薄壁氣瓶旋壓成形工藝研究

張慶旭，鄧春鋒

（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南洛陽471000）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同類型的特殊零部件現(xiàn)模具掉落損壞、人身傷害等安全事故。需要旋壓加工。近些年氣瓶行業(yè)發(fā)展迅速，熱旋壓技術(shù)在氣瓶制造過程中也得到了應(yīng)用和推廣。熱旋壓成形技術(shù)具有材料損失少、成形效率高、成形和表面質(zhì)量好、外形尺寸誤差小、旋壓一致性好等特點(diǎn)。隨著科技的不斷進(jìn)步，熱旋壓設(shè)備在航空航天、海洋工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。尤其是氣瓶縮旋局部變形無芯模旋壓技術(shù)在氣瓶制造中得到了長足的發(fā)展。

本文著重討論旋壓過程中的關(guān)鍵問題及解決辦法，其中重點(diǎn)在旋壓工藝參數(shù)的選擇和最終旋壓工藝參數(shù)的確定。與常規(guī)壁厚氣瓶旋壓相比，薄壁氣瓶旋壓工藝更難確定，故本文主要介紹薄壁氣瓶縮旋局部變形無芯模旋壓工藝參數(shù)研究，旨在為薄壁高壓氣瓶熱旋壓提供可靠的依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

圖1所示為φ559mm高壓氣瓶旋壓圖，材料為4130X，鋼管壁厚8.3mm。該氣瓶國內(nèi)傳統(tǒng)的制造方法是將管坯切成統(tǒng)一的長度，采用中頻預(yù)加熱后用手工操作的模板式收口熱成形工藝。此成形方法的特點(diǎn)是成形部件的外形輪廓尺寸達(dá)不到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，另外旋壓后制件一致性不好。由于手工控制旋壓收口而導(dǎo)致人為因素造成廢品率較高，浪費(fèi)較大，所以如果設(shè)備和人員條件允許的情況下建議不采用此種旋壓成形方法。

圖1 旋壓圖

我公司吸收國外先進(jìn)旋壓技術(shù)，從國外引進(jìn)世界最先進(jìn)全自動數(shù)控?zé)嵝龎涸O(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對不同壁厚（15～35mm）筒形零件局部加熱后作無芯模的收口，由于采用數(shù)字化信息進(jìn)行自動化控制熱旋壓流程，極大地提高了制件的旋壓質(zhì)量和穩(wěn)定性，保證了旋壓后氣瓶旋壓段的一致性，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率。

本設(shè)備全自動工藝流程及工作過程：毛坯上料→夾緊→主軸慢速旋轉(zhuǎn)→加熱→旋壓加工→主軸?！铝?。旋壓加工過程：旋壓時(shí)以旋輪作進(jìn)給運(yùn)動，多道次加壓于夾緊在主軸上電動旋轉(zhuǎn)的毛坯，使其產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形使毛坯口逐漸縮小成形。

設(shè)備為3軸聯(lián)動旋壓方式，包括擺動、橫向移動和縱向移動。全自動控制旋壓過程，U軸為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，運(yùn)動以角度計(jì)量。X軸、Z軸為直線運(yùn)動。在工藝調(diào)試過程中通過隨時(shí)調(diào)整程序參數(shù)，靈活地改變旋輪運(yùn)動軌跡，從而快速獲得旋壓工藝參數(shù)。該設(shè)備是為常規(guī)壁厚氣瓶旋壓而設(shè)計(jì)，設(shè)備主要參數(shù)范圍：旋壓鋼管的直徑范圍為φ470～φ660mm，旋輪直徑為φ500～φ700mm，主軸轉(zhuǎn)速為100～300轉(zhuǎn)/min，旋輪圓角半徑為R30～R50mm。

該設(shè)備可對常規(guī)壁厚（15～35mm）的氣瓶進(jìn)行旋壓，旋壓后質(zhì)量無懈可擊，效率也十分高。但是對于設(shè)計(jì)壁厚在15mm以下的鋼管旋壓時(shí)，使用常規(guī)旋壓工藝根本無法完成旋壓成形。圖2所示為使用常規(guī)旋壓工藝旋壓時(shí)在前幾個道次所出現(xiàn)的材料失穩(wěn)和斷裂現(xiàn)象。故為滿足薄壁氣瓶設(shè)計(jì)要求，需摸索并確定薄壁氣瓶旋壓成形工藝，此即研究的靈魂。

