《金属塑性成形原理》旋压实验指导书汇总改.docx
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《金属塑性成形原理》旋压实验指导书汇总改
金属塑性成形原理
实验指导书
（2017版）
中南大学机电工程学院
编著：
李新和
（研究生）俞大辉，周磊
实验一减薄旋压成形原理实验
一、实验目的
1、了解金属塑性成形的旋压加工工艺；
2、学会辨别旋压工艺的种类；
3、了解减薄旋压成形的概念和特点；
4、认识锥形、筒形减薄旋压的异同；
5、了解减薄旋压中的正反方向旋压方式；
6、掌握减薄旋压成形的机理。
二、实验仪器及原理
1、卧式数控旋压机1台
2、芯模1套
3、坯料若干
4、游标卡尺1把
5、卷焊机1台
金属旋压按其工件的几何形状，壁厚减薄程度可以分为
普通旋压和减薄旋压（强力旋压）
筒形件旋压是常见的减薄旋压，主要缩减管状形材壁厚，多为带底与不带底的筒形件、带台阶的管材等。
筒形件强力旋压成形过程的3个阶段
如图
a）起旋阶段从旋轮接触毛坯开始至达到所要求的壁厚减薄率为止。
该阶段壁厚减薄率逐渐增大，旋压力相应递增，特别是轴向旋压力，以至达到一极大值，工件的外径变化很大，筒形件的内径也将发生变化，使得金属的径向流动、周向流动大于轴向流动，正旋时易出现锥度和凸边，反旋时则出现扩口或缩口现象。
b）稳定旋压阶段是成形过程的主要阶段。
旋轮旋入毛坯达到所要求的壁厚减薄率时，旋压变形进入稳定阶段，工件的形状在这一阶段成形。
该阶段容易产生飞边和局部失稳边局部失稳发展到一定程度将导致工件破裂。
c）终旋阶段从距毛坯末端5倍毛坯厚度处开始至旋压终了。
该阶段毛坯刚性显著下降，旋压件内径扩大，旋压力逐渐下降。
在实际生产中，工件很少旋到端部，终旋阶段一般并不出现。
筒形件强力旋压成形时的3个区域
筒形件强力旋压时，其变形中的工件可划分为3个区域，即未成形区、成形区和己
成形区，如图
筒形件强力旋压的3个变形区域
I.未成形区II.成形区III己成形区1一旋轮2一毛坯3-芯模
筒形件强力旋压变形规律
筒形件变薄旋压在变形过程中，正旋变
形区的受力情况如图所示。
对于正旋变形，在已变形区和变形区相
交的截面上作用着轴向拉应力，而变形区应
力状态较为复杂。
另外，正旋时己变形区还
要承受由于传递扭转力矩所产生的周向剪应
力。
筒形件强力旋压的应变状态是三向的，
但由于旋压是局部小区域变形，其周向变形
阻力较轴向、径向大得多，变形量很小，一
般为了简化分析可将三向应变状态视为平面
应变状态，即假设沿周向不变形.变形区内A
点的应力、应变状态如图2所示。
三、实验方法
旋压方式的选择
选择何种旋压方式，主要是从成形件的形状、毛坯尺寸、工艺特点方面加以考虑。
对于筒形件，一般指采用正旋压或反旋压，对于筒形件，一般采用减薄旋压。
此外，无论减薄旋压还是普通旋压都有内旋压和外旋压之分。
坯料的处理
毛坯的原始状态对旋压件的质量影响很大。
毛坯处理工艺选择不当，可能导致制件质量下降，甚至报废，因此，考虑工艺方案时，应予以足够重视。
高延伸率、高端面收缩和低加工硬化指数是使金属材料具有良好成形性的工艺指标。
旋压设备的选用
为了实施所选定的工艺方案和旋压工艺规范，必须选用合适的旋压机，并选配合理的工艺装备以便生产优质产品，获得较高的技术经济效果。
四、实验步骤
1.毛坯经过卷焊机处理，成筒形状；
2.根据实验想要得到的结果，将程序编入数控系统；
3.选择合适的旋压机，准备好要进行加工的毛坯以及工件的芯模；
4.将短而厚的筒形件毛坯套在芯模棒上，并用尾顶块固定；
5.调整旋压机的旋轮初始走到位置，根据编入的程序加工工件。
五、实验数据整理与分析
1、观察数控机床的加工实验过程。
2、分析旋压加工中的主体运动过程，明确减薄旋压的三个变形过程和加工过程的三个区域。
六、考核与报告（要求附原理图）
实验进行分组，每组人数6人，每个实验时间为2小时，采用指导教师演示与学生独立操作相结合的形式完成本实验。
要求：
1、每个学生在实验后经实验室指导教师确认后，方可离开实验室；
2、每个学生都要采用统一格式，独立填写详细的实验报告；
3、指导教师对每个实验报告评分。
实验二超声旋压成形实验
一、实验目的
1、熟悉金属塑性成形的旋压加工工艺
2、熟悉并掌握普通减薄旋压与超声减薄旋压的区别
