（机械工程专业论文）t2铜材回转锥型罩旋压加工工艺的研究.pdf

摘要 随着现代制造技术的发展，人们对各种机械结构件的加工质量要求越来越 高，由于旋压技术是一种综合了锻造、挤压、拉深、弯曲和滚压等工艺特点的 先进制造技术，具有少切削或无切削、变形力小、精度高、产品质量稳定、可 提高加工产品的强度和硬度、材料利用率高、工装简单、生产效率高等特点， 所以旋压技术在回转锥型罩的制造中被优先应用。 t 2 铜材回转锥型罩是一种被广泛应用的结构件。其加工质量取决于合理的 结构设计和成型工艺方法。对同一结构尺寸的t 2 铜材回转锥型罩，加工方法不 同，其加工质量有着显著的不同。研究和设计t 2 铜材回转锥型罩的加工方法及 工艺，对保证和提高t 2 铜材回转锥型罩加工质量，改善其综合性能是十分重要 的。作者对t 2 铜材回转锥型罩结构进行合理的工艺设计，并对其加工设备进行 分析、比较、研究和改造，优选加工工艺参数，剖析加工工艺，达到了改善和 提高t 2 铜材回转锥型罩加工质量的目的。对深入研究、实践和推广t 2 铜材回 转锥型罩的旋压加工具有重要意义。 关键词：回转锥型罩坯料设计旋压加工旋压工艺 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e mm a n u f a c t u r e ，p e o p l ep u tf o r w a r dh i g h e r a n dh i g h e r r e q u i r e m e n t s o nt h e q u a l i t y o fv a r i o u sm e c h a n i c a ls t r u c t u r a l m e m b e r s s p i n n i n gh a sb e e na p p l i e df i r s t i nt h ef a n u f a c t u r eo fr o t a r ya w lc o v e r b e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i cw i t hs y n t h e s i z i n gf o r g i n ge x t r u d i n gp u l l i n gb l e n d i n ga n d r o l l i n ge t c ，t h ec h a r a c t e r i s t i ci n c l u d e si t sl e s sc u t t i n go rn oc u t t i n g ，d e f o r m i n gf o r c e l i t t l e ，h i g h e rp r e c i s i o n ，q u a l i t ys t e a d y ，t o o ls i m p l e ，h i g h e rm a t e r i a lu t i l i z a t i o n ，e a s y t or a i s es t r e n g t ha n dh a r d n e s so np r o d u c t s t 2r o t a r ya w lc o v e ri sak i n do fs t r u c t u r a lm e m b e rt h a th a sb e e na p p l i e d e x t e n s i v e l y t sp r o d u c i n gq u a l i t yd e p e n d so nr e a s o n a b l es t r u c t u r a ld e s i g na n d p r o d u c i n gt y p e f o rt 2r o t a r ya w lc o v e rw i t has t r u c t u r a lr i d e ro fi n c h ，i t sp r o d u c i n g q u a l i t yh a se v i d e n td i f f e r e n c eb e c a u s eo fp r o d u c i n gm e t h o db e i n gd i f f e r e n t t h e p r o d u c i n ga n dp r o c e s s i n gr e s e a r c ha n dd e s i g no nt 2r o t a r ya w lc o v e ri sv e r y i m p o r t a n t t om a k es u r et h e p r o d u c i n gq u a l i t y a n di m p r o v e s y n t h e s i z e d c h a r a c t e r i s t i c a u t h e