旋壓成形過程缺陷控制方法及應(yīng)用

仲昕岳，杜尚軍，李志遠，熊秋萍

（四川航天長征裝備制造有限公司，成都 610100）

旋壓技術(shù)基于局部的連續(xù)塑性成形原理，屬于一種特種回轉(zhuǎn)塑性成形技術(shù)，特別適用于大徑厚比、具有軸回轉(zhuǎn)對稱形狀的構(gòu)件成形，具有廣闊應(yīng)用前景[1]。經(jīng)過旋壓成形的零部件，一方面可以基本消除縱向焊縫、顯著降低環(huán)向焊縫，另一方面可以通過劇烈的塑性冷/熱變形，有效細化組織結(jié)構(gòu)，同時提高材料的強度和塑性。此外，旋壓成形過程具有節(jié)省原材料、尺寸精度和表面質(zhì)量高等優(yōu)點。

旋壓技術(shù)起源于中國陶器制作技術(shù)，在13 世紀(jì)左右傳入歐洲，德國在18 世紀(jì)發(fā)表了世界上第一個關(guān)于金屬旋壓成形的技術(shù)專利[2]。在20 世紀(jì)戰(zhàn)爭工業(yè)推動下，基于傳統(tǒng)普通旋壓技術(shù)，發(fā)展出了強力旋壓技術(shù)，進一步擴大了旋壓成形的材料適用范疇和應(yīng)用領(lǐng)域。

隨著旋壓裝備設(shè)計和制造的進步，通過液壓與電機對旋壓機的運行進行自動優(yōu)化控制，并結(jié)合計算機輔助與反饋系統(tǒng)的技術(shù)，極大促進了旋壓技術(shù)的進步。近年來，由于航空航天先進飛行器制造的快速發(fā)展，旋壓技術(shù)由普通旋壓向數(shù)控強力旋壓發(fā)展，由此對旋壓成形的技術(shù)水平和缺陷控制提出了更高的要求[3—4]。旋壓技術(shù)發(fā)展水平先進的國家主要有德國、美國、俄羅斯、西班牙等。德國的旋壓設(shè)備已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，美國旋壓設(shè)備在大型化和工藝水平方面較為先進，西班牙的旋壓工業(yè)積累厚重，技術(shù)成熟。此外，意大利和日本在封頭旋壓技術(shù)方面有一定優(yōu)勢[2]。

我國旋壓技術(shù)發(fā)展于1960 年代末，一些國家重點科研單位開展了旋壓技術(shù)研究，在國防工業(yè)和國民經(jīng)濟生產(chǎn)中的發(fā)揮了巨大作用[5]。以航空航天、兵器為主要的旋壓制造產(chǎn)品，極大推動了薄壁、大型構(gòu)件旋壓技術(shù)的深度發(fā)展。經(jīng)過1980 年代大型封頭旋壓技術(shù)的興起和普通旋壓技術(shù)的深入開發(fā)，旋壓成形逐漸向民品領(lǐng)域拓寬。近10 年期間，各類先進航空天飛行器不斷涌現(xiàn)，促使國內(nèi)旋壓工業(yè)在產(chǎn)品、工藝、設(shè)備等方面發(fā)展迅速[6]。

旋壓成形具有輕量化、高精度、高性能、低能耗的優(yōu)點，目前在航空航天、兵器、機械等國家關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[7]。隨著對材料加工過程的深入理解和當(dāng)前智能制造的迅猛發(fā)展，旋壓構(gòu)件的尺寸、精度、難度不斷提高，可旋壓變形的材料范圍逐漸擴大，新的、改進優(yōu)化的旋壓工藝及設(shè)備也在興起，這些都給旋壓件的質(zhì)量控制提出了新的挑戰(zhàn)和需求。

