滾珠旋壓成形技術在鎂合金成型中的應用

李維壯,張德真,李曉燕,曾 光,許鐿巍,趙春江

(1.太原科技大學 重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024；2.太原科技大學機械工程學院，山西 太原 030024；3.武警北京市總隊參謀部，北京 100027)

0 前言

滾珠旋壓是一種利用滾珠對管坯進行擠壓的旋壓工藝。作為一種特種加工工藝，其工藝特點在于連續(xù)塑性成形，變形面積小，所需旋壓力低，且使用設備易操作、不容易損耗[1]。對常規(guī)工件加工時，可對普通機床進行簡單改造，就可加工制造小直徑薄壁管。因此在精密制造行業(yè)，應用前景十分廣泛，許多專家學者都對該領域進行了一定的探索與研究。但目前，加工大尺寸薄壁管類零件的設備仍然較少，而且在滾珠旋壓過程中，工件與設備的運動狀態(tài)、工藝參數的選擇、成形件質量控制等方面的研究皆存在一定的短板。

滾珠旋壓主要加工變形難度高的金屬材料,而鎂合金在室溫下不易變形，且在各工業(yè)領域中對變形鎂合金的需求很大，故滾珠旋壓工藝是加工鎂合金的不錯選擇。例如，采用大直徑薄壁管旋壓后沿母線剪切展開的方法，來生產鎂合金薄板，這樣可避免傳統(tǒng)制造工藝中的邊裂現象。在美國、歐洲等國家，已用該方法獲得金屬薄帶。

本文主要介紹了滾珠旋壓的成形原理、特征及常見的滾珠旋壓設備，并闡述了鎂合金在滾珠旋壓上應用的優(yōu)勢及發(fā)展前景。

1 滾珠旋壓的成形原理及特征

圖1為正旋滾珠旋壓示意圖。由于管件受到滾珠的擠壓，在變形部位產生了旋壓力。滾珠在模環(huán)內不停的自轉和公轉，同時芯軸朝模環(huán)方向運動，從而管件實現連續(xù)變形[1]。

在滾珠旋壓過程中，因為變形區(qū)的變形較小，管坯在旋壓變形過程中受到的作用載荷較小，且反旋變形區(qū)在壓縮變形狀態(tài)下呈三個方向變形，所以滾珠旋壓時管坯很少發(fā)生滑動摩擦。滾珠旋壓工藝與旋輪旋壓工藝相比，在加工時旋轉軸線是固定不變的[2]。在旋壓過程中，滾珠既可以實現公轉又可以實現自轉，所以管坯表面光潔度高，通過此方法生產得到的管件結構較為穩(wěn)固。此外，管件在加工過程中受到的旋壓力是均勻的，這是因為滾珠在模環(huán)內呈陣列分布，所以在一定程度上管件減小了擴徑現象，保證了穩(wěn)定旋壓，能得到質量高的管件。

滾珠旋壓制造的管件直徑通常2～200 mm之間，經加工后管件壁厚在0.04～1.5 mm之間，整體減薄率可達90%以上。滾珠旋壓多用于加工變形難度大，熔點較高的金屬材料。因為該工藝制造過程所用時間較少，生產的零件精度較高，加工生產中不產生廢料，所以材料利用率高，產品抗拉強度較高，生產的管件長度可達原管坯的1.2～1.5倍。傳統(tǒng)制造技術已經不能滿足零件塑性能力欠佳、但精度要求較高的加工，旋壓工藝往往能很好的解決這類問題。

2 滾珠旋壓技術研究進展

2.1 旋壓機組及大型裝備的研究現狀

由于滾珠旋壓的模環(huán)機械結構不復雜，便于加工，且一般機床經過簡單改造，就可用于加工制造。因此，與傳統(tǒng)旋壓機床相比，制造一臺滾珠旋壓機床的費用較低，可用來大規(guī)模生產[3]。滾珠旋壓機床一般情況下，可劃分兩種形式：臥式滾珠旋壓機，如圖2所示；立式滾珠旋壓機，如圖3所示。

