王宏，盧曦

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

細(xì)長(zhǎng)薄壁件是壁厚較小、長(zhǎng)徑比大于25 的零件統(tǒng)稱，因其壁厚較小，通常具有節(jié)約材料、減少產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于造船、航空航天、核能、軍工等高尖端行業(yè)[1]。細(xì)長(zhǎng)薄壁類零件因其長(zhǎng)度方向尺寸較長(zhǎng)，剛度較差等原因，普通加工成形質(zhì)量相對(duì)較差，因此應(yīng)針對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相關(guān)要求，對(duì)其成形工藝進(jìn)行研究。

細(xì)長(zhǎng)軸類薄壁零件的成形方法種類繁多，針對(duì)不同零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和要求，應(yīng)選取不同的成形方法。張開學(xué)[2]等針對(duì)薄壁細(xì)長(zhǎng)軸在車削成形過程中的問題，通過調(diào)整加工工藝、改變裝夾方法等提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度和加工效率；劉峰[3]等針對(duì)材料流動(dòng)性差、易產(chǎn)生氣孔等缺陷，通過改進(jìn)工藝參數(shù)，有效提高成形質(zhì)量，符合各項(xiàng)質(zhì)量要求；尹冠人[4]等分析薄壁管在旋鍛成形中的受力特點(diǎn)，研究了成形過程中摩擦條件對(duì)產(chǎn)品成形尺寸的影響；王聚存等針對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸難加工問題，提出采用旋鍛成形工藝方案。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，采用該工藝能有效保證產(chǎn)品成形質(zhì)量[5]。本文重點(diǎn)研究細(xì)長(zhǎng)薄壁件成形工藝，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征與產(chǎn)品要求確定成形工藝方法，通過有限元分析確定該成形工藝下的進(jìn)給參數(shù)，根據(jù)進(jìn)給參數(shù)數(shù)值模擬確定該工藝路線下產(chǎn)品成形的應(yīng)變、金屬流動(dòng)及損傷分布，分析該成形工藝方案的可行性和進(jìn)給參數(shù)的合理性，為產(chǎn)品實(shí)際加工成形提供參考。

1 材料與方法

本文以細(xì)長(zhǎng)薄壁件為研究對(duì)象，產(chǎn)品的尺寸如圖1 所示。

圖1 產(chǎn)品尺寸圖Fig.1 Product dimension drawing

該產(chǎn)品總體積為11 080 mm3，總長(zhǎng)度為266.7 mm，外徑等長(zhǎng)為9.5 mm，內(nèi)徑從左到右依次增大，最小內(nèi)徑為4.3 mm，最大內(nèi)徑為4.5 mm，長(zhǎng)寬比接近28.1，是一種典型的細(xì)長(zhǎng)薄壁類零件產(chǎn)品。該細(xì)長(zhǎng)薄壁件的材料為GH3625，其材料成分如表1 所示。

表1 材料成分Tab.1 Material composition

對(duì)于細(xì)長(zhǎng)薄壁件成形工藝研究，本文提出的研究方法如下：

（1）首先根據(jù)產(chǎn)品的尺寸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相關(guān)要求，提出合理的成形工藝方案。

（2）其次通過尺寸關(guān)系和數(shù)值模擬，確定合理的進(jìn)給參數(shù)。

（3）最后根據(jù)進(jìn)給參數(shù)，通過數(shù)值模擬分析該工藝參數(shù)下的應(yīng)變、速度場(chǎng)以及損傷分布。

2 成形工藝分析

在工程應(yīng)用中，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)薄壁類零件一般可通過車削、鑄造、旋鍛等多種類型方式完成。車削是通過刀具對(duì)旋鍛的工件進(jìn)行車削加工，主要適用于對(duì)稱旋轉(zhuǎn)體的加工成形；鑄造是將液體金屬澆鑄到與零件形狀相適應(yīng)的鑄造空腔中，待其冷卻凝固后，以獲得零件或毛坯的方法；旋鍛成形屬于回轉(zhuǎn)塑性成形工藝類，是利用材料的塑性，通過機(jī)器作用于模具對(duì)坯料施加徑向作用力，迫使材料發(fā)生變形，依據(jù)模具和芯棒尺寸得到理想尺寸產(chǎn)品的特種成形工藝方法。旋鍛成形不僅能加工各類不同形狀及尺寸的產(chǎn)品，而且加工精度高，能夠改善材料組織，提高其力學(xué)性能，是現(xiàn)代細(xì)長(zhǎng)軸成形的重要方法。參見圖2。

