连续局部塑性成形工艺及工艺变形特征

连续局部塑性成形工艺及工艺变形特征

槽的加工和成形该槽广泛存在于机械零件的内部和外部表面。根据其形状，可分为直槽（如v型槽）和半开放槽（如海鸥槽，由于槽口外的平行光线无法直接到达梁尾槽等）。等截面槽和不截面槽、垂直截面槽和交叉截面槽也可分为垂直截面槽。用刨/插、拉、铣、车等切削方法加工槽,能比较灵活地得到精确的尺寸、清晰的轮廓、光洁的表面,但存在破坏纤维组织、效率低、材料消耗高等不足。对于某些不通槽和处于内表面的槽,受结构和尺寸限制,无法完成加工。用塑性成形方法加工槽则保持了纤维组织的合理分布,可提高工件的抗疲劳性和耐磨性。同时,效率高、材料消耗低,还能完成很多无法切削的加工。灵活性方面稍差。槽的塑性成形方法有整体成形与连续局部成形两大类。整体成形的常见方法有压槽、劈叉、锥齿轮精锻、齿轮轧制等,其变形区金属的流动一般处于非稳定状态,能得到等截面或不等截面的敞开槽。1金属流动的稳定性与整体成形相比,连续局部成形可显著降低成形力;若工艺参数选择得当,金属的流动在相当时期处于稳定状态;加工结果以等截面槽居多。下述列举一些槽的连续局部塑性成形实例。1.1u3000小直径坯料外螺纹轧制中的搓丝、滚丝,只是所用模具结构和运动方式不同,而工件的运动和变形性质是相同的,即在摩擦力的作用下,圆柱坯料作旋转运动,其外表面被模具连续局部加压,形成螺旋槽。通常情况下,小直径坯料用平板搓丝模,大直径坯料用滚丝轮。内螺纹轧制机理与外螺纹相同,主要应考虑轧辊的刚度和强度问题。能用辊轧头轧制的内螺纹直径应大于50mm;直径小于30mm的内螺纹只能用无槽丝锥加工(不属于轧制)。1.2变形区的深度楔横轧的加工结果可看作槽,尤其是楔入段几乎类同于螺纹轧制,但变形区深度一般比较大;在剪切段则穿透至坯料中心。斜轧钢球则是用两个螺栓状的轧辊使坯料成形并切断,工件变形与楔横轧的剪切段类似,只是轧辊工作部分的横截面形状略有不同。1.3局部加强变形旋压工艺中采用带有尖劈的旋轮,对回转体坯料或工件的凸缘施加滚轧作用,使之产生局部分叉变形(见图1)。这种普通分劈得到的径向深度和分开程度有限,若在旋轮的工作刃前方增设两个支承辊,可使分劈程度更大,且能调控分劈深度,在一定范围内实现柔性加工。1.4滚轧机装置圆棒料送入周向布有多个飞碟形滚轮的装置中可以完成花键轴的整体滚轧。这种装置的局限性是滚轮直径较小时,轮轴刚性难以保证;滚轮直径较大时,不完整花键长度太长。1.5h型钢或小方坯和圆坯连铸连轧工艺中,利用专门设置的切分楔孔型的轧辊,将长方形截面的铸坯劈分为H型钢或小方坯和圆坯。劈分法轧制H型钢的过程是:在铸坯截面的两条短边中央将坯料劈分,经几何参数逐步变化的2～3个孔型分别轧制2～3次,使之成为X型截面,再在两轧辊轴线决定的平面内翻转90°角,轧成H型截面(见图2)。1.6花键轴和齿轮的开口模式为合适尺寸的圆棒料,轴向插入花键套状模具内并加压,可得到花键轴。用一种连续“推过”挤压法精锻齿轮可得到清晰的轮齿。1.7花键套筒的压迫在有预加工孔的坯料上,用花键轴状凸模也可挤压成形大导程螺旋花键套。1.8带台阶槽型换向器冷锻特点将管坯置于凹模内(轴线铅垂),花键轴状凸模沿轴向下压,通过扩径、压入、镦粗、闭式模锻、挤压等复合变形方式,可一次性完成一种带台阶槽型换向器换向片组件整体冷锻(见图3)。内表面各半敞开槽由上到下逐步连续成形,其过程含有插削成分(凸模每条埂相当于大负前角插刀),部分材料被推挤隆起,最终成为废料。1.9高翅片型微织构非织造材料用于空调、制冷、化工等领域的外翅片管及其加工过程如图4所示。外翅片的作用是显著提高热交换效率,其结构实质是一种加大了高度,从而增大了表面积的特殊螺牙。