rc a r r i e do u tr e a s o n a b l ep r o c e s s i n gd e s i g nf o rt 2r o t a r ya w l c o v e rs t r u c t u r ew i t ha n a l y z i n gc o m p a r i n gr e s e a r c h i n ga n d t r a n s f o r m i n gi t sp r o d u c i n g e q u i p m e n t ，t oc h o o s eg o o dp r o c e s s i n gp a r a m e t e ra n da n a t o m yp r o c e s s i n g ，t or e a c h t h ep u r p o s et h a ti m p r o v e sa n dr a i s e sp r o c e s s i n gq u a l i t y0 1 2t 2r o t a r ya w lc o v e r i ti s v e r yi m p o r t a n tt h a t1 2r o t a r ya w lc o v e rs p i n n i n gi sr e s e a c h e dp r a c t i s e da n d p o p u l a r i t i e dd e e p l y k e yw o r d s ：r o t a r ya w lc o v e r ， m a t e r a ld e s i g n ， s p i n n i n g ，p r o c e s s i n g 插图清样 图l - 1 冲形前工件与模具接触情况2 图1 2 坯料各部位壁厚变化情况3 图2 1 回转锥形罩旋压原理7 图3 1 旋压变形图l o 图3 2 毛坯求法图解儿 图3 3 毛坯内壁曲线1 3 图3 4 毛坯冲压示意图1 3 图3 5 两种毛坯壁厚变化情况1 4 图3 6 坯料计算图1 5 图4 1 机床控制框图1 9 图4 2 半闭环伺服控制系统2 3 图4 3 闭环伺服控制系统2 3 图4 4 典型的滚压示意图3 l 图4 5 倾角和进给速度的合理选择3 2 图4 6 不同运动轨迹的旋压路径3 3 图4 7 回转锥型罩工艺流程图3 4 图4 8 同步旋压装置示意图3 4 图4 9 冲锥一次旋压工艺流程3 5 图4 i 0 引伸一次旋压工艺流程3 7 图4 1 1 双锥二次旋压工艺流程3 8 图4 1 2 单锥二次旋压工艺流程3 9 图5 1 旋轮攻角口及圆角半径r 4 2 图6 1 纵向硬度( h v ) 测量部位及结果4 4 图6 2 横向硬度( hv ) 测量部位及结果4 5 图6 3 罩金相分析取样部位4 7 图6 4 不同工艺回转锥型罩的极图4 9 图6 5 板料、冲盂坯料的i 一曲线5 0 图6 6 不同工艺回转锥型罩的i 一曲线5 0 图6 7 罩内层纵向硬度hv 测试结果5 2 图6 8 罩顶部硬度hv 随温度的变化曲线5 3 表格清样 表3 1 毛坯单元半锥角计算结果1 2 表3 2 成品罩与双锥坯料有关参数1 5 表3 3 单双锥形坯料有关参数计算结果1 6 表4 1 主要技术参数1 7 表4 2 主要技术参数1 8 表5 1 主要工艺参数4 3 表6 1 密度测试结果4 6 表6 。2 机械性能测试结果4 6 表6 3 不同工艺坯料晶粒度测量结果4 7 表6 4 两种工艺成品罩晶粒度测量结果4 7 表6 5 旋压时间对罩密度影响5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导一f 进行的研究j 二作及取得的研究 成果，据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含获得金匿王些左堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。其他同志对本课题的研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确说明并表示感谢。 l 学位论文作者签名7 孑 签字日期：d ( 年邙, e l ，9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒日i 王墼盍掌有关保留、使用学位论文的觏定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权金壁王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) l 学位论文作者签名：了 签字日期；6 6 年驵qe t 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师箍名： 1 办1 签字日期：d 晦v 月 y 日 电话： 邮编： 致谢 本课题是在我的导师刘志峰教授的倾心指导下完成的。