中國(guó)旋壓成形技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

文／李繼貞，劉德貴，王健飛·北京航空制造工程研究所

中國(guó)旋壓成形技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

文／李繼貞，劉德貴，王健飛·北京航空制造工程研究所

旋壓成形技術(shù)的應(yīng)用

普通旋壓技術(shù)為民用技術(shù)，多年來(lái)發(fā)展緩慢，就這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)國(guó)際國(guó)內(nèi)的情況一致。應(yīng)用最多、最廣的強(qiáng)力旋壓技術(shù)近幾年在我國(guó)得到了深化。強(qiáng)力旋壓作為近代塑性加工中的一種新工藝，在生產(chǎn)薄壁、高精度回轉(zhuǎn)體零件方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

⑴強(qiáng)力旋壓后材料的強(qiáng)度和硬度比母材提高了約15％～25％，因此強(qiáng)力旋壓能有效地減小零件的設(shè)計(jì)壁厚、減輕重量，抗疲勞性能也能得到顯著地提高。

⑵強(qiáng)力旋壓屬于整體成形技術(shù)，成形的零件沒(méi)有母線焊縫，因此零件整體性能得到了提高，尤其是疲勞壽命能夠顯著提高。

⑶強(qiáng)力旋壓的無(wú)切削加工和簡(jiǎn)易的成形模具降低了生產(chǎn)制造成本。

⑷由于減薄率較大，因此強(qiáng)力旋壓能有效地檢驗(yàn)?zāi)覆闹械囊苯鹑毕荩@些缺陷用超聲波等其他無(wú)損檢測(cè)的方法檢測(cè)，效果非常不明顯甚至根本無(wú)法進(jìn)行。

⑸強(qiáng)力旋壓零件的尺寸公差和形位公差較小。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，特別是強(qiáng)力旋壓后零件的強(qiáng)度、硬度和抗疲勞性能等能夠得到顯著地提高，故近幾年強(qiáng)力旋壓技術(shù)在航空航天工業(yè)的零部件制造中得到了廣泛的應(yīng)用。

鈦合金的強(qiáng)力旋壓成形

隨著航空航天事業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)鈦合金、高溫合金等難變形材料強(qiáng)力旋壓的需求逐漸增多。鈦合金常溫塑性較差、變形抗力很大，在室溫條件下進(jìn)行強(qiáng)旋加工較為困難，國(guó)內(nèi)曾對(duì)TC4、Ti-15-3等材料進(jìn)行過(guò)冷強(qiáng)旋試驗(yàn)研究，但由于TC4室溫下的低塑性及各工藝參數(shù)的綜合影響，試驗(yàn)件均存在開(kāi)裂或其他嚴(yán)重缺陷。強(qiáng)力旋壓成形工藝可以使鈦合金組織細(xì)化均勻，綜合機(jī)械性能更穩(wěn)定，又可達(dá)到無(wú)母線焊縫的技術(shù)要求，現(xiàn)在采用鈦合金的薄壁回轉(zhuǎn)體零件越來(lái)越多。北京航空制造工程研究所對(duì)鈦合金強(qiáng)力旋壓進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，采用熱旋壓加工工藝，克服了鈦合金常溫下變形抗力巨大、零件回彈嚴(yán)重、材料加工硬化嚴(yán)重且很難消除等問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了鈦合金薄壁回轉(zhuǎn)體零件的中小批量穩(wěn)定生產(chǎn)。

某飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和某型號(hào)導(dǎo)彈中有很多鈦合金筒形、錐形件及其他異形件，以往都是用卷筒焊接的方法成形。如某導(dǎo)彈部件就是用厚度為1.2mm的TC1板材卷焊成形的，如果用TC4代替TC1，可使工件獲得更好的強(qiáng)度和耐熱性能，同時(shí)因?yàn)閺?qiáng)度的增加可以使厚度減小，達(dá)到減重的目的；其次，用強(qiáng)旋工藝代替卷焊成形難變形的TC4，避免了母線焊縫帶來(lái)的缺陷，也使材料晶粒細(xì)化、強(qiáng)度提高，從而可以進(jìn)一步達(dá)到減小壁厚、減輕重量的目的。目前，在一些導(dǎo)彈中，為了降低彈體的重量和滿足超音速飛行對(duì)彈體耐熱性的要求，已經(jīng)開(kāi)始考慮用鈦合金的旋壓件來(lái)取代原來(lái)的鋁合金及高強(qiáng)度鋼旋壓件。鈦合金強(qiáng)力旋壓時(shí)需注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

