作者：洪慎章 曾振鵬
（上海交通大學）

　　摘　要：敘述了旋壓工藝過程及其參數選擇，管形毛坯尺寸計算及工藝裝備設計。
　　關鍵詞：銅合金襯套；工藝參數；工藝裝備設計
　　圖1所示為一細長薄壁錐形襯套零件，大頭外徑Φ80mm，小頭外徑Φ60mm，長度350mm，壁厚4mm，材料為HPb59-1鉛黃銅，且尺寸精度要求較高。若采用常規的加工方法，如切削加工、拉、擠壓等工藝，則既達不到產品的形狀及尺寸要求，又要多耗費銅合金材料，多投資設備和模具費用以及低的生產率。本襯套零件按其形狀及尺寸，經工藝分析，確定采用強力旋壓工藝。

圖1　襯套零件圖

　　強力旋壓工藝過程
　　強力旋壓的變形過程如圖2所示，將短而厚的管形毛坯套在芯模上，其一端與芯模的凸肩環形面接觸，使其固定在芯模上，用尾座的頂緊塊緊靠芯模的另一端。在旋輪進給推力作用下，由此產生接觸端面間摩擦力，并經未減薄的工件壁來傳遞扭矩。旋輪從一端開始旋壓，被旋出的金屬向著旋輪進給方向相反的方向流動。可見，已旋出的金屬處于壓縮應力狀態，而未旋壓部分的毛坯則處于無應力狀態。

圖2　管形件的強力旋壓

　　旋壓工藝參數選擇
　　選擇合適的工藝參數是保證旋壓成功的關鍵。旋壓過程中主要的工藝參數有：減薄率、主軸轉速、進給量、旋輪安裝角及旋壓道次等。
　　1.減薄率。金屬材料的可旋性是強力旋壓工藝的基本條件之一。所謂可旋性，就廣義地講，是指某種金屬材料能否承受旋壓，除了由于設備條件對于高的變形抗力和過厚的毛坯是否可以進行旋壓成形外，還指給定材料經受旋壓而不破裂、不產生局部失穩和堆積等疵病的能力，即某種金屬材料經受旋壓變形而不產生破裂的Z大能力。
　　在強力旋壓過程中，減薄率是變形區的一個主要工藝參數，因為它直接影響到旋壓力的大小和旋壓精度的好壞，極限減薄率在很大程度上取決于材料的塑性。由此可知，材料的可旋性定義可表達為材料在破裂前所能承受的極限壁厚減薄率ψ_1max，即

　　式中：t₀——旋壓前管形毛坯的壁厚；
　　t_1min——旋壓后制件的Z小壁厚。
　　根據試驗結果，許多材料一次旋壓中通常取減薄率ψ₁＜30%～40%，就可保證零件達到較高的尺寸精度。本襯套銅合金材料按上述公式計算可得極限壁厚減薄率ψ_1max=34%，是滿足一次旋壓工藝的許可條件。
　　2.主軸轉速。這個參數對旋壓過程影響不顯著，但提高轉速，可以減小零件表面的粗糙度，并提高生產率。對本襯套銅合金材料，Z大主軸轉速為600～800r/min。
　　3.進給量。芯模每轉一圈時旋輪沿芯模母線移動的距離稱為進給量。其數值的大小，對旋壓過程影響很大，與零件的尺寸精度、表面粗糙度、旋壓力的大小和毛坯的減薄率都有密切關系，進給量較大，有利于旋壓件貼模；其值較小，有利于減小零件表面粗糙度。
　　根據Cu-Zu二元狀態圖，在室溫下的顯微組織由α+β兩相組成，即呈面心立方體和體心立方體晶格的金屬材料，具有較大的塑性變形程度。據有關試驗資料，進給量可取0.3～3mm/r。
　　4.旋輪安裝角。芯模曲線和旋輪軸線構成的夾角稱為旋輪安裝角。安裝角不能過大，以免旋輪前沿過深壓入毛坯和零件過渡區內，使金屬流向旋輪前面，從而造成極粗糙的銼齒形表面。為消除這種現象，可增大旋輪圓角半徑或減小進給量和減薄率。根據本襯套零件的形狀，應采用旋輪軸線平行于芯模軸線。
　　5.旋壓道次的計算。旋壓道次的多少是直接影響制件的表面質量，以及能否成功地旋壓出所需零件的重要工藝參數。當旋壓道次增加，旋輪道次間距較大時，制件壁會破裂。為此，應盡可能減小道次，以增加減薄率。對本襯套零件的形狀、尺寸及材料而言，據初步計算，采用單道強力旋壓工藝。
　　管形毛坯尺寸計算
　　根據材料位移而體積不變原則，即假定材料是不可壓縮的，在旋壓前的毛坯體積等于旋壓后制件的體積。
　　旋壓后制件體積V₁按下式計算（圖3）：