圖2 常規(guī)工藝旋壓材料失穩(wěn)和斷裂

2 薄壁氣瓶旋壓工藝探索過程中幾個關(guān)鍵問題及解決方法

2.1 巧用中頻爐加熱及補(bǔ)熱系統(tǒng)解決熱應(yīng)區(qū)小的問題

熱旋壓成形中溫度是一個很重要的工藝參數(shù)，加熱溫度選擇不當(dāng)就會造成很大的影響。如果溫度過高，材料就會發(fā)生再結(jié)晶，再結(jié)晶使晶粒粗大，材料的纖維組織也隨之變粗，不利于多道次旋壓。如果溫度過低，金屬伸展性差，機(jī)床旋壓阻力增大，易造成機(jī)床過載報(bào)警，而且在瓶嘴處金屬材料積累不夠，內(nèi)孔尺寸過大。當(dāng)變形量超過金屬的塑性變形時(shí)就會產(chǎn)生裂紋，影響到氣瓶旋壓質(zhì)量。且由于薄壁鋼管在旋壓過程中溫度散失十分迅速，所以薄壁氣瓶旋壓加熱溫度是一項(xiàng)十分重要的因素。不但要保證中頻加熱到設(shè)定溫度不過燒，還要保證旋壓過程中的補(bǔ)熱溫度，避免溫度散失過快造成溫度驟降。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢測方法有多種，當(dāng)教材中的檢測方法不能達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生思考在其他實(shí)驗(yàn)中有沒有出現(xiàn)過類似的問題，有沒有方法可以借用。例如，在“果汁中的果膠和果膠酶”實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要觀察果汁的澄清度。平時(shí)的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生一般用肉眼觀察，各個試管中的果汁澄清度差異很不明顯。這時(shí)，教師可以啟發(fā)學(xué)生聯(lián)想到：在“亞硝酸鹽的測定”實(shí)驗(yàn)中曾經(jīng)使用過分光光度計(jì)來測量吸光度從而推測亞硝酸鹽的含量，若在本實(shí)驗(yàn)中也使用分光光度計(jì)來定量檢測，將定性試驗(yàn)改為定量試驗(yàn)，就可以明確地比較出不同實(shí)驗(yàn)組中的果汁澄清度差異。

為了減小旋壓時(shí)鋼管的變形抗力，能夠進(jìn)行大變形量的旋壓成形，必須控制好加熱溫度。將鋼管置于多圈環(huán)形中頻感應(yīng)器內(nèi)加熱到1，150±50℃。由于設(shè)備配置的是加熱常規(guī)壁厚鋼管的中頻感應(yīng)器，熱感應(yīng)區(qū)長度只有350mm，利用此感應(yīng)器加熱薄壁鋼管時(shí)就要超出中頻爐的感應(yīng)區(qū)50～100mm。在不改變中頻加熱的方式，同時(shí)不增加任何工裝和經(jīng)濟(jì)成本的前提下大膽嘗試，讓鋼管超出中頻爐熱感應(yīng)區(qū)50～100mm，使鋼管在中頻爐內(nèi)以5轉(zhuǎn)/min的速度慢速轉(zhuǎn)動，保證均勻加熱，當(dāng)加熱溫度達(dá)到1，150±50℃后退出，然后調(diào)整補(bǔ)熱系統(tǒng)的位置和流量，利用兩把大流量補(bǔ)熱噴槍對超出熱感應(yīng)區(qū)的鋼管端部進(jìn)行加熱，同時(shí)使用便攜式紅外測溫儀檢測補(bǔ)熱溫度，當(dāng)補(bǔ)熱溫度達(dá)到1，150±50℃后進(jìn)行旋壓。如圖3所示。

圖3 旋壓機(jī)加熱及補(bǔ)熱系統(tǒng)示意圖

由于補(bǔ)熱噴槍數(shù)量少，同時(shí)又被鋼管端部補(bǔ)熱區(qū)分去兩把，這就增加了補(bǔ)熱的難度。通過觀察發(fā)現(xiàn)，中頻爐加熱時(shí)熱應(yīng)區(qū)中間部位的溫度明顯高于兩端的溫度，在旋壓的過程中中間部位溫度降低相對緩慢，所以中間區(qū)域可以減少補(bǔ)熱噴槍的分配，用旋輪座上的兩把小功率補(bǔ)熱噴槍即可達(dá)到補(bǔ)熱效果。這樣就可以把另外兩把補(bǔ)熱噴槍全都分配在鋼管加熱區(qū)和未加熱的區(qū)域上，解決此位置溫度散失過快，很好的控制了此位置的溫度。經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終確定4把補(bǔ)熱噴槍的最佳補(bǔ)熱位置和最佳流量參數(shù)值，解決了中頻爐熱應(yīng)區(qū)小的限制問題。