1 旋壓工藝原理與分類

1.1 旋壓過程控制原理

旋壓是金屬材料塑性成形中的代表性工藝之一，它綜合了鍛壓、擠壓、拉深、軋制等工藝方法，具有多類金屬塑性成形工藝的特點。旋壓過程中，將金屬板坯、筒坯毛坯件裝卡在旋壓芯軸上，伴隨芯軸共同旋轉(zhuǎn)，此時旋輪在程序控制下壓在坯料表面，使其產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形[8]。在此作用下，經(jīng)過旋壓輪一道次或多道次的進給運動，便可制造出所需尺寸、精度、表面粗糙度的各種空心旋轉(zhuǎn)體構(gòu)件，其基本元素如圖1 所示[9]。旋壓技術(shù)可以生產(chǎn)各類用途的零件，從尺寸上看，目標(biāo)直徑范圍從3 mm 到10 m，厚度可以在0.3～30 mm 之間。

圖1 傳統(tǒng)旋壓成形工藝原理[9]Fig.1 Principle of traditional spinning forming

與其他可以進行回轉(zhuǎn)軸對稱零件的加工工藝相比（如車削、擠壓、拉拔、鑄造等），旋壓技術(shù)有很多突出優(yōu)點[10—12]：①由于是連續(xù)的局部變形過程，可以大幅降低所需成形力；② 旋壓壓頭的接觸區(qū)始終處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，這有利于提高金屬的塑性變形能力，特別適合于一些難變形材料的加工成形，并且很多變形能力一般的金屬在室溫下即可進行旋壓；③旋壓成形后的金屬通常組織致密、晶粒細化，有利于提高材料綜合力學(xué)性能；④ 旋壓成形具有很強的工藝柔性，輔助工裝簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)無切屑成形，具有很高的材料利用率。

旋壓工藝可以分為兩種典型類型：普通旋壓和強力旋壓，而強力旋壓又有剪切旋壓和筒形件旋壓兩種，如圖2 所示[8,13]。普通旋壓技術(shù)發(fā)展最早也最為成熟，其加工過程不需要很大的成形力，只會改變坯料形狀，而坯料在厚度上基本不變，如圖2a 所示；強力旋壓不僅會改變坯料形狀，還會在加工過程中顯著改變其厚度，如圖2b 和2c 所示。

1.2 普通旋壓

普通旋壓過程中，坯料壁厚在整個變形加工中基本保持一致，旋輪更多起到的是“定形”作用，初始坯料的外徑隨芯模幾何尺寸發(fā)生明顯變化，但最終成形的零件壁厚基本等于坯料的初始壁厚。在傳統(tǒng)普旋中，坯料中心部分是平的，以便于通過尾椎頂架將坯料固定在芯模上，因此傳統(tǒng)普旋只能生產(chǎn)平頂類特征的零件[14]。近年來開發(fā)出一種可以固定在板料邊緣的夾具，并且可隨旋輪共同移動，很大程度上解決了“平頂類”零件的加工限制。

圖2 旋壓成形工藝Fig.2 Spinning forming process

1.3 強力回旋

和普通旋壓相反，在剪切強力旋壓中（見圖2b），坯料直徑在旋壓成形前后保持不變，它只是隨著中部變形的進展，產(chǎn)生剛性的平移運動，其變形過程主要依靠剪切變形機制實現(xiàn)，因此亦稱為“剪切旋壓”。坯料厚度按照芯模錐角的正弦率變化，剪切旋壓的坯料可以是預(yù)成形件，也可以是圓形或者方形，通常經(jīng)過單旋輪一道次成形。當(dāng)旋壓體為高強度或薄壁材料時，為確保尺寸精度和提升控制可靠性，可采用雙旋輪模式進行旋壓[15]。

對于筒形件強力旋壓，根據(jù)旋輪軸向進給方向和材料流動方向的不同，可以分為正向（Forward）和反向（Backward）兩種基本旋壓形式，如圖2c 所示。正旋時，坯料的軸向變形流動方向與旋壓輪的進給方向相同，依靠尾頂支架壓力傳遞扭矩，旋壓輪的工作行程和旋壓工件長度一致；反旋時，坯料的軸向流動方向與旋壓輪的進給方向相反，此時依靠軸向壓力傳遞扭矩，旋壓的工作行程毛坯長度一致[13]。

