D406A超高強度鋼變壁厚薄壁圓筒旋壓工藝

D406A超高強度鋼變壁厚薄壁圓筒旋壓工藝

文/龔軍善，牟少正，韓冬·航天科技集團公司四院七四一四廠

旋壓成形是一種特殊的近凈塑性成形方法，具有工裝簡單、成形力小、成形壁厚薄和精度高等優(yōu)點，近年來在航天、兵器和民用產品中得到了飛速發(fā)展和應用。本文論述了D406A超高強度鋼變壁厚薄壁圓筒旋壓特點，優(yōu)化處理了旋壓工藝方案和工藝參數，有效提高了中直徑薄壁旋壓圓筒的壁厚尺寸精度，解決了超高強鋼圓筒旋壓中出現的圓度、母線直線度超差等問題。

某薄壁圓筒材質選用超高強度鋼D406A，圓筒屬于薄壁且壁厚公差帶小、直徑、圓度和直線度要求高，旋壓成形難度較大，產品尺寸要求如圖1所示，可以看出變壁厚薄壁圓筒成形的難度主要有以下幾個方面：在大減薄率條件下保證旋壓圓筒壁厚高精度要求；薄壁圓筒因旋壓參數不合理產生的塑性變形不均勻，導致圓筒圓度和母線直線度的超差；變壁厚外環(huán)臺階由于厚度梯度產生旋壓成形減薄率變化，容易在臺階位置產生內表面凹陷，影響圓筒質量。

圖1旋壓圓筒尺寸精度

旋壓工藝設計

工藝性分析

D406A超高強度鋼是一種低合金強度鋼，球化退火后可以實現75％的道次減薄率，具有良好的旋壓成形性能。圓筒為變壁厚直筒件，壁厚分布為薄壁區(qū)和加強環(huán)區(qū)，為保證2.5mm加強環(huán)的成形精度，必須有一定的道次減薄率。

根據旋壓圓筒壁厚和長度、工件長度和金屬塑性變形體積不變原理以及盡量減少旋壓道次，確定旋壓毛坯壁厚為11mm，則旋壓成形總減薄率為83.18％，需要采用多道次旋壓，并合理安排中間去應力退火工序。

如圖1所示，可知變壁厚圓筒的壁厚精度和形位精度要求很高。進給比是影響圓筒直徑、壁厚和母線直線度精度的重要參數，大的進給比會使旋壓力升高，但有利于收徑使工件貼模，以提高母線直線度；而小的進給比可獲得較好的表面質量但容易擴徑。旋輪與芯模的間隙直接影響壁厚，它根據道次減薄率和回彈量而確定，回彈量的大小又受到道次減薄率、進給比以及旋輪幾何參數的影響。

設備選擇

經計算單輪徑向旋壓力為12t，選擇HO-018/30t旋壓機即可滿足圓筒旋壓力的需要。機床性能參數：最大坯料直徑500mm，最小旋壓工件直徑40mm，旋壓工件最大長度4000mm，旋輪縱向推力30t，單旋輪橫向推力30t，尾頂力25t。

旋壓芯模

旋壓芯模材料選用冷作模具鋼70Cr3NiMo，熱處理硬度要求達到55～60HRC，芯模表面粗糙度要求達到Ra0.4μm。

旋輪

旋輪要求有很高的硬度和表面質量，因此選用冷作模具鋼9SiCr制作，熱處理表面硬度要求達到58～63HRC，成形面粗糙度Ra0.4μm，旋輪直徑φ326mm，成形圓角半徑為R6mm，旋壓攻角25°。

工藝方案實施過程

初步旋壓試驗方案及實施

初步擬訂產品工藝路線為：坯料準備→第1、 2道次錯距旋壓→中間退火→第3、4道次旋壓→超聲波檢測→機加工，工藝參數見表1。需要注意的是，旋輪是旋壓加工的主要工具，其中R6mm是旋輪圓角，25°為旋輪前角（圖2），這兩者及旋輪半徑決定著變形區(qū)材料流動方向。

旋壓成形過程中，第1、2道次采用較大的壓下量，保證坯料有充足的變形量，實現大的減薄率；第3道次使用大的進給比收徑保證較好的貼模；第4道次選用合適的參數以滿足工件最終壁厚及形狀精度要求并能夠容易卸料。中間退火的目的是消除殘余應力。旋壓時選用三旋輪錯距旋壓，三旋輪錯距旋壓如圖3所示。