2.2 旋壓工藝參數(shù)的確定

2.2.1 主軸轉(zhuǎn)速的確定

正常的旋壓薄壁氣瓶的旋壓機(jī)主軸轉(zhuǎn)速通常設(shè)定在500～1，000轉(zhuǎn)/min，解決低轉(zhuǎn)速的設(shè)備旋壓效率低，溫度散失快，很難完成薄壁旋壓的問題。針對現(xiàn)有設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速最高只有300轉(zhuǎn)/min的現(xiàn)狀，從旋壓效率角度考慮把主軸轉(zhuǎn)速盡可能設(shè)置高一些，提高旋壓效率，節(jié)省旋壓時(shí)間，減少旋壓過程中鋼管溫度散失，以達(dá)到提高氣瓶旋壓質(zhì)量的效果。根據(jù)常規(guī)壁厚轉(zhuǎn)速經(jīng)驗(yàn)，φ559mm型氣瓶旋壓時(shí)線速度不要超過500m/min。綜合以上兩個因素考慮，根據(jù)公式Vc=πDn/1，000推導(dǎo)出主軸轉(zhuǎn)速n=280轉(zhuǎn)/min，所以在程序中暫時(shí)設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為280轉(zhuǎn)/min。但是在實(shí)際試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于鋼管伸出主軸長度較長，在旋壓時(shí)鋼管的端部出現(xiàn)了嚴(yán)重的跳動現(xiàn)象，跳動頻率大引起旋壓機(jī)震動，進(jìn)而導(dǎo)致旋壓時(shí)瓶嘴外徑上出現(xiàn)振動波紋，影響瓶嘴尺寸和質(zhì)量。所以280轉(zhuǎn)/min設(shè)置的偏高，猜想與實(shí)際不吻合。為了去除各因素之間的干擾問題，僅改變一個變量因素，排除多因素相互制約的干擾。在其他控制條件都不改變的情況下，僅改變主軸轉(zhuǎn)速，把主軸轉(zhuǎn)速降低再次試驗(yàn)。根據(jù)常規(guī)壁厚的旋壓經(jīng)驗(yàn)，主軸轉(zhuǎn)速一定不能設(shè)置過低，必須大于230轉(zhuǎn)/min，故調(diào)整成260轉(zhuǎn)/min，再次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)仍然有些震動，但震動明顯降低（見表1）。為了再次降低震動，繼續(xù)調(diào)低主軸轉(zhuǎn)速為250轉(zhuǎn)/min，發(fā)現(xiàn)此時(shí)震動微弱。

表1 不同主軸轉(zhuǎn)速旋壓效果及采用情況

經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在240～250轉(zhuǎn)/min范圍內(nèi)設(shè)備震動微弱，此時(shí)效率相對較快。所以最終把收口道次主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為250轉(zhuǎn)/min，成形道次主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為240轉(zhuǎn)/min，根據(jù)旋壓過程微調(diào)。這種高低轉(zhuǎn)速配合使用的方法不但解決了設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速低的限制因素，還解決了設(shè)備振動的難題。同時(shí)，還總結(jié)出一個規(guī)律：旋壓機(jī)主軸轉(zhuǎn)速越高，則旋壓成形力越小，對制件的旋壓收口越有利；主軸的轉(zhuǎn)速太低，則旋壓成形力較大，導(dǎo)致旋壓制件的精度變差，同時(shí)容易引起機(jī)床的振動。

2.2.2 吃刀量和進(jìn)給量的確定

常規(guī)壁厚氣瓶旋壓時(shí)為了提高旋壓效率采用的是大吃刀量（20～30mm）和大進(jìn)給量（10～15mm/轉(zhuǎn)）的方法，因大壁厚大吃刀量編程時(shí)機(jī)床未出現(xiàn)過載報(bào)警，薄壁氣瓶初期則根據(jù)材料體積不變的原則，編輯更大的吃刀量和進(jìn)給量。實(shí)際旋壓后發(fā)現(xiàn)當(dāng)吃刀量、進(jìn)給量加大后旋壓前幾個道次就會出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象，即鋼管端部出現(xiàn)不規(guī)則的振紋花邊。

分析原因主要是由于吃刀量大，造成旋輪前材料堆積，以及進(jìn)給量過大，金屬材料變形量太大，積累的材料來不及隨著旋輪的運(yùn)動軌跡延展，所以就造成了材料的堆積，最終造成失穩(wěn)的問題（見圖4）。

圖4 鋼管端部失穩(wěn)

經(jīng)過多次實(shí)際旋壓后最終確定出合適的吃刀量和進(jìn)給量相配合的參數(shù)，對φ559mm型薄壁氣瓶旋壓時(shí)采用3～10mm的吃刀量和3～8mm/轉(zhuǎn)的進(jìn)給量。第一道次壓下角為28°，吃刀量為10mm，進(jìn)給量為8mm/轉(zhuǎn)；第二道次壓下角為32°，吃刀量10mm，進(jìn)給量為7.6mm/轉(zhuǎn)。按照這樣的規(guī)律逐漸調(diào)整減小，直至調(diào)整出吃刀量和進(jìn)給量相匹配的合理參數(shù)（見表2）。

