藥筒旋壓變形工藝參數選取分析

孫睿敏，楊 臻，李 飛

（1.中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051；2.內蒙古航天紅崗機械有限公司，內蒙古 呼和浩特 010076）

0 引言

影響強力旋壓變形過程的各種工藝因素，統稱為旋壓變形的工藝參數。這些工藝參數的選擇直接決定著材料在強力旋壓時的變形過程，也影響著旋壓件的質量、旋壓力的大小和旋壓的生產效率。本文就如何確定旋壓生產中的工藝參數進行分析研究［1］。

1 減薄率的選取

旋壓壁厚減薄率代表旋壓變形程度的大小，用ψf表示，減薄前、后的關系為：

其中：t0為減薄前的壁厚；tf為減薄后的壁厚。

減薄率受材料最大減薄率和旋壓件性能指標的制約，因此，強力旋壓時必須有足夠的壁厚減薄率。從提高生產效率來說，每道次旋壓的減薄率都希望大一些，使旋壓次數盡可能少，但減薄率過大，會帶來一系列的工藝問題和質量問題，如旋壓力過大，會降低模具壽命，材料流動失穩形成隆起，旋壓力急劇增大最終導致旋壓成型困難等。不同減薄率下的材料變形如圖1所示。

圖1 不同減薄率下的材料變形圖

根據實踐經驗與仿真結果比較，筒形件一次旋壓的減薄率最好小于40%。材料較軟時，容易產生隆起，壁厚減薄率應該取小些。

2 進給比的選取

在強力旋壓過程中，通常用vs來表示旋輪的進給速度，但由于判斷成形效果時應考慮毛坯的轉速，因此毛坯每轉的旋輪移動量的大小是極為重要的因素，稱其為旋輪的進給量，即進給比f。進給比和旋輪與旋壓件接觸點的線速度υ0之間的關系為：

f＝πDvs／v0.

其中：D為旋壓件變形處的直徑。

進給比在旋壓過程中對旋壓件的質量影響比較明顯，尤其對內徑和壁厚精度以及旋壓件表面質量較為顯著。一般情況下，增大進給比會使旋壓件的表面質量降低，并使材料隆起增大，更容易造成表面瑕疵。但適當地增大進給比，可改善旋壓件的貼模情況，使擴徑減輕，直線度提高。當采用大減薄率時，應選用較小的進給比［2］。不同進給比下的材料變形如圖2所示。經過仿真模擬比較，鋼的進給比可在0.1 mm／r～1.5 mm／r的范圍內選取。

圖2 不同進給比下的材料變形圖

3 旋輪結構參數的選取

強力旋壓所用旋輪有各種不同的形狀，其形狀一方面取決于旋輪與其他零件的連接方式，另一方面旋輪的外形（包括旋輪直徑和工作型面）則取決于旋壓的變形情況。在滿足旋壓件質量的前提下，應選用形狀最簡單的旋輪，為節省旋輪的制造經費，提高旋輪的工作壽命，故常選取雙錐面旋輪。

雙錐面旋輪形面結構要素主要有旋輪的工作圓角半徑rp、成形角α、旋輪直徑Dp以及旋輪的工作表面狀態等，它們都對能否制造出合格的產品產生直接的影響。旋輪工作型面的形狀和尺寸取決于成形工序的具體條件，按照成型條件的具體要求并參考旋壓件的減薄率而進行設計［3］。其筒形件變薄旋壓所用旋輪的形狀如圖3所示。

圖3 筒形件變薄旋壓所用旋輪形狀

3.1 旋輪的圓角半徑rp

影響旋輪旋壓過程的重要因素包含旋輪的圓角半徑，在實際生產中，旋輪的圓角半徑rp取決于毛坯的厚度，經驗數據為rp＝（0.4～1）t0（t0為毛坯壁厚），對于輕型旋壓機，rp＝6 mm的旋輪是最常用的［4］。

