大長徑比薄壁零件旋壓工藝研究

廖清華，賓 璐，阮瀅瀅，鐘 濤

(江南工業(yè)集團有限公司，湖南 湘潭 411207)

近年來，隨著軍工事業(yè)的發(fā)展，以提高武器裝備可靠性為目標，保證其產(chǎn)品質(zhì)量成為降本增效、提高和保證軍工產(chǎn)品質(zhì)量的重要課題。目前，旋壓已成為精密塑性成形的主要方法，特別是在加工各種復雜薄壁零件時的優(yōu)勢明顯[1]。旋壓加工成形后的產(chǎn)品具有晶粒致密、強度高、壁厚均勻等特點，因此在航空、航天、兵器、造船、機械、建筑及日用工業(yè)品中得到廣泛應(yīng)用[2]。在軍工產(chǎn)品制造過程中，大長徑比薄壁零件的使用越來越多，如發(fā)動機燃燒室殼體、戰(zhàn)斗部中心管等都是大長徑比薄壁零件。然而由于薄壁筒形件長徑比大(一般>10)，超過了其他塑性加工方法的成形極限，使其很難甚至不能加工，而變薄旋壓加工薄壁筒形件產(chǎn)品精度高，尺寸范圍廣，加工方便，省時省料，被廣泛應(yīng)用[3]。為解決中心管零件容易彎曲變形的問題，提高武器裝備系列產(chǎn)品零部件的質(zhì)量，通過研究采用正旋加工工藝，可有效解決加工出現(xiàn)的問題。

1 旋壓加工分類及特點

1.1 旋壓工藝分類

旋壓工藝是工件通過旋轉(zhuǎn)使之受力點由點到線，由線到面，同時在某個方向用滾刀給予一定的壓力使金屬材料沿著這一方向變形和流動而形成某一形狀的技術(shù)。旋壓工藝是一種比較先進的塑性加工方法，它綜合了鍛造、擠壓、軋制、拉伸、彎曲、平整等工藝特點，是回轉(zhuǎn)體類零件塑性成形的主要加工方式[4]。旋壓工藝種類較多，按照坯料塑性變形程度分為強力旋壓和普通旋壓；按照旋輪數(shù)量分為單旋輪、雙旋輪和三旋輪旋壓；按照金屬流向分為正旋和反旋；按照旋壓零件的形狀可分為對稱和非對稱旋壓等[5]。

1.2 旋壓加工特點

旋壓加工和其他加工方式比較，其優(yōu)點在于：具有良好的金屬變形條件；加工耗費的原材料少，產(chǎn)品成本低；工序簡單，設(shè)備和模具都比較簡單；產(chǎn)品精度高，表面光潔度好；產(chǎn)品的性能好，范圍廣；采用旋壓方法可以加工出筒形件、變截面管材、壁厚不等或帶有階梯等大部分回轉(zhuǎn)體零件及三維非軸對稱零件和非圓截面空心零件等非回轉(zhuǎn)體零件[6]。

旋壓加工所用的坯料種類及加工方式具有多樣性。幾乎所有金屬均能進行不同程度的旋壓加工，例如，旋壓坯料可以用優(yōu)質(zhì)鋼、碳素鋼、不銹鋼、合金、稀有金屬、有色金屬及其合金等，但在塑性較好的材料中應(yīng)用更廣泛。

旋壓等局部成形技術(shù)是比較先進的塑性成形技術(shù)，近年來，旋壓工件使用范圍越來越廣泛，某些高質(zhì)量的重點旋壓產(chǎn)品幾乎供不應(yīng)求[7]。在軍工行業(yè)，旋壓產(chǎn)品呈現(xiàn)多態(tài)的發(fā)展趨勢，包括筒體、殼體、藥形罩、尾管、中心管等零件都是采用旋壓加工成形。因進行旋壓加工時只需要一個芯模即可，而且都是在數(shù)控旋壓機上進行，成形和切削可以在同一臺機器上完成，操作更簡單。旋壓屬于局部連續(xù)性的加工，瞬間的變形區(qū)小，總的變形力??；一些形狀復雜的零部件或高難度易變形的材料，傳統(tǒng)工藝很難甚至無法加工，但是用旋壓的辦法就可以加工出來。