3、了解超薄壁件旋压研究现状及发展动态
4、熟悉超声塑性加工原理
5、了解并掌握超声波对金属塑性的影响
二、实验基本原理
1、普通减薄旋压与超声减薄旋压
根据旋压件厚度的变化可以分为两类：
普通旋压和变薄旋压[1]。
普通旋压在成形中厚度基本不发生改变，而其直径发生改变。
变薄旋压则以减薄毛坯壁厚为目的，工件直径基本不发生变化。
而按照旋轮进给方向和材料流动方向的不同，变薄旋压又可以分成正旋和反旋（见图1-1与1-2）。
普通旋压
2、超声塑性加工原理
各国学者对超声塑性加工展开了大量研究，均发现超声能够够降低成成形力，并对超声传播机制和成型机理进行了大量研究。
目前相关认识主要包括“体积效应”。
目前关于体积效应的阐述主要有两种：
第一种解释认为，振动使得材料内部微粒激振后，获得较高能量、温度上升，材料出现热致软化现象。
从而导致坯料的动态变形阻力减小。
振动产生的热致软化现象与晶体位错相关。
研究认为了位错可以通过共振、松弛和滞后三种方式聚集振动能量。
另外一种解释认为主要是静力叠加作用[27]。
这主要是用于解释小振幅低能量振动降低流动应力的现象。
除此之外，一些学者认为振动的扰力导致金属材料中应力多向化，使得各个不同方向的滑移面都产生了滑移。
静载荷与动载荷叠加作用与材料，从而充分发挥晶体塑性变形的滑移和孪晶机制，因此塑性变形能力得到提高。
而对于表面效应的阐述主要有以下几种：
振动使得材料与工具的接触界面在瞬间发生多次分离，振动能够改善接触面润滑条件、扰动使得摩擦力方向不断发生改变以及局部热效应。
以上原因从宏观上表现就是摩擦力得到减小。
超声波旋压装置示意图
超声波旋压工艺示意图
三、实验仪器
1、卧式数控旋压实验台1台
2、C276镍基合金若干
3、超声波旋压装置1套
4、ZJS2000超声波电源1台
5、游标卡尺1套
4、实验方法及步骤
1、对C276镍基合金材料进行局部超声波压痕实验
I、将材料局部超声波压痕实验装置按指导老师的要求进行合理工装；
II、改变挤压力，分别为312N、624N、936N、1248N、1560N、1872N；
III、对比超声压痕与常规压痕，并记录压痕的深度，完成实验记录表1。
2、对C276镍基合金材料筒形件超声旋压实验
I、将超声波旋压装置按指导老师的要求进行合理工装；
II、测量C276镍基合金材料筒形件的尺寸，完成实验记录表2；
III、将C276镍基合金材料筒形件按指导老师的要求合理；
IV、实验设备筒形件在卧式旋压机床上采用反旋的方法进行旋压；
V、测量旋压之后的筒形件的尺寸，完成实验记录表2，认真观察筒形件的表面粗糙度。
5、实验记录
表1
挤压力（N）
312
624
936
1248
1560
1872
常规旋压压痕深度（mm）
超声旋压压痕深度（mm）
表2
厚度（mm）
高度（mm）
内径（mm）
未加工筒形件尺寸
已加工筒形件尺寸
六、考核与报告（要求附原理图）
实验进行分组，每组人数6人，每个实验时间为2小时，采用指导教师演示与学生独立操作相结合的形式完成本实验。
要求：
1、每个学生在实验后经实验室指导教师确认后，方可离开实验室；
2、每个学生都要采用统一格式，独立填写详细的实验报告；
3、指导教师对每个实验报告评分。
实验三筒形件的可旋性试验
一、实验目的
7、了解金属在强力旋压时的可旋性。
8、了解筒形件的可旋性实验要求。
9、了解筒形件可旋性试验的过程；
10、根据实验结果可以绘出相应的坐标图，进行对比分析；
11、参照实验数据，能够得出金属可旋性的影响因素。
二、实验仪器
1、卧式数控旋压机1台
2、芯模1套
3、游标卡尺1把
4、卷焊机1台
5、毛坯材料2024—T4铝
6061—0
6061—T6铝
退火钢
退火软钢
供货状态的软钢
供货状态的钢
退火状态的304不锈钢
三、实验方法及步骤
6.毛坯经过卷焊机处理，成筒形状；
7.根据实验想要得到的结果，将程序编入数控系统；
8.选择合适的旋压机，准备好要进行加工的毛坯以及工件的芯模；
9.将壁厚为t0的带底毛坯套在圆柱芯模上，并用尾顶块固定，防止旋压时毛坯与芯模发生相对转动；
10.毛坯随芯模旋转时，使特定的接触角αρ，圆角半径rρ的旋轮以进给速度为vf并与母线成很小的φ角运动轨迹进给，从而把毛坯壁厚从t0变薄到tf。
四、实验原理
这个试验将使试件的壁厚将由其最大壁厚（原始壁厚）t0逐渐变薄到零。
