多芯模多道次分析檢測(cè)用鉑坩堝的旋壓成形研究

張索林

（江蘇北礦金屬循環(huán)利用科技有限公司，江蘇 徐州 221121）

鉑熔點(diǎn)高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有極好的抗氧化、耐腐蝕特性，用它制造的器皿、坩堝等廣泛應(yīng)用于高溫熔煉、晶體生長(zhǎng)、光學(xué)玻璃生產(chǎn)和理化分析等領(lǐng)域。旋壓成形是一種板材連續(xù)局部塑性成形的技術(shù)，是一種綜合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環(huán)軋、橫軋和滾擠等工藝特點(diǎn)的無(wú)切削加工的先進(jìn)工藝[1-4]。當(dāng)前，它已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代塑性加工技術(shù)的一個(gè)重要分支，成為薄壁回轉(zhuǎn)體零件加工中優(yōu)先考慮的一種成形工藝[5-6]。與其他成形方法相比，該工藝具有加工工藝柔性好、設(shè)備簡(jiǎn)單、產(chǎn)品質(zhì)量高、易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化和柔性化等一系列優(yōu)點(diǎn)[7-8]。因此，旋壓成形方法在航空、航天和兵器等金屬精密加工技術(shù)領(lǐng)域占有重要地位。鉑是貴金屬材料，試驗(yàn)分析檢測(cè)用鉑坩堝非常適合采用旋壓工藝制造，該工藝具有無(wú)切削性，大大降低了貴金屬鉑的損耗，節(jié)約了材料成本。

過(guò)去制造試驗(yàn)分析檢測(cè)用鉑坩堝時(shí)采用手工成形，這需要技藝高超的人員使用多種模胎和輔助工具，花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能完成一件產(chǎn)品。采用冷沖壓工藝制造，技術(shù)上有了很大的進(jìn)步，但是冷沖壓對(duì)鉑材料本身的強(qiáng)度要求較高，必須適當(dāng)增加壁厚，并且在冷沖壓鉑坩堝的過(guò)程中，底部轉(zhuǎn)角處受到較大拉伸而變薄。從口部到底部的壁厚是相同的，這勢(shì)必要多用一些材料，降低了鉑坩堝的使用壽命。目前，多芯模多道次旋壓成形工藝已經(jīng)很好地解決了這些問(wèn)題。

1 工藝

1.1 坯料制備

坯料制備流程為：原料—熔鑄—鍛打—軋板—落料（坯料）。原材料一般分為兩種，一種是純度99.95% Pt的鉑板、塊、錠，或海綿鉑；另一種是用戶來(lái)料，即損壞的或使用過(guò)的舊坩堝、邊角料等，需要進(jìn)行清洗處理后再使用。原料一般采用高頻爐熔煉，少量的用戶來(lái)料可用氫氧爐熔煉，鑄錠經(jīng)鍛打、退火、軋制到所需要的板材厚度，然后剪裁成圓形坯料。板料的厚度和直徑大小按等面積原則及用戶提出的規(guī)格及重量要求計(jì)算。工序間的退火溫度為800℃，時(shí)間為20～ 30 min。

1.2 旋壓成形工藝流程

旋壓成形工藝流程為：坯料—多芯模多道次拉伸旋壓—強(qiáng)旋減薄成形—壓光裁剪—產(chǎn)品。旋壓成形是在普通車(chē)床上進(jìn)行的[9]。毛坯起皺是薄壁零件普旋加工中較易發(fā)生的工藝缺陷，為了易于旋壓成形，減少旋壓過(guò)程中的起皺等缺陷，人們可以采用多芯模多道次成形工藝，其主要分兩個(gè)工藝過(guò)程進(jìn)行。首先進(jìn)行普通拉伸旋壓即普旋，然后進(jìn)行強(qiáng)力旋壓減薄成形。旋壓成形過(guò)程如圖1所示。

圖1 旋壓成形示意圖

1.2.1 普通拉伸旋壓

多道次普通旋壓是在一個(gè)芯模上通過(guò)多次旋壓使毛坯逐步貼緊芯模，最終完成工件成形，其間坯料壁厚基本保持不變，坯料旋壓成形后的表面積應(yīng)與坯料的面積相等。如圖2所示，圓板坯料經(jīng)中間芯模A1、A2及成形模具A普旋形成杯型毛坯B1、B2及B（圖中實(shí)線部分），它們的表面積均等于圓板坯的面積，這也是普旋成形的工藝特征。A1、A2是錐度從大到小的一組過(guò)度中間芯模，A是坩堝成形模具，一般旋壓成形一個(gè)坩堝需用2～4個(gè)中間芯模。

