外文翻譯中文版---關(guān)于經(jīng)旋壓成型生產(chǎn)的高強(qiáng)度薄壁鋼管缺陷發(fā)展的研究

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關(guān)于經(jīng)旋壓成型生產(chǎn)的高強(qiáng)度薄壁鋼管缺陷發(fā)展的研究 . 要 旋壓成型 已經(jīng)作為一種有良好發(fā)展前景，經(jīng)濟(jì)的金屬成型技術(shù)開始出現(xiàn)。因?yàn)樗軌蛱峁└邚?qiáng)度，高精度，具有優(yōu)良表面光潔度的薄壁管 。本文介紹了經(jīng)旋壓成型生產(chǎn)的高強(qiáng)度130 鋼管的實(shí)驗(yàn)觀察研究。主要觀察的缺陷是魚尾紋 、過早破裂、直徑 增 長(zhǎng)、微裂紋和宏觀裂紋。本文 通過各種失效模式 分析 各類 缺陷 并從中獲取促成缺陷的各種因素。 關(guān)鍵詞 ：金屬成形 包含物 專家系統(tǒng) 顯微結(jié)構(gòu) 表面加工 引言 旋壓成型是一種有發(fā)展 空間、經(jīng)濟(jì)的金屬成形技術(shù)， 能夠達(dá)到國(guó)防和航空航天工業(yè)發(fā)展需要的 高比強(qiáng)度，高精密公差 和優(yōu)良的表面光潔度的要求。相對(duì)較低的加工成本和高的金屬利用率要?dú)w功于無屑金屬成形技術(shù)，然而 將低強(qiáng)度材料加工成高強(qiáng)度產(chǎn)品則要通過應(yīng)變硬化。 旋壓成型是一個(gè)漸進(jìn)的形成過程，使用三維軋制過程的基本變化并結(jié)合軋制，剪切，彎曲成一體的操作。它既不像鐓鍛也像模鍛。旋壓成型本質(zhì)上是 逐點(diǎn)塑性變 形過程， 致使一部分形成高變形的顯微結(jié)構(gòu)。隨著旋壓成型的進(jìn)行， 材料的 屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、硬度和相對(duì)延伸率都顯著提高 。 傳統(tǒng)上，管材的生產(chǎn)是通過熱擠壓、 拉拔或皮爾格軋制等方式。然而若要通過熱擠壓生產(chǎn)出超出規(guī)定極限的薄管是不可能的。拉拔 方式 相對(duì)于擠壓 方式 既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)，因此對(duì)于較厚鋼管的生產(chǎn)，一般先冷擠壓，然后經(jīng)拉拔或皮爾格軋機(jī)完成 。拉拔過程基本上是一個(gè)拉伸過程。在拉拔的過程中，微觀裂紋和缺陷從材料的內(nèi)部開始傳播，最后導(dǎo)致材料的破壞。對(duì)于硬度較高的材料，每道拉拔工序都需要將斷面收縮率限制在 10%以內(nèi) [1]，而且總的收縮率需要根據(jù)一系列的退火周期來確定。增加拉拔和退火工序都要增加相應(yīng)的生產(chǎn)成本。很顯然， 用很難加工的材料通過拉拔方式來生產(chǎn)組件的成本很高。然而，如果 對(duì)尺寸公差要求不高，用傳統(tǒng)的拉拔方式來生產(chǎn)管材也是可取的。而旋壓成型綜合了傳統(tǒng)管材生產(chǎn)方法的幾種優(yōu)勢(shì)。 1 概述 旋壓成型用 于 生產(chǎn)具有精密尺寸公差的無縫管。 無縫管 ,理論上來說可以代表最終的可靠性 [2]。 利用旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行金屬剝皮和 成品 粗加工 。