當旋輪的圓角半徑rp＝（0.4～1）t0時，旋輪使得運動軌跡的重疊部分有所增加，這樣可提高工件外表面的光潔度，但此時旋轉速度增大，旋壓力增大，且易造成毛坯凸緣部分不平衡。反之，當rp＜0.4t0時，變形區的接觸壓力在單位內增大，且毛坯的接觸面積減小比例要更大些，所以結果使旋壓力逐漸減小。如果rp過小，會造成切削現象，損害工件表面光潔度，可能會出現裂紋（尤其是旋壓低塑性材料時）。在一般情況下，材料硬時，旋輪圓角半徑可取的小些；相反，材料軟時，rp可取的大些。

3.2 旋輪的成形角α

對于筒形件強力旋壓用旋輪來說，結構參數中，成形角是十分重要的，旋壓力的大小及其在各方向上的支配受制于成形角，并且影響旋壓件的表面質量和精度。

依據對旋壓變形的分析可知，要獲得直徑精度高的旋壓物件，必須盡可能減少材料的周向流動而促進材料的軸向流動，便于順利成形。由旋壓力的計算公式可知，條件相同的情況下，當旋輪成形角α增大時，伴隨軸向平均接觸長度Zm減小而周向平均接觸長度Xm增大，當Zm／Xm≤1時，材料流動正常；當Zm／Xm＞1時，材料的周向流動增大，變形不穩定，直徑精度差。因此，從這個角度考慮，應取旋輪成形角α偏大些。

生產實踐表明，在旋輪成形角取較大值時，工件貼模度高，尺寸精度好，但這樣卻容易引起材料產生隆起，于生產不利；反之旋輪成形角取較小值時，欲防止材料的隆起，卻發生工件貼模差，擴徑比較大。如旋壓無座力炮管時，旋輪成形角由30°降至20°，伴隨的擴徑量增大約為50%。不同成形角下的材料變形如圖4所示。

圖4 不同成形角下的材料變形圖

由以上因素綜合分析得知，每一旋壓條件具體都存在一個成形角最佳值的選取，根據實際試驗、經驗數據和仿真模擬，一般成形角的取值大小為20°～30°，現行的實際旋壓生產中所用旋輪的成形角基本都在上述范圍內，而一般都以20°，25°和30°的居多。

3.3 旋輪直徑D p

旋輪直徑Dp的增加有利于旋輪與工件間的周向平均接觸長度Xm的增加，并且使Zm／Xm值減小，可提高旋壓件的直徑精度，有利于提高工作面的光潔度和壽命。而增大旋輪直徑將增加其制造費用，且旋輪的最大直徑還受到工件最小壁厚的限制，旋輪最大直徑可由下式確定：

其中：tmin為成品筒形件的最小壁厚；μ為摩擦因數；σkK為變形率為K時的材料抗拉強度。

旋輪的最小直徑取決于其強度、剛度及軸承的承載能力，并應根據規定的生產率和其他有關工藝參數計算。根據經驗公式一般取Dp＝（1.2～2）d（d為芯模直徑）。

4 結論

根據實際經驗和仿真模擬比較，對旋壓時工藝參數的選取原則如下：①筒形件一次旋壓的減薄率最好小于40%，材料較軟時，容易產生隆起，壁厚減薄率應該取小些；②對鋼的進給比可在0.1 mm／r～1.5 mm／r的范圍內選??；③成形角的大小一般取20°～30°，一般都以20°，25°和30°的居多。

［1］ 徐洪烈.強力旋壓技術［M］.北京：國防工業出版社，1984.

［2］ 陳國光，董素榮.彈藥制造工藝學［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

［3］ 張華.旋壓藥筒筒體成形過程工藝參數優化仿真研究［D］.太原：中北大學，2012：21－23.

［4］ 張濤.旋壓成形工藝［M］.北京：化學工業出版社，2009.