Study on Rotary Forging and Diameter Shrinkage Process of Pipe Fittings under Flexible Feeding Mode
In order to improve the quality and processing efficiency of the pipe fittings obtained by rotary forging, a flexible feeding method was used as the basis. The influence of process parameters such as the entrance angle of the forging die and the feeding speed on the forming quality of the 0.5 mm thick pipe fittings was analyzed. The results concluded that for 0.5 mm thick pipe fittings, an appropriate reduction in the forging die entry cone angle can minimize the uneven wall thickness caused by vibrations and reduce the axial feeding force needed by the equipment. This adjustment not only enhances the surface smoothness of the pipe fittings but also extends the service life of the feeding system, with an optimal cone angle of 15˚. In a certain range, the axial elongation decreases the feeding speed, and the speed will cause the abnormal radial accumulation of the material and reduce the forming quality.
Rotary Forging
高频旋锻作为一种管材、棒材精密加工的回转成形工艺,特别是空心类管件的旋锻工艺
对于匀速送料方式下旋锻所得管件,与锻模的轴向推力会随时间逐渐增大,使得管件材料逆流现象加剧,这不仅影响管件的成形质量,还降低了锻模与送料装置的使用寿命,而柔性送料方式由于有着弹性元件的缓冲作用,管件受力压缩弹性元件回退,既减少了推板的压力也降低了锻模的轴向受压,使得锻打更加均匀,成形质量也极大提升
由
由摩擦力学可知:
(1)
式中:µ为摩擦系数。
忽略锻模磨损,在理想状态下锻模锻打成形力为:
(2)
式中:δ为主应力影响系数,一般为1.15;θ为锻模角;σ为真实应力屈服极限;D为管件原始直径;d0为管件在旋锻区时的直径(D > d0 > d);T为管件待旋锻区的壁厚。
设定送料过程为匀速,根据力的平衡原理可知:
(3)
可得:
(4)
旋锻即是旋转锻造,是一种连续、无屑且精密的金属塑性成形工艺。在柔性送料方式下,采用4个延径向对称分布的锻模,通过主轴转动由顶块推压锻模以频率ƒ进行余弦式的径向锻打,推板作用于弹性元件推动夹具管件进行轴向送料。如
试验所用管件为紫铜管,壁厚0.5 mm,外径18 mm,长60 mm,弹性模量110 Gpa,泊松比0.3,质量密度为8.96 g/cm3,其余工艺参数如
参数 | 数值 | |
摩擦系数µ | 0.3 | |
送料速度V/(mm/stl) | 1、2、2.5 | |
工艺 | 锻打频率ƒ/hz | 50 |
参数 | 主轴转速N/(r/stl) | ∏/6 |
弹性系数K (N/mm) | 2000 | |
锻模入口锥角θ (˚) | 15、20、25 |
在柔性送料过程中,速度选择为2 mm/stl,如
图3. 不同角度下的内外径变化及轴向厚度变化
送料力是在管件进行送进时,送料装置推动管件前进旋锻的推力,而锻打力则是管件受锻模锻打变形时,两接触面之间时管件成形的力。
观察
在管件经锻模高频锻打缩径后,其内部材料会沿轴向及径向流动,管件成形出现加厚的趋势,使得管件外圆会出现直径不等的现象,其外圆形状也会随之发生变形。因此圆度的大小也成为了一个影响管件成形质量的因素,故取管件成形段截面圆为研究对象,定义圆度为:以被测圆轮廓的半径差为最小的两同心圆半径差作为圆度误差,即在同一截面处,测量外圆的最大外半径与最小外半径之差。
如
因此,适当的减小锻模角度既能减小管件表面外圆变形的波动幅度,也减小了外圆的圆度,提高了曲面的光滑度,管件锻后质量也随之增加。
管件受锻模锻打缩颈后,内部材料流动不仅会使其成形段加厚,也会使得管件长度发生变化。
以速度为变量可以看到,随着速度的加快,在一次轴向进给内锻模径向锻打管件的次数随之减少,导致材料的流动次数减少,材料的径向堆积加大,锻打均匀度也随之下降,使得管件的最终伸长量逐渐减小。在锻模角15˚时速度v1和v2.5下的伸长量有着28.08%的差距,而在20˚时的差值则为28.99%,25˚则是38.09%由此可知,速度变化对于管件伸长量是一个较明显的影响因素。
角度速度 | 15˚ | 20˚ | 25˚ | 差值 |
1 mm/stl | 6.34 mm | 6.63 mm | 6.67 mm | 5.21% |
2 mm/stl | 5.80 mm | 5.82 mm | 6.04 mm | 4.14% |
2.5 mm/stl | 4.95 mm | 5.14 mm | 4.83 mm | 3.84% |
差值 | 28.08% | 28.99% | 38.09% |
(1) 在柔性送料方式下,随着锻模入口角的增大,一次下压时管件形变加大,材料流动不及时,15˚比25°锻模角下管件轴向送料力小了139%左右,而锻打力仅有3.1%的差距,因此适当的降低锻模角,可使管件内外径与厚度分布更加均匀、降低圆面圆度,提高管件表面光滑度,锻模角选择15˚最佳。
(2) 同一锻模角15˚下随着速度的增加,管件所受锻打均匀度下降,材料流动次数减小,速度为1 mm/stl时管件的轴向伸长量较之速度2.5 mm/stl时的伸长量大了28.08%左右;在相同速度下伸长量随锻模角度增加的变化仅有5.21%,可知速度是影响管件伸长量的重要因素,而角度则影响不大。