⑴毛坯的制備。

根據(jù)機(jī)加、熱拉深、鍛造、環(huán)軋、超塑成形或旋壓預(yù)制坯等制坯工藝的特點(diǎn)，針對(duì)具體的材料，選擇最佳的毛坯制備技術(shù)，盡量節(jié)省材料、縮短工藝流程、降低制坯成本，達(dá)到要求的組織狀態(tài)。

⑵工藝參數(shù)的選取。

合理匹配及優(yōu)化坯料壁厚、減薄率、進(jìn)給比、旋輪工作角、旋輪圓角半徑、主軸轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)，可獲得高質(zhì)量的工件，實(shí)現(xiàn)尺寸精度和表面質(zhì)量及內(nèi)部組織性能的最佳控制；選擇合理的旋輪軌跡，可減少旋壓道次，減輕旋壓過(guò)程中壁厚的變薄和材料的硬化；選擇合適的潤(rùn)滑劑和表面保護(hù)涂料，一方面可減小摩擦、避免粘連，另一方面也可最大限度地減少毛坯表面氧化和吸氫。

⑶加熱方式的選擇和加熱過(guò)程中溫度的測(cè)量。

由于鈦合金材料本身的特點(diǎn)，其旋壓成形、沖壓成形必須在熱狀態(tài)下進(jìn)行。根據(jù)旋壓的工藝特點(diǎn)，其加熱方式有以下兩種：

①火焰加熱，如圖1所示?；鹧婕訜崂醚?乙炔或者氫-氧作為氣源，在模具及毛坯高速旋轉(zhuǎn)下進(jìn)行。該加熱方式的優(yōu)點(diǎn)是操作靈活方便，加熱成本低；缺點(diǎn)是加熱溫度均勻性較差，由于熱量不斷地向模具及旋壓機(jī)床相關(guān)部件傳導(dǎo)，故加熱時(shí)間較長(zhǎng)。

圖1 火焰加熱

②感應(yīng)加熱，如圖2所示。感應(yīng)加熱的優(yōu)點(diǎn)是加熱速度快，加熱溫度均勻；缺點(diǎn)是受零件和毛坯外形的限制，除筒形件流動(dòng)旋壓以外，感應(yīng)器的形狀很難統(tǒng)一，而且在利用板料毛坯進(jìn)行普通或者強(qiáng)力旋壓時(shí)，感應(yīng)器還要隨毛坯的變化而隨動(dòng)，結(jié)構(gòu)及控制復(fù)雜，造價(jià)較高。

圖2 感應(yīng)加熱

為了保證加熱的均勻性，在鈦合金熱旋壓加熱過(guò)程中應(yīng)實(shí)時(shí)測(cè)溫，在利用板材毛坯旋壓時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)選擇在毛坯靠近模具處、中間和口部，在溫度接近或者達(dá)到旋壓溫度時(shí)，應(yīng)增加測(cè)溫的頻率，以實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。測(cè)溫方式有紅外測(cè)溫和激光測(cè)溫兩種，從測(cè)溫的準(zhǔn)確性來(lái)說(shuō)，一般采用激光測(cè)溫，如圖3所示。

圖3 激光測(cè)溫

⑷不同旋壓方式及退火溫度對(duì)材料旋壓成形性能的影響。

不同旋壓方式（正旋、反旋、錯(cuò)距旋壓）和旋壓溫度（熱旋、溫旋、冷旋）對(duì)材料可旋性的影響很大。不同的退火溫度影響旋后材料的組織結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能，應(yīng)根據(jù)具體的材料確定最佳退火規(guī)范。

⑸溫度梯度和溫度場(chǎng)對(duì)成形后零件幾何精度的影響。

選擇合理的旋壓溫度、加熱方式、保溫技術(shù)以及溫度均勻性控制措施，可使旋后零件的各種技術(shù)指標(biāo)在規(guī)定的范圍之內(nèi)。

⑹旋壓成形后材料的性能。

對(duì)不同成形參數(shù)及熱處理?xiàng)l件的旋后材料機(jī)械性能σb、σ0.2、δ及組織進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，可使工藝方案更趨合理化。

通過(guò)對(duì)強(qiáng)旋變形的理論分析，建立合理的有限元模型，進(jìn)行強(qiáng)旋變形過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬，研究各工藝參數(shù)對(duì)強(qiáng)旋變形的影響規(guī)律，對(duì)可能出現(xiàn)的成形缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

