提高薄壁管旋壓拉深表面質(zhì)量的剝離層缺口誘導(dǎo)開裂方法

王戰(zhàn)生

(太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

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提高薄壁管旋壓拉深表面質(zhì)量的剝離層缺口誘導(dǎo)開裂方法

王戰(zhàn)生

(太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

在對旋壓拉深剝離層形成和開裂機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，提出了在旋拉前管坯底部外表預(yù)制缺口的工藝方法，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，在凹痕缺口的誘導(dǎo)作用下，剝離層開裂效果穩(wěn)定、良好，有效解決了影響管件表面質(zhì)量的工藝技術(shù)問題，提高了薄壁管旋壓拉深表面質(zhì)量。

旋壓；剝離層；開裂

1　旋壓拉深及其特點(diǎn)

旋壓是一種少、無切削加工的工藝方法，加工時(shí)將毛坯頂緊在芯模上，由機(jī)床主軸帶動(dòng)芯棒和坯料旋轉(zhuǎn)，同時(shí)旋壓輪將材料擠壓在旋轉(zhuǎn)的芯模上，使材料產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，從而獲得各種形狀的空心旋轉(zhuǎn)體零件，兼有擠壓、拉深、彎曲、環(huán)軋、橫軋和滾擠等工藝特點(diǎn)。根據(jù)旋壓加工過程中毛坯厚度的變化情況，一般將旋壓分為普通旋壓和強(qiáng)力旋壓兩種。

旋壓拉深是強(qiáng)力變薄旋壓的一個(gè)分支，又稱滾珠旋壓(見圖1)，即使用多個(gè)滾珠代替旋輪，毛坯在滾珠和模具的共同作用下變薄成型的過程，在民用、軍工等領(lǐng)域生產(chǎn)加工高精度小直徑薄壁管方面獲得了廣泛的應(yīng)用。除了具有旋壓方法的一般特點(diǎn)之外，滾珠旋壓還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)管件加工質(zhì)量高。從內(nèi)部講，金屬管件在變形區(qū)處于壓應(yīng)力狀態(tài)，變形后使材質(zhì)晶粒延長和組織細(xì)化，具有連續(xù)纖維結(jié)構(gòu)，提高了金屬的屈服強(qiáng)度，管件硬度也有所提高，延伸率相應(yīng)下降；從外部講，旋后管件外徑尺寸可控制在±0.005 mm以內(nèi)，表面粗糙度通?？蛇_(dá)0.2 μm，，管件的管壁最薄可達(dá)0.04 mm。滾珠旋壓的這些特質(zhì)，通常的滾輪變薄旋壓是很難達(dá)到的。另外，旋壓過程中管坯中任何夾雜、夾層、隱性裂紋、砂眼等缺限很容易暴露出來，旋壓過程也附帶起到了對管坯質(zhì)量自檢的作用。

(2)加工簡便、成本低、效率高。旋壓過程不需要過多依賴操作人員的技術(shù)干預(yù)，技術(shù)裝備簡單。通常的切削機(jī)床稍加改進(jìn)，就能用于滾珠旋壓加工。由于變形力小，可以用噸位較小的設(shè)備加工較大尺寸產(chǎn)品。旋壓拉深與深沖拉深相比，由于旋壓變形力小，且滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，滾珠旋壓模具多為通用可調(diào)整尺寸范圍，致使工模具消耗僅為沖壓引伸模具的1/5～1/8左右。對于塑性好的金屬及合金，單道次的斷面收縮率可達(dá)70%～85%。而拉拔管材時(shí)也僅僅為30%左右。若與切削加工相比，可提高生產(chǎn)效率30～50倍。便于小批量多品種、多規(guī)格長徑比大的薄壁管筒零件加工。

2　剝離及其對表面質(zhì)量的影響

在旋壓拉深過程中，常常會(huì)在旋壓變形區(qū)的滾珠前端形成多余金屬堆積。伴隨著旋壓過程的進(jìn)行，堆積金屬也越來越多，并附著在管坯上，這一現(xiàn)象稱之為剝離。雖然發(fā)生剝離會(huì)導(dǎo)致金屬材料的損耗、降低材料利用率，但剝離現(xiàn)象可以使得旋后管件具有良好的表面粗糙度和光亮度，因而在薄壁精密管件拉深中經(jīng)常出現(xiàn)。調(diào)整滾珠大小或工藝參數(shù)，可以使毛坯在旋壓過程中產(chǎn)生剝離層。圖2所示是在滾珠旋薄過程中經(jīng)常在金屬管件表面出現(xiàn)的剝離情況，旋薄后管件表面可分為整體剝離、末屑剝離、開裂剝離等情況，開裂剝離根據(jù)裂口數(shù)量又分為單裂、雙裂和多裂等。

通過對金屬在旋壓過程中的塑性流動(dòng)分析，剝離的產(chǎn)生是滾珠旋擠材料在變形區(qū)非穩(wěn)定流動(dòng)所引起的。從圖3a分析可知：旋壓角α與滾珠半徑R和減薄量△t相關(guān)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，旋壓角α為32°～42°時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的剝離現(xiàn)象，加工后的管坯外表光亮，是經(jīng)常選用的工藝參數(shù)區(qū)域。圖3a所示是金屬材料在穩(wěn)定變形區(qū)的流動(dòng)情況。當(dāng)減薄率不變時(shí)，隨著滾珠直徑的減小，旋壓角α增大，此時(shí)金屬材料流過滾珠的難度也增大。滾珠前方原本為剛性區(qū)的金屬在較大軸向壓應(yīng)力作用下，滿足了塑性屈服準(zhǔn)則而發(fā)生塑性變形。而金屬管材表層為無約束的自由表面，此時(shí)，金屬塑性流動(dòng)的徑向速度分量vr和軸向速度分量vz的比值發(fā)生了變化。當(dāng)減薄率增大或滾珠直徑減小時(shí)會(huì)引起徑向速度分量vr增大，而軸向速度分量vz減小。在此狀況下材料的流動(dòng)趨勢發(fā)生了變化，多余金屬材料開始向滾珠前方流動(dòng)形成堆積，如圖3b所示。隨著堆積金屬在滾珠前方不斷增加，堆積區(qū)的金屬材料的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變，產(chǎn)生拉應(yīng)力，隨著拉應(yīng)力的增大，堆積區(qū)金屬與管坯主體失去連續(xù)性而剝離，形成剝離層。

