模具扇形角對(duì)機(jī)械拓徑成形的影響分析

【摘 要】模具扇形角在機(jī)械拓徑成形中是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，也是影響機(jī)械拓徑成形的一個(gè)關(guān)鍵因素。本文通過分析拓徑成形中，模具扇形角如何影響機(jī)械拓徑成形，以及通過模擬分析數(shù)據(jù)來論證模具扇形角對(duì)機(jī)械拓徑成形的影響。

【關(guān)鍵詞】模具扇形角；機(jī)械制造；拓徑成形；摩擦影響；模擬探析

一、機(jī)械拓徑成形的概述及應(yīng)用

機(jī)械拓徑成形是一項(xiàng)專業(yè)的技術(shù)，并且對(duì)機(jī)械成形有著重要的影響，通過機(jī)械成形技術(shù)，可以讓鋼管或者鋼線管等機(jī)械用來制造工藝精美的機(jī)械工藝品。通過機(jī)械成形，可以解決機(jī)械在焊接過程中，存在的一些問題，比如消除焊接殘余，或者改進(jìn)機(jī)械焊接品的承載能力等等，而機(jī)械拓徑在機(jī)械成形工藝中，占據(jù)核心作用。機(jī)械拓徑廣泛地運(yùn)用到機(jī)械制造中。機(jī)械拓徑技術(shù)，在機(jī)械制造中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)模具形狀的雕塑，而且還可以提高鋼制品的大小和形狀精度，機(jī)械制造中，機(jī)械施工難度是機(jī)械制造業(yè)中的一個(gè)難點(diǎn)，也是技術(shù)要點(diǎn)，而機(jī)械拓徑成形技術(shù)大大地降低了機(jī)械制造的施工難度。

二、模具扇形角對(duì)機(jī)械拓徑成形的影響分析

（1）機(jī)械拓徑成形中，摩擦影響扇形角，進(jìn)而影響機(jī)械拓徑成形。在橫斷面上，機(jī)械擴(kuò)徑模具的幾何形狀可以用三個(gè)參數(shù)描述，即扇形角α、外圓半徑R和模具分瓣邊緣圓角半徑r。而模具扇形角在機(jī)械拓徑工藝中占據(jù)了至關(guān)重要的作用，模具扇形角和擴(kuò)徑模具分瓣數(shù)目N之間的關(guān)系為α=2π/N，從這個(gè)關(guān)系式中，我們可以看出，模具扇形角與拓徑模具分瓣數(shù)目是相互制約關(guān)系，及只要扇形角越大，拓徑模具分瓣數(shù)目就會(huì)越小。從這個(gè)關(guān)系公式中，可以發(fā)現(xiàn)，模具扇形角的主要作用是很明顯的，它主要在于對(duì)管線鋼管進(jìn)行機(jī)械擴(kuò)徑時(shí)，扇形角的運(yùn)用體現(xiàn)在于它影響著管坯應(yīng)力應(yīng)變分布和制品壁厚變化。一般來說，在模具和機(jī)械鋼管坯之間，因?yàn)榇嬖谀Σ磷饔玫挠绊?，所以，機(jī)械鋼管坯的橫截面上的切向應(yīng)力和制品壁厚沿扇形瓣弧長(zhǎng)的分布都存在分布不均勻的狀況，即摩擦作用導(dǎo)致模具和管坯是處在非均勻狀態(tài)下的。比如取模具外圓半徑R=215（mm），模瓣邊緣圓角半徑r=5（mm）。那么通過一系列的物理公式和相關(guān)計(jì)算，可以算出，摩擦系數(shù)為μ=0.075。摩擦因素會(huì)直接影響到扇形角的尺寸大小。摩擦因素通過影響扇形角的弧度和角度大小，進(jìn)而影響到模具扇形角在機(jī)械拓徑成形中的運(yùn)用，但是，摩擦因素又是不可避免的，只能盡量地減少摩擦因素對(duì)模具扇形角的不良影響，進(jìn)而減小模具扇形角對(duì)機(jī)械拓徑成形的影響。（2）具體模擬和數(shù)據(jù)分析。扇形角的切向應(yīng)力是拓徑成形的主要相關(guān)因素。圖1是關(guān)于管坯內(nèi)表面切向應(yīng)力沿扇形瓣弧長(zhǎng)分布的數(shù)值模擬結(jié)果。當(dāng)我們?nèi)∩刃谓菫?0度的時(shí)候，并且把模瓣放在第一象限角平分線的位置。從圖上的數(shù)據(jù)模擬結(jié)果可以看出，在同一扇形角的情況下，當(dāng)模具與管坯所處的相對(duì)位置不同，在與該瓣模具對(duì)應(yīng)的管坯弧長(zhǎng)范圍內(nèi)時(shí)，其內(nèi)表面的切向應(yīng)力沿扇形瓣弧長(zhǎng)的分布規(guī)律和圖1相同或者近似。通過觀察同一個(gè)模瓣位置的不同扇形角時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，管坯內(nèi)表面的切向應(yīng)力沿模具表面弧長(zhǎng)的變化趨勢(shì)也基本一樣。知識(shí)不同扇形角的切向應(yīng)力存在明顯的不同。有限元分析結(jié)果表明，扇形角分別等于45度，36度，30度的情況下。三者的切向應(yīng)力分別為1.04，1.031，1.026。 雖然從數(shù)值上來看，三個(gè)數(shù)值的差別很小，但是，卻會(huì)對(duì)切向應(yīng)力的大小產(chǎn)生巨大的影響，進(jìn)而會(huì)影響到扇形角的大小，然后影響機(jī)械拓徑成形工藝。我們可以發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)徑模具的扇形角愈小，變形體的最大等效應(yīng)變也愈小，因此，對(duì)管坯的變形均勻度就產(chǎn)生很大的影響，管坯的成形均勻度難度系數(shù)升高。而當(dāng)扇形角逐漸變小的時(shí)候，高應(yīng)力區(qū)域面積愈大，低應(yīng)力區(qū)域面積隨即變小，等效殘余應(yīng)力分布也愈趨于均勻一致，所以管坯的變形均勻度就能夠?qū)崿F(xiàn)比較均勻的分布情況。這樣一來，就驗(yàn)證了上面的公式，即模具扇形角與拓徑模具分瓣數(shù)目是相互制約的關(guān)系。

圖1 切向應(yīng)力分布規(guī)律圖

總的來說，扇形角模具對(duì)機(jī)械拓徑成形制造有很大的影響，在考慮摩擦因素之余，還可以看到扇形角與機(jī)械拓徑模具分瓣數(shù)目相關(guān)制約的關(guān)系。模具扇形角對(duì)機(jī)械拓徑成形技術(shù)具有重要的評(píng)估價(jià)值，正當(dāng)?shù)剡\(yùn)用模具扇形角將對(duì)機(jī)械拓徑成形工藝的進(jìn)步產(chǎn)生巨大的影響。而分析上述扇形角對(duì)制品的殘余應(yīng)力及其分布規(guī)律的影響，因?yàn)槠涑尸F(xiàn)出隨扇形角減小等效殘余應(yīng)力最大值下降、分布均勻性提高的變化趨勢(shì)。所以，在不考慮焊接殘余應(yīng)力的情況下，施加1.75%的擴(kuò)徑變形量就可以滿足制品內(nèi)側(cè)形成切向受壓的殘余應(yīng)力狀態(tài)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊艷子，郭寶峰，金淼.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械擴(kuò)徑工藝參數(shù)預(yù)測(cè)方法[J].塑性工程學(xué)報(bào).2008（3）

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