2A12鋁合金筒體旋壓工藝

孟祥志，吳新勇，王秋菊，宋麗君，閆作銘

北方華安工業(yè)集團有限公司 黑龍江齊齊哈爾 161006

1 序言

隨著新產(chǎn)品的不斷更新，各種零件的尺寸精度要求也越來越嚴格。為加工出滿足客戶要求的產(chǎn)品，對產(chǎn)品的加工方法也不斷革新。旋壓是用于成形薄壁空心回轉(zhuǎn)體零件的一種金屬壓力加工方法。結(jié)合現(xiàn)有三種尺寸零件進行旋壓工藝方案的設(shè)計、實施，并對研究結(jié)果做出分析及總結(jié)。

2 強力冷旋壓工裝結(jié)構(gòu)

我單位在旋壓加工2A12鋁合金筒體零件時，選用圖1所示的強力冷旋壓工裝，取得了較好的應(yīng)用效果。

圖1 強力冷旋壓工裝

3 340mm長零件的旋壓工藝方案設(shè)計及實施

3.1 零件尺寸

圖2所示340mm長零件為帶有兩個臺階的筒形零件，由于其底部螺紋內(nèi)徑小，因此必須采用正旋壓方式。其口部外徑為137.50-0.63mm，最薄部位外徑為133.50-0.63mm，內(nèi)徑為127.5+0.630mm。

圖2 340mm長零件

3.2 設(shè)備及模具

340mm長零件旋壓加工設(shè)備及模具尺寸和技術(shù)參數(shù)如下。

1）心軸外徑127.52mm，硬度60HRC。模具徑向圓跳動：頭部0.15mm，根部0.03mm。

2）旋輪：φ280mm，前R8mm×20°/中R8mm×20°/后R6mm×20°×3°擠光。徑向圓跳動：前輪（遠）0.05mm，中輪（上）0.03mm，后輪（近）0.03mm，硬度60HRC。

3）旋輪錯距4.12mm/3.52mm。

4）尾頂壓6MPa。

5）機床零點。A：836.128mm，X（前輪/遠）：－20.954mm，Z（中輪/上）：－16.54mm，Y（后輪/近）：－21.67mm。

6）主軸旋轉(zhuǎn)方向：面向主軸，逆時針。

3.3 毛坯

340mm長零件毛坯如圖3所示。熱處理狀態(tài)：H112狀態(tài)退火，隨爐升溫至380℃，保溫45min，爐冷至260℃，空冷。毛坯尺寸：內(nèi)徑127.75+0.030mm×厚8.1+0.10mm×長188mm。硬度：端面378～381HL，筒體325～334HL。

圖3 340mm長零件毛坯

3.4 三道次正旋壓（方案一）

三道次正旋壓工藝流程為：控制每道次旋壓工件壁厚8.2mm→6.12mm→4.65mm→退火（隨爐升溫至330℃，保溫1h，爐冷至260℃，空冷）→3.3mm（單邊留0.6mm機械加工余量）。340mm長零件三道次正旋壓工藝參數(shù)見表1；第一道次及第二道次程序如圖4所示，第三道次程序如圖5所示；旋壓后毛坯與零件對比如圖6所示。

圖6 旋壓后毛坯與零件對比

表1 340mm長零件三道次正旋壓工藝參數(shù)

圖4 方案一340mm長零件第一道次及第二道次程序

圖5 方案一340mm長零件第三道次程序

第二道次旋壓后外徑137.20mm，口部外徑達到圖樣要求；然后進行第三道次旋壓，由于外徑兩個臺階處過渡長度僅5mm，不符合旋壓規(guī)律，因此旋壓后外徑留余量，可機械加工成形。