圖2 旋鍛成形圖Fig.2 Forming drawing of rotary forging

由于該細(xì)長(zhǎng)薄壁件內(nèi)壁壁厚連續(xù)變化，普通的車削難以精確加工產(chǎn)品內(nèi)徑。同時(shí)，毛坯內(nèi)徑較小，車削過程中易出現(xiàn)排屑困難；另一方面，坯料過長(zhǎng)，毛坯在刀具切削力的作用下產(chǎn)生變形，破壞毛坯與刀具之間的相對(duì)位置，導(dǎo)致加工存在嚴(yán)重誤差。若采用鑄造工藝，該材料為高溫合金材料，金屬流動(dòng)性相對(duì)較差。同時(shí)，產(chǎn)品為細(xì)長(zhǎng)薄壁件，鑄造工藝難以成形，而且液體金屬在冷卻凝固過程中，內(nèi)外壁容易產(chǎn)生細(xì)微氣泡與沙眼，影響產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)產(chǎn)品尺寸相對(duì)較小，強(qiáng)度與精度要求相對(duì)較高，應(yīng)初步選擇旋鍛成形工藝，以保證成形質(zhì)量和成形精度，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3 進(jìn)給參數(shù)確定

通過上述分析，初步選擇旋鍛成形工藝，主要成形參數(shù)為徑向進(jìn)給量、周向進(jìn)給量以及軸向進(jìn)給量。

3.1 徑向進(jìn)給量確定

徑向進(jìn)給量即設(shè)備通過模具對(duì)坯料的下壓量。在含芯棒成形工藝中，徑向進(jìn)給參數(shù)主要由毛坯外徑尺寸和產(chǎn)品外徑?jīng)Q定。含芯棒成形工藝中，徑向進(jìn)給量如式（1）所示：

式中：Δh——含芯棒旋鍛成形徑向下壓量；D——毛坯初始外徑；d——產(chǎn)品外徑。

在含芯棒旋鍛成形中，毛坯初始外徑為10.5 mm，產(chǎn)品外徑為9.5 mm，根據(jù)式（1）確定含芯棒成形工藝中徑向進(jìn)給量為0.5 mm。

3.2 周向進(jìn)給量確定

周向進(jìn)給量即在一次徑向進(jìn)給后，毛坯相對(duì)模具轉(zhuǎn)動(dòng)角度。周向進(jìn)給量與毛坯外徑變形位置相關(guān)，以鍛打后的毛坯最小變形位置決定。在含芯棒成形過程中，毛坯在進(jìn)給量為0.5 mm 的徑向下壓量下，毛坯內(nèi)徑與芯棒完全貼合，外徑變形通過點(diǎn)刻畫得到，如圖3 所示。為便于觀察外徑變形情況，將外徑放大一定倍數(shù)，如圖4 所示。

圖3 外圓尺寸圖Fig.3 Cylindrical dimension drawing

如圖4 所示，毛坯最大變形位置為毛坯與模具中心接觸位置，即0°，90°，180°，270°；毛坯最小變形位置為模具間的間隙區(qū)域，即45°，135°，225°，315°。根據(jù)最小變形位置確定一次周向進(jìn)給量為45°。

圖4 外圓尺寸放大圖Fig.4 Enlarged drawing of outer circle size

在第1 次周向進(jìn)給45°后，外徑尺寸發(fā)生明顯變化，毛坯外徑尺寸如圖5 所示。為便于觀察內(nèi)外徑變形情況，將外徑放大一定倍數(shù)，如圖6 所示。

圖5 外圓尺寸圖Fig.5 Cylindrical dimension drawing

圖6 外圓尺寸放大圖Fig.6 Enlarged drawing of outer circle size

如圖6 所示，在一次周向進(jìn)給后，毛坯最大變形位置在0°及其對(duì)稱位置，毛坯最小變形位置在30°及其對(duì)稱位置，根據(jù)最小變形位置確定二次周向進(jìn)給量為30°。同理，確定后續(xù)周向進(jìn)給量分別為25°，30°，20°，25°，35°。

通過多次周向進(jìn)給，毛坯外徑尺寸不斷變化，采用最大內(nèi)接圓法和最小外接圓法，即“圓度”概念定量表征成形表面質(zhì)量，圓度定義如式（2）所示：

