擴徑率和重疊量對機械擴徑制品品質(zhì)的影響

1、擴徑率和重疊量對機械擴徑制品品質(zhì)的影響郭寶鋒1淼1吳生富1 ,2聶紹珉1金1 . 燕山大學機械工程學院 ,秦皇島 ,0660042 . 中國第一重型機械集團公司 ,富拉爾基 ,161042摘要 :通過有限元數(shù)值模擬和實驗 ,研究了擴徑率和重疊量對制品品質(zhì)的影響及其規(guī)律 。結(jié)果表明 ,擴徑率是影響制品橫斷面尺寸精度的一個主要因素 。制 品的橢圓度近似為擴徑率的三次函數(shù) ,且在 210 %附近有最小值 ;壁厚局部變薄量 可以近似表示為擴徑率的線性函數(shù) 。擴徑率對回彈量的影響和重疊量對制品直線度的影響均不明顯 。關(guān)鍵詞 :機械擴徑 ;工藝參數(shù) ;數(shù)值分析 ;筒形件 ;鋼管郭寶鋒 教授文章編號 :10

2、04 132 (2004) 12 1111 04中圖分類號 : TG37Influences of Expanding - ratio and Overla p - length on the Quality of Finished ProductsGuo Baofeng1 J in Miao1 Wu Shengfu1 ,2 Nie Shaomin11 . Yanshan University , Qinhuangdao , 066004 ,2 . China First Heavy Industry , Fulaerji , 161042Abstract : The influences o

3、f expanding - ratio and overlap - length on the quality of finished product was ana2 lyzed systematically by elastic - plastic FEM and expanding experiments. Based on the results , expanding - ratio is important to dimensional precision of finished products. The relation between ellipticity of finis

4、hed product and ex2 panding - ratio is approximate to a cubic expression , and the minimum can be obtained near 2 . 0 % of expanding - ratio . The local thinning of wall - thickness can be described by linear function of expanding - ratio . It has also a slight influence on the spring - back. The in

5、fluences of overlap - length on the linearity is unnoteworthy. The most important consideration in choosing parameters was given in the paper .Key words : mechanical expanding ; parameter of process ; numerical simulation ; tubular part ; pipe局部特征 ,這對制品品質(zhì)有至關(guān)重要的影響 。這種現(xiàn)象與其主要工藝參數(shù)密切相關(guān) 。擴徑率和重 疊量是機械擴徑的兩個主

6、要工藝參數(shù) ,擴徑率是 定義在整圓之后的筒形件毛坯橫斷面上的一個參 數(shù) ,它等于毛坯中徑上的徑向位移與平均半徑之比 ,如果忽略毛坯在整圓階段的彈性變形 ,則擴徑 率的物理意義就是原始毛坯平均周長的相對變化量 。重疊量則是定義在筒形件軸線方向上的一個 參數(shù) ,是在相鄰兩段擴徑長度上 ,擴徑模具直線工作部分的重疊長度1 。擴徑率對制品品質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在對制品 橫斷面形狀的改善方面 。通常情況下 ,機械擴徑用于改善制品尺寸精度 、消除殘余應(yīng)力和提高制 件的承載能力時 ,只允許對同一段毛坯實施一次擴徑 ,其擴徑制品的尺寸和形狀公差代表最終制品的精度 。故合理地選擇擴徑率對保證制品品質(zhì) 至關(guān)重 要 。

7、重 疊 量 不 僅 對 制 品 的 幾 何 精 度 有 影響 ,且對生產(chǎn)效率也有一定的影響 。當筒形件的軸向尺寸較大時 ,如定尺長度不小于 8 000 mm 的 管材和高徑比較大的 航 天 發(fā) 動 機 殼 體2 ,3 , 由 于·1111 ·1 擴徑率和重疊量機械擴徑是采用斜塊擴孔原理 ,通過分瓣凸 模對管形件 、筒形件進行脹形的一種工藝方法 ,是制造高精度大直徑管材和薄壁筒形件的關(guān)鍵技術(shù) 之一 ,其成形原理見圖 1 。1 . 筒形件 2 . 機架 3 . 扇形分瓣凸模 4 . 錐體圖 1 機械擴徑原理機械擴徑時 ,由于模具的工作表面在圓周方 向不連續(xù) ,毛坯與模具的接觸狀