2 大長徑比薄壁零件傳統(tǒng)加工方法分析

2.1 零件結(jié)構(gòu)分析

江南工業(yè)集團有限公司某中心管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其加工內(nèi)容并不復雜，是一個典型的大長徑比薄壁零件，選用符合GB/T 8162—2008[8]規(guī)定的無縫鋼管，毛坯尺寸為φ83 mm×6 mm，具有長徑比、徑厚比大(長徑比達10.8，徑厚比達41)，是典型的超長薄壁類零件，加工中容易出現(xiàn)彎曲、變形、壁厚不均勻，因此，應(yīng)對該零件加工方法進行研究，以解決零件加工時的變形和振動。

圖1 大長徑比薄壁零件結(jié)構(gòu)示意圖

該零件主要技術(shù)要求如下。

1)材料牌號為符合GB/T 699—1999[9]的20、25、35優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

2)零件長度為887 mm±0.45 mm。

6)止口壁厚2 mm。

2.2 零件工藝分析

1)中心管材料為符合GB/T 8162—2008的無縫鋼管，屬于中碳鋼，強度、硬度較高，具有較好的韌性、焊接性，切削性能良好。

2)中心管的長徑比較大，壁厚較薄，因此剛性較差，裝夾時容易變形，不易保證加工精度。

3)中心管高速旋轉(zhuǎn)時，在離心力的作用下，易彎曲變形。

4)工件為較長管狀零件，加工時一般內(nèi)孔采由脹簧脹緊，車削外圓時，容易造成零件壁厚不均勻。

2.3 傳統(tǒng)機械加工方法

對于中心管這類大長徑比薄壁零件，一般采用傳統(tǒng)的機械加工方法，其工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程

對于較長的薄壁件采用傳統(tǒng)機械加工方法加工外圓時，是采用內(nèi)孔由脹簧脹緊，但是由于中心管是大長徑比薄壁零件，由于其長度太長，壁厚較薄，因此，加工其外圓時不能采用脹簧脹緊內(nèi)孔的方法加工，容易造成零件壁厚不均勻。

3 大長徑比薄壁零件旋壓加工方法

3.1 零件旋壓工藝分析

由于該零件細長、壁薄、剛性差，受力、受熱易變形，易產(chǎn)生振動，所以在加工中應(yīng)防止或減小變形和振動[10]。在零件試制階段，由于量少，在加工之前會從原材料中挑出壁厚一致性較好的鋼管來加工，因此沒有問題暴露出來。大批量生產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)，中心管在進行水壓試驗時發(fā)生了彎曲現(xiàn)象。為了查找原因，筆者將該零件剖開，發(fā)現(xiàn)中心管兩邊壁厚嚴重不均，其中最薄處僅為0.4 mm，在進行水壓試驗時，就會因為最薄處強度不夠而發(fā)生彎曲。由此可見，該零件的加工難點是如何使中心管加工完成后壁厚均勻，不產(chǎn)生彎曲，而導致壁厚不均的直接原因與原材料壁厚不均及加工方法有關(guān)。

3.2 旋壓工藝方案設(shè)計

針對大長徑比薄壁零件使用傳統(tǒng)機械加工方法易發(fā)生彎曲的情況，開展了大長徑比薄壁零件加工實例研究工作。分析發(fā)現(xiàn)，原材料自身不直的管材就會導致材料的壁厚不一致，在車外圓時，就會造成零件壁厚單邊嚴重。因此，筆者提出了改進加工方法——采用旋壓加工，因為旋壓加工對于又長又薄的零件有著無與倫比的優(yōu)勢，旋壓加工時由于有芯棒的支承，毛坯能貼著芯棒均勻地流動來體積成形，能保證壁厚的一致性。