从课题的前期调 研、课题选择、课题研究方案的拟定到开展课题研究、论文的撰写、修改、定 稿，导师都予以无私的关怀、帮助和指导，刘老师渊博的专业知识，严谨的治 学理念，待人的真诚态度，高尚的人格魅力永远是作为教师的我学习的榜样， 刘老师对我的影响将使我终生受益，并使我更加坚信在今后的教育战线上能够 取得更大的成绩。在此我谨向尊敬的恩师刘老师表示最衷心的感谢。 在课题的研究过程中，安徽东风机械厂研究所的同志们给予了大力支持， 特别是安徽东风机械厂研究所的高级工程师张明宏同志给予许多无私的帮助 和指导。谨此表示衷心的感谢。 作者余承辉 2 0 0 6 年3 月 第一章绪论 t 2 铜材回转锥型罩是一种被广泛应用的结构件。其加工质量取决于合理的 结构设计和成型工艺方法。对同一结构尺寸的t 2 铜材回转锥型罩，加工方法 不同，对加工质量有着不同的影响。研究和设计t 2 铜材回转锥型罩的加工方 法及工艺，对保证和提高t 2 铜材回转锥型罩加工质量，改善其综合性能是十 分重要的。因此，国内外都十分重视这方面的研究工作。就加工方法而言，常 用的有车制加工，板料冲压等，但由于缺点很多，在大量生产时，逐步采用旋 压加工。 1 1t 2 铜材回转锥型罩车制加工 t 2 铜材回转锥型罩的车制加工，是指用热锻毛坯，经车削加工，以达到产 品图要求的加工方法。工艺流程一般为：下料一冲坯一挤型一退火一车削成型。 坯料的热加工温度控制在8 0 09 0 0 。退火温度一般为4 5 0 或6 5 0 ，目的 是消除加工所产生的内应力和恢复其等轴晶粒状态，细化组织。退火后，应迅 速将坯件转入冷水中冷却，以减少氧化。 这种方法虽然具有工艺简单、所需设备工装不复杂等优点，但材料利用率 低，锥型罩的晶粒相对比较粗大( 一般在0 0 6 5 m m 以上) ，强度低。另外，锥型 罩尺寸精度较难控制，生产效率和良品率低。因此，在大量生产时被旋压加工 所取代。 1 2t 2 铜材回转锥型罩冲压加工 冲压是t 2 铜材回转锥型罩经常采用的种加工方法。对于变壁厚的回转 锥型罩，壁厚尺寸要求较严，拉伸后需经校正达到图纸尺寸。由于回转锥型罩 锥角大小的关系，校正前的半成品加工方案有所不同。锥角大于6 0 。时，采用 半球体成型法及抛物线成型法等：小于6 0 。时，多用逐步冲锥法。 1 2 1 毛坯尺寸的确定 拉伸零件毛坯尺寸确定可采用按面积、体积( 或重量) 、图解等计算方法， 冲压为变壁厚锥型罩，只能按体积( 或重量) 不变的方法确定其毛坯直径。确 定毛坯直径时，应加上适当的修边余量。 毛坯尺寸确定后，应根据国际规定的t 2 铜材的标准尺寸范围选材。 板料厚度应符合国家标准，其下限尺寸应比回转锥型罩最大壁厚的上限尺 寸大5 左右，以保证校形时有足够的校形余量。 1 ，2 2 小锥角回转锥型罩冲压工艺设计 回转锥型罩锥角小于6 0 。时，用逐步冲锥的方法进行工艺设计。其具体方 法可根据毛坯料的相对厚度f 国x 1 0 0 ( 卜板料厚度，d 一板料直径) 值，及铞 板的机械性能，参照一般冲压手册来确定各道工序的压延系数m ( m = d l d ， m l = d 2 d l ，m 2 = c t 3 d 2 ) 和引伸直径d l ，d 2 ，d 3 等参数，排出初步工艺流程。 考虑到回转锥型罩与一般锥形件有以下几点不同： 锥顶部r 小，一般不大于5 m m 。 锥部为变壁厚，顶部薄，口部厚，沿罩母线壁厚变化应均匀。 同一圆周壁厚差小，一般不大于0 1 m m 。 各部位变形不均匀会影响晶粒组织的均匀性。 退火次数和退火温度对罩晶粒状态有一定影响。 因此，在确定工艺参数和进行模具设计时，应注意： 落料冲盂应一次进行，保证冲盂的同轴性，盂的口径一般应等于或略 大于回转锥型罩的口径。 选择合理的凹模、凸模的r ( ，) 、模具间隙和压边力，使盂口部r 处壁 厚增厚，底部，处壁厚拉薄，其尺寸变化量控制在5 1 0 范围内。坯料壁厚应 从口部至顶部逐渐减薄。 上、下道工序应衔接，不得产生波纹。壁厚应控制在比成品罩对应部 分大o 2 0 0 3 0 m m ，并力求均匀过渡。 冲尖时圆柱部高度应控制在该部分的体积比对应成品罩部分体积大 5 1 0 左右。 冲形前最后一道冲尖工序，其圆柱部直径确定应保证冲形冲头刚接触坯 盂时，顶部，不与坯盂底部接触( 图1 1 ) 。当冲头继续向下运动时，圆柱部上 端r 处向外的扩张量一应略大于底部，处向内的收缩量口。 图1 1 冲形前工件与模具接触情况 卜冲头；2 一罩坯料；3 一凹模 尽量减少冲尖次数和退火次数。 在保证冲形顶部矗不破裂前提下，退火工序尽量往前提。退火温度应 控制在4 5 0 。c 以下，以达到消除前工序加工所产生的内应力为准，不允许为了 好校形，在冲形前进行再结晶温度退火( 6 5 0 ) 。 遵照上述原则，适当调整有关参数( m ，d 等) ，确定工艺流程，编制工艺 规程，设计加工模具，选择设备，进行生产试制。