8、態(tài)在整個變形過 程中不均勻 ,以及分段擴徑所導致的變形沿軸向 分布不一致 ,使得管形件 、筒形件的應(yīng)力 、應(yīng)變分 布 、制品的輪廓形狀和壁厚變化都顯示出明顯的收稿日期 :2003 09 10基金項目 :河北省自然科學基金資助項目 (503301)中國機械工程第 15 卷第 12 期 2004 年 6 月下半月一次擴徑長度受到擴徑機能力的限制 ,擴徑變形只能分段進行 。為獲得上乘的制品品質(zhì)和最佳的 生產(chǎn)效率 ,在相鄰兩段擴徑長度上 ,擴徑模具工作 表面的直線部分應(yīng)該有一個合理的重疊量 。關(guān)于擴徑率和重疊量的選用原則以及這兩個技術(shù)參數(shù)對制品品質(zhì)的影響 ,除文獻 4 在介紹國 外公司的有關(guān)情況時曾籠

9、統(tǒng)地給出過一個取值范 圍外 ,在此前公開發(fā)表的相關(guān)技術(shù)文獻中均未見 詳細報 導 。本 文 在 相 關(guān) 研 究 的 基 礎(chǔ) 上5 ,6 , 通 過 基于分析軟件 MARC 的有限元數(shù)值模擬和機械擴徑實驗7 ,分析了擴徑率和重疊量對制品品質(zhì)的 影響與規(guī)律 。剛度相關(guān)的物理量 ,所以本文將重疊量定義為重疊系數(shù) k 與毛坯壁厚 t 的乘積 , 即 L = kt , k 分 別取 0 、±015 、±110 、±215 、±510 、±715 和 ±10 , 其中 , k < 0 為負重疊 ,此時的重疊量表示相鄰兩 次擴徑的模具間隔 。需

10、要指出的是 ,在關(guān)于重疊量研究的分析模 型中 ,并沒有考慮毛坯的直線度誤差 。原因在于 : 在實際生產(chǎn)中 ,一方面難以用一個統(tǒng)一的數(shù)學公 式來描述實際毛坯的母線形狀 ,另一方面對毛坯 的直 線 度 都 有 比 較 嚴 格 的 限 制 , 一 般 不 得 大 于3 ,所以在擴徑長度不大時 ,這一因素對變形過 程的影響可以忽略不計 。2 數(shù)值模擬模型鑒于擴徑率對制品品質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在筒 形件或管材的橫斷面上 ,而重疊量對制品品質(zhì)的 影響主要體現(xiàn)在其縱向斷面上 ,所以關(guān)于前者的 分析與討論 ,將限定在毛坯的橫斷面上 ,采用平面 變形分析模型 , 見圖 2a ; 而關(guān)于后者的分析與討 論 ,將限定在

11、毛坯的縱向斷面上 ,采用軸對稱分析 模型 ,見圖 2b 。分析對象的材質(zhì)為 X60 ,材料模型 為雙線性強化模型 。材料的機械性能如下 : 屈服 強 度 475MPa , 抗 拉 強 度 600MPa , 彈 性 模 量210 GPa ,塑 性 模 量 378MPa 。摩 擦 類 型 為 stick - slip 摩擦 , 摩 擦 系 數(shù) 取 01075 。毛 坯 為 變 形 體 , 模具為剛體 。3 擴徑率對制品品質(zhì)的影響筆者關(guān)于機械擴徑的研究 結(jié) 果9 11 初 步 說 明 ,雖然這種工藝方法能夠?qū)崿F(xiàn)筒形件或管材的 脹形 ,且具有許多水壓擴徑工藝方法無可比擬的 工藝特點 ,但是不管模具直徑

12、與制品內(nèi)徑保持何 種關(guān)系 ,模具的形狀參數(shù)如何設(shè)計 ,模具的扇形角 取何值 ,通過機械擴徑都不能得到外徑或壁厚完 全均勻一致的制品9 11 。圖 3 為不同擴徑率 時 ,被擴毛坯 (卸載前) 及其制品 ( 卸載后) 的外圓 半徑沿圓周方向的分布情況 ?？梢钥闯?,擴徑制(a) 卸載前毛坯的外徑( b) 制品的外徑1 . = 215 % 2 . = 210 % 3 .= 115 %4 . = 110 % 5 .= 015 %圖 3 不同擴徑率 時毛坯及其制品的 外圓半徑沿圓周方向的分布 品基本上保持了毛坯直徑在擴徑過程中的變化規(guī) 律 。結(jié)果表明 ,采用同樣的擴徑模具 ,當擴徑率取 值不同時 ,盡