然而，所有材料都将在这个限度内的某处发生破裂。
这样可以获得在无破裂的情况下一道次中的最大壁厚减薄率ψtmax。
强力旋压的主要工艺性能指标之一是以工件壁厚减薄率ψt来表征，即
Ψt=（t0-tf）/t0×100%
由此可知，材料的可旋性定义可表达为材料在破裂前能承受的极限壁厚减薄率ψtmax，即；
Ψtmax=（t0-tmin）/t0×100%
根据实验结果，画出筒形件可旋性与拉伸断面收缩率的关系：
此外，旋轮的进给量f、圆角半径rρ和接触角αρ对筒形件可旋性的影响也做了试验，
有图可知，对于软钢和铜，极限变薄率随着进给量f增大而减少。
旋压圆角半径rρ对可旋性的影响很小。
旋压接触角αρ可旋性却无任何影响。
对于在旋压前工件的冷作硬化程度对可旋性的影响也做了实验研究，其结果如图。
a中表示两种材料中，供货状态的材料的旋压最大变薄率稍大些。
b中表示不同旋压变薄率与可旋性的关系。
五、实验分析与结论
根据实验数据填写此表
材料
状态
硬度HB
t0/mm
Tf/mm
拉伸断面收率/%
旋压最大变薄率/%
2024AL
T4
119
6.38
2024AL
T4
119
6.35
6061AL
T6
93
5.53
6061AL
T6
93
5.53
304不锈钢
退火
143
5.10
304不锈钢
退火
143
5.50
软钢
退火
13
6.20
软钢
退火
13
6.25
6061AL
O
31
5.70
6061AL
O
31
5.60
铜
退火
36
5.95
铜
退火
36
6.00
铜
供货
93
6.01
铜
供货
93
6.01
软钢
供货
170
6.30
软钢
供货
170
6.30
1、可旋性欠佳的材料在旋轮作用下发生脆性断裂；而可旋性较好的材料，则都是在壁厚变薄后发生韧性断裂。
2、旋压最大变薄率和材料性能之间关系是，对于拉伸断面收缩率大于45%的材料，不管其韧性如何，旋压最大变薄率约为80%；对于拉伸断面收缩率低于45%的材料，可旋性取决于其韧性。
3在所有被考虑的工艺参数中，只有旋轮进给量f对可旋性有比较明显的影响。
六、考核与报告（要求附原理图）
实验进行分组，每组人数6人，每个实验时间为2小时，采用指导教师演示与学生独立操作相结合的形式完成本实验。
要求：
1、每个学生在实验后经实验室指导教师确认后，方可离开实验室；
2、每个学生都要采用统一格式，独立填写详细的实验报告；
3、指导教师对每个实验报告评分。
实验四旋压成形的力能参数检测实验
一、实验目的
1、熟悉金属塑性成形的旋压加工工艺
2、了解并掌握C276镍基合金筒形件旋压力能参数检测
2、实验原理
保哥亚子列斯基计算式
主要针对反旋筒形件的情况下旋压力的分析计算。
基本假设条件为：
变形区为平面应变状态；作用在垂直芯模轴线平面上的应力假定不变，取其平均值；作用垂直于芯模轴线平面内切应力引起的切向力相互平衡（如下图）。
经推导后得到的旋压力沿着切向、径向、轴向的三分力之间关系如下。
进给
式中，
为旋轮的绝对进给量；
；
；
为壁厚减薄率，
；
为平均单位压力。
z
1
2
3
y
筒形件反旋过程示意图
1—旋轮；2—工件；3—芯模
三、实验仪器
1、卧式数控旋压实验台1台
2、C276镍基合金筒形件1个
3、超声波旋压装置1套
4、游标卡尺1套
四、实验方法及步骤
I测量旋压装置的旋轮直径
、旋轮倾角
，完成实验记录；
II、将旋压装置按指导老师的要求进行合理工装；
III、测量C276镍基合金材料筒形工件的厚度
，完成实验记录；
IV、将C276镍基合金材料筒形工件按指导老师的要求合理；
V、实验设备筒形工件在卧式旋压机床上采用反旋的方法进行旋压；
VI、测量旋压之后的筒形工件的厚度
，完成实验记录。
参数测量
旋轮直径
旋轮倾角
旋压前厚度
旋压后厚度
壁厚减薄率
旋轮绝对进给量
5、实验记录及数据处理
六、考核与报告（要求附原理图）
实验进行分组，每组人数6人，每个实验时间为2小时，采用指导教师演示与学生独立操作相结合的形式完成本实验。
要求：
1、每个学生在实验后经实验室指导教师确认后，方可离开实验室；
2、每个学生都要采用统一格式，独立填写详细的实验报告；
3、指导教师对每个实验报告评分。
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