金屬零件和芯軸一起旋轉(zhuǎn)（緊密的連在一起）， 滾珠 和心 軸連在一起 ， 滾珠 預(yù)先連到一臺(tái)電腦數(shù)值控制的旋壓機(jī)上。 滾珠 施加的壓縮力使粗加工后的金屬塑性提高。 要達(dá)到變形金屬所需要的形狀和適當(dāng)?shù)谋诤?，就需要?制滾筒和芯軸之間的間隙。 旋壓成型可以分為兩種截然不同的加工方式：拉旋成型和縮旋成 型。在拉旋成型中，滾珠進(jìn)給和變形材料前進(jìn)的方向是同一個(gè)方向。 變形材料受到拉應(yīng)力，同時(shí)受到滾珠給予的壓應(yīng)力。在縮旋成型中，滾珠進(jìn)給方向和變形材料前進(jìn)方向相反。材料在滾珠下處于壓縮狀態(tài)，而變形區(qū)外不受力的作用?？s旋成型技術(shù)目前 被用作研究，圖示說明如下： 2 正文 本文介紹了 關(guān)于 用 130 鋼生產(chǎn)的高強(qiáng)度薄壁管旋壓成型過程中的故障和 缺陷 產(chǎn)生的原因 的研究 。 研究還分析了能夠?qū)е鹿收虾腿毕莸母鞣N冶金和機(jī)械類因素。 經(jīng)旋壓成型生產(chǎn)的管材常見的缺陷有：直徑 增 長(zhǎng) 、過早破裂、結(jié)疤、魚尾紋和 耳子 [3]。其他形式的缺 陷包括：膠件料厚不均、微裂紋和宏觀裂紋。先進(jìn)的三輥旋壓成型機(jī)能夠制造出精度高的管材 [4,5。然而像包含物和不均勻顆粒結(jié)構(gòu)等冶金類和材料因素能夠影響管材的質(zhì)量。 此外，選擇不合適的變形參數(shù)也能夠影響管材延伸的質(zhì)量。本文將鋼的冶煉特性和生產(chǎn)高質(zhì)量的薄壁旋壓成型管聯(lián)系在一起 [5,6]。 3 實(shí)驗(yàn)觀察 由于具有可用性、較低的成本和較好的冷變形能力， 130 鋼被用來制造薄壁高強(qiáng)度無縫管，變形工具選擇壓力容器?？s旋成型技術(shù)在這此得到應(yīng)用。 本文描述的研究工作所用的 130 鋼沒有經(jīng)過電渣冶煉法再冶煉。這些等級(jí) 鋼的包含物級(jí)別以美洲試驗(yàn)材料協(xié)會(huì) 45 為依據(jù)，具體如下： 硫化物 氧化鋁 硅酸鹽 球狀氧化物 厚 薄 厚 薄 厚 薄 厚 薄 · 鋼中溶解氧、氮和氫的含量視分析結(jié)果而定，一般為：氧 22 110 3部構(gòu)造為三輥，內(nèi)部為四軸 壓機(jī)用于實(shí)驗(yàn)室工作。下圖為旋壓成型機(jī)的顯微照片。 粗加工成 品 — 用較厚的材料進(jìn)行旋壓成型 — 進(jìn)行鍛造加工，用錐形穿孔機(jī)穿孔，芯軸精加工，然后進(jìn)行淬火和回火。 該流程經(jīng)過三個(gè)道次完成，而且不需要中間退火。每個(gè)到此的硬度和厚度減少百分比如下表： 旋壓成型硬度和厚度縮減百分比 道次 坯料厚度（ 品厚度（ 料硬度（ 品硬度 (減百分比（ %）1 21 28 50 2 28 30 50 3 30 31 60 旋壓管經(jīng)過一系列變形厚度減少約 88%，剪切和拉伸試驗(yàn)選用的材料是從整個(gè)管材上取的，見下圖： 詳細(xì)的機(jī)械性能和尺寸精度如下表： 旋壓成型管的機(jī)械性能和尺寸精度 機(jī)械性能 尺寸精度 極限抗拉強(qiáng)度 屈服應(yīng)力 %彈 性模量 橢圓度平直度 表面光潔度 ( ( ( ( μm) 理論 1200 ( 900 ( 6 ( 際 1250 950 7 5 4抗壓實(shí)驗(yàn) 滿足一定力學(xué)性能和尺寸精度的管材需要進(jìn)行 100%液壓測(cè)試 。