連續(xù)局部塑性成形工藝及工藝變形特征

槽的加工和成形該槽廣泛存在于機(jī)械零件的內(nèi)部和外部表面。根據(jù)其形狀，可分為直槽（如v型槽）和半開放槽（如海鷗槽，由于槽口外的平行光線無法直接到達(dá)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為垂直截面槽。用刨/插、拉、銑、車等切削方法加工槽,能比較靈活地得到精確的尺寸、清晰的輪廓、光潔的表面,但存在破壞纖維組織、效率低、材料消耗高等不足。對于某些不通槽和處于內(nèi)表面的槽,受結(jié)構(gòu)和尺寸限制,無法完成加工。用塑性成形方法加工槽則保持了纖維組織的合理分布,可提高工件的抗疲勞性和耐磨性。同時,效率高、材料消耗低,還能完成很多無法切削的加工。靈活性方面稍差。槽的塑性成形方法有整體成形與連續(xù)局部成形兩大類。整體成形的常見方法有壓槽、劈叉、錐齒輪精鍛、齒輪軋制等,其變形區(qū)金屬的流動一般處于非穩(wěn)定狀態(tài),能得到等截面或不等截面的敞開槽。1金屬流動的穩(wěn)定性與整體成形相比,連續(xù)局部成形可顯著降低成形力;若工藝參數(shù)選擇得當(dāng),金屬的流動在相當(dāng)時期處于穩(wěn)定狀態(tài);加工結(jié)果以等截面槽居多。下述列舉一些槽的連續(xù)局部塑性成形實(shí)例。1.1u3000小直徑坯料外螺紋軋制中的搓絲、滾絲,只是所用模具結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方式不同,而工件的運(yùn)動和變形性質(zhì)是相同的,即在摩擦力的作用下,圓柱坯料作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,其外表面被模具連續(xù)局部加壓,形成螺旋槽。通常情況下,小直徑坯料用平板搓絲模,大直徑坯料用滾絲輪。內(nèi)螺紋軋制機(jī)理與外螺紋相同,主要應(yīng)考慮軋輥的剛度和強(qiáng)度問題。能用輥軋頭軋制的內(nèi)螺紋直徑應(yīng)大于50mm;直徑小于30mm的內(nèi)螺紋只能用無槽絲錐加工(不屬于軋制)。1.2變形區(qū)的深度楔橫軋的加工結(jié)果可看作槽,尤其是楔入段幾乎類同于螺紋軋制,但變形區(qū)深度一般比較大;在剪切段則穿透至坯料中心。斜軋鋼球則是用兩個螺栓狀的軋輥使坯料成形并切斷,工件變形與楔橫軋的剪切段類似,只是軋輥工作部分的橫截面形狀略有不同。1.3局部加強(qiáng)變形旋壓工藝中采用帶有尖劈的旋輪,對回轉(zhuǎn)體坯料或工件的凸緣施加滾軋作用,使之產(chǎn)生局部分叉變形(見圖1)。這種普通分劈得到的徑向深度和分開程度有限,若在旋輪的工作刃前方增設(shè)兩個支承輥,可使分劈程度更大,且能調(diào)控分劈深度,在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)柔性加工。1.4滾軋機(jī)裝置圓棒料送入周向布有多個飛碟形滾輪的裝置中可以完成花鍵軸的整體滾軋。這種裝置的局限性是滾輪直徑較小時,輪軸剛性難以保證;滾輪直徑較大時,不完整花鍵長度太長。1.5h型鋼或小方坯和圓坯連鑄連軋工藝中,利用專門設(shè)置的切分楔孔型的軋輥,將長方形截面的鑄坯劈分為H型鋼或小方坯和圓坯。劈分法軋制H型鋼的過程是:在鑄坯截面的兩條短邊中央將坯料劈分,經(jīng)幾何參數(shù)逐步變化的2～3個孔型分別軋制2～3次,使之成為X型截面,再在兩軋輥軸線決定的平面內(nèi)翻轉(zhuǎn)90°角,軋成H型截面(見圖2)。1.6花鍵軸和齒輪的開口模式為合適尺寸的圓棒料,軸向插入花鍵套狀模具內(nèi)并加壓,可得到花鍵軸。用一種連續(xù)“推過”擠壓法精鍛齒輪可得到清晰的輪齒。1.7花鍵套筒的壓迫在有預(yù)加工孔的坯料上,用花鍵軸狀凸模也可擠壓成形大導(dǎo)程螺旋花鍵套。1.8帶臺階槽型換向器冷鍛特點(diǎn)將管坯置于凹模內(nèi)(軸線鉛垂),花鍵軸狀凸模沿軸向下壓,通過擴(kuò)徑、壓入、鐓粗、閉式模鍛、擠壓等復(fù)合變形方式,可一次性完成一種帶臺階槽型換向器換向片組件整體冷鍛(見圖3)。內(nèi)表面各半敞開槽由上到下逐步連續(xù)成形,其過程含有插削成分(凸模每條埂相當(dāng)于大負(fù)前角插刀),部分材料被推擠隆起,最終成為廢料。1.9高翅片型微織構(gòu)非織造材料用于空調(diào)、制冷、化工等領(lǐng)域的外翅片管及其加工過程如圖4所示。