然后针对试制中出现问题， 再适当调整。达到产品图要求后，编制正式工艺规程指导生产。 t 2 铜材回转锥型罩冲压工艺流程为： 下条料( 涂油) 一落料冲盂一一次锥形冲尖一二次锥形冲尖一化学去 油一退火一酸洗一三次锥形冲尖一四次锥形冲尖一清洗一冲形校正( 检 验) 一翻边一校口一切边等。 1 2 3大锥角回转锥型罩冲压工艺设计 回转锥型罩锥角大于或等于6 0 。时，仍可用逐步冲锥的方法进行工艺设 计，设计计算方法和所遵循的原则基本同小锥角回转锥型罩。 回转锥型罩锥角大于6 0 。时，顶部r 、壁厚变化率j 相对较大，罩的高度 h 和罩的口径d 之比相对较小，压延系数m 可取较小值，以减少冲锥次数。 采用半球形引伸方法，毛坯设计、冲盂、冲形校正与逐步冲锥法基本相同。 它主要利用引伸后，零件各部位壁厚j 变化规律( 图1 2 ) ，比较接近回转锥型 罩顶部薄口部厚的情况。加工后的坯料壁厚变化过渡较均匀，内表面比较光滑， 不存在逐步冲锥法因操作不佳而造成锥面出现印痕的现象。 牟陪龉扣l 图1 ，2 坯料各部位壁厚变化情况 采用此方法应掌握： 1 冲盂时，底部，处壁厚不宜拉薄过多。 2 引伸后坯盂璧厚应留有足够的校形余量，一般在0 2 o 4 m m 左右。 3 引伸后的坯盂，当冲形校正冲头刚接触坯件时，冲头顶部r 与坯件底 部不能接触或留少许距离，冲形时坯件口部的扩张量( 角) 应略大于底部r 处 的收缩量。 冲压t 2 铜材回转锥型罩虽然具有工艺简单，校形各部位变形较均匀等优 点，但生产中常出现些问题： 1 冲形校正时，罩口部丌裂 冲形校正时，使罩口部变形量过大，t 2 铜材性能波动不能与其相适应，口 部甚至会出现1 0 0 炸裂现象。 主要是出于； ( 1 ) 回转锥型罩的落料属一般冲裁，模具1 1 日j 隙大，其变形过程是挤进和撕 裂。从圆周断面看，挤进阶段表面比较光滑，随着材料强度提高，挤进阶段逐 渐缩小，甚至没有。撕裂的断面比较粗糙，高低不平。当模具调整的同轴度较 差和模具刃口变钝及损坏时，会出现飞边、毛刺等现象。另外，冲裁时材料的 周沿产生硬化带。这些都影响后道工序的塑性变形。通过令相观察，冲盂后罩 口部周沿断面出现微观裂纹，产生了潜在危险。 ( 2 ) 经冲盂、引伸后，罩周沿会属由直径1 0 0 m m 缩减到6 4 8 毫米，变形 量最大，会属硬化程度最强，塑性最差。该部分余属在这两道工序加工时，受 母线方向的拉应力和周围方向的压应力，因此，口部断面的微小裂纹不会扩大。 当冲形校f 时，已经硬化了的该部分会属，又产生向外扩张的较大变形。此时 周围方向受拉应力作用，原来口部断面的微小裂纹，必然扩大成裂口。 2 冲锥时圆柱部r 处拉薄、开裂 上道工序圆柱部引伸高度不够，满足不了下道工序所需金属体积，造成引 伸拉力过大，或r 选择过小。 3 冲锥时，各工序锥面衔接不好，产生波纹 上道工序圆柱部高度引伸过大，超过下道工序所需金属体积。 4 冲形校f 时罩壁厚及壁厚差难控制 冲形校f 是回转锥型罩冲压加工中的关键工序，掌握不好会使零件尺寸达 不到图纸规定，或者尺寸虽符合要求，但性能不好。 t 2 铜材回转锥型罩采用车制加工和板料冲压，存在其自身难以克服的缺 陷，因此，在大量生产时，被旋压加工所取代。 1 3 t 2 铜材回转锥型罩旋压加工工艺研究的现实意义 1 3 1 旋压加工技术的国内外现状 旋压加工技术始于二十世纪初，较早开始设计和制造各种旋压机，并从事 旋压加工技术的国家有德国、美国、加拿大、俄罗斯等。目前，国外旋压技术 已达到了一定的水平，不论在其工艺研究、设备设计制造，还是理论研究和应 用等方面都有很大的发展。我国旋压加工技术自上世纪六十年代丌始，也得到 了一定的发展，具有一定的科研技术队伍和生产能力，但仍然不能适应我国国 民经济的发展需要，与国外相比，尚存在较大的差距，因此，有待进一步努力 研究和推广。 1 3 2 旋压加工技术研究的现实意义 旋压加工具有变形条件好，制品性能高，尺寸公差小，材料利用率高，制 品范围广，可制成整体回转体零件等优点。它已经在各先进工业国家的工业部 门中显示出其先进性、实用性、经济性。旋压技术和设备已成功地应用于军事、 化工、冶金、机械制造、电子以及民用等行业中。它已经作为一项新技术与传 统工艺并行发展着，并且已形成了近代金属压力加工的个新区域。 安徽东风机械厂是一家军工生产企业，是回转锥型罩类零件重要的生产和 研究基地，合作开发和研究t 2 铜材回转锥型罩，加快我国旋压加工技术的发 展，缩短与国外的技术差距，适应我国国民经济的发展需要，具有十分重要的 意义。 第二章旋压加工的理论基础 2 1 引言 旋压加工是一种综合了锻造、挤压、拉深、弯曲和滚压等工艺特点的少无 切削加工的先进制造，旋压技术在机械制造中应用十分广泛。旋压加工是用一 个或几个旋轮对旋转中的金属毛坯施以高压，使之逐点产生塑性变形，而达到 所需要的形状和尺寸的空心薄壁回转零件，是回转锥型罩大量生产的一种主要 加工方法，它适用于不同锥角的单锥、双锥及喇叭锥、双曲线等各种复杂形状 的回转锥型罩。 