小直径有色金属线材内孔成型工艺的研究

小直径有色金属线材内孔成型工艺的研究

由于金属管道通常以长度为特征的形式供应，因此内部孔不能应用于切割和加工方法。在项目中，通常使用热焊接工艺方法形成大直径管道。对于大直径的管道来说，这是一种相对成熟、合理的技术。然而，对于小直径的管道，工艺设备的投资和能耗增加，污染大，生产效率低，生产场地大，安全要求高。此外，资源的综合和循环利用不符合绿色制造时代的要求。据此,研究一种在冷塑性变形条件下,对小直径超长有色金属线材进行内孔成型的工艺方法及相应的成型装备,使产品达到质量稳定、装备投入小、能耗低、环境改善显著、生产效率较高的目的。1从材料成型材料要求上看,材质对材质的要求为针对图1所示原始有色金属小直径超长线材,要求成型为图2所示的管材。设计一种依靠机械力动态平衡而达到悬浮定位的游动成型工艺方案,其原理如图3所示。(1)叶片的制作如图3所示小直径超长有色金属线材内孔游动成型工艺,首先对工件2进行预备加工,其目的是保证游动芯子4按图示区位装入工件2,并且保证出料牵引器1可靠夹持工件。在成型工艺实施前,先行装入姿态调整器5,再装入游动芯子4;然后对工件夹持头部进行塑变收口,使其达到成型管材的内、外径要求,把其套入支承于成型模架8上的成型模具内,并在工件头部实施出料牵引器1的可靠夹持,最终在姿态调整器5的前方对原始线材安装送料引导器7,由此完成工件内孔成型前的准备工作。成型工艺实施时,出料牵引器1和送料引导器7工作,在牵引力P2和助推力P1作用下对工件实施成型进给,同时成型模具3的成型腔面(内锥)经工件材料层传递,对游动芯子4的背锥产生推力,使其相对工件产生反向进给力而实现塑变成型运动,从而达到工件内孔成型的目的。(2)成型工艺条件1工件受力分析:工件受力状态如图4所示。其中P1、P2为工件成形工作力;Fa、Fb为游动芯子成型引导锥、背锥给工件的正压力,Faf、Fbf为相应的摩擦力;FN为游动芯子校形部分给工件的径向正压力,FNf为相应的摩擦力;Fr为成型模具校形部给工件的正压力,Frf为相应的摩擦力;Fm为成型模具成型腔面给工件的正压力,Fmf为相应的摩擦力。除P1、P2沿工件中心线分布外,其余各力均呈相应区位的圆周均布。2工件成型的力学条件:由于工件各项受力相对轴线为对称均匀分布,因此:ΣFy=0自然成立。为使:ΣFx=0,则有式(1),即:式(1)为保证工件实现成型运动的必要条件。但同时应保证成型工件不因受成型工作力P2作用而产生成型后工件的塑性变形,见式(2):其中[σ]为工件的许用拉应力;(工件成型后的截面积)因此,工件正常成型且不被破坏的条件是同时满足式(1)和式(2)。2受内部压力调动芯子受正压力和fa为受游动芯子受力状态如图5所示。其中FN′为工件成型校形部给游动芯子的正压力,FNf′为相应的摩擦力;Fb′为成型模具成型腔面经工件传递给游动芯子的正压力,Fbf′为相应的摩擦力;Fa′为塑性流动工件材料层给游动芯子的正压力,Faf′为相应的摩擦力。FN′、FNf′,Fb′、Fbf′,Fa′、Faf′分别与图4所示工件受力状态图中的FN、FNf,Fb、Fbf,Fa、Faf大小相等,方向相反,且亦呈相应区位的圆周均布。游动芯子正常工作的力学条件是:ΣFx≥0,设ΣFx=0则有式(3):因此,游动芯子正常工作、相对工件向前游动的条件是满足式(3)要求。3tfr、fmf成型模具的受力状态如图6所示。其中F0为成型模架给成型模具的支座反力,为F0=P1+P2;Fr′为成型工件校形部给成型模具校形部的正压力,Frf′为相应的摩擦力,Fm′为成型工件给成型模具成型腔面的正压力,Fmf′为相应的摩擦力。Fr′、Frf′,Fm′、Fmf′分别与图4所示工件受力状态图中的Fr、Frf,Fm、Fmf大小相等,方向相反,且亦呈相应区位的圆周均布。正常工作时,ΣFx=0,则有式(4):4弹性回复力作用tf若设工件与成型模腔的摩擦系数为f1,工件与游动芯子的摩擦系数为f2,则重列(1)、(2)、(3)、(4)式,则有式(5)~式(8):式(7)、(8)与式(5)等效,因此应用(6)、(7)、(8)式进行综合分析:1由于正常成型时,工件校形部材料受弹性回复力作用,因此FN力很小,可以视为:FN=0。2Fr由工件材料弹性抗力产生,即Fr=τe·SNY,式中τe为工件的弹性极限,SNY为当量面积,则有式(9):3Fa由工件材料塑性成型力产生,即x轴方向上有式(10):式中:σs为工件拉伸屈服极限,SNX为拉伸当量面积。y轴方向有式(11)式中:τs为工件剪切屈服极限,SNY为剪切当量面积。则有式(12):4把式(9)代入式(7),得式(13):5Fb因受力工件材料弹性回复抗力作用而比Fm减小一个弹性抗力,即为式(14):式中:τe为工件剪切弹性极限,SNb为剪切当量面积。将式(12)、(13)代入式(14),再把式(2)、(9)、(4)代入式(8),得式(15):6为工件成形正常完成,应保证式(6)、式(15)成立。2拉伸性能测试根据上述成形方法和力学分析,进行实例应用。(1)选材:成形工件选用H85普通黄铜,成型模具为中碳合金钢,游动芯子为硬质合金件。(2)结构参数为α=60°,β=90°,d2=12mm,d1=6mm,lc=10mm,dc=12mm;(3)力学参数为:工件与成型模腔摩擦系数f1=0.03,工件与游动芯子摩擦系数f2=0.19,工件屈服应力σs≈τs=216MPa,弹性极限τe≈τs=216MPa,抗拉强度σb=295MPa,拉伸安全系数n=1.5,则工件许用拉伸应力为:[σ]=σb/n=295÷1.5≈197MPa;(4)上述参数代入式(6)、式(15),则:P1=49132.8N,