鈦合金的活性隨溫度的升高而增強(qiáng)。雖然在常溫下很穩(wěn)定，但在500～560℃時(shí)存在吸氫和表面氧化等問(wèn)題，隨著溫度的升高，氧化膜失去保護(hù)作用；常溫下，鈦合金的吸氫量很小，在250℃以上吸氫速度加快，500～600℃時(shí)達(dá)到最大值。鈦合金對(duì)氣體的吸附增加了雜質(zhì)含量，而且分布不均，大大降低了材料的塑性，尤其是過(guò)多的吸氫導(dǎo)致氫脆，致使旋壓件開(kāi)裂。

鈦合金熱旋時(shí)，如用火焰加熱，表面氧化嚴(yán)重，保護(hù)困難。另外，加熱時(shí)，火焰和坯料之間的相對(duì)位置難以精確控制，氧和乙炔的氣體壓力、流量也時(shí)常波動(dòng)，所以溫度的變化直接影響旋壓零件的尺寸精度。雖然室溫強(qiáng)力旋壓可避免上述問(wèn)題，但是完全采用室溫旋壓可能遇到以下問(wèn)題：初始道次旋壓時(shí)，毛坯較厚，旋壓力較大，對(duì)設(shè)備噸位的要求很大；常溫下毛坯材料的冷作硬化嚴(yán)重，很可能帶來(lái)毛坯再次旋壓時(shí)的開(kāi)裂。另外，鈦合金的初始毛坯很難采用變形的方法細(xì)化組織，這直接影響材料的可旋性。

高溫合金的強(qiáng)力旋壓成形

高溫合金大都是固溶強(qiáng)化鎳基抗氧化合金，在900℃以下具有高的塑性和中等的熱強(qiáng)性，適宜制造在900℃以下長(zhǎng)期工作的發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室和加力燃燒室零部件以及導(dǎo)向葉片等。但該材料常溫下的變形抗力較大，零件回彈嚴(yán)重，為此，在強(qiáng)力旋壓時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：⑴根據(jù)高溫合金的組織性能特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)坯料進(jìn)行恰當(dāng)?shù)耐嘶鸸ば蚩傻玫竭m合旋壓的毛坯。⑵結(jié)合工藝試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)及理論分析，優(yōu)化旋壓工藝流程和工藝參數(shù)。⑶分析成品件的組織性能，總結(jié)高溫合金的旋壓成形工藝參數(shù)與成品零件的幾何形狀和組織性能之間的規(guī)律。⑷將溫旋壓、熱旋壓和熱處理相結(jié)合，探索高溫合金薄壁回轉(zhuǎn)體零件強(qiáng)力旋壓成形特性。

鎂合金的旋壓成形

鎂合金的晶體結(jié)構(gòu)是密排六方結(jié)構(gòu)，滑移面少，室溫下塑性成形困難，目前鎂合金的成形以鑄造為主，尤其是壓鑄，成形零件的形狀簡(jiǎn)單、尺寸精度低。但鎂合金在再結(jié)晶溫度以上塑性成形性能顯著提高，所以國(guó)內(nèi)外一般將鎂合金加熱到一定溫度范圍再進(jìn)行旋壓成形。北京航空制造工程研究所對(duì)鎂合金的旋壓成形進(jìn)行了初步探索，并取得了以下初步成果：⑴摸索出了鎂合金旋壓成形最佳的預(yù)熱溫度。⑵對(duì)不同溫度下鎂合金的減薄率、旋輪進(jìn)給速度、旋壓機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行了系統(tǒng)研究。⑶總結(jié)出了不同成形溫度對(duì)鎂合金機(jī)械性能的影響規(guī)律。⑷探索了不同溫度、不同成形工藝參數(shù)對(duì)鎂合金顯微組織的影響。