旋压加工主要特点如下： l 。旋压加工是一种少切削或无切削加工： 2 旋压属于局部连续性加工，瞬间的变形区小，所需总的变形力较小； 3 有一些形状复杂的零件或高强度难变形的材料，传统工艺很难甚至无法 加工，用旋压成形却可以方便地加工出来； 4 旋压加工精度高，产品质量稳定，旋压件的尺寸公差等级可达i t 8 左右， 表面粗糙度r 。 3 物r a ，强度和硬度均有显著提高； 5 旋压加工工装简单，加工周期短，生产效率高； 6 旋压加工材料利用率高，模具成本低。 旋压加工的经济性与生产批量、工件结构、设备及劳动费用等有关。在许 多情况下，旋压要与冲压等其它工艺方法配合应用，以获得最佳的产品质量和 经济效益。 旋压成型有普通旋压和强力旋压成型两种。不改变坯料厚度，只改变坯料 形状的旋压叫普通旋压成型；既改变坯料厚度，又改变坯料形状的旋压叫强力 旋压成型。强力旋压成型所需要的旋压力较大，旋压机的结构一般也较复杂。 强力旋压成型又依旋轮移动的方向与金属流动的方向，分为正旋和反旋。旋轮 移动的方向与金属流动的方向相同，叫正旋：反之，称为反旋。同一种材料， 反旋成型所需的旋压力较大。采用哪种旋压方式成型，要依据零件的形状和工 艺要求确定。 旋压加工的材料十分广泛，碳钢、合金钢、铜铝及其合金等材料均可旋压 加工，t 2 铜材回转锥形罩的加工广泛采用旋压加工。 2 2 旋压原理 金属旋压技术的基本原理相似于古代的制陶生产技术。旋压成型的零件一 般为回转体简形件或碟形件，旋压件毛坯通常为厚壁筒形件或圆形板料。旋压 机的原理与结构类似于金属切削车床。在车床大拖板的位置，设计成带有轴向 6 运动动力的旋轮架，固定在旋轮架上的旋轮可作径向移动：与主轴同轴联接的 是一芯模( 轴) ，旋压毛坯套在芯模( 轴) 上；旋轮通过与套在芯模( 轴) 上的毛坯接 触产生的摩擦力反向被动旋转；与此同时，旋轮架在轴向大推力油缸的作用下， 作轴向运动。旋轮架在轴向、旋轮在径向力的共同作用下，对坯料表面实施逐 点连续塑性变形。在车床尾顶支架的位置上，设计成与主轴同一轴线的尾项液 压缸，液压缸对套在芯模f 轴) 上的坯料端面施加轴向推力。 t 2 铜材回转锥形罩旋压原理( 如图2 1 ) ，尾顶将毛坯( 或板料) 压紧于芯 模端面上，并使之随同芯模绕机床轴线旋转。旋轮在液压作用下，沿靠模形板 移动，保持与芯模一定间隙，以足够压力辊轧毛坯材料，使之沿轴向逐点一次 成形。旋压时，由于旋轮与毛坯料接触面积小，因此用较小的变形压力即可获 得较大的金属变形。 图2 1 回转锥型罩旋压原理 1 一芯模；2 一毛坯；3 一旋轮；4 一尾项 2 3 旋压受力分析 在旋压条件下，回转锥型罩受力可分解为垂直于罩壁的压力r ，沿母线方 向的拉力f z ，圆周方向的切向力r ，如图2 1 。根据小林公式推导可知，当采 用板料直接旋转时，三向分力有如下关系： f t ：c 1 1 t q f 口、- c o s 口 即f f 瓮 毋等 式中： “一材料厚度； ，一旋压进给量： 盯。一材料的平均应力： 口一型罩半锥角； c _ 镌正系数( 通常取c 1 5 ) ； 爿：一旋轮与坯料接触面在径向的投影面积： 爿! 一旋轮与坯料接触面在切向的投影面积； 爿：一旋轮与坯料接触面在轴向的投影面积： 当采用预制件旋压时 f = 亡“f - c r 0 ( c o s a s i n a c t g a o ) 吖j 式中： d _ 预制件半锥角。 从式中可看出：在口已定的情况下，影响三向分力的主要参数是坯料的厚 度“和旋轮进给量厂。 2 4t 2 铜材旋压特性 t 2 铜材是一种面心立方的多晶体金属，具有密度大、塑性好，生产中质量 比较容易控制的特性，在旋压过程中，由于变形量很大，会使原来位向零乱的 各晶粒出现择优位向，即出现形变织构。不同的作用力方向会产生不同的晶粒 滑移情况和形变织构，因此在进行工艺设计时，掌握变形过程中的受力状态， 搞好毛坯设计，选择合理的工艺流程和工艺参数，获得良好晶粒状态是十分重 要的。 1 性能要求 ( 1 ) t 2 铜材回转锥型罩采用板材，板厚为7 5 4 0 0 5 m m ，不允许有氢脆 性。 ( 2 ) 抗拉强度e l 。= 3 0 0 3 6 0 m p a ：洛氏硬度h r = 8 6 9 3 。 ( 3 ) 铜板含铜量为9 9 9 ， ( 4 ) 铜板应有一定的塑性，纵、横向机械性能不能相差太大。一般纵向的 j 。不低于1 0 ，横向瓯。不低于6 。 ( 5 ) 铜板厚度公差小，规定为7 5 4 0 0 5 m m ，而我国g b l8 3 7 8 0 中， 铜板厚度标准及公差为7 5 ：黑m m ，厚度公差太大，将使铜板的旋压工艺性变坏， 旋压后型罩壁厚差和圆度公差加大。 ( 6 ) 铜板的含氧量不应太高，一般不大于0 0 l ，最高不得大于0 0 3 。 2 t 2 铜材特性分析 ( 1 ) 对铜中含氧量的限定氧是铜中一种杂质元素。