2 旋壓過程常見缺陷

2.1 普通旋壓

2.1.1 起皺

起皺是金屬旋壓過程中最常見的一種失穩(wěn)形式之一，失穩(wěn)起皺的原因是在旋壓成形過程中坯料所受到的切向壓應(yīng)力過大，當(dāng)外力作用引起的變形區(qū)內(nèi)的切向壓應(yīng)力超過了厚度方向上的失穩(wěn)極限應(yīng)力時，材料就會在厚度方向上發(fā)生起皺現(xiàn)象，如圖3a 所示。能導(dǎo)致旋壓成形過程中發(fā)生失穩(wěn)起皺的原因有很多，如坯料尺寸、變形速率等。起皺與坯料的初始厚度密切相關(guān)，坯料越薄，在厚度方向上的抗彎曲剛度越低，越容易起皺。特別地，在多道次普旋中，首道次往往很容易起皺，這與很多工藝參數(shù)有關(guān)，當(dāng)進給比過大、旋輪圓角半徑過大及首道次仰角過大時，坯料容易發(fā)生起皺[16]。還有，若軌跡安排不合理，道次壓下量過大等，坯料也很容易發(fā)生起皺。

2.1.2 破裂

破裂是多道次普旋成形中存在的主要缺陷之一，引起破裂的原因有很多。圖3b 所示的軸向破裂，是由于材料加工硬化情況嚴(yán)重，每一道次中坯料各個部位變形不均。對于這種情況需要合理的設(shè)計工藝方案，結(jié)合材料加工硬化情況，合理安排旋壓道次數(shù)，并且使每一道次坯料各部分變形均勻[17]。軸向破裂是由于在旋壓成形過程中坯料凸緣發(fā)生了起皺，再繼續(xù)進行旋壓時由于起皺部分材料發(fā)生了折疊，從而引發(fā)了破裂現(xiàn)象。

2.1.3 底部隆起

如圖3c 所示[14]，采用多道次普通旋壓時，材料由于向前流動受阻，根據(jù)最小阻力定律，材料會向著阻力更小的底部流動，造成底部隆起現(xiàn)象。當(dāng)旋輪與芯模之間的間隙設(shè)置得太小時，就可能會出現(xiàn)這種現(xiàn)象；另外一個原因則是工裝設(shè)計不合理，當(dāng)旋壓零件成形后，由于旋壓件緊貼芯模，使卸料變得很困難，需要借助卸料裝置如吹氣、卸料桿等，由于卸料裝置對零件底部施加一個壓力，如果尾頂塊不能完全撐住零件底部，當(dāng)零件被頂出時，沒有尾頂塊支撐的部分會凸起，也會出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。要避免這種缺陷的產(chǎn)生，則需要在成形之前調(diào)整好旋輪與芯模的間隙，并且設(shè)計好相應(yīng)的工裝。

2.1.4 橘皮

橘皮現(xiàn)象是材料具有粗晶粒或者因塑性變形不均所造成的零件表面出現(xiàn)的一種粗糙、形如橘皮的缺陷。如圖3d 所示，在多道次普旋成形過程中，在旋壓零件內(nèi)壁容易出現(xiàn)橘皮現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，若旋壓成形過程中金屬材料的變形量很大，變形不均勻，往往容易出現(xiàn)橘皮現(xiàn)象[18]。零件外表面由于旋輪的持續(xù)碾壓可將橘皮消除，而內(nèi)表面當(dāng)旋輪與芯模間隙過大時，導(dǎo)致旋壓零件無法貼模，此時旋壓過程中出現(xiàn)的橘皮無法消除，這就導(dǎo)致在多道次普旋成形后橘皮往往出現(xiàn)在零件的內(nèi)表面。要消除這類橘皮現(xiàn)象，需要在旋壓成形之前將旋輪與芯模之間的間隙調(diào)整好，一般比平均壁厚小0.1 mm 即可。