在以上探索的基礎(chǔ)上，北京航空制造工程研究所用板材毛坯成功旋壓成形出直徑200mm、高150mm的錐形件，如圖4所示。

圖4 北京航空制造工程研究所旋壓出的錐形件

旋壓設(shè)備的發(fā)展

我國(guó)的旋壓工藝與設(shè)備的研究起源于20世紀(jì)60年代初期，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，基本形成了從設(shè)備的研制到工藝開(kāi)發(fā)一整套成熟的體系。80年代初～90年代末，鑒于當(dāng)時(shí)的國(guó)際國(guó)內(nèi)大環(huán)境，我國(guó)的旋壓技術(shù)經(jīng)歷了相對(duì)較慢的發(fā)展過(guò)程。90年代末至今，隨著軍工事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)的旋壓技術(shù)在近十年內(nèi)經(jīng)歷了一個(gè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展階段，無(wú)論旋壓設(shè)備還是旋壓工藝都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家的差距明顯減小。長(zhǎng)期以來(lái)，旋壓技術(shù)為我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)尤其是軍工事業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)?？梢哉f(shuō)，在這不到十年的時(shí)間里，我國(guó)的旋壓設(shè)備完成了由液壓仿形到全數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變。60年代中期～90年代中期，我國(guó)設(shè)計(jì)制造的旋壓機(jī)床都是液壓仿形，控制精度較低，所采用的電器、液壓控制元件性能差，機(jī)床的整體性能及可靠性低。對(duì)于一些形狀復(fù)雜、加工工序道次多、走刀軌跡復(fù)雜的零件，液壓仿形旋壓機(jī)床暴露出了加工效率低和其他一些功能上的缺陷。不過(guò)這類機(jī)床最大的特點(diǎn)就是經(jīng)久耐用、抗沖擊振動(dòng)、抗負(fù)荷過(guò)載能力強(qiáng)，能夠適用各種惡劣的工況，經(jīng)過(guò)不斷地維修整改，這些機(jī)床現(xiàn)在仍有不少在承擔(dān)著大量的科研生產(chǎn)任務(wù)，近40年來(lái)還是為我國(guó)的航空航天事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。

90年代末期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及各種進(jìn)口元器件的大量采用，我國(guó)的旋壓設(shè)備生產(chǎn)廠商在綜合吸收了已經(jīng)研制開(kāi)發(fā)出的旋壓設(shè)備的精華的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造出了集國(guó)際上最先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)械及各種元器件于一身的且完全代表了國(guó)際先進(jìn)水平的旋壓設(shè)備。這些設(shè)備的特點(diǎn)表現(xiàn)在如下幾方面：

⑴數(shù)控系統(tǒng)。廣泛采用國(guó)際上最先進(jìn)、最流行的數(shù)控系統(tǒng)如西門子840D，控制軸數(shù)多，控制精度高，性能穩(wěn)定可靠。

⑵液壓系統(tǒng)。采用伺服閥或比例伺服閥，頻響高，全閉環(huán)控制。尤其是比例伺服閥，綜合了比例閥和伺服閥的優(yōu)點(diǎn)，成為數(shù)控旋壓機(jī)床電-液轉(zhuǎn)換的最理想的控制元件。

⑶主軸系統(tǒng)。采用交流變頻或直流調(diào)速，變頻器采用進(jìn)口，能夠做到恒線速度。

⑷傳動(dòng)部件。采用進(jìn)口主軸軸承，進(jìn)口滾動(dòng)導(dǎo)軌等旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)部件，提高了整個(gè)設(shè)備的精度和可靠性。

⑸位移控制。光柵尺、位移傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器等多種位移、位置反饋元件也采用進(jìn)口元件。

由于采用了國(guó)際上最先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)及控制元件，結(jié)合自身的機(jī)械加工優(yōu)勢(shì)，國(guó)產(chǎn)旋壓機(jī)床的整體水平已經(jīng)達(dá)到國(guó)際21世紀(jì)初期的水平。國(guó)產(chǎn)旋壓機(jī)床的這種制造模式與國(guó)際上其他旋壓機(jī)生產(chǎn)廠商是一致的，并且和進(jìn)口旋壓設(shè)備相比國(guó)產(chǎn)旋壓機(jī)床具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)、維修及售后服務(wù)優(yōu)勢(shì)、工藝服務(wù)優(yōu)勢(shì)。

