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沖頭形狀在很大的程度上決定了需要推力的大小，根據(jù)以往的實驗數(shù)據(jù)，圖1中沖頭前錐角取為1.5°，可顯著減小推力。沖頭后引導角設計與摩擦角相等，大大減小沖頭后引導面與厚壁圓筒內(nèi)壁的摩擦力。圓柱部長度h的選擇除減小沖頭與厚壁圓筒內(nèi)壁摩擦力以外，要保證厚壁圓筒內(nèi)壁表面變形的一致性，簡化厚壁圓筒內(nèi)壁后續(xù)處理的難度。沖頭圓柱部長度h=6mm時，能夠使得沖頭與厚壁圓筒內(nèi)壁摩擦力保持在較低水平，也能夠保證厚壁圓筒內(nèi)壁表面機械自緊后的光潔度［4］。本實驗的沖頭采用碳化鎢粉末，用模具壓制成型，然后燒結(jié)，再經(jīng)過400MPa～600MPa的等靜壓工藝制成。擠擴過程的潤滑采用二硫化鉬。為了保證沖頭便于進入試件，在試件前方制作一個沖頭的引導部，引導部的參數(shù)應該和沖頭前錐角的參數(shù)保持一致制作的厚壁圓筒試件的壁厚比w從1.8到2.3，試件內(nèi)半徑a的范圍是12.23mm～12.37mm。由于沖頭圓柱段的公稱直徑為25mm，即直徑過盈量的范圍是0.26mm～0.54mm。實驗的機械自緊過程在圖3的實驗裝置中進行。機械自緊后測定試件的再屈服壓力，自緊厚壁圓筒的再屈服壓力是指厚壁圓筒自緊后內(nèi)表面不產(chǎn)生新的殘余變形時所能承受的最大壓力。本文的再屈服實驗系統(tǒng)如圖4，倍加器的最大工作壓力為1400MPa，由英國貝爾法斯特皇后大學(Queen''''sUniversityBelfast)研制。

實驗原理及流程

利用液壓泵作為動力源，驅(qū)動動力油缸中的活塞運動，推動具有一定過盈量的沖頭強迫通過厚壁圓筒，使厚壁圓筒產(chǎn)生塑性變形完成自緊。在厚壁圓筒外表面的對稱位置上，分別在切向和軸向粘貼應變片，可以測量自緊過程中厚壁圓筒的切向應變εθb、軸向應變εθz以及自緊后的殘余應變。在推桿的同一高度上，沿軸線方向?qū)ΨQ的粘貼了兩片應變片，同時采集兩片應變片的輸出結(jié)果。實驗的第一階段通過對不同壁厚比，不同過盈量的厚壁圓筒進行機械自緊，采集機械自緊過程中的沖頭推力、沖頭位移、厚壁圓筒的切向和軸向應變數(shù)據(jù)，然后進行再屈服實驗。厚壁圓筒機械自緊后，要進行穩(wěn)定化處理(在小于350℃溫度條件下，保溫4h～6h)和機械加工，在此之后進行實驗第二階段的再屈服實驗。

實驗結(jié)果和擬合公式

沖頭推力實驗結(jié)果和經(jīng)驗公式?jīng)_頭推力是一個隨著沖頭的行程而不斷變化的量，從圖5中的K1-2試件推力-位移曲線可以看出沖頭推力變化分為3個階段。第1階段是沖頭前導面與試件接觸開始擠擴到?jīng)_頭圓柱段完全進入試件，這是擠擴過程的初始階段，沖頭推力隨著位移迅速的增大并達到峰值。第2階段是沖頭的圓柱段在試件內(nèi)的行程，這是擠擴過程的主體，沖頭推力從第一階段的峰值略有下降之后達到一個較穩(wěn)定的狀態(tài)，推力隨沖頭行程變化不大。第3階段是沖頭的圓柱段完成試件內(nèi)的行程逐漸離開試件的過程，這個階段與第1階段相反，沖頭推力隨著位移迅速減小，直到擠擴過程結(jié)束。第2階段是沖頭的工作階段，也是推力穩(wěn)定的階段，取第2階段推力的平均值作為推力的大小。

外表面應變實驗結(jié)果監(jiān)測試件外表面應變能夠判定機械自緊的實際效果，是主要的工藝控制參量。圖6是B5-1試件的外表面應變隨沖頭位移變化關(guān)系。比較該試件機械自緊后的切向殘余應變和軸向殘余應變的實驗數(shù)據(jù)可知，兩者的絕對值差別較大，對自緊后厚壁圓筒的強度分析而言，起主要作用的是切向殘余應力，軸向殘余應力的影響很小。

3.3機械加工對試件的影響機械自緊后的毛坯一般先進行低溫穩(wěn)定化處理再進行機械加工成為成品，低溫穩(wěn)定化會降低鮑辛格效應系數(shù)［5］，影響反向屈服區(qū)的殘余應力水平。機械加工后厚壁圓筒中的殘余應力會重新分布，以上兩種工藝過程都會造成自緊后厚壁圓筒再屈服壓力的變化。表2是厚壁圓筒半精加工毛坯先穩(wěn)定化處理再進行內(nèi)膛的鏜削后，進行再屈服實驗得到的結(jié)果，給出了再屈服壓力的確定方法［6］。

機械自緊主要工藝參量的影響因素分析

沖頭推力的影響因素較多，在沖頭和厚壁圓筒結(jié)構(gòu)確定后，有潤滑條件下影響沖頭推力的主要因素是沖頭圓柱部的過盈量。由于機械自緊過程是準靜態(tài)過程，應變測量簡便可靠，沖頭推力-位移曲線、沖頭位移-外表面應變曲線是工藝控制的關(guān)鍵曲線，對應變電橋?qū)嵤囟妊a償，沖頭推力和厚壁圓筒的切向和軸向應變測量精度有可靠的保證。由于鮑辛格效應，厚壁圓筒內(nèi)表面附近存在反向屈服區(qū)，半精加工毛坯到成品管的加工一般以內(nèi)表面鏜削為主，輔之以外表面車削。穩(wěn)定化處理對鮑辛格效應的改善有一定貢獻［5］。因此，根據(jù)本文的實驗流程，本文中加工影響的實驗結(jié)果是穩(wěn)定化處理和加工后殘余應力重新分布的綜合結(jié)果。

結(jié)束語

通過實驗測量了機械自緊過程中沖頭推力-位移曲線。在沖頭和厚壁圓筒結(jié)構(gòu)確定后以及有潤滑的條件下，沖頭推力與過盈量成正比。給出的推力計算經(jīng)驗公式，形式簡便，能控制計算誤差范圍在±10%以內(nèi)，適合于工程應用。對機械自緊的厚壁圓筒外表面應變的測量，可以監(jiān)測機械自緊的全過程，檢驗機械自緊的實際效果，實驗結(jié)果顯示對自緊后厚壁圓筒的強度分析而言，起主要作用的是切向殘余應力。自緊后進行穩(wěn)定化處理有助于減小鮑辛格效應的影響，但其機理和定量分析還有待深入的研究。加工后的再屈服實驗表明，將加工前后厚壁圓筒的徑比變化控制在±8%以內(nèi)，則再屈服壓力的變化不超過±8%。

作者：袁人樞伍兵單位：南京理工大學機械工程學院