表2 第一道次不同吃刀量、進(jìn)給量旋壓情況

經(jīng)過反復(fù)實(shí)際旋壓試驗(yàn)，不斷修改旋壓參數(shù)和軌跡參數(shù)，最終確定出合適的旋壓參數(shù)。同時(shí)也總結(jié)出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

（1）縮口旋壓時(shí)，當(dāng)薄壁筒坯變形抗力低而易變形失穩(wěn)時(shí)，旋輪每道次軸向進(jìn)給量不宜過大，應(yīng)采用小變形多道次的成形工藝。

（2）在收口工藝中，應(yīng)該特別注意旋壓參數(shù)的選擇，過大的進(jìn)給量容易引起毛坯失穩(wěn)和旋輪前的材料堆積。

（3）薄壁旋壓從第一個道次開始旋輪的進(jìn)給量及壓下角越小越好。如果剛開始道次的進(jìn)給量過大，金屬變形量太大，容易導(dǎo)致管坯褶皺，甚至出現(xiàn)旋壓時(shí)鋼管失穩(wěn)現(xiàn)象（從鋼管的剖面看，管坯由圓形變成多邊形，而且每個邊不是規(guī)則變化）。

2.2.3 道次的確定

旋壓道次的確定目前還沒有統(tǒng)一的理論計(jì)算方法，需要通過多次試驗(yàn)進(jìn)行確定。旋壓道次與鋼管直徑、鋼管壁厚、氣瓶瓶嘴外徑、氣瓶瓶嘴長度及所用的鋼管材料等因素有關(guān)。

多道次旋壓中，旋輪道次軌跡的確定是一大難題，如何選擇合理的旋壓道次、軌跡，如何實(shí)現(xiàn)所選擇的道次軌跡要涉及到多種因素。根據(jù)以往常規(guī)壁厚的氣瓶旋壓經(jīng)驗(yàn)，反推旋輪成形角α（見圖5），經(jīng)驗(yàn)公式α=[arcsin（d/D）+10°]

圖5 旋壓成形角示意圖

說明：此經(jīng)驗(yàn)公式僅適用于4130X材料的半球形氣瓶旋壓。利用經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出薄壁氣瓶旋壓時(shí)的成形角，再根據(jù)實(shí)際旋壓后瓶嘴外徑尺寸對成形角加以調(diào)整。

收口道次完全沒有經(jīng)驗(yàn)公式可以參考，只能通過實(shí)際旋壓來決定需要幾個道次。而成形道次可以參考成形角的大小，通常分5～7道次完成成形。實(shí)際旋壓薄壁氣瓶時(shí)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)壁厚的經(jīng)驗(yàn)僅能作為一種參考，薄壁氣瓶旋壓時(shí)需要更多的道次，才能在成形道次時(shí)不出現(xiàn)常規(guī)缺陷，如：失穩(wěn)、翻起、螺旋振紋、裂紋等等。本次薄壁氣瓶旋壓使用13個道次收口，使用6個道次成形。吃刀量和進(jìn)給量適當(dāng)調(diào)整，參數(shù)設(shè)定在范圍內(nèi)。最后一個精整道次，為了達(dá)到較高的表面光潔度，最后一個道次的吃刀量和進(jìn)給量都是設(shè)置最低。

3 結(jié)論

通過以上步驟的實(shí)際旋壓試驗(yàn)探索出了薄壁氣瓶縮口旋壓的工藝參數(shù)。同時(shí)也得出了旋壓成形的重要相關(guān)因素，在此做一個總結(jié)。

（1）薄壁旋壓時(shí)主軸轉(zhuǎn)速可以在240～250轉(zhuǎn)/min范圍內(nèi)參考。

（2）薄壁旋壓時(shí)采用3～10mm的吃刀量和3～8mm/轉(zhuǎn)的進(jìn)給量。

（3）薄壁旋壓可采用多道次，收口道次在10～15個道次；成形道次在5～10個道次。

（4）薄壁旋壓成功與否的一個重要因素就是溫度，此溫度包括加熱溫度和補(bǔ)熱溫度。

（5）旋壓成形過程中出現(xiàn)的缺陷，包括：材料失穩(wěn)、起皮、螺旋振紋、旋輪前積料、粘結(jié)、瓶嘴喇叭口、設(shè)備振動等，都是由于旋壓工藝參數(shù)選擇不合理導(dǎo)致的。

（6）旋壓工藝參數(shù)范圍比較廣泛，通過以上實(shí)際探索得出相應(yīng)結(jié)論。薄壁鋼管旋壓工藝參數(shù)的確定主要從溫度、主軸轉(zhuǎn)速、吃刀量、進(jìn)給比、道次和軌跡參數(shù)方面確定。當(dāng)這些參數(shù)選擇合理時(shí)就可以旋壓出滿足設(shè)計(jì)要求的制件。