13、管毛坯的外徑變化規(guī)律基本相同 ,但 是在制品外圓尺寸及其斷面形狀誤差兩方面 ,仍 然存在一些差異 。首先 ,擴徑率不同 ,所對應(yīng)的變 形程度不同 ,因而制品的公稱外徑不同 。其次 ,擴 徑率不同 ,制品的橢圓度及其構(gòu)成也不同 ,例如 , 擴徑率為 015 %時 , 制品的最 大 外 徑 處 于 毛 坯 懸 空部分的中間位置 ,最小外徑則處于與毛坯短軸 對應(yīng)的扇形模具中間位置 ,卸載前毛坯的橢圓度 為 0153 % ,卸載后制品的橢圓度為 0162 % 。與之 相比 ,當擴徑率增加時 ,制品的最大和最小直徑所對應(yīng)的位置逐漸發(fā)生變化 ,因而制品的橢圓度也不盡相同 。擴 徑 率 為 215 %時 ,

14、 制 品 的 最 大 外 徑(a) 平面變形模型( b) 軸對稱模型圖 2 有限元分析模型平面變形分析模型的分析單元為平面應(yīng)變四 邊形單元 , 毛坯規(guī)格為 <406mm ×713mm , 其 橫 斷 面形狀為標準橢圓 ,其長軸對應(yīng) = 0°圓心角 ,短 軸對應(yīng) = 90°圓心角 ;橢圓度為 3 % ; 取四分之一 斷面為分析對象 ,單元數(shù) 2688 ,節(jié)點數(shù) 3033 ;模具 外圓 直 徑 為 432mm , 扇 形 瓣 兩 邊 緣 圓 角 半 徑 為5mm 。軸對稱分析模型的分析單元為軸對稱四邊 形 單 元 , 毛 坯 規(guī) 格 為 <406mm &#

15、215;713mm , 長 度 為1000mm ,一次擴徑長度為 200mm ; 單元數(shù) 8768 ,節(jié) 點數(shù) 9873 ; 模 具 尾 部 為 倒 錐 角 結(jié) 構(gòu) , 倒 角 長 度100mm ,倒角 1158°。擴徑率為 115 % ,擴徑行程為315mm8 ?？紤]到重疊量應(yīng)該是一個與毛坯變形·1112 ·擴徑率和重疊量對機械擴徑制品品質(zhì)的影響 郭寶鋒 金 淼吳生富等位于毛坯懸空部分的兩端點 ,最小外徑也出現(xiàn)在懸空部分 ,其橢圓度約為 0131 % 。圖 4 為制品的外圓半徑與擴徑率之間的對應(yīng) 關(guān)系 ,可見 ,制品的外徑與擴徑率具有較好的線性 關(guān)系 。需要說明

16、的是 ,不同擴徑率和橢圓度對應(yīng)的擴徑行程是根據(jù)文獻 8 推薦的方法所確定的 。 模擬結(jié)果表明 ,該擴徑行程計算方法能夠保證制 品直徑和擴徑率之間的線性關(guān)系 。圖 5 是根據(jù)模擬結(jié)果得到的制品橢圓度與擴 徑率之間的關(guān)系曲線 , 對 應(yīng) 的 擴 徑 率 為 215 %315 % 。顯然 ,在算例規(guī)定的條件下 ,制品橢圓度 隨擴徑率的變化而改變 ,近似為擴徑率的三次下 凸函數(shù) ,具有最小值 ,與最小橢圓度對應(yīng)的擴徑率 約為 210 % 。擴徑率小于 210 %時 ,制品的橢圓度 隨著擴徑率的增加而改善 ,但是 ,如果擴徑率大于210 % ,制品的橢圓度隨著擴徑率的增加 ,不但不 會得以改善 ,反而會

17、進一步惡化 。這種變化趨勢 符合機械擴徑的工藝特點 。為分析制品橢圓度與 毛坯橢圓度之間關(guān)系 ,對擴徑率取 115 % 、毛坯橢 圓度從 015 %到 315 %的 7 種情況進行了數(shù)值模擬 。結(jié)果表明 ,如果變形條件相同 ,并且毛坯橢圓 度不大于 315 %時 , 制品橢圓 度 基 本 上 與 毛 坯 橢 圓度無關(guān) 。改善制品的幾何精度有益 ,但同時也增加了制品壁厚的不均勻程度 。對于這一現(xiàn)象 ,在實際生產(chǎn) 應(yīng)用中應(yīng)當給予足夠的重視 。圖 8 是不同擴徑率下的回彈量分布 。顯然 ,擴 徑率對回彈量的影響遠不及筒形件或管材幾何 形 狀 對 它 的 影 響 明 顯 。 分析結(jié)果表明 ,受毛坯形

