景 飛，趙升噸，趙仁峰，賁寧宇，蔡厚勇

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院模具所，陜西 西安710049）

1 引言

金屬管材在工業(yè)實(shí)際中有大量應(yīng)用。國(guó)內(nèi)目前主要是用切割的方法來(lái)切斷金屬管材，但該方法浪費(fèi)原材料，噪聲大，斷面毛刺較長(zhǎng)[1-3]。采用剪切加工可改善上述缺點(diǎn)，其無(wú)廢料損失且生產(chǎn)效率高，特別適合大批量生產(chǎn)，但一般的剪切下料法所生產(chǎn)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(yīng)用而生。但該方法仍然會(huì)使管料斷面產(chǎn)生壓塌、撕裂等缺陷[4-9]。當(dāng)前針對(duì)管料下料工藝研究較少，所以新的管料下料工藝和下料機(jī)理需進(jìn)一步探索和完善。

文中提出了一種新型的旋轉(zhuǎn)疲勞彎曲精密下料系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用管料表面預(yù)制V 形槽缺口的應(yīng)力集中效應(yīng)，在循環(huán)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(kuò)展，最終實(shí)現(xiàn)低周疲勞低應(yīng)力精密下料。文中利用所提新系統(tǒng)及工藝，研究了不同外載頻率曲線對(duì)管料斷面質(zhì)量的影響規(guī)律，獲得了下料過(guò)程中理想的外載頻率曲線，在此外載頻率曲線的基礎(chǔ)上研究了不同壁厚的304 不銹鋼管的下料問(wèn)題，并對(duì)其斷面質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量和評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)所采用的下料工藝不僅有高的下料效率且能獲得高質(zhì)量的斷料。

2 高速旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞下料原理

該新型旋轉(zhuǎn)疲勞彎曲精密下料系統(tǒng)的下料原理圖如圖1 所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)疲勞彎曲精密下料原理圖

下料機(jī)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(zhǎng)度為e 的偏心量。開(kāi)始工作時(shí)，偏心模具固定盤繞其中心線O1O1自轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)下料模具繞O1O1軸公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)半徑為e，這樣便會(huì)帶動(dòng)管料的加持段做高速?gòu)澢鷪A周運(yùn)動(dòng)，由于管料的另一端被管料固定套固定著，這樣便會(huì)使管料在其加持位置到環(huán)狀V 形槽之間的部分（L 段）受到彎曲和剪切的復(fù)合作用力，此復(fù)合作用力在V 形槽底部產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，便能使管料在環(huán)狀V 形槽根部產(chǎn)生裂紋，并快速擴(kuò)展直到斷裂。

3 新型旋轉(zhuǎn)疲勞彎曲下料系統(tǒng)

該旋轉(zhuǎn)疲勞彎曲下料系統(tǒng)包括機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分，下料系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 新型高速旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞下料系統(tǒng)

3.1 機(jī)械系統(tǒng)

新型旋轉(zhuǎn)疲勞彎曲下料系統(tǒng)如圖3 所示，其機(jī)械系統(tǒng)主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)彎曲下料機(jī)構(gòu)和管料固定機(jī)構(gòu)組成。

圖3 管料精密下料試驗(yàn)機(jī)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)，電機(jī)軸上裝有帶輪，電機(jī)下方的機(jī)架上沿同一水平方向裝有傳動(dòng)軸和主軸，傳動(dòng)軸一端安裝有從動(dòng)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(jī)架上。旋轉(zhuǎn)彎曲下料機(jī)構(gòu)包括下料模具，下料模具通過(guò)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(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)下料時(shí)，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(jī)啟動(dòng)后，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)偏心模具固定盤轉(zhuǎn)動(dòng)，從而給管料端部施加一高速循環(huán)彎曲載荷，由于管料徑向V 型槽的應(yīng)力集中效應(yīng)，在高速循環(huán)彎曲載荷的作用下，V 形槽底部萌生裂紋并迅速擴(kuò)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(guān)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(jié)構(gòu)圖

3.2 控制系統(tǒng)

下料機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示，主要包括轉(zhuǎn)速控制和音頻監(jiān)測(cè)兩大部分。其中轉(zhuǎn)速控制部分主要用來(lái)調(diào)節(jié)和控制下料模具轉(zhuǎn)速，上位機(jī)發(fā)出的模擬信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡到變頻器，通過(guò)變頻器控制交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制下料模具的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制施加給管料的外載頻率的目的，同時(shí)光電傳感器將下料模具的轉(zhuǎn)速信息（等同于施加于管料的外載頻率）反饋給上位機(jī)，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)速的是實(shí)時(shí)控制。音頻監(jiān)測(cè)部分主要是監(jiān)測(cè)下料過(guò)程中下料模具處的聲音頻譜的變化，根據(jù)頻譜分析來(lái)判斷下料過(guò)程中管料的起裂和斷裂時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化。

