普通車床旋壓“超長 特型 薄壁”鋁殼體的探討

摘 要：浮標(biāo)殼體是解放軍、海軍航空兵河南省洛陽六一三研究所（我國海軍航空兵專門成立的反潛反艦研究所）研制“聲吶浮標(biāo)”等反艦反潛裝備的主體。文章重點(diǎn)介紹了反潛聲吶浮標(biāo)殼體的技術(shù)難點(diǎn)及在設(shè)計(jì)加工中所克服的幾項(xiàng)關(guān)鍵問題。對殼體的氣密環(huán)的機(jī)理以及氣密的可靠性做了較詳盡的分析，對加工超長特形薄壁鋁殼體方式步驟的得失都作了較系統(tǒng)的闡述。聲吶浮標(biāo)殼體的加工成功不僅對反潛聲吶浮標(biāo)產(chǎn)品的全部國產(chǎn)化起到了重要作用，也為打破國外對本產(chǎn)品的封鎖奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：反潛聲吶浮標(biāo)；超長特型薄壁鋁殼體；氣密環(huán)

引言

聲吶浮標(biāo)（so nobuoy）是一種水聲遙感探測器為探測水下目標(biāo)的浮標(biāo)式聲吶器材。它與浮標(biāo)信號接收處理設(shè)備組成浮標(biāo)聲吶系統(tǒng)，用于航空反潛探測和固定聲吶監(jiān)視系統(tǒng)對水下潛艇的預(yù)警等，所以，聲吶浮標(biāo)是航空反潛中的重要一環(huán)。在這一環(huán)中落后，就等于把海平面以下敞開了一扇大門。我國在聲吶浮標(biāo)技術(shù)方面正在迎頭趕上。

采用什么樣的加工方法來完成反潛聲吶浮標(biāo)（以下簡稱“浮標(biāo)”）殼體的制造，一直是影響我國反潛產(chǎn)品發(fā)展和國產(chǎn)化一個(gè)十分重要的課題?，F(xiàn)代海戰(zhàn)已經(jīng)把反潛和水下目標(biāo)的精確定位提到了核心地位，也是浮標(biāo)下水后戰(zhàn)技指標(biāo)中突出考慮的問題。其殼體的工藝性能，氣密環(huán)的可靠性直接影響其技術(shù)指標(biāo)，長管特型薄壁鋁殼體的加工方法，是世界各軍事強(qiáng)國都在積極研究的技術(shù)。盡管我國對該項(xiàng)技術(shù)早在20世紀(jì)80年代初期就已經(jīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，但由于加工浮標(biāo)殼體的旋壓技術(shù)處于國內(nèi)空白，一直沒有達(dá)到實(shí)用階段，我國各級科研部門也把這項(xiàng)技術(shù)作為突破口加以重點(diǎn)研究開發(fā)，但幾年中浮標(biāo)殼體裝置的可靠性這一關(guān)鍵技術(shù)一直沒有突破。2006年一二三廠專用工具車間根據(jù)軍方要求及時(shí)調(diào)整了技術(shù)結(jié)構(gòu)，組織了技術(shù)攻關(guān)小組，從設(shè)計(jì)改進(jìn)，工藝保障，檢測手段和加工技術(shù)等四個(gè)方面進(jìn)行全方位的攻關(guān)，從摸底試驗(yàn)到鑒定試驗(yàn)在到總裝試驗(yàn)，殼體結(jié)構(gòu)，氣密環(huán)，加工精度得到了圓滿的綜合考核，整個(gè)殼體經(jīng)受了近400發(fā)實(shí)彈投放的考驗(yàn)，使用性能良好，可靠性得到了根本解決。

以下是作者在總結(jié)師傅經(jīng)驗(yàn)的過程中以及自己在獨(dú)立工作中總結(jié)出的。

1 浮標(biāo)用長管特形薄壁鋁殼體的加工方法

1.1 工作內(nèi)容

1.1.1 用普通車床自制芯模及旋輪，旋壓件不夾固進(jìn)行旋壓加工及車削加工

1.1.2 使用材料“鋁 6061 GB/T 3191-1998”