2.1.5 壓痕

圖3 普通旋壓常見缺陷Fig.3 Common defects in general spinning

在旋壓成形過程中，旋輪是通過與坯料發(fā)生點接觸、以螺旋式推進的方式使坯料產(chǎn)生塑性變形，隨著旋輪的移動，容易在零件表面形成壓痕，如圖3e 所示[14]。壓痕是旋輪沿坯料表面運動時產(chǎn)生的軌跡，其嚴(yán)重程度與旋輪圓角半徑、進給比等參數(shù)有關(guān)。當(dāng)旋輪進給比較大時，雖然可以提高成形效率，但是很容易在零件表面留下比較明顯的壓痕；當(dāng)旋輪圓角半徑過小時，會導(dǎo)致材料流動阻力加大，材料在旋輪前面堆積嚴(yán)重，會出現(xiàn)很明顯的壓痕，甚至把坯料拉裂。在多道次普旋中，通過在最后的整形道次中采用較小的旋輪進給比和大圓角半徑的旋輪可以將壓痕消除。

在多道次普通旋壓成形過程中，通過旋輪對坯料施加外力使其發(fā)生塑性變形，從而加工出所需要的零件形狀，但是在發(fā)生塑性變形之前，坯料首先進行的是彈性變形。在完成旋壓成形時，旋輪撤離坯料，即坯料受到的外力被去除，材料的塑性變形部分得以保留，但是彈性變形部分則會發(fā)生恢復(fù)，也就是說這時材料會發(fā)生回彈現(xiàn)象，造成零件尺寸精度降低。

2.1.6 回彈

與沖壓成形相比，通過多道次普旋成形的零件回彈是一個反復(fù)變形積累的過程，如圖3f 所示[14,19]。影響多道次普旋回彈的因素有很多，如進給比、旋輪型面尺寸、旋輪與芯模的間隙、摩擦因數(shù)等?；貜椫饕怯绊懚嗟来纹招某叽缇?，使零件尺寸達不到圖紙和設(shè)計要求。

2.2 強力旋壓

2.2.1 剪切旋壓斷裂

Hayama 和Tago[20]指出在剪切旋壓中，有3 種主要的斷裂形式。圖4a 為強旋過程中發(fā)生的多種斷裂現(xiàn)象。第一種斷裂方式發(fā)生在旋壓開始階段，斷裂位置靠近尾錐，在芯模圓角附近，其形狀是典型的圓弧狀裂紋；第二種斷裂方式發(fā)生在旋壓過程的中間階段，其形貌與第一種方式相同，這兩種斷裂都是由于旋輪下方的局部拉應(yīng)力集中造成的；第三種斷裂發(fā)生在旋壓結(jié)束階段，呈現(xiàn)為環(huán)向裂紋，是旋輪對材料反復(fù)施加拉應(yīng)力造成的。影響旋壓破裂的過程參量主要為旋輪和芯模的幾何尺寸，其中最核心的因素是進給比和旋輪與芯模之間的間隙，Hayama 還通過試驗得到了進給比和斷面收縮率的關(guān)系式[21]。此外，材料本身的韌性（斷面收縮率）也是一個影響剪切旋壓極限的重要因素。

2.2.2 筒形旋壓斷裂

筒形件的強力旋壓，主要有兩類缺陷影響旋壓成形質(zhì)量。一類是起皺、波紋等，由于塑性流動不穩(wěn)定造成的零件缺陷，如圖4b 所示，另一類是韌性斷裂缺陷。馬浩[22]系統(tǒng)討論分析了消除筒形件強旋中缺陷的形成機制，但是對于旋壓過程中韌性斷裂的研究較少，且主要在實驗方面。對于筒形件強力旋壓韌性斷裂研究，Kalpakcioglu 等[23]最早提出了可旋性實驗來評估筒形件坯料的可旋性，該方法認為在旋輪工作角、旋輪圓角半徑和進給比中，進給比對筒形件材料的可旋性影響相對最大。基于上述方法，Chang 等[24]研究了鋁合金材料的可旋性。通過研究鑄鐵的可旋性表明，脹徑的切向拉伸應(yīng)變是影響材料可旋性的一個主要因素[25]。