使管材受到 10%的最大應(yīng)力，時(shí) 間預(yù)計(jì)一分鐘，然后檢查永久變形，然而無論無何都將過早破裂。經(jīng)過這道測(cè)試后，該對(duì)該管進(jìn)行爆裂測(cè)試。 5爆裂壓力測(cè)試 隨機(jī) 選擇相同的 加熱條件，不同加工方式下的管材進(jìn)行爆裂壓力測(cè)試。爆裂壓力測(cè)試結(jié)果證實(shí)，邊緣的安全系數(shù)高于整個(gè)部分。幾種測(cè)試鋼管樣品如下： 6 缺陷 爆裂測(cè)試等試驗(yàn)證明，旋壓管中的缺陷能夠?qū)е鹿懿氖?。缺陷和失效的類型可歸納為：微裂紋、宏觀裂紋、直徑生長(zhǎng)、橢圓變形、魚尾紋和過早破裂。 旋壓成型過程中，有事會(huì)引起波紋管和帶有耳子的管材的產(chǎn)生。這種缺陷只會(huì)在特定的工作條件下發(fā)生。這種現(xiàn)象被稱為“塑 性流動(dòng)的不穩(wěn)定?！? 小林 [7]分析了圓錐體的不穩(wěn)定因素得出法蘭上的起皺是由于剪切面上殘余應(yīng)力的增加。 旋轉(zhuǎn)錐不穩(wěn)定類似于 在拉深過程中的起皺現(xiàn)象。 吉利，提羅什 [5]研究了錐形管中的不穩(wěn)定塑性流動(dòng)，如果圓周長(zhǎng)度 L，也就是說，如果比 S： 穩(wěn)定現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。高的 S：由于軸向的限制作用，低比例將導(dǎo)致幾何誤差。這些不穩(wěn)定，波紋凸起，和橢圓度與控制變量的壓力有關(guān)，而不是材料特質(zhì)，因此，不應(yīng)被視為冶煉類缺陷。 7 裂紋 將不是 用 等級(jí)為 冶煉 的全旋壓成型管厚度減少 90%時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋，裂紋在壓力測(cè)試和尺寸檢查中會(huì)被發(fā)現(xiàn)。下圖顯示一個(gè)細(xì)微、縱向裂紋的發(fā)展。 冶金學(xué)研究顯示，管材失效是由于材料中存在大量夾雜物。夾雜物在模子界面產(chǎn)生了很多引起應(yīng)力集中的微小固狀顆粒。 粒子之間的基體材料結(jié)合破裂引起開裂。管子進(jìn)行將近90%的減壁，沒有中間退火。這一減少可能造成裂紋在旋壓管中發(fā)展。 試驗(yàn)觀察了 300毫米長(zhǎng)度的裂紋。樣品來自破裂的地區(qū)和掃描電子顯微鏡觀察到的存在夾雜物的斷裂面。此外旋壓管的表面也出現(xiàn)了微裂紋，如下圖： 經(jīng)過第一道旋壓成型，一 些硬度較高或較低的材料 會(huì)在 心 軸的一側(cè)形成微裂紋。裂紋的形成和大量存在于非電渣精煉原料中的夾雜物有很大關(guān)系，見下圖 坯料和芯軸兩者之間界面上的拉伸應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。在 成形過程、測(cè)試過程和爆破試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)拉伸應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，夾雜物開始導(dǎo)致微裂紋，直至開裂。 