圖2 臥式滾珠旋壓機

圖3 立式滾珠旋壓機

立式滾珠旋壓機的構件一般是三梁四柱形，其具有良好的剛度，加工過程中不易產生振動。常見的有：型號為GX-85的立式旋壓機和型號為XY15-110的立式滾珠旋壓機等[4]。為減少工業(yè)制造成本，一般生產規(guī)格較小的零件時，把臥式機床經過簡單改裝就可用來加工生產。相比與立式旋壓機床，臥式滾珠旋壓機床不易安裝滾珠。常見的臥式滾珠旋壓機有型號為RF-30的旋壓機和型號為LXC40-150的旋壓拉拔機[5]。

在設備的研發(fā)與改進方面,C.Sakaisha[6]提出了一種用滾珠旋壓工藝形成管道內螺紋的設備。我國的第一臺數控旋壓設備誕生于20世紀80年代；張士宏等人[7]研究了型號為CNC的數控滾珠旋壓機,該旋壓機能夠自動移動滾珠，使?jié)L珠能到達指定位置，方便加工制造；趙春江等[8]在現有技術機體中增加軸向負載裝置，提高了高速滾珠旋壓機電主軸的軸向承載能力，開發(fā)出軸向重載的滾珠旋壓設備；王琛等[9]為解決人工向滾珠旋壓模具中布放滾珠對稱性差、速度慢的技術問題，設計開發(fā)出可快速、均勻布放旋壓滾珠的裝置。

目前，隨著精密機械行業(yè)的不斷發(fā)展，對零件加工質量的要求不斷提升，滾珠旋壓機與自動技術的結合，可以提高產品質量、提升生產效率以及實現工業(yè)自動化生產，對于精密制造領域有極大的推動作用。

2.2 成形技術的研究進展

2.2.1 制造工藝方面取得的進展

旋壓技術的最早應用是在我國的陶瓷制造工藝中，隨后在13世紀左右，歐洲的制造領域開始引進、應用；1760年后，旋壓技術在金屬加工中應用愈發(fā)廣泛。我國旋壓技術起源于20世紀50年代，到20世紀80年代中后期，國內旋壓技術的研究轉變?yōu)閺娏π龎汉推胀ㄐ龎?，國內張濤[10]對旋壓技術進行了系統(tǒng)性的總結。

趙云豪[10]系統(tǒng)的總結了旋壓技術，并對多種合金材料的組織性能進行了研究。李彥利[11]對TB2鈦合金回轉件進行了減薄旋壓實驗，探討了鈦合金鍛、擠壓坯料旋壓后的組織、強化效果及塑性變形規(guī)律；同時研究了固溶、時效溫度對其組織性能的影響。徐文臣[12]針對雙向軋壓效應的鈦合金熱強旋過程，深入研究了組織和織構的演變機理及性能控制；并探索了異形金屬復合旋壓的成形機制、界面熱阻的影響機理。蔣成寶和王敬民[13]制備了不同轉速，相同旋壓方法的Ni-Mn-Ga合金多晶薄帶，研究了旋壓速度對合金組織、相變和磁化強度的影響，以及旋壓速度與馬氏體、飽和磁場強度等的關系。李德富等[14]利用光學顯微鏡，掃描電子顯微鏡和萬向拉伸試驗機對Ni-Cr-Mo合金鑄造、旋壓和固溶處理后的組織和性能進行了研究和比較。張婷婷[15]、張媛琦[16]分別對AZ31鎂合金和AZ91鎂合金筒形件進行強力旋壓，研究其組織演變規(guī)律，并用納米壓痕試驗儀對不同旋壓道次筒形件的微/納力學性能進行測試并分析其強化機理。

滾珠旋壓是強力旋壓中的一個分支，在1950年左右應用于國外的精密制造中，隨后我國引入并加以研究，馬振平[1]匯總了關于滾珠旋壓技術的科研結果以及創(chuàng)新點。

