年的發(fā)展和應(yīng)用的歷史，冷擠壓有100多年的發(fā)展，熱擠壓更早，鋼的冷擠壓也有近80年的發(fā)展史，只是它們?cè)谖覈?guó)發(fā)展應(yīng)用較晚而已。而沖裁、拉深、彎曲、縮口雖均至少有百年歷史，可正如本文專述的縮口關(guān)鍵技術(shù)那樣，必有繼續(xù)發(fā)展的地方。

⑶當(dāng)然，鍛壓企業(yè)要積極發(fā)展、應(yīng)用新技術(shù)，這是不言而喻的。然而，即便視為傳統(tǒng)的加工方法的那些沖壓加工基本工序，也有許多不斷發(fā)展的內(nèi)容與創(chuàng)新的空間。這些內(nèi)容與空間，可以是工藝上的創(chuàng)新、模具上的創(chuàng)新、設(shè)備上的創(chuàng)新，還可以從產(chǎn)品的創(chuàng)新而帶動(dòng)工藝、模具與設(shè)備的創(chuàng)新。

⑷企業(yè)的創(chuàng)新首先要立足于企業(yè)的實(shí)際，努力吸取先進(jìn)制造技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的營(yíng)養(yǎng)，一點(diǎn)一點(diǎn)的改、一步一步的變，達(dá)到有效果的改、有效益的變。一旦改進(jìn)了一種工藝結(jié)構(gòu)、優(yōu)化了一個(gè)工藝參數(shù)，取得了一項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，對(duì)很多企業(yè)而言，就是一大創(chuàng)新。