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摘要：參照二次正交旋轉組合設計試驗法，對楔橫軋空心件的壁厚變化規律，做了實驗研究，得到具有較高參考價值的回歸方程。依據實驗結果和回歸方程，對影響楔橫軋空心件壁厚變化的主要因素做了分析討論。
關鍵詞：楔橫軋；空心件；壁厚變化

一、前言

楔橫軋是大批量階梯軸零件毛坯塑性成形的先進工藝，具有高效、節材、質量好、成本低等優點，主要應用于成形實心零件。近年來空心階梯軸類零件的楔橫軋成形正引起人們的注意，并得到一定應用。與實心件相比，楔橫軋空心件的最大特點之一是軋制前后軋件被軋部分的壁厚會發生變化。壁厚是空心零件的一個重要設計參數。因而認識并掌握軋件的壁厚變化規律，對于將先進的楔橫軋工藝用于空心階梯軸類零件有著十分重要的意義。

二、實驗方法及裝置

1.實驗設備

本實驗是在一臺改裝的斜軋機上進行的(見圖1)。軋機主要參數為：電機功率為17kW，軋輥轉數12.5rpm，軋輥直徑φ230mm，加熱設備是實驗室用管式高溫電阻爐。

圖1 實驗軋機

2.試驗模具與材料

試驗用軋輥材料為45#鋼，軋件為20#冷拔無縫鋼管，軋輥及軋件規格見表1。

表1模具參數及軋件規格
類別 分組名稱 A B C D E F G H I 模具參數 楔展角β(°) 2 3 3 4 4 4 5 5 6 成型角α(°) 30 27 33 24 30 36 27 33 30 軋件規格 原始外徑d₀(mm) 16 22 22 28 28 28 34 34 40 原始壁厚t₀(mm) 2.4 2.6 4 2.5 4 5.9 4 6 6

3.實驗方法及數據處理

本試驗參照二次正交旋轉組合設計試驗法，考察了表2中所示6個因素及其5個水平對壁厚變化率的影響。共做實驗70組，每組重復3～5次。圖2是本實驗部分軋件的剖件。

表2試驗因素水平表
因素水平 楔展角β(°) 成形角α(°) 軋件原始外徑d₀(mm) 軋件原始相對壁厚Q 相對壓縮率λ 軋制溫度T(℃) 2 2 24 16 0.089 0.100 1195 1 3 27 22 0.119 0.135 1130 0 4 30 28 0.149 0.170 1065 -1 5 33 34 0.179 0.205 1000 -2 6 36 40 0.209 0.240 935

圖2本實驗部分軋件的剖件

本文主要對軋件壁厚的徑向變化進行分析討論，對縱向壁厚波動也做一些探討。由于橫截面壁厚存在不均勻現象，實際壁厚變化率采用了平均壁厚數據。

實驗數據按數理統計理論處理成為回歸方程，對回歸方程及方程中的每一項均做了方差分析及顯著性檢驗。本文將直接根據用回歸方程畫出的圖表對實驗結果進行分析。由于本實驗沒有考慮軋輥直徑、軋輥轉數、軋件材質等影響因素，在實際應用時應對本文所示方程做一定修正。回歸方程如下：

G＝4.833-0.84925α+27.935Q+0.60418T+0.3313βλ-0.0324αλ-0.0451d₀λ+0.002864d₀T-0.00482β²+0.0280286α²-0.00042d²₀-165.63Q²+8.65λ²-0.03144T²-0.0003057α³+307.52Q³-15.75λ³

式中G—相對壁厚變化律，軋后軋件平均壁厚與原始壁厚之比，G＝t/t0
λ—相對壓縮律，軋制前后直徑差與原始直徑之比，λ＝(d0-d)/d0
Q—軋件原始相對壁厚，Q＝t0/d0
T—軋制溫度(將實際溫度縮小100倍代入)

對方程及其各項進行方差分析及F檢驗，F＝56.53＞F_0.01(16，53)＝3.1，復相關系數R＝0.972，判定方程高度顯著。方程中對指標的主要影響項及排序為：βλ，-λ³，d₀λ，λ²，-d₀²，d₀T，-β²，Q，-α，α²，-Q²。由這個排列可看出，楔展角β與相對壓縮率λ的交互作用很大，在選擇參數時，應顧及它們的搭配。另外相對壓縮率λ對壁厚變化的影響也很大。

