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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，根據以往的實驗數據，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壁摩擦力以外，要保證厚壁圓筒內壁表面變形的一致性，簡化厚壁圓筒內壁后續處理的難度。沖頭圓柱部長度h=6mm時，能夠使得沖頭與厚壁圓筒內壁摩擦力保持在較低水平，也能夠保證厚壁圓筒內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，再經過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，引導部的參數應該和沖頭前錐角的參數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表面不產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，沿軸線方向對稱的粘貼了兩片應變片，同時采集兩片應變片的輸出結果。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據，然后進行再屈服實驗。厚壁圓筒機械自緊后，要進行穩定化處理(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。

實驗結果和擬合公式

沖頭推力實驗結果和經驗公式沖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沖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定的狀態，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，直到擠擴過程結束。第2階段是沖頭的工作階段，也是推力穩定的階段，取第2階段推力的平均值作為推力的大小。

外表面應變實驗結果監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據可知，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定化處理再進行機械加工成為成品，低溫穩定化會降低鮑辛格效應系數［5］，影響反向屈服區的殘余應力水平。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定化處理再進行內膛的鏜削后，進行再屈服實驗得到的結果，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構確定后，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鍵曲線，對應變電橋實施溫度補償，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，厚壁圓筒內表面附近存在反向屈服區，半精加工毛坯到成品管的加工一般以內表面鏜削為主，輔之以外表面車削。穩定化處理對鮑辛格效應的改善有一定貢獻［5］。因此，根據本文的實驗流程，本文中加工影響的實驗結果是穩定化處理和加工后殘余應力重新分布的綜合結果。

結束語

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構確定后以及有潤滑的條件下，沖頭推力與過盈量成正比。給出的推力計算經驗公式，形式簡便，能控制計算誤差范圍在±10%以內，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，可以監測機械自緊的全過程，檢驗機械自緊的實際效果，實驗結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，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