1、第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言旋锻作为一种先进的无屑加工工艺正被逐渐应用在制造领域。旋锻成形工艺包括含芯棒旋锻和无芯棒旋锻1-3。相较于含芯棒旋锻工艺，无芯棒旋锻工艺加工时坯料内壁没有芯棒的支撑，内壁尺寸很难控制，而且容易产生缺陷4-5。故对于含芯棒选段，应以控制外圆质量为准，对于无芯棒旋锻应以控制内圆质量为准。旋锻的工艺参数又分为轴向进给、周向进给以及径向进给工艺参数，而径向进给工艺是旋转锻造工艺的关键参数，对锻造效率、锻造质量
2、等具有决定性的影响。在旋锻工艺参数选取方面，刘扬6、韩星会等7基于 Deform 选取不同径向进给量，依据其应力应变对旋锻的径向参数进行了初步研究；李朋丽等8利用旋锻过程中的最大最小变形对周向进给参数的合理匹配进行了探索；秦敏等9研究了不同的旋锻工艺参数对成形的影响。本文以某企业提供的液压缸筒为研究对象，根据其特有的旋锻特点，在无芯棒过程中，对不同硬度以及不同径向下压量下的坯料内外圆变形进行了研究，得出无芯棒在不同硬度下内外圆的径向下压量极限，对其变形进行描绘，并给出不同硬度的内外圆度变化曲线，为旋锻工艺中无芯棒径向进给工艺参数确定的合理性提供了重要的参考依据。1 材料与方法以某液压缸筒旋锻为
3、研究对象，材料为Q355，其化学成分如表 1 所示。选取 4 种不同硬度的毛坯，硬度分别为 150，160，170，180 HB，对应的屈服强度与抗拉强度如表 2 所示。表 1 材料化学成分Tab.1 Material chemical compositionCSiMnPSCr 0.24 0.55 1.60 0.035 0.035 0.30doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.016某液压缸筒旋锻径向进给量极限研究王伟，卢曦，游畯斐，刘明春（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）摘要 以某无芯棒旋锻液压缸筒为研究对象，对不同硬度下的无芯棒旋锻径向
4、进给极限进行研究。利用点追踪法对无芯棒旋锻单次下压后，坯料的内外圆变形进行细致刻画及表述。以内外圆变形不出现临界形为前提，保证内外圆圆度质量，最终得出该液压缸筒旋锻工艺在不同硬度下的径向进给量极限。研究表明，随着硬度的提高，应适当降低径向下压量，而且不同硬度下内外圆不规整性随径向进给量的升高而升高，这与随着硬度提升，径向下压量极限值在下降这一结论相互佐证。关键词 旋锻；径向工艺参数；工艺参数极限；Deform 中图分类号 TG316.3 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)03-0075-05引用格式：王伟,卢曦,游畯斐,等.某液压缸筒旋锻径向进给量极限研究 J.农业装备与
5、车辆工程,2023,61(3):75-79.Research on radial feed limit of rotary forging of a hydraulic cylinderWANG Wei,LU Xi,YOU Junfei,LIU Mingchun(College of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)Abstract Taking a hydraulic cylinder without mandrel as the re
6、search object,the radial feed limit of rotary forging without mandrel under different hardness was studied,and the inner and outer circular deformation of blank after single press was described by point tracking method.On the premise that the inner and outer circular deformation does not appear crit
7、ical shape,and the quality of inner and outer circular degree is guaranteed,the radial feed limit of the hydraulic cylinder rotary forging process under different hardness is finally obtained.The research also shows that with the increase of hardness,the radial down pressure should be appropriately
8、reduced.Meanwhile,the irregularity of inner and outer circles increases with the increase of radial feed under different hardness,which is mutually supporting the conclusion that the limit value of radial downward pressure decreases with the increase of hardness.Key words rotary swaging;radial proce
