大型薄壁鋁合金半球殼體旋壓成形工藝研究

陰中煒，張緒虎，周曉建，陳永來，韓冬峰

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

旋壓成形是一種先進(jìn)的少無切削塑性成形工藝，該工藝以其金屬變形條件好、材料利用率高、能夠改善制品性能、工裝簡單等優(yōu)點，在航天、航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-8］.航天器用貯箱箱底主要為球形或橢球形封頭，目前，國外多采用旋壓工藝來生產(chǎn)各種貯箱封頭，其具有成形精度高、研制周期短等優(yōu)點.而在國內(nèi)采用旋壓工藝成形大型薄壁貯箱封頭的報道較少，大型貯箱封頭仍以沖壓加工或拼焊工藝為主［9-15］.

為充分發(fā)揮旋壓工藝優(yōu)勢，拓展其在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，本文采用旋壓工藝研制直徑1.1 m半球形鋁合金貯箱箱底.對影響零件質(zhì)量的各項工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗研究，并對影響產(chǎn)品質(zhì)量的各工藝參數(shù)進(jìn)行全面分析，獲得了質(zhì)量良好的鋁合金半球殼體.

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料采用12 mm厚5A06鋁合金板材.該材料為不可熱處理強化的鋁鎂合金，具有良好的耐蝕性和塑性加工性能，試驗材料的力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 原材料力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 試驗方案

因半球形零件尺寸較大，而且存在較長的直線段，如果直接采用旋壓成形則旋壓設(shè)備的回轉(zhuǎn)直徑要在1 600 mm以上，另外，在普旋成形過程中坯料會有明顯的拉薄，則需要坯料原始厚度約在18 mm以上，這樣既對旋壓設(shè)備噸位要求較高，同時也帶來材料的浪費.因此，本文采用沖壓預(yù)成形與旋壓成形相結(jié)合的方法成形半球殼體.由于5A06鋁合金加工硬化傾向明顯，且零件尺寸大、變形量大，因此，沖壓預(yù)成形和旋壓過程都需采用熱加工方式.旋壓成形在TORC-180/2數(shù)控旋壓機上進(jìn)行.

2 成形工藝及試驗結(jié)果

2.1 坯料設(shè)計

根據(jù)產(chǎn)品需求，旋壓件尺寸要求如圖1所示，結(jié)合零件成形特點，通過等積法計算后選用板坯尺寸為Φ1 600 mm×12 mm.

圖1 旋壓件規(guī)格示意圖

2.2 沖壓預(yù)成形及結(jié)果討論

沖壓預(yù)成形與旋壓成形相結(jié)合的工藝方法，因其既可以提高生產(chǎn)效率又可以降低對旋壓設(shè)備能力要求而得到廣泛應(yīng)用.另外，對于本文成形的半球形零件加工，沖壓預(yù)成形還可以降低原材料板厚，提高材料的利用率.

如圖2所示，該預(yù)成形件為帶直邊橢球封頭.沖壓預(yù)成形件越接近旋壓件的形狀則越能夠體現(xiàn)沖壓預(yù)成形的優(yōu)勢，提高工作效率，但同時還要保證預(yù)成形件在旋壓過程中材料有足夠的變形量，能夠?qū)崿F(xiàn)旋壓過程中零件的良好貼模.

圖2 沖壓預(yù)成形橢球封頭示意圖

預(yù)成形采用800 t液壓機熱壓成形，成形后退火處理并平齊口部，如圖3所示.封頭橢球面壁厚均保持了板材原始厚度12 mm，口部逐漸增厚，最大壁厚值達(dá)14 mm.

圖3 沖壓預(yù)成形件

預(yù)成形采用800 t液壓機熱壓成形，成形后退火處理并平齊口部，如圖3所示.封頭橢球面壁厚均保持了板材原始厚度12 mm，口部逐漸增厚，最大壁厚值達(dá)14 mm.

試驗結(jié)果表明，橢球封頭橢球面的離心率過大，會使旋壓過程的變形抗力增大，需要進(jìn)行多道次的普旋才能實現(xiàn)成形;而離心率過小，會導(dǎo)致旋壓成形變形量不足，造成零件的貼胎效果較差.當(dāng)離心率選定為e=0.866時，即長短軸比為2∶1時，旋壓可以通過兩道次普旋結(jié)合強旋實現(xiàn)成形，并且貼胎效果良好.另外，預(yù)成形件的口部直徑大小，對成形結(jié)果影響也很大，當(dāng)口部內(nèi)徑大于Ф1 130 mm時，最終的旋壓件很難貼胎.這是因為在旋壓過程中，口部直線段部分其變形方式主要為縮徑旋壓，如果一道次變形量過大，會出現(xiàn)明顯橢圓和不貼胎現(xiàn)象，而如果道次過多，則易出現(xiàn)反擠現(xiàn)象.可見，預(yù)成形件口部直徑的設(shè)計，會直接影響最終旋壓件的質(zhì)量，通過大量試驗，本文最終確定預(yù)成形件內(nèi)徑為Ф1 115 mm，該尺寸既能實現(xiàn)旋壓的良好成形，同時又為預(yù)成形件與旋壓工裝之間留有足夠的間隙，可以降低對預(yù)成形件圓度、同軸度等形位精度的要求，避免了因預(yù)成形件圓度、同軸度偏差造成旋壓件的反擠.