它对铜板的塑性变 形有影响。紫铜板中的氧与铜形成的氧化物分布于晶界上。氧化物硬而脆，致 使会属发生“冷脆”，冷变形产生困难。t 2 回转锥型罩用硬状态的紫铜板，采 用较大的变形率( 6 4 左右) ，直接旋压成型。因此，严格控制铜板中的含氧量 在0 0 1 以下，对改善回转锥型罩成型性是有好处的。实践证明，当含氧量大 于0 0 3 时，罩在旋压时易产生破裂，良品率极低。 ( 2 ) 不允许有氢脆性含氧量低于0 0 l 的紫铜，称为无氧铜。我国t l 和t 2 紫铜板，含氧量分别不大于o 0 2 和0 0 6 ，为含氧铜。所谓氢脆性， 是含氧铜在还原性气氛( 如且，c o ，c 凰等气体的介质) 中退火时，发生自动 变脆或产生显微裂纹，在压力加工或储存过程中产生的丌裂现象。因此，含氧 铜热处理时，应在弱氧化气氛中进行，尤其对含氧量大于0 0 2 的铜退火，应 将温度降到5 0 0 以下。因在5 0 0 以下氢、碳等元素在固态铜中扩散慢，与铜 中氧的( 还原) 反应进行很慢，氢氢脆性不易发生。回转锥型罩不允许有氢脆 性。这不仅限定了铜板的含氧量，也限定了铜板在生产使用过程中热处理条件。 有时为了改善回转锥型罩加工性能，将中间退火温度定在6 5 0 ，无疑是十分 有害的。 ( 3 ) 严格的厚度公差及纵、横向机械性能的一致性回转锥型罩铜板厚 度公差为7 5 4 0 0 5 r a m ，最大偏差仅为0 1 m m ，可使回转锥型罩成型时的变 形率和旋压力跳动减小。这不仅改善了罩的工艺性，提高成品尺寸的加工精度， 而且可减小各罩之间晶粒组织的变形差异，对提高回转锥型罩性能和质量有好 处。 3 对他铜材晶粒度的限定 t 2 铜材回转锥型罩在旋压加工生产过程中，即使是同一牌号( t 2 ) 、同一 规格、同一生产工艺条件下制作的锥型罩，其性能也是有差异的。实践证明： 在相同工艺条件下，原材料的晶粒度大小、组织均匀性和各方向机械性能的一 致性，将影响到成型后回转锥型罩晶粒大小、均匀性和各方向机械性能一致性。 晶粒愈细，在一定体积内，晶粒数量愈多，在同样的变形量下，变形分散在更 多的晶粒内进行，减少了晶粒由变形而产生的差异。晶粒愈细，余属的冷作硬 化效应愈强，可提高回转锥型罩的强度。因此，t 2 铜材回转锥型罩专用紫铜板 晶粒要求o 0 2 0 0 4 5 m m 。 9 第三章t 2 铜材回转锥型罩毛坯设计 3 1单锥型罩毛坯设计 3 1 1等壁厚单锥型罩毛坯设计 t 2 铜材回转锥型罩坯料设计的好坏，直接影响到回转锥型罩的加工质量和 性能。般按正弦定律进行，即回转锥型罩旋压遵循着在同一截圆上，坯料某 长方形单元a b c d 面积，与旋压后成品罩对应长方形单元a bc d 的面积相等( 见 图3 1 ) 。在轴线方向a b = 口b 。或者t 。= a b 。 图3 1旋压变形图 即毛坯按下式计算： ，i = t os i n a 式中： t 。一成品罩壁厚： t 。一毛坯的壁厚： a 一成品罩半锥角。 等壁厚单回转锥型罩毛坯尺寸，按，。= t 。s i n a 式求出厚度，。，直径按等体法 加足够的切边余量求得。毛坯形状多为方形板料，边长取毛坯的计算直径。 3 1 2变壁厚单回转锥型罩毛坯设计 变壁厚单回转锥型罩毛坯尺寸和形状的确定，首先按t ，= t os i n a 式求毛坯理 论厚度t ：，即： 矗：善 s l r l 口 式中： 一毛坯的理论壁厚( 即最小厚度) ； “。_ 成品罩最小壁厚； a 一成品罩半锥角。 确定毛坯的板料厚度如，应考虑制取毛坯时，小端部分壁厚减薄量t o ， 一般为2 0 4 0 t ：。罩锥角小，壁变率偏大，计算坯料厚度偏薄时取大值，反 1 0 之取较小值。即毛坯料厚度为： t o = t ；+ t ； 然后按图解法进行计算( 见图3 2 ) 。 1 公式 上：上 s i n as i n a 0 j s i n 口。，：里竺二量 f ， 口o ，= a r c s i n ( t o ，- s i n a t i ) 式中： f 一成品罩单元壁厚； ，。一毛坯单元壁厚i 口一成品半锥角； ，一毛坯的半锥角。 按上述公式求出各单元的半锥角。 8 冉 _ 7 令 j 、_ 、 i 7 生乒 5一、j 4：、i 锣 、 3 _ 羚j 。 、 2 i lf 、：j 麓 、_ | | 0a 一ii 一 科j e 巷 6 2 5 一 6 9 5 图3 2 毛坯设计计算简图 2 作图 根据求出的各单元的半锥角和各单元的分界线，画出单元小线段，连成光 滑的曲线即是毛坯内壁曲线。毛坯外部曲线应保持与内壁曲线相差板料厚度 ( f 。) 而确定。 3 毛坯单元壁厚的取值。 按上式计算毛坯各单元半锥角口。，时，毛坯单元壁厚屯，的取值十分重要。它 不仅影响毛坯设计与制作，同时影响成品罩的旋压加工质量及性能。一般有两 种方法。下面以图3 2 所示回转锥型罩为例。 a 方法：选取毛坯板料厚度t 。 回转锥型罩材料为t 2 紫铜板，按厚度3 1 4 0 _ 。