多臺階薄壁鋁合金筒形件旋壓成形研究

文／李增輝，趙琳瑜，楊延濤·西安航天動力機械廠

多臺階薄壁鋁合金筒形件旋壓成形研究

文／李增輝，趙琳瑜，楊延濤·西安航天動力機械廠

通過制定合理的毛坯預熱溫度，設計專用工裝，采用貼模旋壓成形方法，并充分發(fā)揮旋壓機反旋跟蹤功能，解決了多臺階薄壁鋁合金筒體旋壓成形易開裂、外臺環(huán)間距控制困難以及產(chǎn)品易變形等問題。

產(chǎn)品工藝性分析

多臺階薄壁鋁合金筒形件材料為5A06，尺寸要求如圖1所示。經(jīng)分析認為，該產(chǎn)品旋壓成形精度控制的工藝難點及相應的措施主要有以下幾個方面：

旋壓加工前工件預熱溫度的控制

圖1 多臺階薄壁鋁合金筒形件

鋁合金擠壓變形流動性差，在冷狀態(tài)下的旋壓過程中，材料易出現(xiàn)“表面起皮”缺陷，為了避免這類缺陷的產(chǎn)生，鋁合金旋壓通常需要在旋前進行預熱處理，而預熱溫度主要是依據(jù)材料的強度和塑性而定；另外，由于鋁合金強度低，故預熱溫度偏低或偏高都會導致材料塑性變差從而容易出現(xiàn)裂紋。該材料的預熱溫度定在220～280℃，并保溫40min后出爐裝料，開始旋壓。

旋壓方式的確定

鋁合金在加工過程中及卸料后極易出現(xiàn)變形，尤其是加熱旋壓更容易出現(xiàn)熱態(tài)測量與冷態(tài)測量結(jié)果不一致的問題，加工難度很大。經(jīng)過分析認為采用“貼模反旋”工藝有利于保證該圓筒件的尺寸精度，因為只有真正實現(xiàn)“貼?！?，才能保證0.25mm的圓柱度要求。通常情況下“反旋”有利于保持圓筒直徑尺寸的一致性，而“正旋”則易產(chǎn)生一端直徑大、一端直徑小的“喇叭口”現(xiàn)象。

多臺階間距的精確控制

反旋過程中環(huán)帶間距的控制，是依據(jù)金屬塑性變形體積不變原則，對旋壓前后工件壁厚、長度的理論計算來確定的。這種方法常由于旋壓后工件實際壁厚偏離理論預定值而使得環(huán)帶間距產(chǎn)生較大誤差。在該件產(chǎn)品的旋壓加工過程中，使用旋壓機的Q軸反旋長度跟蹤測量閉環(huán)控制系統(tǒng)。在工件反旋過程中，Q軸將實時檢測出工件的長度，并適時將長度信號傳送至主控制程序來控制旋輪的運行軌跡，以實現(xiàn)多環(huán)帶間距的精確控制。其原理圖如圖2所示，首先將多臺階筒形件各臺階的相對位置輸入操作系統(tǒng)，再通過Q軸實時監(jiān)測工件已旋壓部分的長度，并及時與已輸入的各臺階間的相對位置進行比對處理，并發(fā)出相應的指令以控制旋輪上下臺階的運行軌跡，最終達到成形多臺階以及準確控制各臺階間距的目的。

圖2 Q軸反旋長度跟蹤測量閉環(huán)控制原理圖

厚壁導向環(huán)的旋壓成形

該部位外徑為φ266mm，壁厚為6mm，而φ260薄壁圓筒段壁厚僅為3mm，為了使φ266導向環(huán)部位在終旋道次仍有一定的壓下量，終旋前工件壁厚應控制在7mm以上，因此終旋道次的單道次壓下量將達到4mm以上，道次減薄率近60％，這已接近了5A06鋁合金的極限旋壓減薄率，因而旋壓道次間的退火及終旋前的預熱溫度控制就顯得尤為重要。