綜上所述，預(yù)成形件的型面及尺寸都對旋壓件的質(zhì)量有著重要的影響，甚至決定最終旋壓的成敗;同時，旋壓工藝參數(shù)的變化又會對預(yù)成形件提出不同的要求.因此，預(yù)成形件設(shè)計必須結(jié)合旋壓設(shè)備的能力，綜合考慮后續(xù)旋壓工藝參數(shù)，且通過試驗才能最終確定.

2.3 旋壓成形

2.3.1 旋壓模具設(shè)計

該半球殼體計劃進(jìn)行小批量生產(chǎn)，而且模具尺寸較大，為減輕重量、降低成本，采用45#鋼空心鑄件加工模具.模具的尺寸設(shè)計考慮了機械加工余量，同時，也兼顧了旋壓件的圓度偏差和熱膨脹等因素，最終確定工裝直徑為Φ1 096 mm，直線段長120 mm.

2.3.2 旋壓成形及結(jié)果討論

旋壓試驗采用TORC-180/2雙旋輪臥式數(shù)控旋壓機，旋壓過程中可對主軸轉(zhuǎn)速及旋輪進(jìn)給速度進(jìn)行實時調(diào)節(jié).

2.3.2.1 旋壓成形工藝方法

因為采用了沖壓預(yù)成形，旋壓道次可以大幅減少，采用一道次強旋加1道次普旋成形.因為5A06鋁合金冷變形加工硬化明顯，因此，必須采用熱旋成形.

2.3.2.2 旋壓工藝參數(shù)的設(shè)定

從零件底部開始，采用強旋直接成形，旋輪壓下量按照正弦率進(jìn)行計算，如圖4所示.根據(jù)公式t×sinα1=t0×sinα2(t為旋壓間隙，t0 為預(yù)成形件壁厚，α1為橢球封頭半錐角，α2旋壓為半球半錐角)計算并設(shè)定旋壓間隙，軸線方向上每隔100 mm設(shè)定一個旋壓間隙值，兩點間間隙均勻過渡.當(dāng)旋輪到達(dá)工件直徑Φ900 mm處時，減薄率達(dá)到30%以上，旋輪壓下量超過4 mm，在該區(qū)域開始增加一道次普旋，先把工件旋成近球形，再通過強旋使工件貼模成形.設(shè)定主軸最大轉(zhuǎn)速40 rpm，主軸軸向進(jìn)給200 mm/min.旋壓前采用氧乙炔焊槍預(yù)熱工裝，工裝溫度達(dá)150℃以上時裝卡工件，用四把焊槍加熱工件，溫度達(dá)到300℃以上開始旋壓.

圖4 旋壓成形半錐角

2.3.2.3 旋壓試驗結(jié)果討論

對成形零件進(jìn)行樣板檢測發(fā)現(xiàn)，零件貼胎效果較差，口部內(nèi)徑尺寸在1 102 mm以上，工件底部與樣板存在3～4 mm間隙.如圖5所示為旋壓過程照片和示意圖，對旋壓過程和工藝參數(shù)進(jìn)行分析可知，工件口部貼模不好主要是由于工件強旋過程使零件底部逐漸貼合芯模，在成形過程中會出現(xiàn)圖5所示的環(huán)向隆起的類似環(huán)筋結(jié)構(gòu)，該區(qū)域在變形的過程中抗力較大，而增加的一道次普旋難以使工件很好的貼模，而且，由于普旋起旋位置相對靠后，還會導(dǎo)致環(huán)筋處在變形的過程中使零件產(chǎn)生一定程度的反擠.而零件底部貼模效果差主要是因為按照理論計算設(shè)定的參數(shù)旋壓時，底部的減薄率過小，工件的壁厚較大，成形過程中材料沒有完全發(fā)生塑性變形，在旋壓后回彈導(dǎo)致的不貼胎.針對以上分析對旋壓工藝進(jìn)行改進(jìn)，首先，將普旋道次增加到3道，并將普旋起旋點前移;同時，增大底部減薄量，保證材料能夠完全發(fā)生塑性變形，減小回彈;另外，旋壓過程中兩把焊槍對變形區(qū)加熱，兩把焊槍對待變形區(qū)的加熱.改進(jìn)工藝后，旋壓時工件的變形抗力明顯下降，旋壓件貼模效果良好，旋壓件口部內(nèi)徑在1 095～1 097 mm，圓度偏差≤0.5 mm，壁厚≥6 mm，批量生產(chǎn)一致性較好，零件照片如圖6所示.