毛坯尺寸：內(nèi)徑118mm 外圓132.5mm 長705mm。

1.1.3 熱處理溫度460～465℃保溫4小時(shí)，取出后集中自然冷卻

1.1.4 使用工具及設(shè)備

（1）CW6163C普通車床一臺(tái)；

（2）自制多種旋壓芯模及旋輪用于旋薄及特型加工；

（3）其他輔助工具。

1.1.5 難點(diǎn)在于

（1）浮標(biāo)本體是鋁合金件（如圖1），具有超長、超薄、尺寸精度要求高；

（2）需要多次成型旋壓、且不能卡緊或與旋芯緊固；

（3）旋壓后產(chǎn)生的應(yīng)力。

1.1.6解決的具體問題

（1）旋壓后需要進(jìn)行車削精加工；

（2）解決了沒有專用旋壓機(jī)床的問題；

（3）解決了旋壓后本體的應(yīng)力問題；

（4）解決了浮式反旋壓薄壁管形件貼模難的問題；

（5）解決了特形件不同尺寸之間同心度難以保證的問題。

1.2 如何解決以上難點(diǎn)及問題（旋壓及操方法）

1.2.1 根據(jù)產(chǎn)品的要求作者經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，最終采用了（芯模如圖2）

按傳統(tǒng)的方法，對筒形件的加工一般采用芯模旋壓成形。芯模旋壓必須有一根與所旋工件內(nèi)徑相匹配的芯模。為了保證所旋工件的質(zhì)量，芯模必須有足夠的強(qiáng)度、剛度和表面質(zhì)量。這樣芯模的加工制造就非常的困難，即要選好材料，又要經(jīng)過多次試驗(yàn)。因此芯模是旋壓中一個(gè)至關(guān)重要的工裝，芯模的好壞，直接影響工件的質(zhì)量。該所選用芯軸的材料是T10 鋼，熱處理HRC52-56度。加工工藝采用粗車、調(diào)質(zhì)、半精車、淬火、精磨的工藝流程。旋輪同樣采用T10 材料，旋壓切入角經(jīng)多次修正，最終選用20度，加工工藝采用與芯模相同的工藝流程。

1.2.2 操作流程

（1）用普通CW6163C車床，不需改造。新舊不限；

（2）裝卡芯模1，使與主軸同心度在0.02mm以內(nèi)。并將鋁桶浮套于芯模上，后用尾座頂緊芯模；

（3）裝卡旋輪1。對好切入角20度；

（4）據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行反旋壓與正旋壓相結(jié)合的方法。（以達(dá)到其良好的貼模率和退模要求，消除應(yīng)力）；

（5）留適當(dāng)旋壓后延長出芯軸的鋁筒。（以備收口用）；

（6）換旋壓輪2，收口（如圖3）； （7）精車，外徑達(dá)圖要求，齊長短；（8）退模（如圖4）；（9）換芯模2，換旋輪3，準(zhǔn)備壓氣密環(huán)；（10）壓氣密環(huán)（旋壓凹槽）。

1.3 完成以上操作的關(guān)鍵點(diǎn)

1.3.1 如何掌握這頂關(guān)鍵技能

（1）鋁筒內(nèi)徑與芯模之間的間隙要在0.1mm以內(nèi)，讓鋁筒微變形使之與芯模不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)；（2）旋輪的旋入點(diǎn)要在靠尾座一側(cè)旋入（反旋），在旋制中期采用正旋為了更好的貼模率；（3）旋壓完成前要反向旋壓一次，以破解旋壓產(chǎn)生的扭曲應(yīng)力；（4）退模要慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)主軸。使鋁筒對稱受力；（5）旋壓用量選擇也很重要，旋壓用量選擇如下：主軸轉(zhuǎn)數(shù)為：300至500轉(zhuǎn)/分，旋輪線速度為：800m/min。旋伸率為每道次50～60mm，減薄率為每道次0.4～0.5mm。

1.3.2 應(yīng)用效果（和其他的操作方法比）

（1）普通旋壓使用專用旋壓設(shè)備；該操作法使用普通車床，應(yīng)用性廣，節(jié)約資金，便于操作與推廣；（2）普通旋壓工件必須與芯?？ňo，該操作法被旋壓件與芯模不用互相卡緊，只是不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。這也是該操作法與普通旋壓法最大的不同；（3）普通旋壓只能完成一道工序，該旋壓法可以一次裝卡完成變薄旋壓、封口、精車外徑、齊長短等多道工序。