18、狀的影響 ,回彈量沿圓周圖 8 回彈分布方向呈非均勻分布狀態(tài) ,對于圓心角為 0°和 90°的兩個特征點而言 ,回彈量隨擴徑率的變化規(guī)律恰好相反 。在長軸位置 ,擴徑 率愈小 ,回彈量愈小 ;在短軸位置 ,擴徑率愈小 ,回 彈量愈大 。橫斷面上的最大回彈量因擴徑率增加 而減小 ,最小回彈量卻因擴徑率增加而增大 ,平均回彈量基本與擴徑率無關(guān) 。但是 ,當擴徑率大于115 %時 ,無論是回彈量的最大值 、最小值還是平均 值 ,都只與位置有關(guān) ,而與擴徑率基本無關(guān) 。此時 的回彈量約為 012 %0125 %。由此可見 ,依靠增 大擴徑率來尋求穩(wěn)定一致的變形體幾何形態(tài) ,不但不會

19、獲得預(yù)期效果 ,反而會帶來一些其他負面影 響 ,如壁厚不均 、橢圓度增加等 。4 重疊量對制品品質(zhì)的影響當被擴毛坯的長徑比較大時 ,相鄰兩段毛坯 的擴徑工序為 :第一段擴徑 保壓 卸載 第二 段擴徑 保壓 卸載 。擴制第一段毛坯時 ,毛坯 可以被分為擴徑變形區(qū) 、過渡變形區(qū)和剛性區(qū) 。 其中 ,擴徑變形區(qū)位于模具的直壁部分 ,過渡變形 區(qū)位于模具尾部大小直徑的過渡部分 ,余下部分 為剛性區(qū) 。擴徑變形區(qū)是一個均勻塑性變形區(qū) , 過渡變形區(qū)是一個非均勻塑性變形區(qū) 。擴制第二 段管坯時 ,前一次的過渡變形區(qū)依然是一個主要 的變形區(qū)域 。經(jīng)過兩次變形 ,過渡段的縱向斷面 將不再為直線 。圖 9 分別

20、是重疊系數(shù) k = 0 和 k < 0 時過渡段 的縱向斷面變形形態(tài) 。從圖中可以清楚地看到 ,當重疊系數(shù) k = 0 時 , 在過渡段將形成一段局部凸起 。無重疊擴徑時 ,凸起高度約為 0116mm ,凸 起部分 所 占 軸 向 長 度 約 為 40mm , 相 對 凸 起 高 度014 % 。凸起 兩 側(cè) 各 有 一 段 凹 陷 , 凹 陷 深 度 不 足0104 mm ,凹陷部分所占軸向長度約為 100 mm ,相 對凹陷深度小于 014 。顯然 ,在生產(chǎn)實踐中 ,即 使是無重疊擴徑 ,只要能夠精確控制模具的軸向 位置和擴徑行程 ,不論是凸起還是凹陷 ,都不至于 對制品精度構(gòu)成明顯

21、的不良影響 。·1113 ·圖 4 外徑與擴徑率的關(guān)系圖 5 橢圓度與擴徑率的關(guān)系圖 6 為制品壁厚的分布情況 。顯然 ,就制品壁厚的分布形態(tài)而言 ,無論擴徑變形量大小都基 本相似 。但是 ,如圖 7 所示 ,對應(yīng)不同的擴徑變形 量 ,筒形件壁厚的局部變薄程度卻明顯不同 。分 析結(jié)果表明 ,制品橫斷面上的壁厚偏差可以近似為擴徑率的線性函數(shù) 。這里 ,壁厚偏差被定義為 橫斷面上最大 、最小壁厚之差與平均壁厚的百分 比 。由此可見 ,在一定范圍內(nèi)提高擴徑率 ,盡管對圖 6 壁厚與擴徑率的關(guān)系圖 7 壁厚偏差與擴徑率的關(guān)系中國機械工程第 15 卷第 12 期 2004 年 6 月

