一種鉬波紋板加工工藝分析及研究

黨曉明，馮鵬發(fā)，史振琦，李大斌，張常樂，張鐵軍

（1.金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西 西安710077）

（2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司金屬分公司，陜西西安710077）

（3.寶雞市蘊杰金屬制品有限公司，陜西寶雞721013）

0 引 言

國外Plansee、HC Starck等知名企業(yè)鉬的深加工產(chǎn)品豐富，且產(chǎn)品以品質(zhì)優(yōu)異、附加值高等優(yōu)勢占領(lǐng)國內(nèi)外高端市場。所涉及的領(lǐng)域廣泛，有涂層工業(yè)、照明行業(yè)、醫(yī)療科技、電子工業(yè)、航空和國防等領(lǐng)域。國內(nèi)安泰天龍，廈門虹鷺等在鉬的深加工領(lǐng)域都經(jīng)營多年，且產(chǎn)品豐富，有鉬板、鉬片材、工業(yè)爐用鉬制品、TZM、TZC、鉬坩堝、鉬管、鉬蒸發(fā)舟等。據(jù)國際鉬協(xié)會公布，近年來世界鉬的消費結(jié)構(gòu)，鉬深加工制品消耗量約占整個鉬消費量的10%，其中鉬鈑金件產(chǎn)品約占深加工制品的25%～30%，該類產(chǎn)品具有加工工序多、成形工藝復(fù)雜、小批量等特點，因此產(chǎn)品附加值高。金屬鉬是熔點為2 620℃的難熔稀有金屬，雖然具有高強度、高抗蠕變性能，高導(dǎo)熱性及可測量等優(yōu)良特性，但由于其低溫脆性和高溫抗氧化能力差等原因[1]，增加了鉬制品深加工的難度，本文針對一種鉬波紋板（鈑金件）的加工工藝進行研究及探討，并進行了模具設(shè)計、加工等。

1 產(chǎn)品分析

圖1 鉬波紋板3D圖

產(chǎn)品見圖1，一種鉬波紋板鈑金異形件，產(chǎn)品尺寸330 mm×160 mm×δ2mm，有多個波峰，多個波谷，波紋折彎角為α＝120°，圓弧角度β＝60°，該波形為連續(xù)的圓弧形和直線段相切組成，圓弧外半徑為R1，內(nèi)半徑為R2，波形每個周期相同，波紋板厚度公差為（2±0.06）mm，整體最大不平整度≤0.5 mm。該產(chǎn)品材質(zhì)為高溫鉬合金，對雜質(zhì)要求嚴格，尺寸公差、形位公差要求嚴格，對波紋整體厚度均勻要求高，成品表面噴砂處理，產(chǎn)品為小批量訂單。

一般生產(chǎn)波紋板的主要方法有輥壓法、沖壓法和液壓法等。該產(chǎn)品加工難度很大，基本加工流程為壓制—燒結(jié)—軋制—波紋成型—切割—噴砂—成品。本文主要討論波紋成形的加工方法及工藝參數(shù)對波紋板加工的影響。

2 材料準備

用Pro／E建立模型后，模擬板材變形補償量及工藝加工所需余量，計算出鉬板（δ2 mm）的尺寸，然后計算鉬板坯質(zhì)量。根據(jù)軋制鉬板所需軋制變形量，計算鉬板坯尺寸。采用高溫鉬合金粉進行壓制板坯，中頻爐氫氣燒結(jié)，燒結(jié)完成后軋制到（δ2±0.06）mm，且為冷軋表面，軋制完后進行再結(jié)晶退火，退火溫度1 050～1 200℃。按建模后計算尺寸切割，待加工波紋成形。

3 工藝分析研究

3.1 縱向輥壓法

采用縱向輥壓法，縱向輥軋冷彎成形由來已久，自美國在1910年定制輥式冷彎成形工藝并建立第一套輥式冷彎型鋼機組以來，冷彎成形工藝迅速發(fā)展。國內(nèi)外輥軋冷彎成形工藝經(jīng)過一百年的發(fā)展已很成熟，主要加工大型鋼板。該工藝分為全波紋同時成形和順序成形法[2，3]。

圖2 全波紋成形法和順序成形法

鉬板需要在加熱后進行輥壓變形，全波紋法不能一次變形，需要經(jīng)過多道次變形后達到成品尺寸。順序法需要先成形中間波紋，然后向軋輥兩端一次成形波紋。因此兩種方法都需要設(shè)計多套輥輪來成形。兩種成形方式通過確定成形機、確定成形底線、計算板料展開長度、計算各道次斷面尺寸、確定成形道次、確定機組間距、設(shè)計每道軋輥孔型、確認軋輥精度等一系列設(shè)計優(yōu)化，確定波紋板成形輥花圖，進而定制輥彎成形機組。

該方法需要多組機架和軋輥，軋輥模具波形設(shè)計復(fù)雜、加工試制周期長、成本高，因此不適用小批量、小尺寸的鉬板成形加工。

3.2 橫向軋輥齒輪式成形

橫向軋輥齒輪成形，板材經(jīng)過如圖3上下相對旋轉(zhuǎn)的軋輥齒輪模具（軋輥的輥齒沿軋輥軸向方向分布）后，板材經(jīng)過上下輥齒的擠壓軋制，形成波紋板。相對于縱向成形波紋板，橫向成形波紋板有其優(yōu)缺點：優(yōu)點一是橫向成形方式不限制波紋板的長度，可以做到連續(xù)成形；第二是橫向成形方式只需要一對成形輥，一套機架，成本較低，容易實現(xiàn)；但是橫向成形波紋板的波紋精度較低，可以成形的波紋寬度受軋輥寬度限制。