根據(jù)周向進(jìn)給量不斷變化，周向進(jìn)給道次增加，外圓質(zhì)量不斷提高，外圓圓度隨周向進(jìn)給道次的關(guān)系如圖7 所示。

圖7 外圓圓度與進(jìn)給道次關(guān)系Fig.7 Relationship between roundness and feed pass

如圖7 所示，隨著周向進(jìn)給道次不斷增加，毛坯外圓圓度不斷降低，在前期周向進(jìn)給時(shí)，毛坯外圓圓度顯著提高，在后期周向進(jìn)給時(shí)，毛坯外圓圓度降低不明顯。當(dāng)周向進(jìn)給道次為6 時(shí)，毛坯外圓圓度基本不變，因此確定周向進(jìn)給最低道次為6。

根據(jù)旋鍛成形自動(dòng)化控制要求，應(yīng)將周向進(jìn)給量統(tǒng)一化處理。根據(jù)上述分析，周向進(jìn)給量分別為45°，25°，30°，20°，25°。選取周向進(jìn)給量的中位數(shù)25°作為統(tǒng)一化后的周向進(jìn)給參數(shù)，得到統(tǒng)一化前后的外圓尺寸如圖8 所示。

圖8 外圓圓度與進(jìn)給道次關(guān)系Fig.8 Relationship between roundness and feed pass

如圖8 所示，周向進(jìn)給量統(tǒng)一化前后的外圓尺寸相差較小，圓度基本不變，滿足產(chǎn)品要求，因此可將周向進(jìn)給量統(tǒng)一化為25°。

3.3 軸向進(jìn)給量確定

軸向進(jìn)給是含芯棒旋鍛成形過程中毛坯和芯棒相對(duì)于模具的軸向進(jìn)給量，是含芯棒旋鍛成形的重要進(jìn)給參數(shù)之一。若軸向進(jìn)給量設(shè)置不合理，不僅縮短設(shè)備壽命，而且造成產(chǎn)品組織纖維斷裂、產(chǎn)品表面出現(xiàn)裂紋等情況發(fā)生，甚至對(duì)產(chǎn)品造成損傷，影響產(chǎn)品成品率。若工件沿軸向進(jìn)給量過大，前后兩次模鍛擊打位置間會(huì)出現(xiàn)材料的凸起，從而降低表面質(zhì)量。

軸向進(jìn)給量主要受模具幾何尺寸以及徑向下壓量的限制，還受應(yīng)變等多方面限制。在含芯棒旋鍛成形過程中，軸向極限進(jìn)給量應(yīng)低于模具斜面與毛坯接觸面在水平方向上的投影距離，具體如圖9 所示。

根據(jù)圖9，可得軸向極限進(jìn)給量：

式中：L——軸向極限進(jìn)給量；D——毛坯初始外徑；d——產(chǎn)品外徑；α——模具入口角。

根據(jù)毛坯初始外徑約為10.5 mm，產(chǎn)品外徑為9.5 mm，模具入口角度α 為10°，確定含芯棒成形工藝中軸向極限進(jìn)給量為2.83 mm。

根據(jù)軸向極限進(jìn)給量，通過有限元分析確定不同軸向進(jìn)給量與最大應(yīng)變的關(guān)系，如圖10 所示。

圖10 軸向進(jìn)給量與應(yīng)變關(guān)系Fig.10 Relationship between axial feed and strain

如圖10 所示，隨著軸向進(jìn)給量的增加，應(yīng)變逐漸提高，但上升幅度較小?？紤]到軸向進(jìn)給較大將降低產(chǎn)品表面成形質(zhì)量，軸向進(jìn)給較小將影響產(chǎn)品成形效率，因此確定軸向進(jìn)給量為2 mm。

4 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上述成形工藝分析和進(jìn)給參數(shù)研究，通過有限元分析毛坯在成形過程中的應(yīng)變分布、金屬流動(dòng)情況和損傷，從而確定進(jìn)給參數(shù)合理性，判斷成形工藝的可靠性。

4.1 應(yīng)變分布

應(yīng)變分布主要用于分析毛坯在模具作用下產(chǎn)生的變形，可根據(jù)應(yīng)變分布確定進(jìn)給參數(shù)的合理性。在成形過程中，毛坯應(yīng)變分布如圖11 所示。