筒形件強旋過程中，表面裂紋也是經(jīng)常出現(xiàn)的一種零件破裂現(xiàn)象，單德彬等[26]在Ti-15-3 鈦合金筒形件冷旋中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)減薄率較小時，旋壓件的內(nèi)表面出現(xiàn)了明顯的環(huán)向裂紋；當(dāng)減薄率較大時，裂紋容易在筒形件的外表面最先出現(xiàn)。同時還發(fā)現(xiàn)，即使在熱旋條件下，TA15 鈦合金筒形件在強旋過程中，也會出現(xiàn)表面破裂現(xiàn)象。

圖4 強力旋壓常見缺陷Fig.4 Common defects in power spinning

3 旋壓缺陷控制機理及方法

3.1 起皺

旋壓中為避免產(chǎn)生失穩(wěn)起皺引起的缺陷，可采取如下措施：①在條件控制范圍內(nèi)選用較厚的坯料；② 合理使用反推板，通過反推板對旋壓過程中的坯料施加壓應(yīng)力，從而提高坯料的抗起皺能力；③如果不采用反推板，首道次旋壓仰角不能太小，同時進給比不能過大，否則第一道次容易起皺，進給比取值應(yīng)控制在工藝窗口內(nèi)；④ 在旋壓前，根據(jù)情況可對坯料外緣進行卷邊處理，以提高其抗皺能力；⑤ 旋壓成形全流程中，可以通過控制旋輪軌跡，使坯料在每一道次都保持一定的凸緣。

3.2 破裂

對于旋壓中破裂的預(yù)防方法，可以很大程度上借鑒起皺的預(yù)防措施，通過防止起皺顯著減輕破裂現(xiàn)象。當(dāng)工藝參數(shù)不合理時，旋壓成形過程中的坯料厚度發(fā)生急劇減薄，導(dǎo)致徑向破裂傾向，從而引發(fā)了工件破裂。實際上，這類破裂是旋壓零件在塑性成形時壁厚過度減薄的一種極限情況。以下4 個因素都有可能引起徑向破裂：①旋壓道次間距過大；② 旋輪圓角半徑過?。虎圻M給比過?。虎?旋輪與芯模的間隙過小，因此在多道次旋壓成形時，需結(jié)合零件具體的特征和加工需求，制定合理的工藝參量如旋輪圓角半徑、軌跡道次間距、進給比、旋輪與芯模間隙等。

4 特種強旋工藝優(yōu)化及應(yīng)用

鋁合金大型薄壁殼體是當(dāng)前旋壓技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的重點之一，這個過程是多道次和多參量耦合作用下的復(fù)雜過程，加工過程中易出現(xiàn)鼓包、破裂等成形缺陷。通過缺陷形成機理和工藝方法優(yōu)化控制，提出了缺陷防止措施：采用較小合理的減薄率抑制旋輪前方金屬隆起和周向開裂；采用適中的芯模轉(zhuǎn)速消除開裂和鱗狀剝離等缺陷。采用上述措施進行強力旋壓，制造出了表面質(zhì)量優(yōu)異、無明顯缺陷的5A06 鋁合金大型薄壁殼體零件，長度為900 mm，內(nèi)徑為165 mm，壁厚為2 mm，表面粗糙度達到6.3 μm，如圖5 所示。

圖5 強力旋壓成形5A06 筒形件Fig.5 Power spinning formed 5A06 tube workpiece

5 結(jié)語

旋壓是一種重要的塑性成形技術(shù)，對于其加工缺陷的討論，有利于相關(guān)科研和工程人員理解其產(chǎn)生機制，進一步制定優(yōu)化工藝、降低廢品率、提升成形完整性和產(chǎn)品質(zhì)量。針對當(dāng)前先進裝備對高質(zhì)量部件的需求，旋壓技術(shù)還需要進一步發(fā)展和完善，特別要將基礎(chǔ)理論與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，因此，需要不斷總結(jié)生產(chǎn)中的經(jīng)驗，預(yù)防缺陷發(fā)生，使旋壓技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。