金屬厚壁管的旋轉疲勞彎曲精密下料的研究

景 飛，趙升噸，趙仁峰，賁寧宇，蔡厚勇

（西安交通大學 機械工程學院模具所，陜西 西安710049）

1 引言

金屬管材在工業實際中有大量應用。國內目前主要是用切割的方法來切斷金屬管材，但該方法浪費原材料，噪聲大，斷面毛刺較長[1-3]。采用剪切加工可改善上述缺點，其無廢料損失且生產效率高，特別適合大批量生產，但一般的剪切下料法所生產的毛坯變形比較大，不能滿足精密成形要求[4-6]。為提高剪切下料精度，減小毛坯形變量，帶芯棒剪切工藝應用而生。但該方法仍然會使管料斷面產生壓塌、撕裂等缺陷[4-9]。當前針對管料下料工藝研究較少，所以新的管料下料工藝和下料機理需進一步探索和完善。

文中提出了一種新型的旋轉疲勞彎曲精密下料系統，該系統利用管料表面預制V 形槽缺口的應力集中效應，在循環彎曲載荷的作用下，使V 形槽底部萌生裂紋并不斷沿徑向擴展，最終實現低周疲勞低應力精密下料。文中利用所提新系統及工藝，研究了不同外載頻率曲線對管料斷面質量的影響規律，獲得了下料過程中理想的外載頻率曲線，在此外載頻率曲線的基礎上研究了不同壁厚的304 不銹鋼管的下料問題，并對其斷面質量進行了測量和評價。實驗表明該系統所采用的下料工藝不僅有高的下料效率且能獲得高質量的斷料。

2 高速旋轉彎曲疲勞下料原理

該新型旋轉疲勞彎曲精密下料系統的下料原理圖如圖1 所示。

圖1 旋轉疲勞彎曲精密下料原理圖

下料機工作前，管料的中心線O2O2與下料模具的中心線相重合且與偏心模具固定盤的中心線O1O1平行并保持長度為e 的偏心量。開始工作時，偏心模具固定盤繞其中心線O1O1自轉，并帶動下料模具繞O1O1軸公轉，公轉半徑為e，這樣便會帶動管料的加持段做高速彎曲圓周運動，由于管料的另一端被管料固定套固定著，這樣便會使管料在其加持位置到環狀V 形槽之間的部分（L 段）受到彎曲和剪切的復合作用力，此復合作用力在V 形槽底部產生很大的應力集中，便能使管料在環狀V 形槽根部產生裂紋，并快速擴展直到斷裂。

3 新型旋轉疲勞彎曲下料系統

該旋轉疲勞彎曲下料系統包括機械系統和控制系統兩大部分，下料系統如圖2 所示。

圖2 新型高速旋轉彎曲疲勞下料系統

3.1 機械系統

新型旋轉疲勞彎曲下料系統如圖3 所示，其機械系統主要由傳動機構、旋轉彎曲下料機構和管料固定機構組成。

圖3 管料精密下料試驗機

傳動機構包括電機，電機軸上裝有帶輪，電機下方的機架上沿同一水平方向裝有傳動軸和主軸，傳動軸一端安裝有從動帶輪，另一端安裝有齒輪，齒輪和主軸配合，主軸為空心軸其固定于機架上。旋轉彎曲下料機構包括下料模具，下料模具通過軸承連接于偏心模具固定盤上，偏心模具固定盤固連于主軸的一端。管料固定機構包括支架，支架固定于底座上，支架上裝有有管料固定套，管料一端放置于下料模具中，一端放在管料固定套中。

該機構下料時，管料一端固定于管料固定套中，另一端置于下料模具中，電機啟動后，主軸轉動進而帶動偏心模具固定盤轉動，從而給管料端部施加一高速循環彎曲載荷，由于管料徑向V 型槽的應力集中效應，在高速循環彎曲載荷的作用下，V 形槽底部萌生裂紋并迅速擴展然后瞬間斷裂。圖4 為下料模具與管料固定套部分的局部放大圖，圖中比較清晰地顯示了管料與下料模具和管料固定套之間的安裝關系。管料的V 形槽需放置在管料固定套的右端部截面處。

圖4 下料模具與管料固定套筒局部結構圖

3.2 控制系統

下料機構的控制系統結構如圖5 所示，主要包括轉速控制和音頻監測兩大部分。其中轉速控制部分主要用來調節和控制下料模具轉速，上位機發出的模擬信號通過數據采集卡到變頻器，通過變頻器控制交流異步電機的轉速來控制下料模具的轉速，進而達到控制施加給管料的外載頻率的目的，同時光電傳感器將下料模具的轉速信息（等同于施加于管料的外載頻率）反饋給上位機，以便進行轉速的是實時控制。音頻監測部分主要是監測下料過程中下料模具處的聲音頻譜的變化，根據頻譜分析來判斷下料過程中管料的起裂和斷裂時間，以實現整個系統的自動化。

圖5 下料機控制系統結構圖

4 304 不銹鋼管精密下料實驗研究

4.1 實驗管料參數

304 不銹鋼是一種通用的不銹鋼，被廣泛用于制造要求良好綜合性能的設備和機件。實驗采用工業中常用的304不銹鋼管為研究對象，其幾何參數如圖6 所示，圖中L、D、d、r、h、α 分別為下料長度、管料外徑、管料內徑、V形槽底角半徑、V形槽深度、V 形槽角度。根據課題組已有研究成果和實際生產需要[10]，本實驗選用兩種規格的管料進行下料實驗：①L=50mm，D=20mm，d=14mm，r=0.2mm，h=0.5mm，α=90°，壁厚3mm；②L=50mm，D=20mm，d=10mm，r=0.2mm，h=0.5mm，α=90°，壁厚5mm。