江樹勇[17]獲得鎳鈦形狀記憶合金在應變速率和變形溫度下的真實壓應力-應變曲線，研究了鎳鈦形狀記憶合金在熱變形下的力學行為。通過微觀結構的演化研究了鎳鈦形狀記憶合金的動態(tài)恢復，獲得鎳鈦形狀記憶合金動態(tài)恢復與溫度、應變和變形程度之間的關系。詹梅[18]分析了TA15鈦合金在不同速率下的幾何精度和微觀結構，分析了偏移速率和加熱溫度對加熱剪切旋壓件的影響機理。張士宏[19]分析了在滾珠旋壓過程中，管件內部會產生螺紋等缺陷的原因，同時研究了管件的組織性能。M.Kuss[20-21]為了分析管件表面縱向開裂這一情況，建立了有限元模型對此進行研究。此外，對薄壁管進行擴徑模擬與實驗。Ayman A.Abd-Eltwab[22]等人以內花鍵軸套為研究對象，運用滾珠旋壓技術進行加工制造，并對該工藝進行了理論和實踐研究。

2.2.2 旋壓基本參數計算模型

金屬旋壓工藝是彈塑性變形工藝，在加工制造過程中，旋壓力、力矩及功率對于加工設備的選用至關重要(如電動機等)；同時，其力學、動力學特征也對加工參數的選擇起到了至關重要的作用，而參數的選取則直接決定了成形件的質量。而滾珠旋壓時，其變形過程十分復雜，分析時需要綜合塑性力學、摩擦學、動力學等方面的知識。因此，精確分析其運動及力學特性具有重要意義。

M.I.Rotarescu[23]學者推導了滾珠旋壓力的數學表達式。同時，建立了滾珠旋壓的有限元模型，并對該過程進行模擬仿真。但由于該有限元模型結構復雜，因此變形接觸面積計算誤差值大。T.Sumitomo[24]等得到了基于上限元法的內找旋壓力的計算要點。

康達昌、李茂盛，顏永年等[25]基于圓弧形沖壓頭壓入半無限體時的平均接觸壓力計算方法，在討論了其與球形沖頭壓入空間半無限體時的接觸壓力的變化趨勢后，間接推導出了滾珠旋壓力的計算公式，但由于其忽略了滾珠軸向進給所需的壓痕力，因此計算結果存在較大誤差。Harris[26]建立了高速滾珠旋壓擬動力學模型。為了討論陀螺轉矩和離心力對套圈位移的影響，王中堂[27-30]團隊研究了薄壁管的塑性變形規(guī)律。在此基礎上，分析了工藝參數與薄壁管旋壓變形之間的關系，并模擬了旋壓過程中穩(wěn)定的金屬流動與滾珠旋壓角的關系，給出AZ31鎂合金加熱變形后的應力本構公式。

江樹勇[31-33]團隊以鎳鈦合金管件為研究對象，建立了滾珠旋壓有限元模型，并實現模擬。此外，該團隊采用有限元分析計算方法，對旋壓加工過程進行了分析，并對該過程的變形準則進行了研究和討論。W.Kwasny[34]等人構造了高速滾珠下的動態(tài)響應模型。對該模型的軸向預緊力設置了不同的參數，進而分析了離心力和轉矩與套圈位移之間的關系。

趙春江學者[35]求解了滾珠與管坯之間的三向旋壓力。其求解過程為，觀察滾珠在空間的運動軌跡，建立了邊界方程。但由于該方程考慮外界因素不多，以及對加工材料的簡化，這將在一定程度上導致計算結果的誤差。

熊杰[36]基于旋壓過程中滾珠與模環(huán)、管坯接觸點切向不滑動的運動狀態(tài)假設，提出了一種利用滾珠的力學-運動學方程耦合的高速滾珠分析方法，并結合旋壓過程中的動力學特征，構建了高速滾珠的擬動力學模型，隨之利用蜂群算法基于C++平臺編程求解出了其運動學及力學參數。圖4為滾珠空間運動與受力狀態(tài)示意圖。

目前來講，將力學-動力學特征綜合考慮，構建耦合方程組，從而獲得其力學及動力學特性的辦法較為準確。但由于滾珠旋壓的復雜性與專業(yè)性，其加工過程中的理論分析認識仍然較為缺少，有待進一步研究。