這種失效類似于 8 光學(xué) 顯微觀察 首先將管子橫切面和縱切面的金相式樣準(zhǔn)備好，用于光學(xué)顯微研究。金相觀察 發(fā)現(xiàn)了造成裂紋的包含物最初形成于模具之間的界面。還可以從這些研究中 推斷出，管材表面觀察到的長(zhǎng)裂紋是成型過程中微裂紋的宏觀表現(xiàn)。微裂紋在縱向方向上被觀察到。 錳和硫化物等夾雜物在裂紋發(fā)展的初始階段起很大作用。 10 魚尾紋 在 130 鋼 旋 壓 成 型 中 觀 察 到 的 另 一 種 失 效 模 式 是 魚 尾 紋 ， 如 下 圖 魚尾紋一般會(huì)在第二第三道工序后被觀察到。在 是所有管材都會(huì)出現(xiàn)這種失效模式。 導(dǎo)致魚尾紋形成的因素有：旋壓成型過程中的不均勻的晶粒尺寸（可能是由于不當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞剑?，大量夾雜物產(chǎn)生的不均勻變形，和殘余應(yīng)力 [8]。晶粒尺寸的控制很重要，因?yàn)榧?xì)小的晶粒尺寸 在冷變形中很難形成，而大的晶粒尺寸會(huì)導(dǎo)致魚尾紋和開裂。顯微結(jié)構(gòu)的不均勻性也將影響鍛造坯和 130鋼的旋壓成型。在一些特定的操作環(huán)境下，如 小的仰角、低的進(jìn)給率和滾珠前的褶皺都會(huì)產(chǎn)生魚尾紋和開裂 [3,10]。 在旋壓成型的第二道次后 的正火 坯料斷裂情況如下圖 正火希望能夠產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)以硅酸鹽為主的珠光體的坯料，然而金相學(xué)顯示管子的一部分還會(huì)出現(xiàn)貝氏體組織。管子的三種形式的顯微結(jié)構(gòu)如下圖： 貝氏體的部分硬度為 45其余旋壓成型管的硬度只有 29部具有高硬度貝氏體 組織的部分與管子的其余部分沒有經(jīng)歷同樣的變形，應(yīng)變不相容導(dǎo)致管子開裂。 11 直徑 增 長(zhǎng) 盡管管材旋壓多少年以來一直廣泛的用于生產(chǎn)大量的圓柱形高強(qiáng)度比的坯料，直徑 增 長(zhǎng)和褶皺問題一直很令人困擾。結(jié)疤和褶皺問題在軟管中很常見，特別在鋁管中。 中低碳鋼中，直徑增長(zhǎng)問題會(huì)隨著厚度減少百分比的增加而變得復(fù)雜。 正如先前所說，直徑增長(zhǎng)和圓周接觸弧長(zhǎng)度 的比率有關(guān)。 S:徑增長(zhǎng)越容易控制， S:徑增長(zhǎng)越快。 130鋼的縮旋試驗(yàn)表明：隨著厚度縮減百分比的增加，直徑增長(zhǎng)越快。 然而這 并不是說在這種情況下直徑增長(zhǎng)不重要。這和已發(fā)表的文獻(xiàn)當(dāng)中的關(guān) 于縮旋成型記錄一致。 [11] 滾珠的進(jìn)給率在直徑增長(zhǎng)中的影響被忽略。 [11]為了將影響直徑增長(zhǎng)的因素控制到最小，心軸削弱可以補(bǔ)償生長(zhǎng)過程；然而縱橫比的控制是首要的。 12 彈性回跳 彈性回跳是一種在滾珠壓力得到釋放后的空間變形。這是由拉伸和彈性恢復(fù)引起，然后產(chǎn)生的空間變形。當(dāng)載荷釋放，彈性恢復(fù)就會(huì)出現(xiàn)，彈性回跳就會(huì)發(fā)生。 沒有理論模型可以用來精確的預(yù)示彈性回跳。一般縮減比，材料的應(yīng)變硬化指數(shù)，滾珠的幾何參數(shù)，進(jìn)給等。