薄壁球面零件無芯模旋壓的壁厚分布

管雨娟，詹艷然

（福州大學，福州 350116）

近年來錐形件無芯模旋壓時，其壁厚分布滿足正弦律，原因在于旋壓初期板坯邊緣與變形區距離較遠，無法對變形區進行補料，導致板坯產生類似脹形的變形，從而使得壁厚變薄。隨著旋壓過程的進行，旋輪逐漸靠近板坯邊緣，使板坯外側金屬對變形區的補料成為可能，此時的變形類似于普通旋壓，壁厚分布不再滿足正弦律。

在錐形件的無模旋壓方面，眾多試驗研究結果及數值模擬結果都表明，在旋壓前期，制件壁厚均滿足正弦律[1—4]，而旋壓末期的則不滿足正弦律。康達昌和Akio均在研究中發現當成形區直徑與板坯直徑的比值較大時，板坯邊緣金屬將產生環向收縮而壁厚基本不變，其變形屬于普通旋壓[5—7]。Kawai采用錐形件的旋壓方法加工球面零件時發現球面零件的壁厚并不完全符合剪切旋壓的正弦律，且在加工過程中存在開裂失效和起皺失效的成形極限[8—9]。Kang在無芯模旋壓時發現當板料邊緣的非變形區域很大時，無論旋輪軌跡是直線、凹曲線還是凸曲線，制件的壁厚變化規律均和剪切旋壓基本一致[10]，但當板料邊緣的非變形區域較小時，則工件前部分滿足正弦律，靠近法蘭部分則壁厚增加或者不變[11]，表明變形時存在一個臨界圓將剪切旋壓和普通旋壓分開[12]。

球面零件可以看作是由若干個錐角不同的錐面所組成的，其壁厚分布是否滿足正弦律則是文中要探討的重點，因此，文中針對空心球面零件的旋壓成形，通過試驗，探討其壁厚的變化與分布規律，以及旋輪軌跡和坯料尺寸對壁厚分布的影響。

1 工藝試驗方案

針對Φ140 mm的球面零件（見圖1），采用厚度為1.18 mm的SPCC鋼板進行試驗，為了考察板坯尺寸對成形結果的影響，分別采用Φ178,Φ185,Φ188,Φ192 mm這4個板坯尺寸進行旋壓試驗。

試驗是在PS-CNCSXY750雙旋輪數控旋壓機上進行的，試驗中旋輪圓角半徑為8 mm，安裝角為45°（見圖2），試驗中取主軸轉速為600 r/min，并取旋輪進給比為0.01～0.15 mm/r。

圖1 球面零件Fig.1 Spherical part

圖2 旋輪安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of spinning roller installation

2 旋輪軌跡為圓弧時的壁厚分布

此時旋輪直接沿工件的外球面母線作圓弧移動，4個不同直徑的板坯在相同的成形工藝條件下所得的成形件見圖3，將各個制件剖切后測得其相對壁厚（制件壁厚與板坯厚度之比）分布見圖4。為了對比制件各處壁厚與正弦律壁厚分布之間的關系，圖4中把球面零件當作錐角連續變化的錐形件來處理，并據此作出了正弦律相對壁厚分布曲線。

從圖4可以看出，成形之后的球面零件大部分區域的壁厚分布基本滿足正弦律，僅在成形后期，當旋輪距離板坯邊緣較近時，球面壁厚才開始明顯偏離正弦律。還可以看出，板坯直徑不同則滿足和不滿足正弦律的分界點不同，板坯直徑越大滿足正弦律的區域越大，且當板坯尺寸大到一定程度的時候，整個球面均滿足正弦律，表明板坯直徑較大時整個球面均為剪切旋壓，且旋壓前后板坯邊緣直徑不變，法蘭邊存在較大的不變形區域（見圖3d）。

圖3 不同直徑板坯所成形的球面零件Fig.3 Spherical parts formed by different diameter blanks

3 旋輪軌跡為多段直線時的壁厚分布

球面零件可以近似看作是由若干個錐角不同的錐面組成，為了考察旋壓時各段錐面壁厚的分布情況，文中用4段錐面來代替球面。不同直徑的板坯在相同的成形工藝條件下所得的成形件見圖5，將各個制件剖切后測得其相對壁厚分布見圖6。

對比圖3和圖5，以及圖4和圖6，可以看出錐形件和球面零件的變形規律相似，坯料直徑越大，則法蘭邊金屬越不容易向內收縮和起皺，且成形前期都滿足正弦律，僅在成形后期旋輪距離板坯邊緣較近時，工件壁厚才明顯偏離正弦律。板坯直徑不同則普通旋壓和剪切旋壓的分界點不同，板坯直徑增大則發生剪切旋壓的區域增大，當板坯直徑足夠大時，無論錐形件還是球面零件都只產生剪切旋壓，且旋壓前后板坯邊緣直徑不變。

圖4 坯料直徑對壁厚分布的影響Fig.4 Influences of blank diameter on wall thickness distribution

圖5 不同直徑板坯所成形的球面零件Fig.5 Conical parts formed by different diameter blanks

圖6 坯料直徑對壁厚分布的影響Fig.6 Influences of blank diameter on wall thickness distribution

綜合球面零件和錐面零件的成形結果可以看出，制件壁厚偏離正弦律的原因在于旋壓后期產生了普通旋壓，而板坯直徑對普通旋壓和剪切旋壓分界點的影響，實質在于板坯外端金屬對變形區（旋輪與板坯接觸區）的約束作用。板坯直徑越大，則外端金屬越不易向內收縮和向變形區補料，造成板料更多地以類似于脹形的方式成形，因此滿足正弦律的區域會變大。反之，板坯直徑較小時則外端金屬易于向內收縮，從而在球面或錐面末端產生普通旋壓，并使其壁厚分布不再滿足正弦律，普通旋壓的存在也容易造成制件尾部起皺。

4 結論

1)板坯直徑足夠大時，旋輪與板坯的接觸區域距離板坯邊緣較遠，板坯法蘭邊無法向內收縮和對變形區進行補料，造成球面零件或錐形件旋壓時僅產生剪切旋壓，變形區壁厚分布滿足正弦律，其旋壓過程中板坯外徑保持不變。

2)板坯直徑較小時，不論是球面零件還是錐形件，僅在旋壓前期產生剪切旋壓，而在旋壓后期則會產生普通旋壓，使其壁厚分布不再滿足正弦律。其原因在于旋壓后期板坯邊緣易于向內收縮和向變形區補料。

3)若保持旋輪軌跡不變，僅改變板坯直徑時，則普通旋壓與剪切旋壓的分界線直徑隨著板坯直徑的增加而增加，板坯直徑大到一定程度則變形區僅產生剪切旋壓。

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