9、ss parameter;limit of process parameters;Deform收稿日期：2022-01-08 76农业装备与车辆工程 2023 年表 2 各硬度下的屈服与抗拉强度Tab.2 Yield and tensile strength at various hardness硬度/HB150160170180屈服强度/MPa486517548579抗拉强度/MPa548580615650该液压缸筒坯料如图 1 所示，旋锻过程如图 2所示。在整个旋锻过程中，坯料刚进入模具时，先进入的是无芯棒旋锻阶段中的L1段（如图2所示），在这个过程中，坯料主要发生增壁减径。当坯料内径与芯
10、棒发生接触时，就进入含芯棒旋锻阶段如L2段，在这个过程中，坯料主要发生减壁拔长。某液压缸筒不同硬度下无芯棒的径向进给极限研究方法与步骤：（1）根据旋锻工艺的特征，确定无芯棒旋锻关键几何质量参数，即内外圆变形与内外圆圆度；（2）在不同硬度下采取不同下压量进行仿真模拟，对其最终内圆与外圆的几何变形进行研究，控制其内外圆在下压后的几何变形不能转变为临界形；（3）对于无芯棒旋锻的径向极限确定。基于 Deform 仿真模拟，分别得出不同硬度及径向进给量下的内外圆变形图和内外圆圆度与下压量的变化关系；（4）最终，结合不同硬度及下压量的无芯棒内外圆变形情况，以及内外圆度变化，分别根据内外圆不同径向下压量，变
11、形为临界形时对应的下压量为此硬度下的径向下压极限值。2 有限元模型的建立2.1 几何模型的建立与导入本旋锻模具采用四锤头对称式分布，又因对工艺的径向极限进行研究，不需复杂模具型面，故简化模具。模具型面与坯料外表面贴合。为减少软件的计算量，在仿真中减少坯料的长度，建立相关模型并导入 Deform 中，如图 3 所示。2.2 网格划分在 CATIA 中建立坯料模型后，再转为 stp 格式文件导入到HyperMesh中，对其进行网格初步划分，选取最小网格尺寸控制，将最小网格尺寸控制在0.8 mm，再以 pat 格式导出，导入 Deform 中。因本方法主要对旋锻后坯料的内外圆变形进行研究，故采用点追
12、踪。为保证描绘变形的准确性，需对初步划分的网格在研究区域再进行局部细化分，以保证刻画的准确性。最终细化分区域宽度 10 mm，总网格数 274 137，最小网格尺寸为 0.16 mm，如图 4所示。3 结果与分析3.1 不同硬度下无芯棒坯料变形对无芯棒旋锻，为保证研究工艺参数的准确性，分别在硬度为 150，160，170，180 HB 下，选取 0.11.7 mm，17 个径向压下量进行仿真研究，对其变形进行刻画，以临界形为分界，对应几何形状分别为凸形、临界形、凹形。若内外圆几何形状为凹形，则在旋锻过程中易发生折叠缺陷，导致产品质量大幅下降，故应控制内外圆变形为临界形。3.1.1 硬度为 15
13、0 HB选取毛坯硬度为 150 HB，分别设置下压量为0.11.7 mm，共 17 个径向压下量，输入仿真得到在该硬度下不同压下量的内外圆尺寸图，如图 5、图 7 所示。为使毛坯外圆变形更易观察，将外圆变形放大 15 倍，将内圆放大 20 倍，分别得到该硬度不同下压量的内外圆变形图，如图 6、图 8 所示。从图 6 可以看出，当下压量为 0.11.4 mm 时，该硬度下外圆呈现凸形。当下压量大于 1.5 mm 时，其外圆呈现凹形；当下压量为 1.5 mm 时，其外圆变形呈现临界形。故在该硬度下由外圆决定的径向下压量最大为 1.5 mm。图 1 液压缸筒毛坯尺寸图Fig.1 Hydraulic
14、cylinder with blank size diagram图 2 旋锻工艺过程图Fig.2 Rotary forging process diagramR0RmR2R1L1L2L3坯料模具芯棒产品t0t1图 3 无芯棒旋锻三维模型Fig.3 Three dimensional model diagram图 4 网格局部细化分图Fig.4 Meshing diagram77第 61 卷第 3 期从图 8 可见，当下压量为 0.11.0 mm 时，该硬度下内圆呈现凸形；当下压量大于 1.1 mm 时，内圆呈现凹形；当下压量为 1.1 mm 时，内圆变形呈现临界形。故在该硬度下由内圆决定的径向
15、下压量最大为 1.1 mm。其余 3 个硬度，其内外圆尺寸图整体类似，仅在尺寸上略有不同，故不赘述。为使内外圆变形表述更加清晰，只描述靠近临界形的几个下压量数据。3.1.2 硬度为 160 HB从图 9 外圆变形图中可以看出，当下压量为0.11.3 mm 时，该硬度下内圆呈现凸形；下压量大于 1.4 mm 时，外圆呈现凹形；下压量为 1.4 mm 时，外圆变形呈现临界形。故在该硬度下由外圆决定的径向下压量最大为 1.4 mm。从图 10 内圆变形图中可以看出，当下压量为0.10.9 mm 时，该硬度下内圆呈现凸形；下压量大于 1.0 mm 时，外圆呈现凹形；下压量为 1.0 mm 时，其外圆变
16、形呈现临界形。故在该硬度下由内圆决定的径向下压量最大为 1.0 mm。图 5 150 HB 不同下压量下的外圆尺寸图Fig.5 Outer circle dimensions at 150 HB图 6 150 HB 不同下压量下的内圆变形图Fig.6 Deformation diagram of outer circle at 150 HB图 8 150 HB 不同下压量下的内圆变形图Fig.8 Deformation diagram of inner circle at 150 HB图 7 150 HB 不同下压量下的内圆尺寸图Fig.7 Inner circle dimensions at 150 HB图 9 160 HB 不同下压量下的外圆变形图 Fig.9 Deformation diagram of outer circle at 160 HB图 10 160 HB 不同下压量下的内圆变形图Fig.10 Deformation diagram of inner circle at 160 HB王伟 等：某液压缸筒旋锻径向进给量极限研究78农业装备与车辆工程 2023 年3.1