1.3.3 解決的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）金屬疲勞；（2）貼模率；（3）氣密環(huán)尺寸。

2 金屬疲勞、貼模率、氣密環(huán)等問題

2.1 金屬疲勞的解決

零件在交變應(yīng)力作用下?lián)p壞叫做疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械零件失效中有80%以上屬于疲勞破壞，例如鋁筒經(jīng)旋輪多次滾壓后，通常受到的交變應(yīng)力為對稱循環(huán)應(yīng)力，這種應(yīng)力可以是彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、或者是兩者的復(fù)合，金屬疲勞分為彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、 拉-拉疲勞、拉-壓疲勞、等，而我們這種屬滾壓疲勞。

在金屬材料中添加各種“維生素”是增強(qiáng)金屬抗疲勞的有效辦法。例如，在鋼鐵和有色金屬里，加進(jìn)萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素，就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領(lǐng)，延長使用壽命。該所選用的“鋁6061”合金其主要合金元素是鎂與硅，并形成Mg2Si相。若含有一定量的錳與鉻，可以中和鐵的壞作用；有時(shí)還添加少量的銅或鋅，以提高合金的強(qiáng)度，而又不使其抗蝕性有明顯降低；具有良好的可成型性、可焊接性、可機(jī)械加工性能，同時(shí)具有中等強(qiáng)度，在退火后仍能維持較好的操作性.屬熱處理可強(qiáng)化合金。這都是旋壓用鋁所最需要的性能指標(biāo)，經(jīng)過理論探討和多次反復(fù)試驗(yàn)，得出了多道次旋壓的次數(shù)和毛壞料的長度，有效的解決了金屬抗疲勞問題。

2.2 貼模率的解決

在旋壓加工過程中，往往會(huì)出現(xiàn)貼模難的問題，造成不貼?；蛸N模難主要有以下幾個(gè)原因及解決方法。

2.2.1 熱處理

金屬材料熱處理溫度和保溫時(shí)間不合適，造成材料過硬或過軟，使金屬得不到良好的可塑性。

2.2.2 操作方法

操作方法不合適，比如這種產(chǎn)品初期主要采用的是反旋壓，這種方法是貼模率最低的，所以經(jīng)過改進(jìn)，采用反旋壓與正旋壓相結(jié)合的方法，具體步驟按時(shí)際情況而決定。

2.2.3 旋壓進(jìn)給量

旋輪進(jìn)給量的調(diào)整，旋壓力隨旋輪進(jìn)給量的增加而增大，而且開始時(shí)增大較快，至旋輪進(jìn)給量達(dá)到一定值后又減慢。這是因?yàn)樵谛嗊M(jìn)給過程中，旋輪與旋壓件接觸處的變形面積的軌跡是一個(gè)螺旋帶，當(dāng)旋輪進(jìn)給量較小時(shí)，后一轉(zhuǎn)的螺旋帶與前一轉(zhuǎn)的螺旋帶有一部分重合，而重合部分在前一圈中已經(jīng)繹過變形，故所需旋壓力較小。隨旋輪進(jìn)給量的增大重合部分減小，因而旋壓力增大，至旋輪進(jìn)給量增大到螺旋帶不再重合后，旋壓力的增加也就大為減慢，表明增加旋輪進(jìn)給量，旋壓件壁厚差減小后又緩慢增大，這是因?yàn)樾嗊M(jìn)給量過小時(shí)，引起材料周向流動(dòng)而不貼模，壁厚局部變薄嚴(yán)重，故壁厚差較大，較大的進(jìn)給量則有利于旋壓件貼模，成形順利，壁厚差減小，但過大的進(jìn)給量則容壞料隆起和堆積，導(dǎo)致壁厚差增大。