該輥輪的輥形設(shè)計加工要求高，波紋由平面變?yōu)閳A周分布，波形的折彎角α＝120°必然變化，如何設(shè)計輥齒保證輥壓波形的尺寸為一技術(shù)難點，波紋板的波紋精度較低，且受力不均造成翹曲，整體不平整度也難控制。方法可行，但難度較大。

圖3 軋輥齒輪模具簡圖

3.3 整體液壓成形

圖4為整體液壓成形模具簡圖，模具材質(zhì)為冷作模具鋼Cr12MoV，上下模波形完全依照產(chǎn)品波形，外形尺寸略大于產(chǎn)品尺寸。模具安裝在四柱液壓機平臺上，下模固定在液壓機下安裝板，上模安裝在液壓機上安裝板。鉬板在加熱狀態(tài)下，放置于下模上，下模固定，上模下行，上下模具波形咬合，使鉬板成波浪形。

該方法能保證鉬板波形整體尺寸，且一致性好。在上下模咬合過程中，隨著板料被壓入凹模，兩側(cè)的板料會向凹模型腔內(nèi)收縮。但多個波形同時擠壓變形，阻礙了鉬板的金屬自由流動或收縮，如果將板料兩側(cè)壓死，則壓邊力和成形力將顯著增大[4]，造成板料兩側(cè)和每個波形范圍內(nèi)的板材產(chǎn)生塑性拉深變形，而非折彎變形。這樣每個波紋經(jīng)塑性變形后變薄，如果變形溫度低，鉬薄板在受到擠壓過程中經(jīng)過拉深變形容易開裂。因此該工藝無法保證鉬波紋板波紋的厚度公差并難以控制其均勻性，該方法不可行，應(yīng)考慮其他方法解決。

圖4 整體沖壓模具圖

3.4 步進式成形加整體校形

為了解決整體波紋板成形過程中造成鉬板局部造成拉深的現(xiàn)象，首先采用步進式彎折模具如圖5，步進成形波紋板。模具材質(zhì)為冷作模具鋼Cr12MoV，上模設(shè)計3個波形，下模具設(shè)計4個波形，模具長度略大于330 mm。模具安裝在折彎機上，上?？梢噪S上安裝板上下行程，下模固定。用加熱槍加熱鉬板前端部分，如圖5鉬板前端放置在模具第1道波紋上，鉬板第一道波紋彎折成形后，上模上行。鉬板第一道波紋放置于下模第2道波紋槽內(nèi)，下行上模，鉬板第二道波紋彎折成形，依次步進，所有波紋全部彎折成形，每次變形前用加熱槍加熱變形部分。此成形模具和加工工藝，有效避免了相鄰波紋同時成形時金屬互相干涉，影響鉬板自由收縮造成鉬板的局部拉深變形，保證了每道波紋都是折彎變形，因此保證了鉬板波紋厚度的一致性，但整體波紋形狀稍差。

圖5 步進式模具圖

用步進式模具依次把波紋加工完成，再次整體加熱鉬板后，放置于圖4設(shè)計的整體成形模具中，進行二次校形，以此來保證整體波紋形狀及尺寸。此工藝方法加工的鉬波紋板厚度，尺寸公差和形位公差達到產(chǎn)品圖紙的各個參數(shù)要求。該模具設(shè)計加工周期短，簡單經(jīng)濟，適合鉬波紋板金屬件小批量的加工。

調(diào)整折彎加熱溫度、加熱時間、折彎力等工藝參數(shù)。該加工工藝每個波紋為折彎變形，根據(jù)壓力公式[5，6]計算出折彎鉬板之噸位壓力，折彎時調(diào)節(jié)遠程調(diào)壓閥的手輪。使壓力稍大于計算折彎噸位，這樣可減少機器的無謂負載。

圖6 折彎示意圖

式中：S-板材厚度／mm；

L-板材折彎寬度／mm；

V-下模開口寬度／mm；

K-彎曲變形區(qū)投影寬度／mm；

σb-材料抗拉強度／MPa；

P-折彎力／kN。

波紋板S＝2 mm，L＝320 mm，V＝22.4 mm，K＝7.7 mm，σb約600 MPa，根據(jù)公式計算得出折彎力為約52 kN，調(diào)節(jié)折彎機壓力略大于52 kN。

4 后續(xù)加工處理

經(jīng)過步進式加整體校形成形后的波紋板，進行去應(yīng)力退火，退火溫度800～1 050℃，再用線切割設(shè)備定位并按圖紙尺寸切割后，經(jīng)過清洗、噴砂等工序達到產(chǎn)品要求的表面質(zhì)量，如圖7為成品照片。

圖7 鉬波紋板成品照片

5 結(jié) 論

（1）縱向和橫向輥壓法，輥齒設(shè)計復(fù)雜、調(diào)試周期長，適用于大批量，冷變形工藝的金屬材料波紋板的生產(chǎn)，不適用于小批量、變形抗力大、低溫脆性的鉬板材波紋板的加工。

（2）鉬波紋板整體成形方法，造成相鄰波紋互相干涉影響鉬板自由收縮導(dǎo)致鉬板的局部拉深變形，無法保證鉬波紋板波紋整體厚度的均勻性。

（3）步進式成形加整體校形加工鉬波紋板工藝，保證了鉬板波紋厚度的一致性、波紋尺寸和公差要求。且模具設(shè)計加工周期短，簡單經(jīng)濟，對于鉬金屬波紋板小批量的特點適用性強。