采用三道次成形時，內(nèi)徑過渡處不平緩，達不到零件加工要求，因此設(shè)計兩道次成形。

3.5 兩道次正旋壓（方案二）

340mm長零件兩道次正旋壓工藝流程為：控制每道次旋壓工件壁厚8.2mm→5.8mm→3.3mm（單邊留0.6mm機械加工余量）。340mm長零件兩道次正旋壓工藝參數(shù)見表2；第一道次程序如圖7所示，第二道次程序如圖8所示；兩道次旋壓方案成形零件如圖9所示。

表2 340mm長零件兩道次正旋壓工藝參數(shù)

圖7 方案二340mm長零件第一道次程序

圖8 方案二340mm長零件第二道次程序

圖9 兩道次旋壓方案成形零件

成形后單邊留0.5mm機械加工余量，口部在第二道次也進行旋壓，解決了過渡不平緩的問題，達到了技術(shù)要求。

4 770mm長零件的旋壓工藝方案設(shè)計及實施

4.1 零件尺寸

圖10所示770mm長零件為帶有兩個臺階的筒形零件，由于底部螺紋內(nèi)徑小，因此必須采用正旋壓?？诓客鈴綖?37.50-0.5mm，中間臺階部位外徑為140-0.4-0.6mm，最薄部位外徑為133.50-0.4mm，內(nèi)徑為127.5+0.630mm。

圖10 770mm長零件

4.2 設(shè)備及模具

770mm長零件旋壓加工設(shè)備及模具尺寸和技術(shù)參數(shù)如下。

1）心軸外徑127.52mm，硬度60HRC。模具徑向圓跳動：頭部0.15mm，根部0.03mm。

2）旋輪：φ280mm，前R8mm×20°/中R8mm×20°/后R6mm×20°×3°擠光。徑向圓跳動：前輪（遠）0.05mm，中輪（上）0.03mm，后輪（近）0.03mm，硬度60HRC。

3）旋輪錯距4.12mm/3.52mm。

4）尾頂壓6MPa。

5）機床零點。A：836.128mm，X（前輪/遠）：－20.954mm，Z（中輪/上）：－16.54mm，Y（后輪/近）：－21.67mm。

6）主軸旋轉(zhuǎn)方向：面向主軸，逆時針。

4.3 毛坯

770mm長零件毛坯如圖11所示。熱處理狀態(tài)：H112狀態(tài)退火，隨爐升溫至380℃，保溫45min，爐冷至260℃，空冷。毛坯尺寸：內(nèi)徑127.75+0.030mm×厚8.1+0.10mm×長417mm。硬度：端面378～381HL，筒體325～334HL。

圖11 770mm長零件毛坯

4.4 兩道次正旋壓

770mm長零件兩道次正旋壓工藝流程為：控制每道次旋壓工件壁厚8.1mm→6.6mm（外徑141mm，車削至139.5mm）→3.7mm（外徑135mm，車削至133.3mm）。770mm長零件兩道次正旋壓工藝參數(shù)見表3；第一道次程序如圖12所示，第二道次程序如圖13所示；旋壓后產(chǎn)品如圖14所示。

表3 770mm長零件兩道次正旋壓工藝參數(shù)

圖12 770mm長零件第一道次程序

圖13 770mm長零件第二道次程序

圖14 旋壓后產(chǎn)品

5 608mm長零件的旋壓工藝方案設(shè)計及實施

5.1 零件尺寸

圖15 所示608mm長零件為帶有3個臺階的筒形零件，由于內(nèi)徑為等徑，因此可采用反旋壓工藝，4處外徑分別為

圖15 608mm長零件

5.2 設(shè)備及模具

608mm長零件旋壓加工設(shè)備及模具尺寸和技術(shù)參數(shù)如下。

1）心軸外徑122.18mm，硬度60HRC。模具徑向圓跳動：頭部0.10mm，根部0.02mm。

2）旋輪：φ280mm，前R8mm×20°/中R8mm×20°/后R6mm×20°×3°擠光。徑向圓跳動：前輪（遠）0.05mm，中輪（上）0.03mm，后輪（近）0.03mm，硬度60HRC。