2.3 氣密環(huán)的基本原理及氣密環(huán)尺寸

氣密環(huán)是浮標(biāo)殼體中部壓成的封水凹槽，氣密環(huán)凹槽與殼體里面裝陪的“密封塞”和“O”型圈共同組成氣密的封水裝置。浮標(biāo)氣密環(huán)上半部是降落傘倉，下半部是裝載探測儀器的密封倉，浮標(biāo)在使用時(shí)從四五千米的高空投入海中，入水后其膠皮“O”型圈在密封塞的作用下緊貼浮標(biāo)殼體上的氣密環(huán)，排除了各部位的間隙，要承受兩個(gè)大氣壓強(qiáng)，從而達(dá)到氣密封水的作用。

氣密環(huán)是在產(chǎn)品的中間部分單面壓進(jìn)去1.5mm深，16mm寬環(huán)狀結(jié)構(gòu)，主要保證氣密環(huán)部分內(nèi)徑尺寸，在？準(zhǔn)116.4mm到？準(zhǔn)116.8mm之間，以達(dá)到封堵海水不下漏的技術(shù)要求。此處氣密環(huán)的尺寸取決于殼體旋制時(shí)氣密環(huán)位置是否百分之百貼模，在鋁筒內(nèi)徑達(dá)到要求后，才能保證氣密環(huán)內(nèi)徑尺寸和不出現(xiàn)橢圓現(xiàn)象。

3 試驗(yàn)結(jié)果

2008年六一三研究所海上空投實(shí)驗(yàn)一次成功，投放，開傘，空中軌跡，入水，激活，工作都很正常，個(gè)別指標(biāo)優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品指標(biāo)，聲吶浮標(biāo)殼體研制的成功，對提高我軍的戰(zhàn)斗力，加強(qiáng)我國的國防力量，節(jié)省外匯開支都有著重大的意義。

4 先進(jìn)性和效益性主要體現(xiàn)在哪些方面

多道次普通旋壓是一種先進(jìn)的金屬塑性加工技術(shù)，但這對于我們來說卻是一項(xiàng)全新的技術(shù)，特別是這種浮標(biāo)用鋁筒，是專門供應(yīng)解放軍海軍航空兵河南洛陽六一三研究所（我國海軍航空兵反艦反潛研究所）研制“聲吶浮標(biāo)”等反艦反潛裝備。該廠加工的鋁筒是反潛聲吶浮標(biāo)的殼體。最早在80年代由蘇聯(lián)引進(jìn)，但是我國對“浮標(biāo)”的產(chǎn)生加工可以說是處在空白狀態(tài)，全部都要從蘇聯(lián)進(jìn)口，之前，我國還沒有同類型產(chǎn)品生產(chǎn)。六一三研究所曾委與河南、廣州、深圳等多家工廠生產(chǎn)，最終都沒有成功。研制中沒有現(xiàn)成的資料借鑒，公司克服困難，攻克難關(guān)，在較短的時(shí)間內(nèi)完成了原理模型和實(shí)驗(yàn)樣品的研制，順利進(jìn)行了多次海試，為我國聲吶浮標(biāo)早日立項(xiàng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。加工方法屬于國內(nèi)首創(chuàng)。填補(bǔ)了浮標(biāo)殼體制造在國內(nèi)的一項(xiàng)空白。終于摸索出了芯模、旋輪、旋壓參數(shù)等全套的加工方法，目前以形成成熟的工藝。2006～2007年共交付400 件。2008年又交付了100件，2012年12月分交付了700件。

2013年計(jì)劃在生產(chǎn)五個(gè)種類1000件左右，其中包括現(xiàn)在國際比較先進(jìn)的“SQ”航空溫深浮標(biāo)系列，我們生產(chǎn)的的產(chǎn)品比進(jìn)口國外同類型產(chǎn)成本降低了80%左右（國外進(jìn)口浮標(biāo)用鋁殼體單件價(jià)格在6000元左右），而且還打破了國外的技術(shù)封鎖，隨著聲吶浮標(biāo)殼體加工技術(shù)的成熟和各種聲納浮標(biāo)新產(chǎn)品的穩(wěn)定定型，我單位以成為我國聲納浮標(biāo)殼體的重要生產(chǎn)基地。

5 2013年我國最新試驗(yàn)產(chǎn)品“SQ系列航空溫深浮標(biāo)”殼體也在我單位生產(chǎn)