模具扇形角對機械拓徑成形的影響分析

【摘 要】模具扇形角在機械拓徑成形中是一個關鍵技術，也是影響機械拓徑成形的一個關鍵因素。本文通過分析拓徑成形中，模具扇形角如何影響機械拓徑成形，以及通過模擬分析數據來論證模具扇形角對機械拓徑成形的影響。

【關鍵詞】模具扇形角；機械制造；拓徑成形；摩擦影響；模擬探析

一、機械拓徑成形的概述及應用

機械拓徑成形是一項專業的技術，并且對機械成形有著重要的影響，通過機械成形技術，可以讓鋼管或者鋼線管等機械用來制造工藝精美的機械工藝品。通過機械成形，可以解決機械在焊接過程中，存在的一些問題，比如消除焊接殘余，或者改進機械焊接品的承載能力等等，而機械拓徑在機械成形工藝中，占據核心作用。機械拓徑廣泛地運用到機械制造中。機械拓徑技術，在機械制造中，能夠實現對模具形狀的雕塑，而且還可以提高鋼制品的大小和形狀精度，機械制造中，機械施工難度是機械制造業中的一個難點，也是技術要點，而機械拓徑成形技術大大地降低了機械制造的施工難度。

二、模具扇形角對機械拓徑成形的影響分析

（1）機械拓徑成形中，摩擦影響扇形角，進而影響機械拓徑成形。在橫斷面上，機械擴徑模具的幾何形狀可以用三個參數描述，即扇形角α、外圓半徑R和模具分瓣邊緣圓角半徑r。而模具扇形角在機械拓徑工藝中占據了至關重要的作用，模具扇形角和擴徑模具分瓣數目N之間的關系為α=2π/N，從這個關系式中，我們可以看出，模具扇形角與拓徑模具分瓣數目是相互制約關系，及只要扇形角越大，拓徑模具分瓣數目就會越小。從這個關系公式中，可以發現，模具扇形角的主要作用是很明顯的，它主要在于對管線鋼管進行機械擴徑時，扇形角的運用體現在于它影響著管坯應力應變分布和制品壁厚變化。一般來說，在模具和機械鋼管坯之間，因為存在摩擦作用的影響，所以，機械鋼管坯的橫截面上的切向應力和制品壁厚沿扇形瓣弧長的分布都存在分布不均勻的狀況，即摩擦作用導致模具和管坯是處在非均勻狀態下的。比如取模具外圓半徑R=215（mm），模瓣邊緣圓角半徑r=5（mm）。那么通過一系列的物理公式和相關計算，可以算出，摩擦系數為μ=0.075。摩擦因素會直接影響到扇形角的尺寸大小。摩擦因素通過影響扇形角的弧度和角度大小，進而影響到模具扇形角在機械拓徑成形中的運用，但是，摩擦因素又是不可避免的，只能盡量地減少摩擦因素對模具扇形角的不良影響，進而減小模具扇形角對機械拓徑成形的影響。（2）具體模擬和數據分析。扇形角的切向應力是拓徑成形的主要相關因素。圖1是關于管坯內表面切向應力沿扇形瓣弧長分布的數值模擬結果。當我們取扇形角為30度的時候，并且把模瓣放在第一象限角平分線的位置。從圖上的數據模擬結果可以看出，在同一扇形角的情況下，當模具與管坯所處的相對位置不同，在與該瓣模具對應的管坯弧長范圍內時，其內表面的切向應力沿扇形瓣弧長的分布規律和圖1相同或者近似。通過觀察同一個模瓣位置的不同扇形角時可以發現，管坯內表面的切向應力沿模具表面弧長的變化趨勢也基本一樣。知識不同扇形角的切向應力存在明顯的不同。有限元分析結果表明，扇形角分別等于45度，36度，30度的情況下。三者的切向應力分別為1.04，1.031，1.026。 雖然從數值上來看，三個數值的差別很小，但是，卻會對切向應力的大小產生巨大的影響，進而會影響到扇形角的大小，然后影響機械拓徑成形工藝。我們可以發現，擴徑模具的扇形角愈小，變形體的最大等效應變也愈小，因此，對管坯的變形均勻度就產生很大的影響，管坯的成形均勻度難度系數升高。而當扇形角逐漸變小的時候，高應力區域面積愈大，低應力區域面積隨即變小，等效殘余應力分布也愈趨于均勻一致，所以管坯的變形均勻度就能夠實現比較均勻的分布情況。這樣一來，就驗證了上面的公式，即模具扇形角與拓徑模具分瓣數目是相互制約的關系。

圖1 切向應力分布規律圖

總的來說，扇形角模具對機械拓徑成形制造有很大的影響，在考慮摩擦因素之余，還可以看到扇形角與機械拓徑模具分瓣數目相關制約的關系。模具扇形角對機械拓徑成形技術具有重要的評估價值，正當地運用模具扇形角將對機械拓徑成形工藝的進步產生巨大的影響。而分析上述扇形角對制品的殘余應力及其分布規律的影響，因為其呈現出隨扇形角減小等效殘余應力最大值下降、分布均勻性提高的變化趨勢。所以，在不考慮焊接殘余應力的情況下，施加1.75%的擴徑變形量就可以滿足制品內側形成切向受壓的殘余應力狀態。

參 考 文 獻

[1]楊艷子，郭寶峰，金淼.基于BP神經網絡的機械擴徑工藝參數預測方法[J].塑性工程學報.2008（3）

[2]肖曙紅.管線用直縫焊管機械擴徑及其影響因素研究[J].石油機械.2007（3）