在實(shí)際操作中，試驗(yàn)獲得的有價(jià)值彈 性回跳數(shù)值被反饋到 來及時(shí)修改每一道次的滾珠參數(shù)，例如： 第一道次： (X) = ( 縮減比 ) –回彈值 第二道次： (Y) =(縮減比 ) –回彈值 第三道次： (Z) = (縮減比 ) –回彈值 其中 X, Y, 和 當(dāng)前試驗(yàn)研究中觀察到當(dāng)縮減比達(dá)到 60，回彈值在 13 表面光潔度 旋壓成型管的表面光潔度和滾珠的進(jìn)給和直徑緊密相關(guān)。標(biāo)識(shí)在共建上的高度和進(jìn)給可表示為： 其中 實(shí)驗(yàn)顯示降低進(jìn)給率或增加滾珠半徑 可以形成光滑的表面。 相同的滾珠半徑條件下，進(jìn)給率越大，表面粗糙度越高。 如下圖 試驗(yàn)中試樣的表面粗糙度 徑，進(jìn)給率如下表： 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) o mm/ μm) 1 100 2 50 4 缺陷檢 測(cè)的趨勢(shì) 旋壓管生產(chǎn)過程中缺陷的實(shí)時(shí)檢測(cè)是很重要的，因?yàn)槿毕輹?huì)在生產(chǎn)中慢慢積累和發(fā)展。在大多數(shù)情況下，成型過程中缺陷的增長(zhǎng)會(huì)減少產(chǎn)量。越早開始檢測(cè)，所花的費(fèi)用會(huì)越少。引進(jìn)缺陷實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng) 對(duì)于多年來為了消除缺陷而做的反復(fù)試驗(yàn)來說，將是很受歡迎的。 et [12] 已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種由力學(xué)傳感器、信號(hào)放大器、 壓力傳感器產(chǎn)生滾珠 X/Y/進(jìn)給率直接從 信號(hào)在很大程度上被放大，然后轉(zhuǎn)換到 后輸入數(shù)據(jù)，電腦用文本和圖像的形式處理數(shù)據(jù)。電腦每 50微秒記錄一個(gè)數(shù)據(jù)。核心程序執(zhí)行計(jì)算，并顯示反映實(shí)時(shí)模型中軋制力、機(jī)械力，工作速度變化的曲線，并反映在一張表上。這個(gè)系統(tǒng)原則上是用來 描述工作面上 微裂紋， 破損和表面變形。 有可能研究出一種系統(tǒng)能夠分析手機(jī)到的數(shù)據(jù)，識(shí)別出缺陷，然后提供及時(shí)有效的解決方法。通過用戶的指示，電腦能夠向 ，并避免下一組件缺陷的出現(xiàn)。 15 結(jié)論 130鋼被用來制造具有精密公差和優(yōu)良表面的高強(qiáng)度薄壁旋壓管。大量的失效模式說明材料應(yīng)具有相同的顯微結(jié)構(gòu)，高的表面清潔度，和非常好的可成型性，以滿足旋壓冷加工的要求。初始硬度為 220— 245粒度為 6— 8的回火馬氏體顯微結(jié)構(gòu)是旋壓成型的理想材料。機(jī)械因素，例如進(jìn)給率、軸向速度以及滾珠幾何參數(shù)在 生產(chǎn)高精密產(chǎn)品中 扮演者一個(gè)非常重要的角色 。最小厚度縮減比和需要的道次分別為 45%和三道次?；诎镌谛龎哼^程中的破壞作用，建議采用電渣法冶煉的等級(jí)鋼。這 些實(shí)驗(yàn)觀察得到的結(jié)論與已出版的關(guān)于旋壓成型的描述是一致的 [3,12]。