大尺寸薄壁LF6 鋁合金筒體旋壓成形技術

黑愛卿，李鈺，鄧全得，陳曦，李仲輝

（西安航天發(fā)動機有限公司，西安 710100）

大型薄壁圓筒成形的工藝方法主要有板料卷焊和鍛坯旋壓成形兩種。板料卷焊圓筒工藝簡單、成本適中，需焊接而成，焊接件耐壓強度低于整體產(chǎn)品，同時制造精度難以滿足精密裝配要求。對于筒體回轉(zhuǎn)類產(chǎn)品，旋壓工藝技術是很好的實現(xiàn)方式。所謂旋壓，是指借助旋輪作進給運動，加壓于隨芯模沿同一軸線旋轉(zhuǎn)的金屬毛坯，使其產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形而成為所需空心回轉(zhuǎn)體零件。旋壓成形方法不僅具有節(jié)省材料、降低成本、模具簡單等優(yōu)點，而且旋壓產(chǎn)品壁厚均勻，易于得到較高的精度，產(chǎn)品材料組織結(jié)構(gòu)好，晶粒細小并具有纖維狀特征，強度和硬度得到了提高，可以有效提高材料綜合性能[1—2]。

大尺寸薄壁LF6鋁合金筒體是某型號飛機副油箱的主體部分，為中空回轉(zhuǎn)體零件，長度為1750 mm，壁厚為（3±0.2）mm，直徑精度為Φ796±0.5 mm，如圖1所示。LF6屬于鋁鎂系熱處理不強化變形鋁合金，具有較高的塑性及耐蝕性，板料卷焊成形產(chǎn)品精度、強度均不滿足相關要求[3]，若采用鍛件整體車削加工，成本極高，故急需開展流動旋壓工藝技術在大尺寸薄壁筒體類產(chǎn)品上的應用。

圖1 LF6 鋁合金筒體尺寸Fig.1 Cylinder size of LF6 aluminum alloy

1 材料

LF6鋁合金材料的化學成分如表1所示，其室溫下的密度為4.5 g/cm3，抗拉強度≥315 MPa，屈服強度≥160 MPa，伸長率約為15%，斷面收縮率約為40%，彎角≥20°。產(chǎn)品的技術要求為：①壁厚為（3±0.2）mm，形面線輪廓度為±0.3 mm；② 兩端口部直徑精度為±0.5 mm。產(chǎn)品特點為該產(chǎn)品屬于大直徑薄壁筒形件，其相對高徑比L/φD=2.2，相對厚度t/φD=0.004。

表1 LF6 鋁合金化學成分Tab.1 Chemical composition of LF6 aluminum alloy

2 工藝方案

2.1 工藝方案對比

對于上述薄壁筒形產(chǎn)品，目前常用的工藝方法有：①板材卷筒成形+縫焊；② 鍛件直接車削加工成形；③鍛件圓形毛坯正旋壓成形；④ 鍛件筒形毛坯反旋成形。從工裝尺寸、工序數(shù)量、材料成本、工藝難度及產(chǎn)品性能等方面綜合對比，上述工藝方法的優(yōu)缺點比較結(jié)果如表2所示。

表2 圓筒形零件成形工藝方法對比結(jié)果Tab.2 Comparison results of advantages and disadvantages of tube forming process

從表2可以看出，筒形鍛件毛坯反旋成形的工藝方案具有工藝裝備簡單、中間工序少、材料利用率高、質(zhì)量高、廢品率低等優(yōu)點，是大尺寸薄壁筒形件成形的理想工藝方法。

2.2 流動旋壓技術特點

筒形件流動旋壓是制造薄壁筒形件最有效的工藝方法之一，采用強力旋壓工藝得到的薄壁筒形件具有晶粒致密、強度高、尺寸精度高、材料利用率高、工藝裝備簡單、所需設備噸位小、成本低等優(yōu)點[4—5]。

流動旋壓的特點如下[6—7]：①制品整體無焊縫，相對于卷焊圓筒，消除了縱向焊縫影響，并通過塑性變形極大提高了工件的機械性能，同時，減少了筒體制造過程中的焊接、退火、探傷等工序，降低了制造成本；② 由于金屬變形區(qū)具有對稱性，工件殘余應力狀態(tài)得到明顯改善，內(nèi)表面貼胎間隙為0.1 mm，外表面由對稱旋輪進行加工，這是實現(xiàn)筒形件高尺寸精度、高表面質(zhì)量的關鍵因素；③材料利用率髙，由于旋壓為無切削加工，旋壓加工與其他機加工相比，可節(jié)約大量原材料；④ 制品范圍廣，旋壓可以成形大直徑薄壁管材、變斷面管材、橢圓形等帶有階梯狀和變化壁厚的幾乎所有的回轉(zhuǎn)類零件。

流動減薄旋壓根據(jù)金屬流動的方向又可分為正旋和反旋。正旋時已加工區(qū)受到拉應力的作用，而未加工區(qū)不受應力作用。金屬流動方向同旋輪進給方向相同。反旋時未加工區(qū)受到壓應力作用，已加工區(qū)不受應力作用。金屬流動方向與旋輪進給方向相反。對于筒形件來說，一般會改變工件的壁厚和筒形件的長度，而內(nèi)徑不變。正、反旋壓示意圖如圖2所示。

