管坯外法蘭成形技術及模具

上海樺廈實業有限公司（315215）張驥偉

目前，國內機械制造業面臨一個主要任務，即設計新的在國際市場中具有競爭力的工藝與設備，使用這些工藝與設備以最低的消耗制造出高質量的零件。在工業各個部門中，從儀表到重型機器制造廣泛使用軸對稱零件，這些零件沿管坯長度在任一段都有內法蘭或外法蘭。獲得類似零件最有效方法是金屬壓力加工，通過這樣的工藝能夠獲得零件高強度指標和磨損性能（因材料硬化），并兼有足夠高的精度和生產率，金屬損耗也很少。盡管在實際模鍛生產中廣泛使用法蘭成形工序，但現實中很少推薦此工藝。為了擬定科學的有理論依據的方法，用以設計管坯外法蘭工藝過程，以便大幅節約能量和勞動量，因此，提出實際有極大前景的發展理論和試驗研究。

1.管坯外法蘭成形過程

管坯外法蘭成形過程示意如圖1所示。

圖1 管坯外法蘭成形

本變形采用如下邊界條件：研究軸對稱狀態，這里OE——對稱軸；模具邊界毛坯交叉點（線段AB、BC、CD、FG、GP、PH、GD、DH及HK）限制其力不穿透容器，即任何凸凹模邊界不相交。

管壁法蘭成形過程研究的管坯高60mm，直徑125mm，壁厚18mm，由10鋼制成，鐓粗變形40%（抗拉強度σb=340MPa，屈服強度σs=210MPa，泊松比ν=0.3）。分析金屬流動如圖2所示，運用凸凹模間變化的型腔鐓粗比固定型腔擠壓法蘭軸對稱度更好。此外，同時觀察到毛坯的內壁離開模具。

圖2 過程的完成階段金屬流動

研究應力應變狀態結果顯示，在第一加載強度下，在整個塑性變形區內應力應變分布比第二個加載區更均勻，在第二加載中，計算最大變形程度值大于40%。按照毛坯體積，使用塑性材料分析辦法表明，在第一加載條件下，在靠近凸凹模時會和角部區域1、2處材料可能破壞（見圖3a）。在第二加載中，材料破壞的最大可能性出現在區域1、2（見圖3b）。因此，在危險區域塑性耗盡，導致最小的變形程度。

圖3 材料可能出現的破壞區域

理論分析確定，由于凸凹模間變化型腔法蘭的成形略圖與由材料擠壓到恒定不變的型腔中相比，前者更好一些，因為在第一種成形過程中變形力最小，有別于第二加載材料流動更好的對稱度和加載過程中的最小破壞。因此，需進一步試驗研究，在凸凹模間型腔變化條件下，實現一組法蘭成形。

2.用工業純鋁管坯試驗研究

為了評定毛坯的幾何參數和變形程度對毛坯管壁上法蘭成形力的影響，用工業純鋁1A30管坯進行了鐓粗試驗研究，為此，設計并制造了工藝試驗裝備（見圖4）。

圖4 在一組管坯外壁成形法蘭的模具裝備

模具與管坯的大部分一起動作，這將導致減小摩擦力對過程中力的參數的影響，并減少法蘭幾何形狀的畸變。試驗在帶有力—位移記錄儀的壓力機上進行。圖5為管坯帶有外法蘭成形件。所有條件下的變形程度為ε=60%，即管坯被壓縮段高度與壁厚比值h/t=3；直徑對壁厚比值依次為D/t=6、12、18。

圖5 一組用管坯成形的外法蘭

作為影響鐓粗力的因素選取：管坯直徑D，管坯變形段的相對高度h/t，變形程度ε。對于管坯外表面法蘭成形時過程特征力的出口參數回歸方程有如下形式

Y1=0.16+0.06x1+0.05x2+0.08x3+0.01x1x2+0.02x1x3+0.05x2x3–0.03x1x1+0.03x3x3

按照回歸方程所建立的面（見圖6）能夠確定在各種變形程度ε條件下與試樣直徑D和相對高度h/t相關的力。由圖6可見，力隨著D、h/t和ε的增加而增長。但在D=30～50mm和ε值較小時，實際上，力與壓縮段的相對高度無關。在ε=0.6，力F隨著試樣直徑和相對高度的增加而急劇上升（與最小值相比增加4倍）。

在工藝力評定方面，計算和試驗數據比較相差10%～18%。在儀表制造業中廣泛使用空心軸零件（各種形式產品、變速器等）。制造類似零件的現有工藝為用棒材經機械加工而成（見圖7a），其材料利用率僅為37%。

圖6 與管坯幾何形狀相關的一組法蘭成形過程的力（左面為模擬面，右面為等水平橫截面）

3.管坯外法蘭成形實例

對一組法蘭成形過程進行理論研究后，對空心軸類零件擬定新工藝過程（見圖7）：第一工步（見圖7a）在模具中無廢料剪斷棒材、整形并壓出定徑凹口；第二工步（見圖7b）反擠成杯形件且隨后切除端部毛口；第三工步（圖7c）鐓擠工步Ⅱ杯形件成形法蘭部分。

圖7 制造空心軸外法蘭的工藝過程

第一工步校準后半成品能夠滿足隨后工步要求，又因為壁部變形程度沒超過50%，故半成品不必中間退火。切除端部毛口后的半成品置于圖4 模具中鐓粗壁部以獲取空心軸的外側法蘭（見圖8）。新工藝在試驗條件下已被認可。一組管坯外壁法蘭成形工藝與按照塑形變形規律反擠壓成形是絕對相反的。眾所周知，改變塑性變形特征導致材料性能軟化和回復，因而在鐓粗工藝之前不必進行中間退火。

圖8 空心軸鍛件

4.結語

推行新工藝，使材料的利用系數由37%增加到95%，具有很好前景。