圖5 旋壓過程(a)及旋壓示意圖(b)

圖6 旋壓件及車加工后零件圖

3 結(jié)論

成形過程中，沖壓預(yù)成形件的形狀與開口尺寸的設(shè)計，與旋壓過程中的旋壓道次、減薄率、加熱方式等工藝參數(shù)的選擇要相互協(xié)調(diào)，統(tǒng)籌考慮;半球旋壓過程中的普旋道次及減薄率設(shè)計對半球成形質(zhì)量影響較大.

采用沖壓預(yù)成形后旋壓成形方案加工鋁合金薄壁半球零件，能夠更大程度的發(fā)揮旋壓工藝、設(shè)備的優(yōu)勢，提高生產(chǎn)效率，成形出精度良好的大型薄壁鋁合金半球殼體.

［1］王成和，等.旋壓技術(shù)［M］.機械工業(yè)出版社，1986.

［2］張 濤。旋壓成形工藝［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［3］李寶蓉，張麗娜.H-2B運載火箭貯箱制造技術(shù)與應(yīng)用［J］.航天制造技術(shù)，2008(5):35-38.

［4］姜桂榮.熱旋封頭工藝的研究與開發(fā)［J］.熱加工工藝，2003(2):32-36.JIANG Gui-rong.Study and development of the technology for therm-al rotary extruding of sea 1 heads［J］.Hot Working Technology，2003(2):32-36.

［5］RADTKE Dr W.Novel manufacturing methods for titanium tanks and liners［J］.American Inst-itute of Aeronautics andAstronautics，2006(42):9-12.

［6］單德彬，徐文臣，周 祥.鈦合金輪圈旋壓的有限元模擬與試驗［J］.航空制造技術(shù)，2010(5):91-95.SHAN De-bin，XU Wen-chen，ZHOU Xiang.FEM simulation and experiment on spinning process of titanium alloy wheel rim［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2010(5):91-95.

［7］詹 梅，李 虎，楊 合，等，大型復(fù)雜薄壁殼體多道次旋壓過程中的壁厚變化，［J］.塑性工程學(xué)報，2008，15(2):115-121。ZHAN Mei，LI Hu，YANG He，et al.Wall thickness variation during multi-pass spinningof large complicate shell［J］.Journal of Plasticity Engineering，2008，15(2):115-121.

［8］李增輝，溫樹斌，韓 冬，等.大長徑比薄壁圓筒旋壓精度控制工藝研究［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009(5):102-105.LI Zeng-hui，WEN Shu-bin，HAN Dong，et al.The study of spinning precision control for thin wall cylinder with large length-diameter ratio［J］.China Metal Forming Equipment＆ Manufacturing Technology，2009(5):102-105.

［9］LIU J H，YANG H，LI Y Q.A study of the stress and strain distributions of first-pass conventional spinning under different roller-trace［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，129:326-329.

［10］孫忠紹，劉憲力，劉 欣.航天低溫貯箱箱底焊接工藝［J］.航天工藝，1999(6):1-3.

［11］QUIGLEY E，MONAGHAN J.Enhanced finite element models of metal spinning［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，112(1):43-49.

［12］石曉強.衛(wèi)星用推進(jìn)劑貯箱和高壓氣瓶封頭制造技術(shù)［J］.真空與低溫，2008(3):62-65.SHI Xiao-qiang.Manufactory technology of the dome of the propellant tank and high pressure vessel［J］.Vacuum and Cryogenics，2008，14(3):62-65.

［13］張艷秋，徐文臣，單德彬，等.薄壁鋁合金封頭旋壓成形工藝研究［J］.鍛壓技術(shù)，2006(3):74-78.ZHANG Yan-qiu，XU Wen-chen，SHAN De-bin，et al.Study on the spinning process of thin-walled aluminum alloy vessel head［J］.Forging ＆ Stamping Technology，，2006(3):74-78.

［14］KANG Da-chang，GAO Xi-cheng，MENG Xiao-feng，et al.Study on the deformation mode of conventional spinning of plates［J］.Journal of Materials Processing Technology，1999，91(13):226-230.

［15］MA Fei，YANG He，ZHAN Mei.Research on the curvature radius of rollert race in the forming process of conventional spinning［J］.Matirials Science Forum，2206，(532-5333):277-280