發(fā)生整體剝離時(shí)，剝離層緊緊附著包裹在未加工管坯外部，增大了變形抗力；發(fā)生末屑剝離時(shí)，剝離層脫落后以碎屑方式進(jìn)入加工區(qū)，會(huì)影響后續(xù)加工所形成的管壁表面質(zhì)量，表面粗糙度值大于6.3 μm，因而都是不期望發(fā)生的。通過合理選擇滾珠直徑以調(diào)整旋壓角，并輔以對旋壓前管坯硬度的調(diào)節(jié)，可以將整體剝離調(diào)整至理想的開裂剝離狀態(tài)。但以上方式需調(diào)整陰模尺寸和毛坯前期工藝路線，成本和周期較長，并有可能多次反復(fù)。因此，需要尋求簡便快捷和低成本的工藝控制方法。

3　預(yù)制缺口誘導(dǎo)開裂

管坯在旋壓拉深過程中一方面隨著陽模高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)隨陽模主軸沿進(jìn)給方向運(yùn)動(dòng)；剝離層則隨著管坯旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，在拉深過程中不斷從滾珠接觸區(qū)向上逐漸生長，運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜。因此，在拉深過程中對剝離層采取強(qiáng)制開裂措施是極端困難的。將剝離層和管坯表面質(zhì)量作為一對技術(shù)矛盾進(jìn)行研究，根據(jù)塑性變形加工理論及工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合對剝離層形成機(jī)理的分析，認(rèn)為對拉深前的管坯外表底部采取預(yù)制缺口的方法，應(yīng)該起到在旋拉過程中誘導(dǎo)剝離層開裂的作用。

使用專用工具在管坯底部圓角處，制出深度0.1～0.3 mm凹痕缺口共3處，沿圓周均布。拉深過程從管坯底部最先開始，管底接觸滾珠變薄并產(chǎn)生剝離層。在缺口的誘導(dǎo)作用下，表層金屬剝離時(shí)即自發(fā)形成開裂，并在后續(xù)拉深過程保持直至終了。

以φ10 mm及φ38 mm兩種1Cr18Ni9Ti不銹鋼管進(jìn)行試驗(yàn)，均取得明顯效果。試驗(yàn)前，兩種管坯加工后的剝離層形式均為整體剝離(見圖2a)；采取人為制造管坯底部圓角外表缺口措施后，剝離層均產(chǎn)生了預(yù)期的開裂，裂口數(shù)量及分布方向均與預(yù)制缺口相對應(yīng)(見圖4)，拉深后的管坯表面粗糙度小于0.2 μm，符合要求。

對旋壓拉深管坯變形前后部分截取試樣進(jìn)行金相分析，管坯芯部(圖6a)為奧氏體組織，晶粒度25 μm左右；表層為變形纖維組織，平均硬度為306HV0.2。原因?yàn)樾暗墓芘髟诮?jīng)過完全固溶處理后，還要進(jìn)行一次小變形量的變薄拉深，以提高管坯硬度，避免旋壓拉深時(shí)發(fā)生拉斷現(xiàn)象。旋拉后管壁部分(圖6b、d)為纖維狀變形組織，平均硬度為400HV0.2。剝離層(圖6c)同樣為纖維狀變形組織，平均硬度為460HV0.2，硬度較管壁部分為高，原因在于剝離層在旋拉過程中受到了比管壁部分更大的加工應(yīng)力。對比有無缺口的分析試樣，表明缺口加工工藝對管坯拉深后的組織和硬度無影響。

4　結(jié)語

通過采取以上措施，在不改變管坯狀態(tài)及拉深模具等工藝參數(shù)的前提下，將整體剝離模式簡便快捷地調(diào)整為開裂剝離模式，解決了影響管坯表面質(zhì)量的工藝技術(shù)問題，取得了良好效果。

[1] 馬振平，張濤. 滾珠旋壓成型技術(shù)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

[2] 王愛珍. 冷作成形技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 徐開先. 波紋管類組件的制造及其應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4] 航空制造工程手冊編委會(huì). 航空制造工程手冊—彈性元件工藝[M].北京：航空工業(yè)出版社，1994.

[5] 阮汝祥. 技術(shù)創(chuàng)新方法基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

(編輯李靜)

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Notch induced cracking method of stripping layer improving the surface quality of thin walled tube spinning

WANG Zhansheng

(Taiyuan Aero-instruments Co., Ltd., Taiyuan 030006, CHN)

Based on the spinning drawing stripping layer formation and cracking mechanism analysis, propose the technique that pre-made the notch at the bottom of the tube billet surface, verify through practice, under the inducing effect of dent gap, the cracking effect of stripping layer is stable, and it effectively solves the technology problems affecting the quality of pipe surface.

spinning; stripping layer; cracking

TH161.5

B

2014-06-15)

160126