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摘要：參照二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)法，對(duì)楔橫軋空心件的壁厚變化規(guī)律，做了實(shí)驗(yàn)研究，得到具有較高參考價(jià)值的回歸方程。依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和回歸方程，對(duì)影響楔橫軋空心件壁厚變化的主要因素做了分析討論。
關(guān)鍵詞：楔橫軋；空心件；壁厚變化

一、前言

楔橫軋是大批量階梯軸零件毛坯塑性成形的先進(jìn)工藝，具有高效、節(jié)材、質(zhì)量好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于成形實(shí)心零件。近年來空心階梯軸類零件的楔橫軋成形正引起人們的注意，并得到一定應(yīng)用。與實(shí)心件相比，楔橫軋空心件的最大特點(diǎn)之一是軋制前后軋件被軋部分的壁厚會(huì)發(fā)生變化。壁厚是空心零件的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)。因而認(rèn)識(shí)并掌握軋件的壁厚變化規(guī)律，對(duì)于將先進(jìn)的楔橫軋工藝用于空心階梯軸類零件有著十分重要的意義。

二、實(shí)驗(yàn)方法及裝置

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái)改裝的斜軋機(jī)上進(jìn)行的(見圖1)。軋機(jī)主要參數(shù)為：電機(jī)功率為17kW，軋輥轉(zhuǎn)數(shù)12.5rpm，軋輥直徑φ230mm，加熱設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室用管式高溫電阻爐。

圖1 實(shí)驗(yàn)軋機(jī)

2.試驗(yàn)模具與材料

試驗(yàn)用軋輥材料為45#鋼，軋件為20#冷拔無縫鋼管，軋輥及軋件規(guī)格見表1。

表1模具參數(shù)及軋件規(guī)格
類別 分組名稱 A B C D E F G H I 模具參數(shù) 楔展角β(°) 2 3 3 4 4 4 5 5 6 成型角α(°) 30 27 33 24 30 36 27 33 30 軋件規(guī)格 原始外徑d₀(mm) 16 22 22 28 28 28 34 34 40 原始壁厚t₀(mm) 2.4 2.6 4 2.5 4 5.9 4 6 6

3.實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)參照二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)法，考察了表2中所示6個(gè)因素及其5個(gè)水平對(duì)壁厚變化率的影響。共做實(shí)驗(yàn)70組，每組重復(fù)3～5次。圖2是本實(shí)驗(yàn)部分軋件的剖件。

表2試驗(yàn)因素水平表
因素水平 楔展角β(°) 成形角α(°) 軋件原始外徑d₀(mm) 軋件原始相對(duì)壁厚Q 相對(duì)壓縮率λ 軋制溫度T(℃) 2 2 24 16 0.089 0.100 1195 1 3 27 22 0.119 0.135 1130 0 4 30 28 0.149 0.170 1065 -1 5 33 34 0.179 0.205 1000 -2 6 36 40 0.209 0.240 935

圖2本實(shí)驗(yàn)部分軋件的剖件

本文主要對(duì)軋件壁厚的徑向變化進(jìn)行分析討論，對(duì)縱向壁厚波動(dòng)也做一些探討。由于橫截面壁厚存在不均勻現(xiàn)象，實(shí)際壁厚變化率采用了平均壁厚數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論處理成為回歸方程，對(duì)回歸方程及方程中的每一項(xiàng)均做了方差分析及顯著性檢驗(yàn)。本文將直接根據(jù)用回歸方程畫出的圖表對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。由于本實(shí)驗(yàn)沒有考慮軋輥直徑、軋輥轉(zhuǎn)數(shù)、軋件材質(zhì)等影響因素，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)對(duì)本文所示方程做一定修正�；貧w方程如下：

G＝4.833-0.84925α+27.935Q+0.60418T+0.3313βλ-0.0324αλ-0.0451d₀λ+0.002864d₀T-0.00482β²+0.0280286α²-0.00042d²₀-165.63Q²+8.65λ²-0.03144T²-0.0003057α³+307.52Q³-15.75λ³

式中G—相對(duì)壁厚變化律，軋后軋件平均壁厚與原始壁厚之比，G＝t/t0
λ—相對(duì)壓縮律，軋制前后直徑差與原始直徑之比，λ＝(d0-d)/d0
Q—軋件原始相對(duì)壁厚，Q＝t0/d0
T—軋制溫度(將實(shí)際溫度縮小100倍代入)

對(duì)方程及其各項(xiàng)進(jìn)行方差分析及F檢驗(yàn)，F(xiàn)＝56.53＞F_0.01(16，53)＝3.1，復(fù)相關(guān)系數(shù)R＝0.972，判定方程高度顯著。方程中對(duì)指標(biāo)的主要影響項(xiàng)及排序?yàn)椋害娄耍?λ³，d₀λ，λ²，-d₀²，d₀T，-β²，Q，-α，α²，-Q²。由這個(gè)排列可看出，楔展角β與相對(duì)壓縮率λ的交互作用很大，在選擇參數(shù)時(shí)，應(yīng)顧及它們的搭配。另外相對(duì)壓縮率λ對(duì)壁厚變化的影響也很大。

三、試驗(yàn)結(jié)果討論

1.楔展角β的影響

由楔橫軋的瞬時(shí)展寬量公式S＝πr_ktanβ可看出，瞬時(shí)展寬量S與楔展角β成正比。圖3是變形區(qū)金屬流向示意。在abd區(qū)，如箭頭所示，金屬主要沿軸向流動(dòng)；bcd區(qū)金屬在徑向被壓縮，主要向徑向和切向流動(dòng)。S與β成正比，bcd區(qū)又和S成正比。bcd區(qū)越大，流向徑向的金屬就越多，因而壁厚會(huì)隨著β的增大而加厚。圖4是用回歸方程作出的曲線。由圖可見，壁厚隨著β的變化趨勢(shì)是和以上分析相吻合的。同時(shí)從圖4也可看出，楔展角β與壁厚變化率λ的交互作用是比較大的。