22、下半月個工藝因素 。研究結(jié)果初步表明 : 橢圓度與擴徑率之間的關(guān)系 可 以 擬 合 為 一 條 下 凸 的 三 次 曲 線 ,并且在擴徑率接近 210 %時 ,制品的橢圓度最 小 ; 壁厚局部變薄量可以近似表示為擴徑率的 線性函數(shù) ,在擴徑率小于 210 %的范圍內(nèi) ,雖然增大擴徑率對改善制品的幾何精度有益 ,但同時也 增加了制品壁厚的不均勻程度 ; 擴徑率對回彈 量的影響甚微 ,如果依靠增大擴徑率來穩(wěn)定制品 的幾何形狀 ,非但不能獲得預(yù)期效果 ,相反還會導 致壁厚不均勻 、橢圓度增加等負面影響 。(2) 重疊量對制品直線度的影響程度并不明 顯 ?？紤]到擴徑效率等實際情況 ,實際生產(chǎn)中仍 然應(yīng)

23、當采用正向重疊工藝 。(a) k = 0( b) k < 0圖 9 重疊區(qū)過渡形線重疊系數(shù) k > 0 時 , 其過渡段的縱向斷面變 形形態(tài)與 k = 0 時的情形相同 , 重疊系數(shù)對凸起 和凹陷基本沒有影響 , 見表 1 。表中數(shù)據(jù)表明 , k =215 時凸起最大 , 但凹陷最小 ?？傮w上看 , 雖然重 疊系數(shù)不同 , 但凸起高度與凹陷深度之和基本是 一個定值 。表 1 過渡段外輪廓形狀誤差單位 :mm參考文獻 :1郭寶鋒 . 管線鋼管機械擴徑工藝的數(shù)值模擬和實驗研究 : 博士學位論文 . 秦皇島 :燕山大學 , 2001Guo Baofeng , Jin Miao , Nie

24、 Shaomin. Deformation Char2 acteristics of Mechanical Expanding Thin - Walled Cylin2 drical Parts. Trans. Nonferrous Met . Soc . China , 2003 ,13 (6) : 13421347陳適先 . 強力旋壓及其應(yīng)用 . 北京 :國防工業(yè)出版社 ,1986李長穆 . 現(xiàn)代鋼管生產(chǎn) . 北京 :冶金工業(yè)出版社 ,1982 郭寶鋒 ,聶紹珉 ,金淼 . 管筒形件的機械擴徑成形條 件 . 中國有色金屬學報 ,2002 ,12 (6) : 11491153 郭寶鋒 ,聶紹

25、珉 ,金淼 . 管筒類件機械擴徑的變形特 征與規(guī)律 . 2002CMES 年會 ,北京 , 2002金淼 ,郭寶鋒 ,任運來 . 大口徑管線鋼管機械擴徑工 藝實驗研究 . 鍛壓技術(shù) ,2001 ,26 (3) : 4446郭寶鋒 ,聶紹珉 ,金淼 . 擴徑力和擴徑行程的主要影 響因素和計算方法 . 塑性工程學報 , 2002 , 9 (3) : 3134郭寶鋒 ,聶紹珉 ,金淼 . 擴徑模具直徑對成形件品質(zhì) 的影響 . 塑性工程學報 , 2003 , 10 (4) : 5257郭寶鋒 ,聶紹珉 ,金淼 . 擴徑模具形狀參數(shù)對制品質(zhì) 量的影響 . 塑性工程學報 , 2004 , 11 (1) :

26、 4651郭寶鋒 ,金淼 ,任運來 . 模具扇形角對機械擴徑成形 過程的影響 . 塑性工程學報 , 2002 , 9 (1) : 5961(編輯 蘇衛(wèi)國)23圖 10 是關(guān)于過渡段局部凸起的照片 , 試件截取自 330mm ×713mm ×1000mm 的擴徑實驗制品 , 重疊系數(shù) k = 215 。雖然從照片上可以清楚地看出 過渡段的局部凸起 , 但是卻很難看出像數(shù)值模擬結(jié)果顯示的 、在凸起兩側(cè)的局部凹陷現(xiàn)象 。由于實 驗所用擴徑模具的尾部倒角比較大 , 實驗用液壓 機的滑塊位置控制精度又不高 , 所以照片上的局 部凸起高度明顯大于數(shù)值模擬結(jié)果 。45678圖 10 制品在過渡段的局部凸起負向重疊較小時 , 制品在過渡段的輪廓形線 與 k 0 時的情形