90年代末至今，我國(guó)共設(shè)計(jì)制造各類數(shù)控旋壓機(jī)床300余臺(tái)（圖5），其中包括單旋輪普通旋壓機(jī)床，雙旋輪普通/強(qiáng)力旋壓機(jī)床，三旋輪強(qiáng)力旋壓機(jī)床；各類專用旋壓機(jī)床，如立式皮帶輪旋壓機(jī)床，鋁合金氣瓶、鋼質(zhì)氣瓶收口專用旋壓機(jī)床，封頭成形旋壓機(jī)床，風(fēng)機(jī)零件成形、翻邊專用旋壓機(jī)床，內(nèi)旋壓專用旋壓機(jī)床，滾珠旋壓機(jī)床。機(jī)床的加工范圍從直徑φ50mm～φ2500mm，可成形零件高度最大達(dá)3000mm；就旋壓機(jī)床最重要的參數(shù)徑向旋壓力來(lái)講，單個(gè)旋輪的最大推力已經(jīng)達(dá)到600kN。目前，亞洲最大的立式三旋輪旋壓機(jī)床——單個(gè)旋輪最大徑向推力1000kN、可成形零件直徑φ2600mm、高度4000mm的標(biāo)志性設(shè)備正在設(shè)計(jì)制造中。

圖5 國(guó)產(chǎn)部分旋壓機(jī)床

中國(guó)旋壓成形技術(shù)發(fā)展過(guò)程中存在的問(wèn)題

就旋壓技術(shù)來(lái)講，我國(guó)的工藝水平與西方發(fā)達(dá)國(guó)家差距不大。筒形件、異形件、各種帶內(nèi)外筋零件無(wú)論是旋壓零件精度還是尺寸規(guī)格都沒(méi)有明顯的差距。在設(shè)備方面，采用的元件水平與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相當(dāng)，例如電氣控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)采用的都是與國(guó)外設(shè)備相同的產(chǎn)品。主要差距表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是設(shè)備系列化，二是設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)，三是專機(jī)的自動(dòng)化程度和機(jī)床的多功位、自動(dòng)換刀等，以上都需要一段的研制周期才可以得到提高和完善。目前，對(duì)功能單一的三旋輪強(qiáng)力旋壓機(jī)床來(lái)說(shuō)不存在這些問(wèn)題，但對(duì)一些專用機(jī)床如皮帶輪成形專用機(jī)床來(lái)說(shuō)，國(guó)產(chǎn)設(shè)備與國(guó)外的先進(jìn)設(shè)備相比還是具有一定的差距。

從80年代中期至今，國(guó)內(nèi)引進(jìn)了各種旋壓設(shè)備數(shù)十臺(tái)，應(yīng)該看到，由于缺少長(zhǎng)遠(yuǎn)觀念、系統(tǒng)規(guī)劃、詳細(xì)論證，某些價(jià)格昂貴的引進(jìn)設(shè)備的利用率并不高，個(gè)別引進(jìn)設(shè)備的技術(shù)水平也參差不一，有的甚至存在嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。這種重復(fù)引進(jìn)的勢(shì)頭目前尚沒(méi)有得到有效地遏制。就功能相對(duì)單一、旋壓工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的三旋輪強(qiáng)力旋壓機(jī)床來(lái)說(shuō)，國(guó)產(chǎn)設(shè)備與國(guó)外的幾乎沒(méi)有差距，但進(jìn)口設(shè)備的價(jià)格是同類國(guó)產(chǎn)設(shè)備價(jià)格的2～4倍。90年代中期以前進(jìn)口的旋壓設(shè)備經(jīng)過(guò)十幾年的使用有的已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)這些設(shè)備的改造也已經(jīng)提到日程上來(lái)了，找國(guó)外原生產(chǎn)廠商大修，由于價(jià)格、運(yùn)輸?shù)仍蚋静豢赡?，?guó)內(nèi)相關(guān)單位通過(guò)對(duì)這些設(shè)備的改造，正在不斷吸收國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，相信我國(guó)旋壓設(shè)備的水平很快就會(huì)趕上或超過(guò)西方發(fā)達(dá)國(guó)家。

結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)旋壓技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的不斷拓展，促進(jìn)了旋壓技術(shù)的工藝深化，給專用旋壓設(shè)備的研制提供了契機(jī)。旋壓產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)對(duì)旋壓機(jī)床的精度、功能性、可靠性及自動(dòng)化程度提出了更高的要求；與此同時(shí)，專用旋壓設(shè)備的研制又推動(dòng)了旋壓產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，促進(jìn)了我國(guó)旋壓整體技術(shù)水平的提高。

隨著中國(guó)航空航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，所采用的高溫高強(qiáng)材料也越來(lái)越多，對(duì)于薄壁、輕質(zhì)且要求具備高強(qiáng)度、高精度、良好的抗疲勞性能的回轉(zhuǎn)體零部件來(lái)說(shuō)，旋壓成形有著其他工藝方法所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。