铜合金衬套旋压工艺研究

作者：洪慎章 曾振鹏
（上海交通大学）

　　摘　要：叙述了旋压工艺过程及其参数选择，管形毛坯尺寸计算及工艺装备设计。
　　关键词：铜合金衬套；工艺参数；工艺装备设计
　　图1所示为一细长薄壁锥形衬套零件，大头外径Φ80mm，小头外径Φ60mm，长度350mm，壁厚4mm，材料为HPb59-1铅黄铜，且尺寸精度要求较高。若采用常规的加工方法，如切削加工、拉、挤压等工艺，则既达不到产品的形状及尺寸要求，又要多耗费铜合金材料，多投资设备和模具费用以及低的生产率。本衬套零件按其形状及尺寸，经工艺分析，确定采用强力旋压工艺。

图1　衬套零件图

　　强力旋压工艺过程
　　强力旋压的变形过程如图2所示，将短而厚的管形毛坯套在芯模上，其一端与芯模的凸肩环形面接触，使其固定在芯模上，用尾座的顶紧块紧靠芯模的另一端。在旋轮进给推力作用下，由此产生接触端面间摩擦力，并经未减薄的工件壁来传递扭矩。旋轮从一端开始旋压，被旋出的金属向着旋轮进给方向相反的方向流动。可见，已旋出的金属处于压缩应力状态，而未旋压部分的毛坯则处于无应力状态。

图2　管形件的强力旋压

　　旋压工艺参数选择
　　选择合适的工艺参数是保证旋压成功的关键。旋压过程中主要的工艺参数有：减薄率、主轴转速、进给量、旋轮安装角及旋压道次等。
　　1.减薄率。金属材料的可旋性是强力旋压工艺的基本条件之一。所谓可旋性，就广义地讲，是指某种金属材料能否承受旋压，除了由于设备条件对于高的变形抗力和过厚的毛坯是否可以进行旋压成形外，还指给定材料经受旋压而不破裂、不产生局部失稳和堆积等疵病的能力，即某种金属材料经受旋压变形而不产生破裂的Z大能力。
　　在强力旋压过程中，减薄率是变形区的一个主要工艺参数，因为它直接影响到旋压力的大小和旋压精度的好坏，极限减薄率在很大程度上取决于材料的塑性。由此可知，材料的可旋性定义可表达为材料在破裂前所能承受的极限壁厚减薄率ψ_1max，即

　　式中：t₀——旋压前管形毛坯的壁厚；
　　t_1min——旋压后制件的Z小壁厚。
　　根据试验结果，许多材料一次旋压中通常取减薄率ψ₁＜30%～40%，就可保证零件达到较高的尺寸精度。本衬套铜合金材料按上述公式计算可得极限壁厚减薄率ψ_1max=34%，是满足一次旋压工艺的许可条件。
　　2.主轴转速。这个参数对旋压过程影响不显著，但提高转速，可以减小零件表面的粗糙度，并提高生产率。对本衬套铜合金材料，Z大主轴转速为600～800r/min。
　　3.进给量。芯模每转一圈时旋轮沿芯模母线移动的距离称为进给量。其数值的大小，对旋压过程影响很大，与零件的尺寸精度、表面粗糙度、旋压力的大小和毛坯的减薄率都有密切关系，进给量较大，有利于旋压件贴模；其值较小，有利于减小零件表面粗糙度。
　　根据Cu-Zu二元状态图，在室温下的显微组织由α+β两相组成，即呈面心立方体和体心立方体晶格的金属材料，具有较大的塑性变形程度。据有关试验资料，进给量可取0.3～3mm/r。
　　4.旋轮安装角。芯模曲线和旋轮轴线构成的夹角称为旋轮安装角。安装角不能过大，以免旋轮前沿过深压入毛坯和零件过渡区内，使金属流向旋轮前面，从而造成极粗糙的锉齿形表面。为消除这种现象，可增大旋轮圆角半径或减小进给量和减薄率。根据本衬套零件的形状，应采用旋轮轴线平行于芯模轴线。
　　5.旋压道次的计算。旋压道次的多少是直接影响制件的表面质量，以及能否成功地旋压出所需零件的重要工艺参数。当旋压道次增加，旋轮道次间距较大时，制件壁会破裂。为此，应尽可能减小道次，以增加减薄率。对本衬套零件的形状、尺寸及材料而言，据初步计算，采用单道强力旋压工艺。
　　管形毛坯尺寸计算
　　根据材料位移而体积不变原则，即假定材料是不可压缩的，在旋压前的毛坯体积等于旋压后制件的体积。
　　旋压后制件体积V₁按下式计算（图3）：

　　式中：D₁、D₂——分别为制件大头内径和外径；
　　d₁、d₂——分别为制件小头内径和外径；
　　L₁——制件长度。

图3　管形毛坯尺寸计算

　　旋压前管形毛坯体积V₀为

　　式中：D₀、d₀——分别为管形毛坯外径和内径；
　　L₀——管形毛坯长度。
　　上式中有3个未知数L₀、D₀、d₀，具体确定这3个未知数的数值，应按照金属材料的可旋性及旋压工艺参数。
　　通过试验，管形毛坯的壁厚经计算得t₀=6mm。由上式计算管形毛坯长度L₀=197.44mm，再加放制件的两端修正余量，Z后选用管形毛坯尺寸为：长度L₀=200mm，外径D₀=84mm，内径D₀=72mm及壁厚t₀=6mm。
　　工艺装备设计
　　为完成旋压过程，显然需要一些主要工艺装备，例如旋轮、芯模、仿形板和尾顶块等。
　　1.旋轮。它是旋压加工的主要工具之一，也是使旋压工艺取得良好效果的一个重要影响因素。工作时，它与毛坯直接接触，承受着巨大的接触压力、剧烈的摩擦和一定的工作温度。旋轮设计得正确与否将直接影响制件的质量和旋压力大小。旋轮工作部分的表面状况(形状尺寸、精度、硬度和粗糙度等)也直接地反映到制件的外表面。因此，对旋轮的要求是具有足够的强度、刚度、硬度和耐热性，合理的结构形状和尺寸精度，以及良好的工作表面。
　　根据本衬套零件形状，旋轮的形状设计如图4所示。外径为80mm，宽度为24mm及顶端圆角半径为12mm。材料为Cr12MoV合金工具钢，热处理硬度为HRC62～64。

图4　旋轮形状及尺寸

　　2.芯模。它是旋压过程中不可缺少的重要变形工具。外旋压时，芯模的外表面与制件的内表面直接接触，所以，芯模的形状是随旋压件的形状而定。可见，在其表面上承受相当大的局部作用力，而其作用点沿进给方向按螺旋线变化。同时，金属材料变形时沿芯模接触面流动产生很大的摩擦。因此，对芯模的要求应具有足够的强度、刚度、硬度、精度和良好的耐磨性；同时，其表面应具有较小的粗糙度、不得有裂纹、划痕、擦伤和局部凸凹等缺陷。否则，它们都将不同程度地影响着制件的精度和表面质量。
　　芯模材料采用40CrMn合金结构钢，热处理硬度为HRC56～60。
　　3.仿形板。为了使旋轮沿一定轨迹作平行移动，可在普通车床的刀架上设计一个专用仿形板，其形状及尺寸可按制件的形状及尺寸来计算。旋压时，旋轮的运动轨迹和它所决定的制件母线几何形位状况主要取决于仿形板的设计质量。

来源：《新技术新工艺》