圖2 旋輪

■表1 初步工藝方案的旋壓工藝參數

旋壓方案實施結果討論：第二道次旋壓出現了扭紋，產生扭紋的原因是坯料旋壓過程中出現了轉動現象。后續(xù)道次旋壓時通過對卸料環(huán)修復后進行三道次旋壓，扭紋消失。在退火工序圓筒圓度發(fā)生了5mm以上變形，無法裝料進行下一道次的旋壓，進行熱校形處理后圓筒根部直徑變小，只能用內撐具進行冷脹徑處理來擴徑。在圓筒四道次旋壓完后進行檢測，壁厚和外徑基本滿足要求，直線度在0.6～1.4mm之間，圓度在1.0～2.5mm之間，圓筒臺階位置內表面凹陷嚴重。圓筒機加時出現卷邊現象，說明四道次完圓筒內應力仍很大。分析認為，采用反旋工藝，旋壓道次越多，圓筒擴徑、變形越嚴重，因此，應盡可能減少旋壓道次。

圖3圓筒錯距旋壓示意圖

改進旋壓工藝方案及實施

D406A鋼退火狀態(tài)屈強比為0.65、斷面收縮率為57％，該試驗圓筒最大旋壓減薄率達80％。由于初步方案試驗中產品擴徑、變形較為嚴重，為此改進工藝方案，使用三道次旋壓。1、2道次旋壓后退火處理，累積減薄率控制在60％以內；第3道次選用合適的參數以滿足工件要求并保證容易卸料，減薄率約為50％。為了減少受力不均，適當調整旋壓間隙和軸向錯距量。

擬訂產品工藝路線為：坯料準備→第1、2道次錯距旋壓→中間退火→第3道次旋壓→超聲波檢測→機加工。具體旋壓工藝參數見表2。

■表2 改進方案的旋壓工藝參數

一、二道次連續(xù)旋壓，壁厚在4.3mm左右，貼模良好。為了驗證圓筒內應力的大小和中間退火的影響，對退火前后圓筒的直線度和圓度進行了測量對比，結果表明：退火后的直線度由退火前的0.2mm變?yōu)?.5mm左右，圓度由0.2mm變?yōu)?.3mm。因此，必須采取有效措施降低圓筒旋壓后的內應力，減小旋壓圓筒內應力的最主要的措施是三個旋輪的旋壓力得到最大限度的平衡。三道次旋壓時機床工作表顯示A輪的壓力相對偏小，三道次旋壓時在旋輪距芯模根部150mm范圍內旋壓機發(fā)生振動，降低主軸轉速為290r/min時振動消失，但出現了圓筒嚴重劃傷。經檢測，壁厚為2.20～2.26mm，外徑φ（420.3～420.6）mm，直線度0.3mm，圓度1.05mm，圓筒帶臺階位置，內表面凹陷狀態(tài)改善明顯。分析認為，三道次旋壓很好地解決了圓筒擴徑的問題，但圓度仍然超差，工藝參數需要進一步調整。

■表3優(yōu)化工藝后旋壓工藝參數

■表4S5號件的檢測結果

優(yōu)化旋壓工藝路線并實施

經過改進后的旋壓工藝方案，旋壓圓筒精度已有大幅提高，但出現了旋壓共振、內表面劃傷和直徑超差問題。因此，從主軸轉速、旋輪減薄率、進給比和旋輪錯距量等幾個方面進行工藝優(yōu)化改進，并采用旋壓后頂緊尾頂的工藝措施降低共振。具體旋壓工藝參數見表3。

經過前兩道次旋壓，退火后的變形情況基本良好，經過第三道次旋壓后，圓筒的各項指標都滿足設計需求，圓度指標和臺階凹陷等質量問題基本解決，圓筒滿足使用要求。具體的旋壓尺寸數據如表4所示。

結束語

D406A超高強度鋼薄壁圓筒高精度旋壓工藝需要控制的因素很多，對于變壁厚圓筒旋壓除了這些因素，還要控制厚度梯度處的旋壓工藝參數，解決變形均勻性問題，通過三個階段工藝試驗，分析工藝參數和工藝手段對旋壓成形的影響，不斷改進工藝方案，旋壓質量進一步提高并達到穩(wěn)定狀態(tài)，主要得到以下三個結論：

⑴對D406A進行球化退火并在中間道次進行必要的消除應力退火，可以旋出高精的旋壓圓筒。

⑵利用超高強度鋼D406A進行多道次連續(xù)錯距旋壓，最大減薄率可達60％以上。

⑶通過對主軸轉速、旋輪間隙和錯距量及進給比的調整，可以有效地控制旋壓圓筒的圓度及母線直線度。

龔業(yè)軍于哈善，爾1濱9 8工8年業(yè)畢大學鍛壓工藝及設備專業(yè)，分配到國營七四二二廠，負責鍛壓工藝工作，2002年進入七四一四廠旋壓中心，負責旋壓工藝工作