由于流動反旋時毛坯懸空，在相同的初始壁厚和變形程度下，反旋旋壓胎長度為正旋時的一半左右，極大降低了模具成本，故本方案采用反旋加工。

圖2 筒體正、反旋流動旋壓過程Fig.2 Positive and reverse spin flow spinning process of cylinder-shaped part

3 流動旋壓成形工藝設計

3.1 毛坯計算

旋前鍛坯為塑性良好的退火態(tài)，根據(jù)流動旋壓過程中毛坯體積不變定律，并忽略毛坯與芯模的裝配間隙、壁厚不均勻等因素的影響，旋壓成品的長度計算如式（1）[8]，其中當d＞＞t0,tf時，t0l0≈tflf。

式中：t0為旋壓前筒形毛坯厚度；l0為旋壓前筒形毛坯長度；tf為旋壓后筒形毛坯厚度；lf為旋壓后筒形毛坯長度；l為旋壓產(chǎn)品長度；dm為芯模直徑。

3.2 極限減薄率計

流動旋壓成形材料一次旋壓極限變薄率與斷面收縮率關系的經(jīng)驗計算公式為[8]：

式中：z為材料斷面收縮率；t0為筒形件初始壁厚；ti為筒形件旋壓后壁厚。

變薄旋壓減薄率反映工件變形程度。變薄旋壓道次減薄率對工件內(nèi)徑的脹縮量及尺寸精度的影響較大，在總變薄率確定后，根據(jù)工藝條件和工件尺寸的精度要求，可分成若干道次進行變薄旋壓。減薄率過小會導致加工效率低下，道次減薄率過大容易造成材料堆積，表面呈現(xiàn)波紋、折疊等缺陷。道次減薄率過小會引起工件厚度變形不均，工件內(nèi)表變形不充分而出現(xiàn)裂紋。道次減薄率為20%～30%時是最佳選擇值[9—10]。

LF6 合金在室溫下斷面收縮率約為40%，塑性較好。根據(jù)式（2）得出極限減薄率為70%，實際確定從鍛坯到薄壁工件總減薄率約為62.5%，減薄量約為5 mm，分3 道次減薄變形，每道次減薄率約30%，進給量約1 mm/r。第一道次大變形量，可以使管坯變形充分，避免出現(xiàn)外部金屬流動過快而內(nèi)壁變形不充分產(chǎn)生的內(nèi)裂現(xiàn)象。最后一個道次為保證工件精度采用小減薄率。筒體口部坯壁可不加工或加厚，加強圓度控制。

3.3 旋壓力計算

流動旋壓過程中，旋壓力可求解為：

式中：δ0為毛坯材料的厚度；f為進給率；αρ為旋輪成形角；Dρi為旋輪直徑；σm為平均有效應力。

3.4 過程工藝參數(shù)確定

1）旋壓道次：流動旋壓時把初始筒形鍛坯減薄至近成品件厚度3 mm，考慮到筒體口部剛性預留尺寸，流動旋壓引起的擴徑量、減薄率、后續(xù)車切余量，由此一步步反推算出旋壓次數(shù)為3 次，及初始鍛坯尺寸為8 mm×Φ789.2 mm×800 mm，鍛坯尺寸精度經(jīng)車削保證。

2）旋輪參數(shù)：單旋輪旋壓時徑向力不平衡，適宜薄壁短件成形。雙旋輪適宜中等規(guī)格的旋壓件[11]，工件直徑為Φ200～Φ400 mm，長度小于2 000 mm。均布三旋輪方案更為合理，成形過程中可以有效夾緊坯料，減少模具偏心，增加塑性變形區(qū)及有益改善應力分布。文中因條件限制采用對稱雙旋輪旋壓。旋輪直徑影響旋輪軸承的安裝空間與使用壽命，對旋壓件的質(zhì)量影響不大，一般取（Φ150～Φ300 mm）。

旋輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為成形角αρ和頂部圓角Rρ：當αρ增大時，工件變形區(qū)畸變增大，使隆起和堆積傾向增大；當αρ減小時，旋輪和毛坯接觸面積增大，容易擴徑[12—13]。αρ選擇范圍為15°～30°，Rρ增大可使旋輪與毛坯接觸面積增大，從而提高旋壓表面質(zhì)量，同時又會增加旋壓徑向力和軸向力，容易使毛坯在旋壓過程中發(fā)生起皺、傾倒失穩(wěn)、拉裂；當Rρ減小時，有利于毛坯貼胎，同時會造成切削現(xiàn)象，使旋壓件表面起皮、掉屑、擠斷。根據(jù)毛坯材料、尺寸及旋壓特點，一般選取Rρ=（0.6～1）t0，表面粗糙度Ra=0.8 μm，表面跳動量為0.015 mm，旋輪材料選用W18Cr4V，表面硬度HRC58～HRC60。