普旋操作要領(lǐng)如下：將坯料置于模芯的正確位置，用車(chē)床尾頂壓緊，采用多道次旋壓成形工藝，從坯料的底部開(kāi)始，使坯料逐漸貼合模芯，如圖1所示，從搟棒與坯料的接觸施力點(diǎn)開(kāi)始完成一個(gè)進(jìn)給行程（搟棒離開(kāi)坯料）即為一個(gè)道次的旋壓操作，每一道次操作的進(jìn)給力度幅度大小及運(yùn)動(dòng)軌跡要根據(jù)坯料直徑、厚度以及實(shí)際情形等經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制。

圖2 芯模及胚料成型示意圖

通常情況下，首個(gè)芯模第一道次的旋壓非常重要，第一道次的變形方式和以后各道次的變形方式截然不同[10]。搟棒與坯料的接觸面最大，可認(rèn)為是線接觸，操作力度要輕，搟棒移動(dòng)幅度要小，首先使坯料底部逐步貼緊芯模的底部，隨著旋壓道次的增加，坯料外緣部分不斷收縮，并與芯模的貼合度增加，搟棒與坯料的接觸從線接觸逐漸變?yōu)閾{棒的柱狀形體與坯料形體的相貫部分接觸。

在旋壓過(guò)程中，坯料產(chǎn)生異常聲音且有震動(dòng)感時(shí)應(yīng)立即停止操作，這種情況表明坯料已產(chǎn)生折褶，甚至“倒伏”，需要及時(shí)修整，必要時(shí)進(jìn)行退火處理后方可繼續(xù)進(jìn)行旋壓。當(dāng)坯料與芯模完全貼合形成杯型時(shí)，進(jìn)行退火處理，然后進(jìn)入下一個(gè)工序。

1.2.2 強(qiáng)力流動(dòng)旋壓

強(qiáng)力旋壓又稱變薄旋壓，它是在普通旋壓基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種近無(wú)余量加工方法，是一種建立在坯料與成形工件體積相等基礎(chǔ)上的工藝方法，其實(shí)質(zhì)為利用旋壓工具加壓于坯料，旋轉(zhuǎn)的坯料借助外力沿成形模具進(jìn)行局部碾壓，產(chǎn)生塑性流動(dòng)變形而變薄延伸，得到高精度薄壁回轉(zhuǎn)體零件。

強(qiáng)力旋壓操作要領(lǐng)如下：將普旋得到的杯型坯料B裝套在成形模A上，用鑲嵌有瑪瑙的搟棒從料坯底部徑向用力施壓，并緩慢勻速沿芯模母線向坯料外緣作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，坯料受到瑪瑙搟棒擠壓，產(chǎn)生逐點(diǎn)連續(xù)的局部塑性流動(dòng)變形，在搟棒的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和坯料的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)共同作用下，局部的塑性變形逐步擴(kuò)展到坯料的全部表面，控制力度，反復(fù)操作，使坯料厚度不斷減薄延伸，直到達(dá)到尺寸規(guī)格要求，如圖2中的B部分虛線所示。

2 工藝分析與討論

2.1 坯料尺寸選擇

用于分析檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)鉑坩堝按1 g/mmL（包括蓋重）定制，其規(guī)格尺寸如表1所示?？紤]到美觀，坩堝的外觀形體設(shè)計(jì)為曲母線旋轉(zhuǎn)體，如圖2所示。旋壓成形的板料厚度和直徑按等面積、等厚度原則及用戶提出的規(guī)格、重量等要求進(jìn)行計(jì)算。

表1 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)分析測(cè)試用鉑坩堝規(guī)格尺寸

2.2 旋壓芯模及工具

旋壓芯模時(shí)，事先預(yù)制一套多次成形中間芯模及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)容量的成形模具。中間芯模（如圖2中A1，A2等）和成形模具A用普通鋼如45號(hào)鋼等制造即可，表面光潔，硬度HR～45，成形模具A作鍍鉻光亮處理，以提高坩堝內(nèi)壁表面光潔度。

