机械自紧工艺控制参量探索
机械自紧工艺控制参量探索 冲头形状在很大的程度上决定了需要推力的大小，根据以往的实验数据， 图1中冲头前锥角取为1.5°，可显著减小推力。冲头后引导角设计与摩擦角相等， 大大减小冲头后引导面与厚壁圆筒内壁的摩擦力。圆柱部长度h的选择除减小冲 头与厚壁圆筒内壁摩擦力以外，要保证厚壁圆筒内壁表面变形的一致性，简化厚 壁圆筒内壁后续处理的难度。冲头圆柱部长度h=6mm时，能够使得冲头与厚壁 圆筒内壁摩擦力保持在较低水平，也能够保证厚壁圆筒内壁表面机械自紧后的光 洁度［4］。本实验的冲头采用碳化钨粉末，用模具压制成型，然后烧结，再经 过400MPa～600MPa的等静压工艺制成。挤扩过程的润滑采用二硫化钼。为了保 证冲头便于进入试件，在试件前方制作一个冲头的引导部，引导部的参数应该和 冲头前锥角的参数保持一致制作的厚壁圆筒试件的壁厚比w从1.8到2.3，试件内 半径a的范围是12.23mm～12.37mm。由于冲头圆柱段的公称直径为25mm，即直 径过盈量的范围是0.26mm～0.54mm。实验的机械自紧过程在图3的实验装置中进 行。机械自紧后测定试件的再屈服压力，自紧厚壁圆筒的再屈服压力是指厚壁圆 筒自紧后内表面不产生新的残余变形时所能承受的最大压力。本文的再屈服实验 系统如图4，倍加器的最大工作压力为1400MPa，由英国贝尔法斯特皇后大学 (Queen"sUniversityBelfast)研制。实验原理及流程 利用液压泵作为动力源，驱动动力油缸中的活塞运动，推动具有一定过盈 量的冲头强迫通过厚壁圆筒，使厚壁圆筒产生塑性变形完成自紧。在厚壁圆筒外 表面的对称位置上，分别在切向和轴向粘贴应变片，可以测量自紧过程中厚壁圆 筒的切向应变εθb、轴向应变εθz以及自紧后的残余应变。在推杆的同一高度上， 沿轴线方向对称的粘贴了两片应变片，同时采集两片应变片的输出结果。实验的 第一阶段通过对不同壁厚比，不同过盈量的厚壁圆筒进行机械自紧，采集机械自 紧过程中的冲头推力、冲头位移、厚壁圆筒的切向和轴向应变数据，然后进行再 屈服实验。厚壁圆筒机械自紧后，要进行稳定化处理(在小于350℃温度条件下， 保温4h～6h)和机械加工，在此之后进行实验第二阶段的再屈服实验。
实验结果和拟合公式 冲头推力实验结果和经验公式冲头推力是一个随着冲头的行程而不断变 化的量，从图5中的K1-2试件推力-位移曲线可以看出冲头推力变化分为3个阶段。
第1阶段是冲头前导面与试件接触开始挤扩到冲头圆柱段完全进入试件，这是挤扩过程的初始阶段，冲头推力随着位移迅速的增大并达到峰值。第2阶段是冲头 的圆柱段在试件内的行程，这是挤扩过程的主体，冲头推力从第一阶段的峰值略 有下降之后达到一个较稳定的状态，推力随冲头行程变化不大。第3阶段是冲头 的圆柱段完成试件内的行程逐渐离开试件的过程，这个阶段与第1阶段相反，冲 头推力随着位移迅速减小，直到挤扩过程结束。第2阶段是冲头的工作阶段，也 是推力稳定的阶段，取第2阶段推力的平均值作为推力的大小。
外表面应变实验结果监测试件外表面应变能够判定机械自紧的实际效果， 是主要的工艺控制参量。图6是B5-1试件的外表面应变随冲头位移变化关系。比 较该试件机械自紧后的切向残余应变和轴向残余应变的实验数据可知，两者的绝 对值差别较大，对自紧后厚壁圆筒的强度分析而言，起主要作用的是切向残余应 力，轴向残余应力的影响很小。
3.3机械加工对试件的影响机械自紧后的毛坯一般先进行低温稳定化处理 再进行机械加工成为成品，低温稳定化会降低鲍辛格效应系数［5］，影响反向 屈服区的残余应力水平。机械加工后厚壁圆筒中的残余应力会重新分布，以上两 种工艺过程都会造成自紧后厚壁圆筒再屈服压力的变化。表2是厚壁圆筒半精加 工毛坯先稳定化处理再进行内膛的镗削后，进行再屈服实验得到的结果，给出了 再屈服压力的确定方法［6］。
机械自紧主要工艺参量的影响因素分析 冲头推力的影响因素较多，在冲头和厚壁圆筒结构确定后，有润滑条件下 影响冲头推力的主要因素是冲头圆柱部的过盈量。由于机械自紧过程是准静态过 程，应变测量简便可靠，冲头推力-位移曲线、冲头位移-外表面应变曲线是工艺 控制的关键曲线，对应变电桥实施温度补偿，冲头推力和厚壁圆筒的切向和轴向 应变测量精度有可靠的保证。由于鲍辛格效应，厚壁圆筒内表面附近存在反向屈 服区，半精加工毛坯到成品管的加工一般以内表面镗削为主，辅之以外表面车削。
稳定化处理对鲍辛格效应的改善有一定贡献［5］。因此，根据本文的实验流程， 本文中加工影响的实验结果是稳定化处理和加工后残余应力重新分布的综合结 果。
结束语 通过实验测量了机械自紧过程中冲头推力-位移曲线。在冲头和厚壁圆筒 结构确定后以及有润滑的条件下，冲头推力与过盈量成正比。给出的推力计算经验公式，形式简便，能控制计算误差范围在±10%以内，适合于工程应用。对机 械自紧的厚壁圆筒外表面应变的测量，可以监测机械自紧的全过程，检验机械自 紧的实际效果，实验结果显示对自紧后厚壁圆筒的强度分析而言，起主要作用的 是切向残余应力。自紧后进行稳定化处理有助于减小鲍辛格效应的影响，但其机 理和定量分析还有待深入的研究。加工后的再屈服实验表明，将加工前后厚壁圆 筒的径比变化控制在±8%以内，则再屈服压力的变化不超过±8%。
作者：袁人枢 伍 兵 单位：南京理工大学 机械工程学院