鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具實(shí)驗(yàn)研究*

王 強(qiáng) 孔德軍 何 芳 陳孔軍

（①濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南250022;②濟(jì)南大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250022）

鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具是一種高強(qiáng)度高剛度預(yù)應(yīng)力模具，它采用鋼帶纏繞層替代傳統(tǒng)年輪式預(yù)應(yīng)力模具中的預(yù)緊環(huán)，通過控制鋼帶張力實(shí)現(xiàn)對模具的預(yù)緊。這種預(yù)應(yīng)力模具適用于金屬精密冷鍛、超硬材料合成等高工作負(fù)載、高產(chǎn)品精度的成形工藝，可顯著降低模具的應(yīng)力水平，提高模具的強(qiáng)度與剛度，有助于提高產(chǎn)品精度，延長模具壽命［1－2］。預(yù)應(yīng)力模具存在著工作和預(yù)緊兩種狀態(tài)，工作狀態(tài)模具預(yù)緊力取決于模具的工作載荷和材料性能，并且決定著預(yù)緊狀態(tài)模具預(yù)緊力的數(shù)值。在制造鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具的過程中，影響預(yù)緊狀態(tài)模具預(yù)緊力的主要因素有纏繞層數(shù)、纏繞張力、鋼帶及模具材料性能。當(dāng)確定了鋼帶與模具材料以后，可變因素主要是纏繞層數(shù)與纏繞張力，通常，纏繞張力應(yīng)為變張力，從內(nèi)層向外層呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢［3－4］。因此，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)纏繞張力曲線是制造鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具的核心技術(shù)問題。

1 鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

為了開展鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，筆者自主設(shè)計(jì)并研制成功一套變張力鋼帶纏繞實(shí)驗(yàn)裝置［5］。如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)裝置由開卷機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、張力檢測機(jī)構(gòu)、纏繞機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)等部分組成，主要技術(shù)參數(shù)見表1。工作原理:將纏繞張力分為定張力和變張力，總張力T等于定張力T0與變張力T1之和，其中，T0源自夾緊機(jī)構(gòu)之杠桿夾緊裝置產(chǎn)生的摩擦阻力，取決于懸掛砝碼的重量;T1源自開卷機(jī)構(gòu)之伺服電動(dòng)機(jī)輸出的可變阻轉(zhuǎn)矩，取決于收卷輥與放卷輥的速度差，采用轉(zhuǎn)速和張力閉環(huán)控制策略［6－7］。

表1 鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具實(shí)驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)

1.2 纏繞張力標(biāo)定

利用實(shí)驗(yàn)裝置中的定張力機(jī)構(gòu)和張力檢測機(jī)構(gòu)，通過懸掛砝碼的方式加載，對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行張力標(biāo)定，目的在于獲取鋼帶纏繞張力與輸出電壓之間的關(guān)系。標(biāo)定過程共重復(fù)進(jìn)行了3次，每次標(biāo)定經(jīng)歷加載、卸載，共獲得6組標(biāo)定數(shù)據(jù)。根據(jù)測試數(shù)據(jù)的平均值繪制出圖2所示的標(biāo)定曲線，相對誤差較小，表明張力曲線具有良好的線性度。

2 實(shí)驗(yàn)方案與纏繞過程

2.1 模具與鋼帶

實(shí)驗(yàn)用模具的形狀為厚壁筒（見圖3），材料選用3Cr2Mo。對加工好的模具內(nèi)徑進(jìn)行多點(diǎn)測量，得到的內(nèi)徑平均值為 φ70.00 mm。纏繞用鋼帶的材料為65Mn，帶厚0.1 mm，帶寬40 mm，通過拉伸實(shí)驗(yàn)實(shí)際測出的抗拉強(qiáng)度為1 172 MPa，則鋼帶能夠承受的最大張力為4 688 N。

2.2 鋼帶粘結(jié)實(shí)驗(yàn)

為了確定模具纏繞起頭、收尾時(shí)鋼帶的固定方式，開展了鋼帶粘接實(shí)驗(yàn)。按照 GB/T7124－2008/ISO 4587:2003《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測定（剛性材料對剛性材料）》制作粘接試樣。實(shí)驗(yàn)用膠共有4種，分別為407、407F、902、1001。粘接方式分為 3 種:鋼帶與3Cr2Mo、鋼帶與40Cr、鋼帶與鋼帶，根據(jù)拉伸實(shí)驗(yàn)獲得的破壞載荷數(shù)值計(jì)算出粘接強(qiáng)度。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，902膠的粘結(jié)強(qiáng)度最高，最高數(shù)值達(dá)到了12.78 MPa，能夠滿足粘接固定要求。