旋壓工具一般有金屬制不同形狀的鈍頭型旋壓棒和滾輪式旋壓器等[11]。本研究采用的是一種簡(jiǎn)單的搟棒。搟棒材質(zhì)主要有兩種，一種是硬木料，如膠木、棗木等，用于普旋過(guò)程；另一種是在普通棒材上鑲嵌有瑪瑙的搟棒，用于強(qiáng)旋和壓光。搟棒工作部位要求光滑平整，不得有表面缺陷。選擇搟棒，優(yōu)點(diǎn)是材料易得、好制作，維護(hù)簡(jiǎn)單，更重要的是，木制的搟棒具有一定的柔性，不像金屬制旋壓器剛性強(qiáng)，在旋壓過(guò)程中對(duì)坯料損傷、磨損小，更易于靈活操控。

2.3 旋壓工藝參數(shù)選擇

一般情況下，旋壓主軸轉(zhuǎn)速即坯料轉(zhuǎn)速選擇600～1 000 r/min，轉(zhuǎn)速太低，坯料不穩(wěn)定，易產(chǎn)生折皺等缺陷，轉(zhuǎn)速過(guò)高，不易操作和控制力度。普旋時(shí)的轉(zhuǎn)速可低些，強(qiáng)旋和壓光時(shí)可高些。

每個(gè)芯模旋壓結(jié)束后，都要對(duì)坯料進(jìn)行退火處理，一般來(lái)說(shuō)，退火溫度為600～800℃，時(shí)間為10～20 min。在多道次旋壓過(guò)程中，如果坯料加工硬化比較嚴(yán)重，可適當(dāng)增加中間退火處理，退火溫度可低些，時(shí)間短一點(diǎn)。

搟棒的直徑大小根據(jù)坯料厚度及直徑大小合理選擇，一般為10～30mm，其選擇原則是直徑和厚度小、宜用的搟棒，否則選用較粗的。較粗的搟棒相對(duì)更有利于成形。

進(jìn)給速度與毛坯轉(zhuǎn)速的選擇相關(guān)，毛坯轉(zhuǎn)速越高，穩(wěn)定性越好，而進(jìn)給量大小取決于材料的穩(wěn)定性。通常，進(jìn)給速度過(guò)高易使工件起皺，反之過(guò)低則會(huì)引起壁部破裂。

進(jìn)給比是搟棒縱向進(jìn)給速度與主軸轉(zhuǎn)速的比值，它與搟棒的粗細(xì)和表面形態(tài)，坯料的力學(xué)性能、表面質(zhì)量及厚度等因素有關(guān)。多道次普旋中，起初的道次進(jìn)給比要小些，一般在0.5～2 mm/r，但這些都要視具體坯料的當(dāng)前狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

2.4 可旋成形性分析

在實(shí)際成形中，通常用拉伸比即坯料外徑與芯模直徑比作為判斷可旋性的指標(biāo)。從表1來(lái)看，分析檢測(cè)用鉑坩堝容量規(guī)格小、壁薄，一次旋壓成形難度大，可旋成形性低，容易出現(xiàn)各種缺陷，甚至無(wú)法成形。

以30 mmL的標(biāo)準(zhǔn)鉑坩堝為例（參見(jiàn)表1），它是實(shí)驗(yàn)室及生產(chǎn)中應(yīng)用最多的產(chǎn)品。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可視為圓錐臺(tái)體，按等表面積等厚度進(jìn)行計(jì)算。

已知鉑的密度ρ＝21.45 g/cm3，30 mmL鉑坩堝重量W=24 g，則其表面積為：

按等表面積計(jì)算，設(shè)圓板坯料的直徑為D0，則有：

按等體積重量計(jì)算，設(shè)圓板坯料厚度為t0，則有：

這意味著一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)30 mmL重為24 g鉑坩堝，需要一個(gè)直徑約71 mm、板厚約0.27 mm的圓板料才能完成旋壓成形。實(shí)際考慮到修剪等邊料問(wèn)題，直徑一般都會(huì)選取大一點(diǎn)，擴(kuò)大3～5 mm，即D0為74～76 mm。