圖3 旋壓毛坯

制定旋壓工藝方案

旋壓毛坯的設計

旋壓毛坯的設計主要是依據(jù)金屬塑性變形體積不變原則加以計算確定。鑒于鋁合金材料雖然塑性較好，但其強度較鋼而言明顯偏低，因而在旋壓過程中，旋壓變形力過大時極易出現(xiàn)裂紋，所以毛坯壁厚不宜過大；另外，如果毛坯壁厚較大，必然會增加旋壓道次，而道次的增加尤其是加熱旋壓道次的增加，會對工件的尺寸精度控制帶來諸多不利影響，因此毛坯壁厚設計為10mm，兩道次旋壓成形，其尺寸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

工裝設計

該產(chǎn)品的旋壓工裝主要是旋壓芯模和旋輪。由于鋁合金強度較鋼而言很低，因此旋壓芯模和旋輪的硬度與強度要求并不高，材料均為30CrMnSiA，調(diào)質(zhì)處理即可，硬度為33～38HRC?？紤]到鋁合金在旋壓過程中金屬流動性較差，為防止旋壓過程中出現(xiàn)金屬“材料堆積”現(xiàn)象，旋輪的前角要小于20°。另外，由于該圓筒件終旋道次采用“貼模旋壓”，因此確定旋壓芯模外徑尺寸為φmm。

制定工藝參數(shù)

旋壓工藝參數(shù)主要包括旋輪間隙、主軸轉(zhuǎn)速、旋輪進給比、旋壓道次減薄率、旋輪幾何參數(shù)等，這些參數(shù)并不是孤立的，而是相互關聯(lián)的，只有制定出各個工藝參數(shù)優(yōu)化的匹配關系才能加工出優(yōu)質(zhì)的旋壓產(chǎn)品，而旋壓工藝參數(shù)的制定主要是依據(jù)實踐工作經(jīng)驗和工藝實踐驗證來最終確定的。基于旋壓實踐加工經(jīng)驗確定了如表1所示的工藝參數(shù)。

表1 各道次旋壓工藝參數(shù)

實施效果

在此項研究過程中，共計旋壓加工了4件5A06鋁合金多臺階筒形件產(chǎn)品，其幾何尺寸實測如表2所示。其中1號筒形件由于終旋道次前預熱溫度過高，工件套裝在旋壓芯模上后便立即開始旋壓加工，由于芯模未預熱，造成工件內(nèi)外壁溫差大，出現(xiàn)旋壓開裂現(xiàn)象。在此后3件工件的旋壓過程中，為減小工件內(nèi)外壁溫差，先將預熱后的工件套裝在旋壓芯模上停滯一段時間，待工件內(nèi)外壁溫度基本一致后再開始旋壓，有效地避免了旋壓開裂現(xiàn)象的再次出現(xiàn)。

表2 旋壓產(chǎn)品尺寸檢測結(jié)果 （單位：mm）

2號筒形件的外徑尺寸普遍偏大，經(jīng)分析認為，這是由于工件套裝在旋壓芯模上后停放時間過長，工件溫度過低，在旋壓過程中不易“貼?！?，筒體產(chǎn)生較為嚴重的“擴徑”現(xiàn)象所致。而3、4號筒形件產(chǎn)品直徑質(zhì)量較好，這主要是因為工件在終旋道次過程中完全“貼?！?，其幾何尺寸完全由旋壓芯模精度保證，因而尺寸精度較好。

結(jié)束語

通過對5A06鋁合金多臺階筒形件的旋壓成形工藝研究，可以得出以下幾點結(jié)論：

⑴對于5A06鋁合金而言，起旋道次前的始旋溫度不宜過高也不宜過低，以80～150℃較為理想。

⑵對于軟質(zhì)材料的旋壓成形，選擇較小的旋輪工作前角有利于金屬流動，從而可避免材料堆積起皮缺陷的產(chǎn)生。

⑶對于終旋道次來說，60％～80％的貼模率有利于提高對筒形件形狀精度的控制。

李增輝，高級工程師，旋壓中心副主任，主要從事固體火箭發(fā)動機金屬殼體薄壁件旋壓成形，先后獲陜西省國防科技進步一等獎1項、二等獎2項。