图4所示,是以得到高翅片为目的的加工方法,既不是切削,也不是搓轧或滚轧,而是在所谓挤压-犁削作用下的连续局部成形。使用的设备与工具分别是普通车床和特殊车刀,刀具与工件之间是相对滑动的关系。1.10内凸筋成形同样用于提高热交换效率的内/外螺纹管的大导程螺旋凸筋也可以采用拉拔成形。其成形原理是,管坯在拉力的作用下,通过由芯头与外模组合成的型孔而使螺旋凸筋成形(伴有缩径)。对于内凸筋,螺旋槽刻在芯头上,外模为圆形;外凸筋则反之。拉拔过程中,工件不旋转,在已形成的凸筋作用下芯头或外模旋转,得到螺旋凸筋。2征比较比较结果上述各种槽的连续局部塑性成形方法的有关特征比较见表1。就单个槽的成形而言,根据模具工作部分与坯料之间的运动关系,槽的连续局部塑性成形可以归结为以下两种变形方式。2.1滑动变形特征模具与坯料接触表面相对滚动(即回转成形,局部有相对滑动),其变形特征可纳入特种轧制,故可称为滚轧(rolling)变形。滚轧要求加工对象的变形部位有容纳辊轮的空间。滚轧变形不能一次性成形半敞开槽。2.2连续局部变形模具与坯料接触表面只有相对滑动,模具相对于坯料(自由)表面作切向运动,坯料在模具的劈分、推挤作用下转移,发生连续局部变形。这是一种模具结构与运动方式、变形范围与效果等方面有别于整体成形和滚轧的基本塑性变形方式。这种变形方式尚未见有关深入研究的报道,也无统一的名称,综合以上实例的变形特征及有关称谓,特将这种变形命名为“劈挤(splittingextrusion)”。3拉拔整体结构的模拟劈挤初步定义为:模具的工作部分(一般为长条形)沿与坯料(自由)表面平行或相切的方向运动,其前端(面或线)先将坯料劈分,继而其头部对坯料产生推挤作用,使坯料表层相应深度被分开并转移,产生连续局部塑性变形,成为截面形状与模具横断面相对应的凹槽。劈挤的基本模型如图5所示。按照劈挤的定义,在方块铅坯料上进行物理模拟得到的几种劈挤直槽试件见图6。目前,劈挤用模具、变形特征及应用范围有:1)模具的工作部分暂称为劈楔(splitting/cleavingwedge)。视需要可做成直条或弯曲状;为减少摩擦力,可做出工作带。2)由船头形状直接影响船舶航行阻力现象可知,改变劈楔头部形状(尖劈形、流线形、平船头形等等),必然会改变成形力的大小。同时,合适的头部形状还可避免变形死区。所以,成形效果主要取决于劈楔头部形状。3)劈楔主体的横截面可以是受力允许的任意形状(如梯形、矩形、三角形、半圆弧形、燕尾形、T形等对称形状,或L形等不对称形状)。4)对于方块坯料,底部用垫板支承,两侧约束以限制展宽,相对于劈楔运动的尽头设置阻挡坎,并视需要开出劈楔通过的缺口。其它形状的坯料可参照此方法固定。5)劈楔相对于坯料(自由)表面作切向运动(接触表面为相对滑动)。由于单个劈楔的作用力合力一般不与坯料的几何中心重合,因而,对坯料整体来说,承受的是一个偏载荷,除了承受劈楔切向作用力外,还承受弯矩的作用。这个弯矩使得坯料贴紧垫板,更不易失稳。6)由于摩擦的关系,变形区相对于不变形区在劈楔运动方向有非均匀位移。不难说明,螺旋管拉拔的变形性质(主应变)与花键轴/齿轮挤压、花键套挤压是相同的,只是前者的传力区位置在前而已;翅片管挤压-犁削的变形性质也是一样的,只是模具(刀具)的结构形状有所区别而已。这些成形都属于劈挤。劈挤不仅可成形敞开槽,也可成形半敞开槽,可完成一些受结构和空间位置限制,无法用切削、整体塑性成形和滚轧完成的加工。此外,据初步实验,劈挤还可用于切断、压弯等。4视淤挤对槽内塑性成形的影响槽成形是复杂结构工件精确成形的重要方面,深入研究槽塑性成形的基本理论,