這樣拉伸比達(dá)到了3.3（74/22≈3.3）以上，可旋成形性很低，事實(shí)上，厚度在一定范圍對(duì)可旋成形性影響非常顯著[12]。這種影響并非一種線性關(guān)系，一般坯料的相對(duì)厚度越大，越利于成形。對(duì)于小規(guī)格的鉑坩堝，當(dāng)t0值大于0.5 mm時(shí)，影響明顯減弱，當(dāng)t0值小于0.2時(shí)，就很難成形。

搟棒的直徑大小對(duì)可旋性有一定影響，搟棒直徑大，搟棒的前方與毛坯接觸越趨平緩，坯料不容易起皺，壁厚也不容易減薄。

拉伸旋壓成形時(shí)，芯模圓角半徑處貼模成形最為關(guān)鍵，這時(shí)由于坯料的彎曲變形，外側(cè)表面產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，芯模圓角太小會(huì)引起壁厚強(qiáng)烈減薄，并導(dǎo)致破裂，并且已成形圓角半徑處（即圖3中R半徑處）坯料在以后的道次旋壓過(guò)程中承受更多的拉應(yīng)力，因此選擇適宜的圓角半徑對(duì)于順利成形非常重要。

圖3 多道次拉深旋壓示意圖

拉伸旋壓成形的可旋性還受到多種因素的相互影響，如旋壓器形狀、運(yùn)行軌跡、進(jìn)給速度、芯模形狀、毛坯轉(zhuǎn)速和坯料性質(zhì)等。在多道次普通旋壓過(guò)程中，這種因素的影響更為復(fù)雜[13]。

3 生產(chǎn)實(shí)例

3.1 坯料尺寸

以30 mmL的標(biāo)準(zhǔn)鉑坩堝為例（見(jiàn)表1），坯料厚度為0.4 mm，直徑為63 mm。

3.2 成形工序

共用3個(gè)芯模，其中中間過(guò)渡芯模2個(gè)，成形模1個(gè)。普通拉伸旋壓成形，主軸轉(zhuǎn)速為650 r/min，經(jīng)過(guò)3個(gè)工序完成。由于坯料厚度達(dá)到0.4mm，直徑也減小到63 mm，可旋成形性很好，所以，第一個(gè)芯模通常經(jīng)過(guò)1～2道次即可完成，根據(jù)實(shí)際坯料的成形狀態(tài)，第2、3個(gè)芯模成形過(guò)程需要2～4道次才能完成。整個(gè)拉伸旋壓成形后，坯料的厚度基本上沒(méi)有變化。

每個(gè)芯模成形后進(jìn)行退火處理，溫度為600℃，時(shí)間為10 min。強(qiáng)力減薄成形，主軸轉(zhuǎn)速為960 r/min，旋壓過(guò)程中，采用了變壁旋壓，從坩堝底部開(kāi)始到上端口，漸次減薄，坩堝底部最厚，基本上是原板坯料厚度，上口最薄。這樣的斷面結(jié)構(gòu)既符合坩堝使用過(guò)程中受力狀況，又提高了坩堝的使用壽命，節(jié)約了貴金屬。最后，壓光修邊剪裁，完成產(chǎn)品，如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品

4 結(jié)論

多芯模多道次旋壓成形工藝成功應(yīng)用于分析測(cè)試用鉑坩堝的制作中。多芯模多道次旋壓成形工藝，經(jīng)濟(jì)性好，所需設(shè)備少，一個(gè)普通車(chē)床即可，工具、工裝簡(jiǎn)單，采用搟棒作為旋壓工具，材料易得易維護(hù)，更容易操作控制。該工藝非常適合小批量的分析測(cè)試用鉑坩堝的制作，為特殊客戶的定制及返修再加工提供了無(wú)限可能，市場(chǎng)應(yīng)用很好。例如，一個(gè)重24 g標(biāo)準(zhǔn)30 mmL的鉑坩堝，經(jīng)長(zhǎng)期使用后,重量減少到20 g，多芯模多道次旋壓成形工藝能完美對(duì)其進(jìn)行成形加工，其使用壽命不僅沒(méi)有降低，還有所延長(zhǎng)，節(jié)約了貴金屬鉑。該工藝簡(jiǎn)單，可旋成形性高，易操作，成品率高，幾乎無(wú)廢品產(chǎn)生，產(chǎn)品具有完美的斷面結(jié)構(gòu)形態(tài)，使用壽命高，用戶反應(yīng)良好。