　　式中：D₁、D₂——分別為制件大頭內徑和外徑；
　　d₁、d₂——分別為制件小頭內徑和外徑；
　　L₁——制件長度。

圖3　管形毛坯尺寸計算

　　旋壓前管形毛坯體積V₀為

　　式中：D₀、d₀——分別為管形毛坯外徑和內徑；
　　L₀——管形毛坯長度。
　　上式中有3個未知數L₀、D₀、d₀，具體確定這3個未知數的數值，應按照金屬材料的可旋性及旋壓工藝參數。
　　通過試驗，管形毛坯的壁厚經計算得t₀=6mm。由上式計算管形毛坯長度L₀=197.44mm，再加放制件的兩端修正余量，Z后選用管形毛坯尺寸為：長度L₀=200mm，外徑D₀=84mm，內徑D₀=72mm及壁厚t₀=6mm。
　　工藝裝備設計
　　為完成旋壓過程，顯然需要一些主要工藝裝備，例如旋輪、芯模、仿形板和尾頂塊等。
　　1.旋輪。它是旋壓加工的主要工具之一，也是使旋壓工藝取得良好效果的一個重要影響因素。工作時，它與毛坯直接接觸，承受著巨大的接觸壓力、劇烈的摩擦和一定的工作溫度。旋輪設計得正確與否將直接影響制件的質量和旋壓力大小。旋輪工作部分的表面狀況(形狀尺寸、精度、硬度和粗糙度等)也直接地反映到制件的外表面。因此，對旋輪的要求是具有足夠的強度、剛度、硬度和耐熱性，合理的結構形狀和尺寸精度，以及良好的工作表面。
　　根據本襯套零件形狀，旋輪的形狀設計如圖4所示。外徑為80mm，寬度為24mm及頂端圓角半徑為12mm。材料為Cr12MoV合金工具鋼，熱處理硬度為HRC62～64。

圖4　旋輪形狀及尺寸

　　2.芯模。它是旋壓過程中不可缺少的重要變形工具。外旋壓時，芯模的外表面與制件的內表面直接接觸，所以，芯模的形狀是隨旋壓件的形狀而定。可見，在其表面上承受相當大的局部作用力，而其作用點沿進給方向按螺旋線變化。同時，金屬材料變形時沿芯模接觸面流動產生很大的摩擦。因此，對芯模的要求應具有足夠的強度、剛度、硬度、精度和良好的耐磨性；同時，其表面應具有較小的粗糙度、不得有裂紋、劃痕、擦傷和局部凸凹等缺陷。否則，它們都將不同程度地影響著制件的精度和表面質量。
　　芯模材料采用40CrMn合金結構鋼，熱處理硬度為HRC56～60。
　　3.仿形板。為了使旋輪沿一定軌跡作平行移動，可在普通車床的刀架上設計一個專用仿形板，其形狀及尺寸可按制件的形狀及尺寸來計算。旋壓時，旋輪的運動軌跡和它所決定的制件母線幾何形位狀況主要取決于仿形板的設計質量。

來源：《新技術新工藝》