3）進給率f與轉(zhuǎn)速n：進給率含義是芯模每轉(zhuǎn)一周旋輪沿著工件母線的進給量。變薄旋壓時，進給率對工件直徑的脹縮和工件質(zhì)量均有影響。適量的大進給率有助于提高效率和縮頸，但易造成旋輪前材料的堆積，小進給率有利于提高表面質(zhì)量，但易出現(xiàn)起皮和擴徑。筒形件流動旋壓常用的進給比一般在0.5～1.5 mm/r 之間，同時結(jié)合實際產(chǎn)品多次試驗的經(jīng)驗，三道次旋壓的進給比分別為f1=1.4 mm/r，f2=1.2 mm/r，f3=1.0 mm/r。轉(zhuǎn)速n與進給率f有關，常搭配使用[14]。在旋壓進給量一定的條件下，轉(zhuǎn)速高則進給率下降，轉(zhuǎn)速低則進給率上升。提高主軸轉(zhuǎn)速可以提高生產(chǎn)效率并改善旋壓質(zhì)量。此外，轉(zhuǎn)速提高后，增加變形熱，還會引起機床震動等現(xiàn)象。通常轉(zhuǎn)速n取30～200 r/min。

4）旋壓間隙：旋輪與旋壓胎的法向距離。一般旋壓間隙=實際料厚±偏移量（根據(jù)實際情況酌情調(diào)整）。

5）潤滑劑：機油+MoS2+氯化石蠟。

6）旋壓溫度：室溫。

綜上所述，旋壓工藝參數(shù)如表3 所示。

3.5 零件成形工藝流程

根據(jù)以上分析計算及有效控制一旋、二旋、三旋減薄率和產(chǎn)品質(zhì)量，最終確定了筒體成形的工藝流程，如圖3 所示。

表3 圓筒形產(chǎn)品旋壓工藝參數(shù)Tab.3 Spinning process parameters of cylindrical products

圖3 筒形件成形工藝流程Fig.3 Cylindrical product forming process

4 設備選用及工裝

4.1 旋壓所用工裝及模具

根據(jù)零件尺寸中的徑深比、尺寸精度和旋壓過程中旋壓力，結(jié)合機床加工范圍和功能，選用CZ1500/2 CNC 數(shù)控雙輪旋壓機床。

圖4 旋壓模胎實物Fig.4 Spinning mould

在旋壓過程中，芯模是決定產(chǎn)品成形質(zhì)量的主要零件，必須具有足夠的強度、剛度和表面粗糙度[15—16]。旋壓模胎是旋壓加工的主要關鍵工藝裝備，其設計精度直接影響旋壓成形件的質(zhì)量。要求旋壓胎體回轉(zhuǎn)形面與大端安裝定位面軸線同軸度≤0.03 mm、回轉(zhuǎn)跳動量≤0.03 mm、形面輪廓度≤0.03 mm，粗糙度Ra≤0.8 μm，材料選用5CrMnMo，表面硬度為HRC50～HRC55，通過轉(zhuǎn)接法蘭與旋壓機床固定，通過卡槽固定塊實現(xiàn)旋壓產(chǎn)品的固定，如圖4 所示。

4.2 端面車切所用設備及工裝夾

根據(jù)零件高度及最大回轉(zhuǎn)直徑，選用C6016 臥式落地車床。用車切夾具來保證零件兩端面的平行度、端面對軸線的垂直度。

5 旋壓過程及產(chǎn)品質(zhì)量

按照上述確定的工藝參數(shù)、旋壓設備及工裝磨具對2件LY6筒形毛坯進行旋壓，整個旋壓過程與上述理論分析相符。使用測量工具對旋壓后的產(chǎn)品尺寸進行了測量，結(jié)果為：壁厚從大端到小端變化均勻，壁厚公差≤±0.1 mm；內(nèi)形面與切內(nèi)樣板間隙≤0.1 mm（局部≤0.20 mm）；內(nèi)表面、外表面粗糙度Ra≤3.2 μm，表面光滑無缺陷；大、小端內(nèi)徑公差≤±0.2 mm，詳見表4。

表4 產(chǎn)品尺寸精度Tab.4 Dimension accuracy of product mm

6 結(jié)論

流動反旋成形工藝方法，具有工藝簡單、操作方便、經(jīng)濟合理、質(zhì)量可靠、合格率高、制件一致性好的優(yōu)點。采用筒形鍛坯流動反旋成形的工藝方法對大尺寸薄壁LF6 鋁合金的加工研究，可得出以下結(jié)論。

1）采用筒形鍛坯流動反旋成形工藝方法實現(xiàn)了大尺寸薄壁LF6 鋁合金的加工。

2）使用對稱雙旋輪旋壓設備和高精度旋壓模胎，確定旋輪成形角αρ、頂部圓角Rρ、道次、進給率和轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)，能夠保證旋壓后壁厚公差均滿足≤±0.1 mm，內(nèi)形面與切內(nèi)樣板間隙≤0.1 mm，內(nèi)表面、外表面粗糙度Ra≤3.2 μm，大、小端內(nèi)徑公差≤±0.2 mm 的高精度合格產(chǎn)品。