圖6 實驗管料參數

4.2 外載頻率曲線的確定

為考察不同外載頻率下管料的下料質量，在課題組已有的研究成果上[11]，實驗采用如圖7 所示的四種外載頻率曲線。

圖7 中f1表示下料初始頻率，f2表示下料終止頻率，f△表示采用階梯形外載頻率曲線時的中間過渡頻率，te表示下料結束所用時間，t1表示采用遞增形外載頻率曲線時頻率遞增所用時間、t2表示采用遞減形外載頻率曲線時頻率遞減所用時間，t3、t4表示采用階梯形外載頻率曲線時各階段用時，采用不同外載頻率曲線時的f1、f2和te都不盡相同。

圖7 不同形式的外載頻率曲線

4.3 實驗驗證

為了驗證采用哪一種外載頻率曲線可以得到好的下料質量，選用壁厚為3mm 的304 管料并按圖7中設計的四種外載頻率曲線進行了實驗研究。通過實驗對比發現采用圖7d 階梯形的外載頻率加載方式下料質量最好可以得到光滑平整的斷面，在此基礎上選用壁厚為5mm 的304 管料按圖7d 階梯形的外載頻率加載方式進行下料實驗，實驗所得管料的斷面質量十分平整。圖8 為分別采用四種外載荷頻率曲線所下管料的實物圖，其中圖8a 為采用常數形外載頻率曲線所下壁厚為3mm 管料的斷面實物圖，圖8b 為采用遞增形外載頻率曲線所下壁厚為3mm管料的斷面實物圖，圖8c 為采用遞減形外載頻率曲線所下壁厚為3mm 管料的斷面實物圖，圖8d 為采用階梯形外載頻率曲線所下壁厚為3mm 管料的斷面實物圖，圖8e 為采用階梯形外載頻率曲線所下壁厚為5mm 管料的斷面實物圖。

圖8 采用不同外載頻率所下管料實物圖

5 管料斷面測量與評價

5.1 所下管料斷面平面度測量

為了量化評價所下304 管料的斷面平整程度，采用如圖9 所示的CARL-ZEISS CS100-2828-18三坐標測量儀，對采用階梯形外載頻率所下管料（圖8d、8e 管料斷面）的斷面三維坐標進行測量，并對其平面度進行分析。

圖9 CARL-ZEISS CS100-2828-18 三坐標測量儀

根據所測數據繪制出的管料斷面三維圖如圖10 所示，其中圖10a 為采用階梯形外載頻率曲線所下壁厚為3mm 管料的斷面三維圖，圖10b 為采用階梯形外載頻率曲線所下壁厚為5mm 管料的斷面三維圖。

圖10 管料斷面三維圖

5.2 所下管料斷面質量評價

根據管料斷面三維圖分析可看出，采用階梯形外載頻率曲線所下壁厚為3mm 管料的斷面相對于理想平整斷面（平面度為0 的斷面）其最高點坐標為0.296853mm、最低點坐標為—0.048339mm，平面度為0.345192mm，實際斷面中有13%的區域相對于理想平整斷面的高度偏差超過了0.1mm，其余87%的區域相對于理想平整斷面的高度偏差小于0.1mm。而采用階梯形外載頻率曲線所下壁厚為5mm 管料的斷面相對于理想平整斷面其最高點坐標為0.1mm、最低點坐標為—0.035mm，平面度為0.135mm，所有區域的高度偏差都在0.1mm 內，斷面相對來說比較平整。

管料下料的目的是為了給下一工序如精鍛擠壓等工序提供原始坯料，因此對毛坯的精度也就有相應的要求，一般精鍛或擠壓工藝通常要求毛坯體積誤差小，斷面變形小，斷面平整且無明顯撕裂而且斷面與管料軸線的垂直度要高[12-13]。根據對下料工藝的分析以及上述管料斷面的測量結果可以看出，采用文章提出的新型高速旋轉彎曲疲勞精密下料系統所下管料，由于屬無屑精密下料所以其所下毛坯體積誤差接近于零，而且此工藝是靠低應力疲勞裂紋擴展（裂紋在微觀尺度沿徑向逐步向內擴展）來實現斷料的，因此所下管料斷面變形很小且比較平整，無宏觀撕裂，同時也不會影響斷面與管料軸線的垂直度，所下管料能達到下一工序的使用要求。

6 結論

（1）研制出一種厚壁管旋轉疲勞彎曲精密下料系統。該系統包括計算機控制系統和機械系統兩大部分，通過計算機控制系統控制機械系統的轉速來改變機械系統施加給管料的外載荷頻率，從而實現變載荷的旋轉疲勞彎曲精密下料。

（2）按照常數型、遞增型、遞減型和階梯型四種不同的外載荷頻率曲線對外徑20mm、壁厚分別為3mm和5mm 的兩種不同規格的304 不銹鋼管進行了下料實驗，實驗發現采用階梯形外載頻率曲線對兩種不同規格的管料均能下出斷面質量較好的斷料。

（3）提出采用平面度的方法來評價斷面好壞的質量評價體系，采用此評價體系對本文提出的系統所下管料質量進行了評價。對于采用階梯型外載所下壁厚為3mm 的管料其斷面中有13%的區域相對于理想平整斷面的高度偏差超過了0.1mm，其余87%的區域相對于理想平整斷面的高度偏差小于0.1mm。而采用階梯形外載頻率曲線所下壁厚為5mm 管料的斷面所有區域的高度偏差都在0.1mm內，斷面相對來說比較平整。

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