三、試驗結果討論

1.楔展角β的影響

由楔橫軋的瞬時展寬量公式S＝πr_ktanβ可看出，瞬時展寬量S與楔展角β成正比。圖3是變形區金屬流向示意。在abd區，如箭頭所示，金屬主要沿軸向流動；bcd區金屬在徑向被壓縮，主要向徑向和切向流動。S與β成正比，bcd區又和S成正比。bcd區越大，流向徑向的金屬就越多，因而壁厚會隨著β的增大而加厚。圖4是用回歸方程作出的曲線。由圖可見，壁厚隨著β的變化趨勢是和以上分析相吻合的。同時從圖4也可看出，楔展角β與壁厚變化率λ的交互作用是比較大的。

圖3變形區金屬流向示意圖

圖4楔展角β與相對壁厚變化率G的關系
α＝30°d0＝28mmQ＝0.149T＝1065℃
1—λ＝0.192—λ＝0.33—λ＝0.41

軋件上對應于模具起楔段與展寬結束段的展寬量變化比較大，因而這兩個部位的壁厚變化率波動較大，一般起楔段G減小，展寬結束段G增大。由于楔橫軋的變形區較小，且沿β角呈螺旋狀旋轉推進，沿變形區交界處會產生螺旋紋。外表面可以通過模具精整，軋件內壁則會留有隨形螺旋紋。這種螺旋紋一般不嚴重，不影響使用。

2.成形角α的影響

由圖5可看出，隨著α的減小，壁厚變化率不是減小，而是總趨勢是增大。這是因為α與變形區軸向力成正比。軸向力越小，金屬就越不容易從軸向流出，壁厚增大的趨勢升高。α與λ也有不小的交互作用。值得注意的是，當α在28°～33°之間時，α對G的影響較小，一般不要在這一區間變動α以求對G施加影響。

圖5成形角α與相對壁厚變化率G的關系
β＝4°d0＝28mmQ＝0.149T＝1065℃
1—λ＝0.192—λ＝0.33—λ＝0.41

3.相對壓縮率λ的影響

相對壓縮率λ對壁厚變化率G影響表示在圖6中。在圖示條件下，曲線在λ等于0.3左右是個轉折點。λ小于0.3時，G值隨λ的增大緩慢增加；當λ大于0.3時，G值隨λ的增大而急劇減小。這是因為λ的改變造成軸向拉應力與徑向壓應力的比值發生了變化。軸向拉應力使壁厚減薄，徑向壓應力使壁厚增大。徑向壓應力主要與變形抗力有關。對于空心件，當λ較小時變形抗力隨λ有所增大；而當λ較大時變形抗力卻隨λ增大不多。軸向拉應力主要與軸向力和抗拉截面有關。λ增大使軸向力增大抗拉截面減小，造成軸向拉應力增大，且趨勢變化不大。綜合兩方面因素，可以說明隨著λ的增加，G值由增加變為急速下降的原因。

圖6相對壓縮率λ與相對壁厚變化率G的關系
β＝4°α＝30°Q＝0.149T＝1065℃
1—d0＝22mm2—d0＝28mm3—d0＝34mm

4.原始相對壁厚Q的影響

除了工藝參數對壁厚變化率產生影響外，空心件的原始相對壁厚Q對壁厚變化率G也有著重要影響。其變化規律為當Q較小時，G與Q成正比，當Q較大時，G與Q成反比(見圖7)。這是因為在Q較小時，隨著Q增大，單位變形抗力迅速增加，在軋件內部形成較大徑向壓應力，使壁厚驟增。但當Q大到一定程度時，金屬流動困難，變形區不易達到軋件內層，外層金屬被迫向軸向和切向流動，從而在軋件內層造成徑向壓應力減小，甚至出現拉應力，使壁厚減薄。G與λ的這種關系在其它方法軋制空心件(如簡單橫軋、斜軋等)時也出現過，只是曲線的形狀和轉折點不盡相同。

圖7原始相對壁厚Q與相對壁厚變化率G的關系
β＝4°d0＝28mmQ＝0.149λ＝0.3T＝1065℃

四、結論

(1)參照二次正交旋轉組合設計試驗法，對楔橫軋空心件的壁厚變化規律做了實驗研究，并得到實驗條件下的回歸方程，經方差分析及F檢驗，回歸方程是高度顯著的，具有較高的參考價值。
(2)壁厚變化率G與展寬角β成正比，與成形角α角成反比。相對壓縮率λ及相對原始壁厚Q對壁厚變化率G的影響有兩重性，即Q和λ較小時與G成正比，Q和λ較大時與G成反比。
(3)各工藝參數之間對壁厚變化率的影響有較強的交互效應，在選擇工藝參數時必須注意它們之間的搭配。

參考文獻
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