外翅片的作用是顯著提高熱交換效率,其結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)是一種加大了高度,從而增大了表面積的特殊螺牙。圖4所示,是以得到高翅片為目的的加工方法,既不是切削,也不是搓軋或滾軋,而是在所謂擠壓-犁削作用下的連續(xù)局部成形。使用的設(shè)備與工具分別是普通車床和特殊車刀,刀具與工件之間是相對滑動的關(guān)系。1.10內(nèi)凸筋成形同樣用于提高熱交換效率的內(nèi)/外螺紋管的大導(dǎo)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,通過由芯頭與外模組合成的型孔而使螺旋凸筋成形(伴有縮徑)。對于內(nèi)凸筋,螺旋槽刻在芯頭上,外模為圓形;外凸筋則反之。拉拔過程中,工件不旋轉(zhuǎn),在已形成的凸筋作用下芯頭或外模旋轉(zhuǎn),得到螺旋凸筋。2征比較比較結(jié)果上述各種槽的連續(xù)局部塑性成形方法的有關(guān)特征比較見表1。就單個槽的成形而言,根據(jù)模具工作部分與坯料之間的運(yùn)動關(guān)系,槽的連續(xù)局部塑性成形可以歸結(jié)為以下兩種變形方式。2.1滑動變形特征模具與坯料接觸表面相對滾動(即回轉(zhuǎn)成形,局部有相對滑動),其變形特征可納入特種軋制,故可稱為滾軋(rolling)變形。滾軋要求加工對象的變形部位有容納輥輪的空間。滾軋變形不能一次性成形半敞開槽。2.2連續(xù)局部變形模具與坯料接觸表面只有相對滑動,模具相對于坯料(自由)表面作切向運(yùn)動,坯料在模具的劈分、推擠作用下轉(zhuǎn)移,發(fā)生連續(xù)局部變形。這是一種模具結(jié)構(gòu)與運(yùn)動方式、變形范圍與效果等方面有別于整體成形和滾軋的基本塑性變形方式。這種變形方式尚未見有關(guān)深入研究的報道,也無統(tǒng)一的名稱,綜合以上實(shí)例的變形特征及有關(guān)稱謂,特將這種變形命名為“劈擠(splittingextrusion)”。3拉拔整體結(jié)構(gòu)的模擬劈擠初步定義為:模具的工作部分(一般為長條形)沿與坯料(自由)表面平行或相切的方向運(yùn)動,其前端(面或線)先將坯料劈分,繼而其頭部對坯料產(chǎn)生推擠作用,使坯料表層相應(yīng)深度被分開并轉(zhuǎn)移,產(chǎn)生連續(xù)局部塑性變形,成為截面形狀與模具橫斷面相對應(yīng)的凹槽。劈擠的基本模型如圖5所示。按照劈擠的定義,在方塊鉛坯料上進(jìn)行物理模擬得到的幾種劈擠直槽試件見圖6。目前,劈擠用模具、變形特征及應(yīng)用范圍有:1)模具的工作部分暫稱為劈楔(splitting/cleavingwedge)。視需要可做成直條或彎曲狀;為減少摩擦力,可做出工作帶。2)由船頭形狀直接影響船舶航行阻力現(xiàn)象可知,改變劈楔頭部形狀(尖劈形、流線形、平船頭形等等),必然會改變成形力的大小。同時,合適的頭部形狀還可避免變形死區(qū)。所以,成形效果主要取決于劈楔頭部形狀。3)劈楔主體的橫截面可以是受力允許的任意形狀(如梯形、矩形、三角形、半圓弧形、燕尾形、T形等對稱形狀,或L形等不對稱形狀)。4)對于方塊坯料,底部用墊板支承,兩側(cè)約束以限制展寬,相對于劈楔運(yùn)動的盡頭設(shè)置阻擋坎,并視需要開出劈楔通過的缺口。其它形狀的坯料可參照此方法固定。5)劈楔相對于坯料(自由)表面作切向運(yùn)動(接觸表面為相對滑動)。由于單個劈楔的作用力合力一般不與坯料的幾何中心重合,因而,對坯料整體來說,承受的是一個偏載荷,除了承受劈楔切向作用力外,還承受彎矩的作用。這個彎矩使得坯料貼緊墊板,更不易失穩(wěn)。6)由于摩擦的關(guān)系,變形區(qū)相對于不變形區(qū)在劈楔運(yùn)動方向有非均勻位移。不難說明,螺旋管拉拔的變形性質(zhì)(主應(yīng)變)與花鍵軸/齒輪擠壓、花鍵套擠壓是相同的,只是前者的傳力區(qū)位置在前而已;翅片管擠壓-犁削的變形性質(zhì)也是一樣的,只是模具(刀具)的結(jié)構(gòu)形狀有所區(qū)別而已。這些成形都屬于劈擠。劈擠不僅可成形敞開槽,也可成形半敞開槽,可完成一些受結(jié)構(gòu)和空間位置限制,無法用切削、整體塑性成形和滾軋完成的加工。此外,據(jù)初步實(shí)驗(yàn),劈擠還可用于切斷、壓彎等。4視淤擠對槽內(nèi)塑性成形的影響槽成形是復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件精確成形的重要方面,深入研究槽塑性成形的基本理論,