模具扇形角对机械拓径成形的影响分析

【摘 要】模具扇形角在机械拓径成形中是一个关键技术，也是影响机械拓径成形的一个关键因素。本文通过分析拓径成形中，模具扇形角如何影响机械拓径成形，以及通过模拟分析数据来论证模具扇形角对机械拓径成形的影响。

【关键词】模具扇形角；机械制造；拓径成形；摩擦影响；模拟探析

一、机械拓径成形的概述及应用

机械拓径成形是一项专业的技术，并且对机械成形有着重要的影响，通过机械成形技术，可以让钢管或者钢线管等机械用来制造工艺精美的机械工艺品。通过机械成形，可以解决机械在焊接过程中，存在的一些问题，比如消除焊接残余，或者改进机械焊接品的承载能力等等，而机械拓径在机械成形工艺中，占据核心作用。机械拓径广泛地运用到机械制造中。机械拓径技术，在机械制造中，能够实现对模具形状的雕塑，而且还可以提高钢制品的大小和形状精度，机械制造中，机械施工难度是机械制造业中的一个难点，也是技术要点，而机械拓径成形技术大大地降低了机械制造的施工难度。

二、模具扇形角对机械拓径成形的影响分析

（1）机械拓径成形中，摩擦影响扇形角，进而影响机械拓径成形。在横断面上，机械扩径模具的几何形状可以用三个参数描述，即扇形角α、外圆半径R和模具分瓣边缘圆角半径r。而模具扇形角在机械拓径工艺中占据了至关重要的作用，模具扇形角和扩径模具分瓣数目N之间的关系为α=2π/N，从这个关系式中，我们可以看出，模具扇形角与拓径模具分瓣数目是相互制约关系，及只要扇形角越大，拓径模具分瓣数目就会越小。从这个关系公式中，可以发现，模具扇形角的主要作用是很明显的，它主要在于对管线钢管进行机械扩径时，扇形角的运用体现在于它影响着管坯应力应变分布和制品壁厚变化。一般来说，在模具和机械钢管坯之间，因为存在摩擦作用的影响，所以，机械钢管坯的横截面上的切向应力和制品壁厚沿扇形瓣弧长的分布都存在分布不均匀的状况，即摩擦作用导致模具和管坯是处在非均匀状态下的。比如取模具外圆半径R=215（mm），模瓣边缘圆角半径r=5（mm）。那么通过一系列的物理公式和相关计算，可以算出，摩擦系数为μ=0.075。摩擦因素会直接影响到扇形角的尺寸大小。摩擦因素通过影响扇形角的弧度和角度大小，进而影响到模具扇形角在机械拓径成形中的运用，但是，摩擦因素又是不可避免的，只能尽量地减少摩擦因素对模具扇形角的不良影响，进而减小模具扇形角对机械拓径成形的影响。（2）具体模拟和数据分析。扇形角的切向应力是拓径成形的主要相关因素。图1是关于管坯内表面切向应力沿扇形瓣弧长分布的数值模拟结果。当我们取扇形角为30度的时候，并且把模瓣放在第一象限角平分线的位置。从图上的数据模拟结果可以看出，在同一扇形角的情况下，当模具与管坯所处的相对位置不同，在与该瓣模具对应的管坯弧长范围内时，其内表面的切向应力沿扇形瓣弧长的分布规律和图1相同或者近似。通过观察同一个模瓣位置的不同扇形角时可以发现，管坯内表面的切向应力沿模具表面弧长的变化趋势也基本一样。知识不同扇形角的切向应力存在明显的不同。有限元分析结果表明，扇形角分别等于45度，36度，30度的情况下。三者的切向应力分别为1.04，1.031，1.026。 虽然从数值上来看，三个数值的差别很小，但是，却会对切向应力的大小产生巨大的影响，进而会影响到扇形角的大小，然后影响机械拓径成形工艺。我们可以发现，扩径模具的扇形角愈小，变形体的最大等效应变也愈小，因此，对管坯的变形均匀度就产生很大的影响，管坯的成形均匀度难度系数升高。而当扇形角逐渐变小的时候，高应力区域面积愈大，低应力区域面积随即变小，等效残余应力分布也愈趋于均匀一致，所以管坯的变形均匀度就能够实现比较均匀的分布情况。这样一来，就验证了上面的公式，即模具扇形角与拓径模具分瓣数目是相互制约的关系。

图1 切向应力分布规律图

总的来说，扇形角模具对机械拓径成形制造有很大的影响，在考虑摩擦因素之余，还可以看到扇形角与机械拓径模具分瓣数目相关制约的关系。模具扇形角对机械拓径成形技术具有重要的评估价值，正当地运用模具扇形角将对机械拓径成形工艺的进步产生巨大的影响。而分析上述扇形角对制品的残余应力及其分布规律的影响，因为其呈现出随扇形角减小等效残余应力最大值下降、分布均匀性提高的变化趋势。所以，在不考虑焊接残余应力的情况下，施加1.75%的扩径变形量就可以满足制品内侧形成切向受压的残余应力状态。

参 考 文 献

[1]杨艳子，郭宝峰，金淼.基于BP神经网络的机械扩径工艺参数预测方法[J].塑性工程学报.2008（3）

[2]肖曙红.管线用直缝焊管机械扩径及其影响因素研究[J].石油机械.2007（3）