3）旋輪錯距5.5mm/5.0mm。

4）尾頂壓6MPa。

5）機床零點。A：－388.8mm，X（前輪/遠）：－23.624mm，Z（中輪/上）：－19.21mm，Y（后輪/近）：－24.34mm。

6）主軸旋轉(zhuǎn)方向：面向主軸，逆時針。

5.3 毛坯

608mm長零件毛坯如圖16所示。熱處理狀態(tài)：H112狀態(tài)退火，隨爐升溫至380℃，保溫1h，爐冷至260℃，空冷。毛坯尺寸：內(nèi)徑122.2+0.10mm×厚10.2+0.10mm×長410mm。硬度：端面378～381HL，筒體325～334HL。

圖16 608mm長零件毛坯

5.4 兩道次反旋壓

608mm長零件兩道次反旋壓工藝流程為：控制每道次旋壓工件壁厚10.2mm→9.08mm→5.48mm（單邊留1.68mm機械加工余量）。608mm長零件兩道次反旋壓工藝參數(shù)見表4，旋壓程序如圖17所示，旋壓后的鋁筒件如圖18所示。

表4 608mm長零件兩道次反旋壓工藝參數(shù)

圖17 旋壓程序

圖18 旋壓后的鋁筒件

6 結(jié)果分析

通過對三種不同尺寸的鋁筒件的旋壓過程及結(jié)果進行分析，總結(jié)出幾種因素對鋁筒件硬度、內(nèi)徑精度及內(nèi)徑的影響如下。

6.1 旋壓過程對鋁筒件硬度的影響

旋壓前毛坯一般采用軟態(tài)進行成形。這是因為軟態(tài)時塑性較好，利于旋壓塑性變形。軟態(tài)一般指O態(tài)，也可采用H112狀態(tài)進行退火處理。本研究即采用H112狀態(tài)毛坯進行退火處理。

旋壓后毛坯表面硬化，如果繼續(xù)旋壓變形，容易出現(xiàn)裂紋等缺陷，因此需要進行旋壓道次間退火，恢復(fù)材料塑性，以便下一步旋壓變形。旋壓后中間退火如圖19所示，毛坯旋壓前后對比如圖20所示。

圖19 旋壓后中間退火

圖20 毛坯旋壓前后對比

H112狀態(tài)毛坯的硬度為325～334HL；380℃退火后硬度為313～320HL，硬度下降，但下降程度不大；旋壓后工件壁厚由8.1mm減薄至4.65mm，工件表面硬化，硬度增大到347～360HL；然后進行330℃退火，硬度減小到293～300HL，下降幅度較大，比H112狀態(tài)毛坯退火后的硬度還低，為下一步變形提供了基礎(chǔ)。

6.2 減薄率對內(nèi)徑精度的影響

表5為不同減薄率對內(nèi)徑的影響，在進給比不變的情況下，隨著減薄率由18.5%增大到24.4%、28.4%，內(nèi)徑由128.00mm減小到127.80mm、1 2 7.7 5 mm，即隨著減薄率增大，內(nèi)徑逐漸減小。旋壓前毛坯內(nèi)徑為127.80mm，擴徑量分別為0.20mm、0mm和－0.05mm，即擴徑量逐漸減小，更有利于貼模。

表5 不同減薄率對內(nèi)徑的影響

6.3 進給比對內(nèi)徑精度的影響

表6為不同進給比對內(nèi)徑的影響，在減薄率不變的情況下，隨著進給比由0.8mm/r增大到1.0mm/r、1.2mm/r，內(nèi)徑由127.77mm減小到127.71mm和127.60mm，即隨著進給比增大，內(nèi)徑逐漸減小。芯模外徑為127.52mm，擴徑量分別為0.25mm、0.19mm和0.08mm，即進給比逐漸增大，更有利于貼模。