圖3變形區(qū)金屬流向示意圖

圖4楔展角β與相對(duì)壁厚變化率G的關(guān)系
α＝30°d0＝28mmQ＝0.149T＝1065℃
1—λ＝0.192—λ＝0.33—λ＝0.41

軋件上對(duì)應(yīng)于模具起楔段與展寬結(jié)束段的展寬量變化比較大，因而這兩個(gè)部位的壁厚變化率波動(dòng)較大，一般起楔段G減小，展寬結(jié)束段G增大。由于楔橫軋的變形區(qū)較小，且沿β角呈螺旋狀旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，沿變形區(qū)交界處會(huì)產(chǎn)生螺旋紋。外表面可以通過模具精整，軋件內(nèi)壁則會(huì)留有隨形螺旋紋。這種螺旋紋一般不嚴(yán)重，不影響使用。

2.成形角α的影響

由圖5可看出，隨著α的減小，壁厚變化率不是減小，而是總趨勢(shì)是增大。這是因?yàn)棣僚c變形區(qū)軸向力成正比。軸向力越小，金屬就越不容易從軸向流出，壁厚增大的趨勢(shì)升高。α與λ也有不小的交互作用。值得注意的是，當(dāng)α在28°～33°之間時(shí)，α對(duì)G的影響較小，一般不要在這一區(qū)間變動(dòng)α以求對(duì)G施加影響。

圖5成形角α與相對(duì)壁厚變化率G的關(guān)系
β＝4°d0＝28mmQ＝0.149T＝1065℃
1—λ＝0.192—λ＝0.33—λ＝0.41

3.相對(duì)壓縮率λ的影響

相對(duì)壓縮率λ對(duì)壁厚變化率G影響表示在圖6中。在圖示條件下，曲線在λ等于0.3左右是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。λ小于0.3時(shí)，G值隨λ的增大緩慢增加；當(dāng)λ大于0.3時(shí)，G值隨λ的增大而急劇減小。這是因?yàn)棣说母淖冊(cè)斐奢S向拉應(yīng)力與徑向壓應(yīng)力的比值發(fā)生了變化。軸向拉應(yīng)力使壁厚減薄，徑向壓應(yīng)力使壁厚增大。徑向壓應(yīng)力主要與變形抗力有關(guān)。對(duì)于空心件，當(dāng)λ較小時(shí)變形抗力隨λ有所增大；而當(dāng)λ較大時(shí)變形抗力卻隨λ增大不多。軸向拉應(yīng)力主要與軸向力和抗拉截面有關(guān)。λ增大使軸向力增大抗拉截面減小，造成軸向拉應(yīng)力增大，且趨勢(shì)變化不大。綜合兩方面因素，可以說明隨著λ的增加，G值由增加變?yōu)榧彼傧陆档脑�因�?

圖6相對(duì)壓縮率λ與相對(duì)壁厚變化率G的關(guān)系
β＝4°α＝30°Q＝0.149T＝1065℃
1—d0＝22mm2—d0＝28mm3—d0＝34mm

4.原始相對(duì)壁厚Q的影響

除了工藝參數(shù)對(duì)壁厚變化率產(chǎn)生影響外，空心件的原始相對(duì)壁厚Q對(duì)壁厚變化率G也有著重要影響。其變化規(guī)律為當(dāng)Q較小時(shí)，G與Q成正比，當(dāng)Q較大時(shí)，G與Q成反比(見圖7)。這是因?yàn)樵赒較小時(shí)，隨著Q增大，單位變形抗力迅速增加，在軋件內(nèi)部形成較大徑向壓應(yīng)力，使壁厚驟增。但當(dāng)Q大到一定程度時(shí)，金屬流動(dòng)困難，變形區(qū)不易達(dá)到軋件內(nèi)層，外層金屬被迫向軸向和切向流動(dòng)，從而在軋件內(nèi)層造成徑向壓應(yīng)力減小，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力，使壁厚減薄。G與λ的這種關(guān)系在其它方法軋制空心件(如簡單橫軋、斜軋等)時(shí)也出現(xiàn)過，只是曲線的形狀和轉(zhuǎn)折點(diǎn)不盡相同。

圖7原始相對(duì)壁厚Q與相對(duì)壁厚變化率G的關(guān)系
β＝4°d0＝28mmQ＝0.149λ＝0.3T＝1065℃

四、結(jié)論

(1)參照二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)法，對(duì)楔橫軋空心件的壁厚變化規(guī)律做了實(shí)驗(yàn)研究，并得到實(shí)驗(yàn)條件下的回歸方程，經(jīng)方差分析及F檢驗(yàn)，回歸方程是高度顯著的，具有較高的參考價(jià)值。
(2)壁厚變化率G與展寬角β成正比，與成形角α角成反比。相對(duì)壓縮率λ及相對(duì)原始壁厚Q對(duì)壁厚變化率G的影響有兩重性，即Q和λ較小時(shí)與G成正比，Q和λ較大時(shí)與G成反比。
(3)各工藝參數(shù)之間對(duì)壁厚變化率的影響有較強(qiáng)的交互效應(yīng)，在選擇工藝參數(shù)時(shí)必須注意它們之間的搭配。

參考文獻(xiàn)
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