經(jīng)過反復研究討論，初步確定了如下2種旋壓方案。

1)反旋工藝：反旋一般適用于不帶底的產(chǎn)品如燃燒室等，反旋時加工進給方向和金屬流動方向相反，反旋兩道保證產(chǎn)品外徑，該方法中材料處于壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于成形，但是金屬堆積嚴重，從而造成兩端的外徑擴口比較嚴重，旋壓完成后需增加一道收口工序才能保證車內(nèi)止口。

2)正旋工藝：正旋一般適用于帶底的產(chǎn)品，如戰(zhàn)斗部殼體等，正旋時加工進給方向和金屬流動方向相同，正旋中材料處于拉應(yīng)力狀態(tài)，較反旋難成形些，但是該方法外圓擴口較小，容易保證產(chǎn)品的精度。

接下來對零件特點進行了分析，該中心管零件為本身不帶底零件，但由于其為戰(zhàn)斗部裝藥的重要零件，在車外圓、鏜孔后應(yīng)焊上中心管底。因此，為了保證零件精度，采用正旋工藝，并對工藝進行優(yōu)化后制定工藝方案如下：下料→毛坯加工→焊中心管底→鉆排氣孔→旋壓→焊排氣孔→平總長→車外止口→氣密水壓檢驗。

首先將中心管毛坯車內(nèi)止口，然后焊上中心管底，旋壓加工完成之后再焊中心管前端，旋壓毛坯如圖3所示。

圖3 旋壓毛坯圖

3.3 加工難點

在旋壓加工中，有如下2個難點問題。

1)旋壓加工的芯棒問題：由于以前生產(chǎn)的零件口徑都在200 mm以上，芯棒剛度好，但對于小口徑的零件旋壓加工從未涉及，且小口徑零件旋壓的芯棒其剛度也要差些，因此只能借鑒其他長零件旋壓加工的成功經(jīng)驗進行旋壓加工。

2)正旋工藝的排氣問題：需要考慮到零件的排氣，否則零件裝不進芯棒，若要排氣只能在芯棒上開孔，而在1 m多長的芯棒鉆孔也是難點。由于在加工芯棒時排氣孔加工難度大，未能及時鉆通。因此，為了解決這一難題，筆者采用一個新的加工方法：在產(chǎn)品上開排氣孔，等旋壓加工完成之后，再將排氣孔焊好，采用該方法有效地解決了這一難題。通過使用優(yōu)化后制定的工藝方案進行加工，該中心管零件加工完成后的尺寸、精度均符合圖樣要求。

通過對大長徑比薄壁中心管零件進行旋壓加工后，和原傳統(tǒng)加工方法相比，原材料長度可由原來的890 mm縮短到375 mm，節(jié)省材料57.9%，材料利用率由以前的32%提高到76%；同時以正旋代替反旋，解決了旋壓后產(chǎn)品的擴口問題和產(chǎn)品壁厚不均勻的問題，有效減少了零件的廢品率。

4 結(jié)語

本文通過對大長徑比薄壁零件的旋壓加工驗證，對比正旋與反旋2種旋壓方式的優(yōu)缺點,采用正旋加工工藝可有效規(guī)避反旋帶來的擴口問題，零件加工質(zhì)量能夠滿足技術(shù)指標要求，較原傳統(tǒng)加工方法，可有效節(jié)省材料，縮短加工時間，提高零件質(zhì)量。為了充分發(fā)揮旋壓技術(shù)的優(yōu)勢，對于大長徑比薄壁零件的旋壓加工可采用本文所列方案進行相關(guān)工藝方案設(shè)計，實現(xiàn)薄壁長筒體零件的加工，可有效解決加工中出現(xiàn)的彎曲變形問題。