表6 不同進給比對內(nèi)徑的影響

6.4 旋壓道次對內(nèi)徑精度的影響

表7為不同旋壓道次對內(nèi)徑的影響，第一道次進給比為0.8mm/r，毛坯為內(nèi)徑127.80mm，旋壓后內(nèi)徑為128.00mm，擴徑0.20mm；第二道次進給比增大到1mm/r，旋壓后內(nèi)徑為127.90mm，較旋壓前內(nèi)徑減小0.10mm，呈現(xiàn)收徑趨勢。第二道次旋壓后，進行中間退火（隨爐升溫至330℃，保溫1h，爐冷至260℃，空冷），硬度降低；第三道次進給比為1mm/r，旋壓后收徑0.10mm，呈現(xiàn)收徑的趨勢。

表7 不同旋壓道次對內(nèi)徑的影響

6.5 旋壓軌跡對內(nèi)徑的影響

340mm長零件經(jīng)過兩道次旋壓后，外徑旋壓至零件的口部尺寸，即φ137.50-0.63mm，旋壓后為137.16～137.22mm，然后再進行第三道次成形，口部不進行變形，口部內(nèi)徑位置出現(xiàn)過渡不平緩的問題，達不到產(chǎn)品技術(shù)要求。對工藝進行優(yōu)化，第一道次外徑旋壓至139.40mm，第二道次再進行變形旋壓至138.3mm（單邊留0.55mm機械加工余量），底部變形至134.45mm（單邊留0.62mm機械加工余量）。留機械加工余量的主要原因是口部臺階高度僅5mm，旋壓工藝無法實現(xiàn)，如果設(shè)計為10mm以上，則外徑不需要留余量，直接成形至成品尺寸即可。經(jīng)過工藝優(yōu)化，解決了口部過渡處內(nèi)徑過渡不平緩的問題。

608mm長零件工藝優(yōu)化前采用第一道次旋壓后，外徑由143.00mm減薄至140.50mm（單邊留0.5mm機械加工余量），然后進行第二道次旋壓，口部不進行旋壓，旋壓后內(nèi)徑出現(xiàn)過渡不平緩現(xiàn)象。工藝優(yōu)化后，第一道次口部留98mm不進行旋壓，第二道次外徑由143.00mm直接減薄至140.50mm，這樣尾頂端外徑由143.00mm減薄至133.20mm（單邊留1.6mm機械加工余量），同時進行變形，解決內(nèi)徑過渡不平緩問題。

綜上所述，對于帶有臺階的零件，在最終成形時各個臺階均需進行減薄變形，內(nèi)徑過渡更趨于平緩，內(nèi)徑成形質(zhì)量更高。

6.6 正旋壓/反旋壓對內(nèi)徑的影響

正旋壓/反旋壓對內(nèi)徑的影響見表8。正旋壓時，旋壓前毛坯內(nèi)徑為127.80mm，進給比為1mm/r時，擴徑量為0.20mm。如果進給比為0.8mm/r，則擴徑量更大。反旋壓時，旋壓前毛坯內(nèi)徑為122.25mm，進給比為0.8mm/r時，擴徑量為0.15mm，與正旋壓相比，反旋壓時擴徑量較小，即更有利于貼模。正旋壓產(chǎn)品如圖21所示，反旋壓產(chǎn)品如圖22所示。

圖21 正旋壓產(chǎn)品

圖22 反旋壓產(chǎn)品

表8 正旋壓/反旋壓對內(nèi)徑的影響

7 結(jié)束語

針對薄壁鋁筒件采用旋壓技術(shù)，不僅節(jié)約成本，而且能夠提高產(chǎn)品的合格率。結(jié)合三種不同尺寸鋁筒件旋壓工藝進行研究，對結(jié)果進行分析，總結(jié)出影響鋁筒件硬度、內(nèi)徑精度及內(nèi)徑的因素，可為不同尺寸的薄壁鋁筒件旋壓工藝提供參考和借鑒。