圖4 滾珠空間運動與受力狀態(tài)示意圖

3 旋壓技術在鎂合金方面的優(yōu)勢和發(fā)展前景

3.1 鎂合金在滾珠旋壓技術上的應用優(yōu)勢

鎂合金在結構合金材料中是最輕的，具有比強度高、彈性模量大、沖擊承載能力大、耐堿腐蝕等優(yōu)點。鎂合金材料在精密機械制造、高科技等領域起著日益顯著的作用，同時，該材料具有可回收性等優(yōu)勢，因此被稱為“21世紀的綠色環(huán)保結構材料”。圖5為AZ31 鎂合金擠壓態(tài)管材的擠壓態(tài)顯微組織。

圖5 鎂合金管擠壓態(tài)微觀組織

壓鑄是目前用來生產鎂合金零件的主要方法，但由于其組織大、內部缺陷多、力學性能差，制約了其發(fā)展。鎂合金經過塑造成型處理后，材料多為均勻的晶粒狀結構。此外，加工后的鎂合金零件具有高強度、多樣化的特征。塑性加工方法主要有軋制、鍛造、擠壓和超塑成形等。對比其他塑性加工方法，滾珠旋壓的優(yōu)勢便顯現出來，現如今，在醫(yī)療、航空航天等精密機械制造行業(yè)，世界各國廣泛采用滾珠旋壓技術對管類零件進行加工處理，但研究的零件材料僅涉及于黃銅、不銹鋼等金屬，對鎂合金研究仍然較少。

由于在滾珠旋壓是連續(xù)逐點成型，因此在加工過程中，會產生大量熱。趙春江等[37]通過有限元分析軟件AQAQUS的dynamic，temp-disp，explicit模塊分析得到減薄量和高轉速對滾珠旋壓變形影響區(qū)的溫度影響最大，且溫度皆隨著摩擦系數、模具轉速、減薄量和進給比的提高而增加。因此，大減薄量、高轉速下即可滿足鎂合金溫熱成型的溫度要求。

陳文哲[38]等人在室溫條件下，利用摩擦生熱原理，對擠壓態(tài)的鎂合金進行旋壓加工，探究了鎂合金板的可旋性。實驗結果證明，摩擦熱在一定程度上提高了加工材料的延伸性。

滾珠旋壓工藝參數中，蘇夢穎[39]通過分別改變進給比、減薄量、轉速、滾珠直徑，從組織性能、抗拉強度、延伸率三個維度分別討論了各工藝參數的改變對滾珠旋壓成型的影響。不過，對于四個工藝參數的綜合分析，仍然需要繼續(xù)研究。

3.2 應用前景

21世紀以來，鎂合金在航空航天、軍事和民用工業(yè)等領域中的作用愈發(fā)凸顯。鎂也是目前最輕的結構金屬材料之一，具有優(yōu)異的導電性、熱穩(wěn)定性等物理性能。加工材料為鎂合金的工件，其形態(tài)結構不易改變。

隨著傳統(tǒng)金屬材料如鐵、鋁的不斷消耗，鎂合金在工業(yè)上占有的地位也日益重要。此外，高科技行業(yè)正著重朝向輕量化發(fā)展，鎂合金等金屬材料受到世界各國的密切關注。因此，滾珠旋壓加工鎂合金的加工工藝必然前景廣闊。

4 結束語

隨著我國節(jié)能減排和國防安全的進一步推進，鎂合金的多方面應用必然會成為趨勢。而滾珠旋壓技術作為一種可加工難變形金屬的加工方式，其在加工過程中，不僅成形件尺寸精度高，可以滿足航空航天等精密制造領域的要求，而且還可以提高材料力學性能。目前，鎂合金的市場需求較大且我國儲量居世界第一，因此將鎂合金與滾珠旋壓工藝結合，具有突出的優(yōu)勢。后續(xù)在研究領域，可通過對旋壓過程理論計算的精確求解、計算機有限元模擬以及自動加工技術等方面的研究，使成形速度、成形質量、成形極限以及設備的研發(fā)取得進一步進展，從而促進滾珠旋壓技術的廣泛應用。