m m 计算时t o 取3 m m 。将成 品罩从顶部至口部按壁厚f ，= 1 + x o 1 沿母线分成 个单元。代入 ，= a r c s i n ( t 。s i n c t t ，) 式进行计算，结果见表3 1 。按表中数值作图，其毛坯盂 内壁曲线见图3 3 中o 口日。 b 方法：假设制取毛坯时，毛坯壁厚是从顶部至口部均匀减薄的。顶部最小 壁厚为毛坯计算的理论t ：，口部为毛坯板料厚度“。 按 ；= 急= ：藏0 9 石7 = 2 3 8 卅聊 t o = f ：( 1 + o 2 0 4 ) = 2 8 6 3 3 3 m m 取to=3ram 此时毛坯壁厚的总减薄量占为： 万k ，o 一，：2 0 6 2 m m 每个单元的壁厚量j j 为 n = 9 = 64 n = 0 0 7 m m 每个单元的壁厚t 。， r o ，= ，；+ 月x0 0 7 = 2 3 8 + n 0 ，0 7 ”为l 、2 、3 9 。 计算结果见表3 1 成品箪t 。 i 1l2i 2 2l31 4l51 61 71 8工9 毛坯 d 方法3333333333 如( ，o ) 6 方法 2 4 5 2 5 2 25 9 2 6 6 2 7 3282 8 7 2 9 43 0 1 t o f s 1 n 口 口方法 1 1 l1 0 2】o o lo9 3 90 8 7 20 8 1 40 7 6 30 7l 806 7 80 6 4 3 6 方法 0 9 0 7 0 8 5 5 08 3 2o8 1 l07 7 30 7 4 10 7 1 20 6 8 706 6 50 6 4 5 口方法 * 9 0 6 9 5 3 6 0 。4 2 5 4 6 2 9 4 9 4 4 4 f 5 3 4 t 4 3 739 。5 矿 口0 ， 扫方法 6 y 0 2 5 f 4 3 5 6 。1 95 4 l l 5 0 3 9 ，4 7 。4 7 4 y 2 5 4 y 2 4 4 r 4 0 740 d 0 9 将气。值代入a o ，2a r e s i n ( t o 。s i n t z t ，j ，口o ，的计算结果见表3 1 。 按表3 1 中数值做图，其毛坯盂内壁曲线见图3 3 中d b ，b 。 图中折线o b b 是按b 方法求的毛坯半锥角，后所做的曲线，b b 是用半径 r = 8 5 m m 所连的光滑曲线。o c 一日是按口方法所做的折线，a a 是用半径r = 9 0 所连接的光滑曲线。 从图中可看出，选取毛坯板料厚度“作为毛坯单元壁厚“，计算各单元半 锥角瓯。( 即日方法) 所做曲线，存在下列问题： 1 ) 对应于成品罩壁厚，= 1 2 2 r a m 时毛坯单元的半锥角口o j 为9 0 。，即为 平板状( 如图3 1 ) 。而r 。 1 2 2 m m 时，毛坯单元的半锥角g o ，的正弦值即s i n 。 大于1 。 b 图3 3 毛坯内壁曲线 2 ) 所取毛坯内壁的光滑曲线b a ，a ，越靠顶部与计算值偏离愈大，设计的毛 坯偏离了正弦定律。 3 ) 毛坯多采用冲压自由成型( 如图3 4 ) ，这种方法所制取的毛坯是变壁 厚的( 图3 5 所示，测量点距离为5 m m ) ，按等壁厚设计毛坯形状，偏离必然 增大。 图3 4 毛坯冲压示意图 。加幅加筋m 吖 蹬 到 图3 5 毛坯壁厚变化情况 由于毛坯设计出现偏离正弦定律等问题，因此在进行旋压实验时，要冲制 出几种不同形状和尺寸的毛坯。通过试旋后，再确定毛坯尺寸和形状，虽然不 十分完美，但由于紫铜板的可旋性好，采用这样方法能够加工出符合图纸尺寸 的回转锥型罩。 3 2 双锥型罩坯料的设计计算 坯料设计的好坏，对双锥旋压回转锥型罩尤为重要，它不仅直接影响到加 工质量和性能，而且可能造成小圆柱( 或小头) 掉顶现象。坯料设计应与制造 工艺相结合。以单锥二次旋压法为例，首先根据成品罩结构尺寸，求出双锥形 坯料的尺寸，然后求出单锥形坯料和初始坯料的形状尺寸及板料的厚度和直径。 这种方法优点是，可严格遵循正弦和控制其偏离量，回转锥型罩加工质量高。 3 。2 1 壁厚减薄率 壁厚减薄率万表示罩在壁厚方向的变形程度。它直接影响回转锥型罩旋压 过程中的受力状态和质量。可按下式计算： j = ( f 0 一 ) t o 1 0 0 式中： 如一旋压前坯料厚度； f 。一旋压后坯料或成品罩厚度。 3 2 2 双锥形坯料设计 为了简化坯料设计计算，可将双锥罩看作两个圆锥体和一个圆柱体，在三 者之间选择相应的五连接。圆锥体按上：! ! !式计算。现以双锥罩为例。 s i n a s i n _ z n ， ( 1 ) 小锥部分 用两平行截面从小锥两端分别截取成品罩和坯料，如图3 6 。根据上式即： 1 4 上：血 s i n z ls i n 9 0 1 图3 6 坯料计算图 考虑到旋压时有一定的减薄对加工质量有好处，将减薄率万选为一固定值， 一般为3 5 左右。此时坯料的小端壁厚t o 。