圖5 下料機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 304 不銹鋼管精密下料實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)管料參數(shù)

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(shè)備和機(jī)件。實(shí)驗(yàn)采用工業(yè)中常用的304不銹鋼管為研究對(duì)象，其幾何參數(shù)如圖6 所示，圖中L、D、d、r、h、α 分別為下料長(zhǎng)度、管料外徑、管料內(nèi)徑、V形槽底角半徑、V形槽深度、V 形槽角度。根據(jù)課題組已有研究成果和實(shí)際生產(chǎn)需要[10]，本實(shí)驗(yàn)選用兩種規(guī)格的管料進(jìn)行下料實(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)管料參數(shù)

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(zhì)量，在課題組已有的研究成果上[11]，實(shí)驗(yàn)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(shí)的中間過(guò)渡頻率，te表示下料結(jié)束所用時(shí)間，t1表示采用遞增形外載頻率曲線時(shí)頻率遞增所用時(shí)間、t2表示采用遞減形外載頻率曲線時(shí)頻率遞減所用時(shí)間，t3、t4表示采用階梯形外載頻率曲線時(shí)各階段用時(shí)，采用不同外載頻率曲線時(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采用哪一種外載頻率曲線可以得到好的下料質(zhì)量，選用壁厚為3mm 的304 管料并按圖7中設(shè)計(jì)的四種外載頻率曲線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用圖7d 階梯形的外載頻率加載方式下料質(zhì)量最好可以得到光滑平整的斷面，在此基礎(chǔ)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(jìn)行下料實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所得管料的斷面質(zhì)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(shí)物圖，其中圖8a 為采用常數(shù)形外載頻率曲線所下壁厚為3mm 管料的斷面實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)物圖。

圖8 采用不同外載頻率所下管料實(shí)物圖

5 管料斷面測(cè)量與評(píng)價(jià)

5.1 所下管料斷面平面度測(cè)量

為了量化評(píng)價(jià)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(biāo)測(cè)量?jī)x，對(duì)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(biāo)進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)其平面度進(jìn)行分析。

圖9 CARL-ZEISS CS100-2828-18 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x

根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)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(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)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(duì)于理想平整斷面（平面度為0 的斷面）其最高點(diǎn)坐標(biāo)為0.296853mm、最低點(diǎn)坐標(biāo)為—0.048339mm，平面度為0.345192mm，實(shí)際斷面中有13%的區(qū)域相對(duì)于理想平整斷面的高度偏差超過(guò)了0.1mm，其余87%的區(qū)域相對(duì)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(duì)于理想平整斷面其最高點(diǎn)坐標(biāo)為0.1mm、最低點(diǎn)坐標(biāo)為—0.035mm，平面度為0.135mm，所有區(qū)域的高度偏差都在0.1mm 內(nèi)，斷面相對(duì)來(lái)說(shuō)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(duì)毛坯的精度也就有相應(yīng)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(wú)明顯撕裂而且斷面與管料軸線的垂直度要高[12-13]。根據(jù)對(duì)下料工藝的分析以及上述管料斷面的測(cè)量結(jié)果可以看出，采用文章提出的新型高速旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞精密下料系統(tǒng)所下管料，由于屬無(wú)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(yīng)力疲勞裂紋擴(kuò)展（裂紋在微觀尺度沿徑向逐步向內(nèi)擴(kuò)展）來(lái)實(shí)現(xiàn)斷料的，因此所下管料斷面變形很小且比較平整，無(wú)宏觀撕裂，同時(shí)也不會(huì)影響斷面與管料軸線的垂直度，所下管料能達(dá)到下一工序的使用要求。

6 結(jié)論

（1）研制出一種厚壁管旋轉(zhuǎn)疲勞彎曲精密下料系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)兩大部分，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變機(jī)械系統(tǒng)施加給管料的外載荷頻率，從而實(shí)現(xiàn)變載荷的旋轉(zhuǎn)疲勞彎曲精密下料。

（2）按照常數(shù)型、遞增型、遞減型和階梯型四種不同的外載荷頻率曲線對(duì)外徑20mm、壁厚分別為3mm和5mm 的兩種不同規(guī)格的304 不銹鋼管進(jìn)行了下料實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用階梯形外載頻率曲線對(duì)兩種不同規(guī)格的管料均能下出斷面質(zhì)量較好的斷料。

（3）提出采用平面度的方法來(lái)評(píng)價(jià)斷面好壞的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，采用此評(píng)價(jià)體系對(duì)本文提出的系統(tǒng)所下管料質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。對(duì)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(qū)域相對(duì)于理想平整斷面的高度偏差超過(guò)了0.1mm，其余87%的區(qū)域相對(duì)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(qū)域的高度偏差都在0.1mm內(nèi)，斷面相對(duì)來(lái)說(shuō)比較平整。

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