2.3 纏繞層數(shù)與纏繞張力

按照相似性原則設(shè)計(jì)厚壁筒模具的工作載荷，實(shí)驗(yàn)用模具的工作載荷取實(shí)際數(shù)值的1/3，由此計(jì)算得出的預(yù)緊狀態(tài)模具預(yù)緊力為180 MPa。按照已建立的張力設(shè)計(jì)方法［2－3］，計(jì)算出鋼帶纏繞層數(shù)為350層，平均的纏繞張力約為1 690 N，相當(dāng)于鋼帶能夠承受最大張力的36%。

2.4 纏繞過程

（1）模具清洗、擦拭。

（2）模具裝夾、定心。將模具安裝在收卷機(jī)構(gòu)的主軸上，采用壓板形式固定。

（3）鋼帶上卷。將足夠長度的鋼帶纏繞在開卷機(jī)構(gòu)主軸上儲(chǔ)料備用。

（4）鋼帶膠結(jié)。使用902膠對鋼帶與模具外表面膠接并固化24 h。

（5）鋼帶纏繞。按照設(shè)計(jì)的纏繞層數(shù)和張力曲線進(jìn)行纏繞，纏繞過程如圖4所示，實(shí)際的纏繞張力依據(jù)輸出電壓和圖2所示的標(biāo)定曲線獲得。

（6）鋼帶固定:通過膠接的方式固定帶尾，設(shè)計(jì)制造了專用夾具用于固定鋼帶纏繞層。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

纏繞結(jié)束后，鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具的外徑為160 mm。此時(shí)，模具處于預(yù)緊狀態(tài)，在徑向預(yù)緊力作用下，模具內(nèi)徑減小。由于預(yù)緊力數(shù)值無法直接獲取，只能通過測量模具內(nèi)徑的變化計(jì)算得出。

3.1 模具內(nèi)徑變化量

利用內(nèi)徑百分表測量模具內(nèi)徑，測點(diǎn)位置見圖3b。測量分3次進(jìn)行，間隔時(shí)間均為一天。測出的模具內(nèi)徑減少量數(shù)據(jù)見表2。

表2 模具內(nèi)徑減少量 mm

3.2 模具預(yù)緊力

將模具簡化為厚壁筒零件，其外圓柱表面承受均勻壓力p2（即徑向預(yù)緊力）作用，在預(yù)緊狀態(tài)下，模具內(nèi)孔表面不受力，即p1=0，按照材料力學(xué)平面應(yīng)變問題處理［9］，對應(yīng)的位移方程為

式（1）中涉及到的模具材料性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為:彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比 μ=0.3，內(nèi)半徑a=35 mm，外半徑b=45 mm，若內(nèi)徑減少量為u=0.274 mm，則由上式計(jì)算出的徑向預(yù)緊力為p2=175 MPa。

3.3 與傳統(tǒng)年輪式預(yù)應(yīng)力模具比較

為了驗(yàn)證鋼帶纏繞模具具有的優(yōu)良預(yù)緊性能，與年輪式組合預(yù)應(yīng)力模具［8］進(jìn)行了比較。假設(shè)年輪式組合預(yù)應(yīng)力模具的材料、幾何尺寸與鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具相同，采用單層應(yīng)力圈結(jié)構(gòu)，其外徑尺寸等于纏繞模具外徑160 mm，按照經(jīng)驗(yàn)公式，模具與應(yīng)力圈的過盈量取0.061 mm，按照Lamé公式計(jì)算，得到的預(yù)緊力為47 MPa，僅相當(dāng)于鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具預(yù)緊力175 MPa的26.9%，預(yù)緊能力顯著不足。上述分析結(jié)果表明，在模具尺寸相同條件下，纏繞預(yù)應(yīng)力模具可以獲得比年輪式組合預(yù)應(yīng)力模具更大的預(yù)應(yīng)力，有效降低工作時(shí)的應(yīng)力水平，提高模具的強(qiáng)度和剛度。

4 結(jié)語

本文基于自主研制的預(yù)應(yīng)力模具變張力鋼帶纏繞實(shí)驗(yàn)裝置，開展鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具實(shí)驗(yàn)研究，成功纏繞出鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具。通過測量模具內(nèi)徑尺寸的變化，并基于平面應(yīng)變假設(shè)，計(jì)算出預(yù)緊力數(shù)值。通過與相同規(guī)格傳統(tǒng)年輪式預(yù)應(yīng)力模具的預(yù)緊力數(shù)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證了鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具具有的技術(shù)優(yōu)勢，從而為工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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