圖11 應(yīng)變分布示意圖Fig.11 Schematic diagram of strain distribution

如圖11 所示，毛坯在成形過程中，應(yīng)變分布均勻。與內(nèi)表面相比，外表面應(yīng)變相對(duì)較大，符合旋鍛成形的實(shí)際情況[6]。其主要原因?yàn)槊魍獗砻媸艿侥＞咧苯渝懘虺尚危饘倭鲃?dòng)性高于內(nèi)表面。

4.2 速度場(chǎng)分布

速度場(chǎng)分布主要分析毛坯在成形過程中的金屬流動(dòng)情況。在成形過程中，毛坯速度場(chǎng)分布如圖12 所示。

圖12 速度場(chǎng)分布示意圖Fig.12 Velocity field distribution diagram

如圖12 所示，毛坯在成形過程中出現(xiàn)明顯的中性層，中性層位于產(chǎn)品端，符合金屬成形要求[7]。毛坯在受到模具作用力時(shí)，中性層兩端金屬一端向坯料端流動(dòng)，另一端為周向流動(dòng)和軸向流動(dòng)。其主要原因?yàn)槭苣＞咤F角的影響，毛坯金屬向坯料端移動(dòng)產(chǎn)生“拔長(zhǎng)”效果和徑向移動(dòng)進(jìn)行減小內(nèi)徑的作用。

4.3 損傷分布

在有限元分析軟件中，根據(jù)后處理中的Damage 對(duì)成形過程中毛坯的斷裂、損傷進(jìn)行分析，確定毛坯在成形過程中的損傷程度，預(yù)測(cè)毛坯在成形過程中發(fā)生塑性變形時(shí)易出現(xiàn)斷裂和破壞的位置，進(jìn)而判斷成形工藝選擇的合理性和進(jìn)給參數(shù)確定的可靠性。

有限元軟件中，采用Cockcroft-Latham 韌性斷裂失效準(zhǔn)則確定毛坯損傷程度，該失效準(zhǔn)則認(rèn)為材料損傷和破壞與材料所受最大拉應(yīng)力相關(guān)。即對(duì)于特定的材料，當(dāng)毛坯在拉伸狀態(tài)下，材料的應(yīng)變能達(dá)到臨界值時(shí)，材料發(fā)生斷裂，具體如式（4）：

式中：——等效應(yīng)力；σ*——最大拉伸應(yīng)力；——等效應(yīng)變?cè)隽浚沪舊——斷裂等效應(yīng)變；C——損傷值。

通過有限元分析得到成形過程中毛坯的損傷分布如圖13、圖14 所示。

圖13 橫截面損傷示意圖Fig.13 Schematic diagram of cross section damage

圖14 縱截面損傷示意圖Fig.14 Schematic diagram of longitudinal section damage

如圖13 所示，毛坯內(nèi)壁損傷高于外壁損傷，主要原因毛坯內(nèi)部受到芯棒和模具雙重作用，損傷最大值為0.19 左右。如圖14 所示，毛坯外表面損傷均勻，損傷最大值為0.12 左右。根據(jù)上述分析，毛坯在成形過程中，損傷最大值均低于許可值0.45，符合要求[8]。因此，成形工藝中進(jìn)給參數(shù)選擇合理，毛坯在成形過程中不易導(dǎo)致產(chǎn)生損傷過大等問題。

5 結(jié)論

本文根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和要求，確定產(chǎn)品成形工藝。通過毛坯與產(chǎn)品尺寸關(guān)系及數(shù)值模擬確定進(jìn)給參數(shù)。采用有限元分析該進(jìn)給參數(shù)下的應(yīng)變、速度場(chǎng)及損傷分布，得到結(jié)論如下：

（1）根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各成形工藝優(yōu)缺點(diǎn)，確定采用旋鍛成形工藝；

（2）根據(jù)毛坯外徑與產(chǎn)品外徑尺寸關(guān)系，確定徑向壓下量為0.5 mm；根據(jù)變形位置關(guān)系以及圓度要求確定周向進(jìn)給量為25°；根據(jù)徑向下壓量、模具結(jié)構(gòu)參數(shù)和應(yīng)變要求確定軸向進(jìn)給量為2 mm。其中，在周向進(jìn)給過程中，前期周向進(jìn)給道次對(duì)圓度降低效果較為明顯。

通過有限元分析該進(jìn)給參數(shù)下，毛坯在成形過程中應(yīng)變分布、速度場(chǎng)分布、損傷分布均滿足要求，確定該進(jìn)給參數(shù)的合理性和成形工藝的可靠性，為其他細(xì)長(zhǎng)薄壁件的成形工藝提供了參考。