，大端壁厚“。及半锥角a 。，经将上 式推导后为： f 。，= f 。( 1 一j ) = 1 6 4 ( 1 0 3 5 ) = 2 5 2 m m 口。= a r c s i n s i l l 口。( 1 一万) = a r c s i n s i l 3 1 3 。3 0 ( 1 o 3 5 ) = 2 l 。0 3 t 0 2 = ，：( 1 一占) = 2 3 5 ( 1 0 3 5 ) = 3 6 l m m ( 2 ) 大锥部分 同理求出大锥部的有关尺寸。表3 2 是成品罩与双锥坯料圆锥体部分的有 关参数。 为了使小锥与圆柱部在旋压过程中有良好的贴模状态，该部分壁厚应有一 定的过减薄量，即偏离正弦律值为正值。此时坯料圆柱部分壁厚取坯料小锥 部壁厚，圆柱部高度取成品罩圆柱部高度h 的l 2 2 3 ，坯料设计计算时一般 不再考虑。坯料圆柱与小锥部的过渡r 值一般应略小于对应成品罩的尺值。 表3 2 成品罩与双锥坯料有关参数 壁厚( m m )壁厚减薄率( ) 壁厚 罩别部位半锥角 小端大端小端大端 变化率 小锥部 1 6 42 3 5| 1 y 3 0 ， o 0 1 3 成品率 大锥部 2 2 93 0 5 i 3 0 - 0 2 0 0 0 1 5 双锥形 小锥部 3 5 23 6 23 53 5 2 r 0 3 0 0 3 1 坯料 大锥部 3 5 24 6 93 53 5 5 0 5 8 0 0 3 5 3 2 3 单锥坯料的设计 双锥形坯料是由单锥形坯料冲压校形而成。在设计单锥形坯料时，锥角选 择、壁厚与壁厚变化率的确定是非常重要的。应重点考虑以下两个因素： 1 锥角选择 为了保证双锥形坯料小圆柱良好成形，以便旋压成品罩时， 坯料有良好的同轴定位及受力状态。单锥形坯料的锥角应小于双锥形坯料大锥 部分的锥角3 0 。4 0 。，略大于小锥部分的锥角1 0 。3 0 。 2 壁厚与壁厚变化率确定为了简化设计计算，假定单锥形坯料冲制成 双锥形坯料的壁厚是不变的。可按下式计算出单锥形坯料内锥对应于双锥形坯 料内锥各点的尺寸。 ( d + 凼) 2 l 。( d i + ) 式中： 一双锥形坯料大、小锥母线长； d 一双锥形坯料大、小锥小端直径； d 一双锥坯料大、小锥大端直径： 一单锥形坯料对应于双锥形坯料大、小锥母线长； d j ，d ：单锥形坯料对应于双锥形坯料大、小锥的大端、小端直径。 计算结果见表3 3 。 表3 3单双锥形坯料有关参数计算结果 小锥部分( m m )人锥部分( m m ) 坯料 小端大端 小端 夫端 类别 一 l ( ：)l ( l i ) d l ( ) 壁厚 d 2 ( 以) 壁厚 d l ( d j ) 壁厚 如( d ；) 壁厚 双锥 l325 2 3 8 8 7 36 2 3 5 6 2 3 88 7 3 5 29 074 6 93 34 4 单锥i325 24 4 ，8 636 23 18 64 48 635 27 96 34 6 93 47 7 从表3 3 ( 或3 2 ) 可看出：坯料小锥部大端壁厚( 3 6 2 r a m ) 与大锥部小端 壁厚( 3 5 2 r a m ) 有一定的差值，其原因主要是成品罩大、小锥的锥角不同。在 确定该点壁厚时应取大值( 3 6 2 m m ) 。此时单锥形坯料壁厚可按两种情况选取。 1 ) 取三点壁厚，即小锥部小端壁厚( 25 2 m m 即最小壁厚) ，两锥交接处 壁厚( 3 6 2 m m ) ，大锥大端壁厚( 4 6 9 m m 即最大壁厚) ，此时，单锥形坯料壁 厚变化率为两种( o 0 3 4 、0 0 3 1 ) 。 2 ) 取两点壁厚，即最小壁厚( 2 5 2 m m ) 和最大壁厚( 4 6 9 m m ) 。壁厚变 化率为o 0 3 3 ，一般常用此方法。 按上述结果绘制单锥形坯料图。 3 2 4 初始坯料设计 初始坯料设计同前面单锥回转锥型罩坯料设计。单锥回转锥型罩坯料设计 时，考虑一次修边余量，而双锥回转锥型罩刚增加一次由单锥形坯料旋压成双 锥回转锥型罩后的修边余量。 1 6 第四章t 2 铜材回转锥型罩旋压加工 4 1 旋压机 t 2 铜材回转锥形罩由旋压机进行旋压加工，旋压机的选型由旋压工艺及多 种成型工艺条件要求确定。旋压机分强力旋压机和普通旋压机二大类。强力旋 压机又分双旋轮旋压机、三旋轮旋压机以及数控旋压机等，还有用于特殊零件 旋压的旋压机，如热旋压机、钢球旋压机等。 4 1 1 普通旋压机 p x 6 1 系列旋压机是普通旋压机。该系列旋压机适用于旋压加工壁厚不变或 少许变化的锥形、筒形、曲母线形等特殊形状的零件，用于t 2 铜材、碳钢、 合金钢、不锈钢等的旋压加工。 该机采用单旋轮旋压，主旋轮架除可以作纵向和横向移动外，还可旋转并 调整定位。该机设有切边装置、整形装置和反靠装置，用于拉深、缩颈、扩颈 以及翻边、卷边、压筋、修剪和擀光等旋压方式。 该机也可根据用户需要配置自动上、下料装置，也可配置为双轮旋压机， 可实现录返、数控等多