薄壁球面零件無芯模旋壓的壁厚分布

管雨娟，詹艷然

（福州大學(xué)，福州 350116）

近年來錐形件無芯模旋壓時，其壁厚分布滿足正弦律，原因在于旋壓初期板坯邊緣與變形區(qū)距離較遠，無法對變形區(qū)進行補料，導(dǎo)致板坯產(chǎn)生類似脹形的變形，從而使得壁厚變薄。隨著旋壓過程的進行，旋輪逐漸靠近板坯邊緣，使板坯外側(cè)金屬對變形區(qū)的補料成為可能，此時的變形類似于普通旋壓，壁厚分布不再滿足正弦律。

在錐形件的無模旋壓方面，眾多試驗研究結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果都表明，在旋壓前期，制件壁厚均滿足正弦律[1—4]，而旋壓末期的則不滿足正弦律?？颠_昌和Akio均在研究中發(fā)現(xiàn)當成形區(qū)直徑與板坯直徑的比值較大時，板坯邊緣金屬將產(chǎn)生環(huán)向收縮而壁厚基本不變，其變形屬于普通旋壓[5—7]。Kawai采用錐形件的旋壓方法加工球面零件時發(fā)現(xiàn)球面零件的壁厚并不完全符合剪切旋壓的正弦律，且在加工過程中存在開裂失效和起皺失效的成形極限[8—9]。Kang在無芯模旋壓時發(fā)現(xiàn)當板料邊緣的非變形區(qū)域很大時，無論旋輪軌跡是直線、凹曲線還是凸曲線，制件的壁厚變化規(guī)律均和剪切旋壓基本一致[10]，但當板料邊緣的非變形區(qū)域較小時，則工件前部分滿足正弦律，靠近法蘭部分則壁厚增加或者不變[11]，表明變形時存在一個臨界圓將剪切旋壓和普通旋壓分開[12]。

球面零件可以看作是由若干個錐角不同的錐面所組成的，其壁厚分布是否滿足正弦律則是文中要探討的重點，因此，文中針對空心球面零件的旋壓成形，通過試驗，探討其壁厚的變化與分布規(guī)律，以及旋輪軌跡和坯料尺寸對壁厚分布的影響。

1 工藝試驗方案

針對Φ140 mm的球面零件（見圖1），采用厚度為1.18 mm的SPCC鋼板進行試驗，為了考察板坯尺寸對成形結(jié)果的影響，分別采用Φ178,Φ185,Φ188,Φ192 mm這4個板坯尺寸進行旋壓試驗。

試驗是在PS-CNCSXY750雙旋輪數(shù)控旋壓機上進行的，試驗中旋輪圓角半徑為8 mm，安裝角為45°（見圖2），試驗中取主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min，并取旋輪進給比為0.01～0.15 mm/r。

圖1 球面零件Fig.1 Spherical part

圖2 旋輪安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of spinning roller installation

2 旋輪軌跡為圓弧時的壁厚分布

此時旋輪直接沿工件的外球面母線作圓弧移動，4個不同直徑的板坯在相同的成形工藝條件下所得的成形件見圖3，將各個制件剖切后測得其相對壁厚（制件壁厚與板坯厚度之比）分布見圖4。為了對比制件各處壁厚與正弦律壁厚分布之間的關(guān)系，圖4中把球面零件當作錐角連續(xù)變化的錐形件來處理，并據(jù)此作出了正弦律相對壁厚分布曲線。

從圖4可以看出，成形之后的球面零件大部分區(qū)域的壁厚分布基本滿足正弦律，僅在成形后期，當旋輪距離板坯邊緣較近時，球面壁厚才開始明顯偏離正弦律。還可以看出，板坯直徑不同則滿足和不滿足正弦律的分界點不同，板坯直徑越大滿足正弦律的區(qū)域越大，且當板坯尺寸大到一定程度的時候，整個球面均滿足正弦律，表明板坯直徑較大時整個球面均為剪切旋壓，且旋壓前后板坯邊緣直徑不變，法蘭邊存在較大的不變形區(qū)域（見圖3d）。

圖3 不同直徑板坯所成形的球面零件Fig.3 Spherical parts formed by different diameter blanks

3 旋輪軌跡為多段直線時的壁厚分布

球面零件可以近似看作是由若干個錐角不同的錐面組成，為了考察旋壓時各段錐面壁厚的分布情況，文中用4段錐面來代替球面。不同直徑的板坯在相同的成形工藝條件下所得的成形件見圖5，將各個制件剖切后測得其相對壁厚分布見圖6。

對比圖3和圖5，以及圖4和圖6，可以看出錐形件和球面零件的變形規(guī)律相似，坯料直徑越大，則法蘭邊金屬越不容易向內(nèi)收縮和起皺，且成形前期都滿足正弦律，僅在成形后期旋輪距離板坯邊緣較近時，工件壁厚才明顯偏離正弦律。板坯直徑不同則普通旋壓和剪切旋壓的分界點不同，板坯直徑增大則發(fā)生剪切旋壓的區(qū)域增大，當板坯直徑足夠大時，無論錐形件還是球面零件都只產(chǎn)生剪切旋壓，且旋壓前后板坯邊緣直徑不變。

圖4 坯料直徑對壁厚分布的影響Fig.4 Influences of blank diameter on wall thickness distribution

圖5 不同直徑板坯所成形的球面零件Fig.5 Conical parts formed by different diameter blanks

圖6 坯料直徑對壁厚分布的影響Fig.6 Influences of blank diameter on wall thickness distribution

綜合球面零件和錐面零件的成形結(jié)果可以看出，制件壁厚偏離正弦律的原因在于旋壓后期產(chǎn)生了普通旋壓，而板坯直徑對普通旋壓和剪切旋壓分界點的影響，實質(zhì)在于板坯外端金屬對變形區(qū)（旋輪與板坯接觸區(qū)）的約束作用。板坯直徑越大，則外端金屬越不易向內(nèi)收縮和向變形區(qū)補料，造成板料更多地以類似于脹形的方式成形，因此滿足正弦律的區(qū)域會變大。反之，板坯直徑較小時則外端金屬易于向內(nèi)收縮，從而在球面或錐面末端產(chǎn)生普通旋壓，并使其壁厚分布不再滿足正弦律，普通旋壓的存在也容易造成制件尾部起皺。

4 結(jié)論

1)板坯直徑足夠大時，旋輪與板坯的接觸區(qū)域距離板坯邊緣較遠，板坯法蘭邊無法向內(nèi)收縮和對變形區(qū)進行補料，造成球面零件或錐形件旋壓時僅產(chǎn)生剪切旋壓，變形區(qū)壁厚分布滿足正弦律，其旋壓過程中板坯外徑保持不變。

2)板坯直徑較小時，不論是球面零件還是錐形件，僅在旋壓前期產(chǎn)生剪切旋壓，而在旋壓后期則會產(chǎn)生普通旋壓，使其壁厚分布不再滿足正弦律。其原因在于旋壓后期板坯邊緣易于向內(nèi)收縮和向變形區(qū)補料。

3)若保持旋輪軌跡不變，僅改變板坯直徑時，則普通旋壓與剪切旋壓的分界線直徑隨著板坯直徑的增加而增加，板坯直徑大到一定程度則變形區(qū)僅產(chǎn)生剪切旋壓。

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