普通車床旋壓“超長 特型 薄壁”鋁殼體的探討

摘 要：浮標殼體是解放軍、海軍航空兵河南省洛陽六一三研究所（我國海軍航空兵專門成立的反潛反艦研究所）研制“聲吶浮標”等反艦反潛裝備的主體。文章重點介紹了反潛聲吶浮標殼體的技術難點及在設計加工中所克服的幾項關鍵問題。對殼體的氣密環的機理以及氣密的可靠性做了較詳盡的分析，對加工超長特形薄壁鋁殼體方式步驟的得失都作了較系統的闡述。聲吶浮標殼體的加工成功不僅對反潛聲吶浮標產品的全部國產化起到了重要作用，也為打破國外對本產品的封鎖奠定了技術基礎。

關鍵詞：反潛聲吶浮標；超長特型薄壁鋁殼體；氣密環

引言

聲吶浮標（so nobuoy）是一種水聲遙感探測器為探測水下目標的浮標式聲吶器材。它與浮標信號接收處理設備組成浮標聲吶系統，用于航空反潛探測和固定聲吶監視系統對水下潛艇的預警等，所以，聲吶浮標是航空反潛中的重要一環。在這一環中落后，就等于把海平面以下敞開了一扇大門。我國在聲吶浮標技術方面正在迎頭趕上。

采用什么樣的加工方法來完成反潛聲吶浮標（以下簡稱“浮標”）殼體的制造，一直是影響我國反潛產品發展和國產化一個十分重要的課題。現代海戰已經把反潛和水下目標的精確定位提到了核心地位，也是浮標下水后戰技指標中突出考慮的問題。其殼體的工藝性能，氣密環的可靠性直接影響其技術指標，長管特型薄壁鋁殼體的加工方法，是世界各軍事強國都在積極研究的技術。盡管我國對該項技術早在20世紀80年代初期就已經進行試驗研究，但由于加工浮標殼體的旋壓技術處于國內空白，一直沒有達到實用階段，我國各級科研部門也把這項技術作為突破口加以重點研究開發，但幾年中浮標殼體裝置的可靠性這一關鍵技術一直沒有突破。2006年一二三廠專用工具車間根據軍方要求及時調整了技術結構，組織了技術攻關小組，從設計改進，工藝保障，檢測手段和加工技術等四個方面進行全方位的攻關，從摸底試驗到鑒定試驗在到總裝試驗，殼體結構，氣密環，加工精度得到了圓滿的綜合考核，整個殼體經受了近400發實彈投放的考驗，使用性能良好，可靠性得到了根本解決。

以下是作者在總結師傅經驗的過程中以及自己在獨立工作中總結出的。

1 浮標用長管特形薄壁鋁殼體的加工方法

1.1 工作內容

1.1.1 用普通車床自制芯模及旋輪，旋壓件不夾固進行旋壓加工及車削加工

1.1.2 使用材料“鋁 6061 GB/T 3191-1998”

毛坯尺寸：內徑118mm 外圓132.5mm 長705mm。

1.1.3 熱處理溫度460～465℃保溫4小時，取出后集中自然冷卻

1.1.4 使用工具及設備

（1）CW6163C普通車床一臺；

（2）自制多種旋壓芯模及旋輪用于旋薄及特型加工；

（3）其他輔助工具。

1.1.5 難點在于

（1）浮標本體是鋁合金件（如圖1），具有超長、超薄、尺寸精度要求高；

（2）需要多次成型旋壓、且不能卡緊或與旋芯緊固；

（3）旋壓后產生的應力。

1.1.6解決的具體問題

（1）旋壓后需要進行車削精加工；

（2）解決了沒有專用旋壓機床的問題；

（3）解決了旋壓后本體的應力問題；

（4）解決了浮式反旋壓薄壁管形件貼模難的問題；

（5）解決了特形件不同尺寸之間同心度難以保證的問題。

1.2 如何解決以上難點及問題（旋壓及操方法）

1.2.1 根據產品的要求作者經多次實驗，最終采用了（芯模如圖2）

按傳統的方法，對筒形件的加工一般采用芯模旋壓成形。芯模旋壓必須有一根與所旋工件內徑相匹配的芯模。為了保證所旋工件的質量，芯模必須有足夠的強度、剛度和表面質量。這樣芯模的加工制造就非常的困難，即要選好材料，又要經過多次試驗。因此芯模是旋壓中一個至關重要的工裝，芯模的好壞，直接影響工件的質量。該所選用芯軸的材料是T10 鋼，熱處理HRC52-56度。加工工藝采用粗車、調質、半精車、淬火、精磨的工藝流程。旋輪同樣采用T10 材料，旋壓切入角經多次修正，最終選用20度，加工工藝采用與芯模相同的工藝流程。

1.2.2 操作流程

（1）用普通CW6163C車床，不需改造。新舊不限；

（2）裝卡芯模1，使與主軸同心度在0.02mm以內。并將鋁桶浮套于芯模上，后用尾座頂緊芯模；

（3）裝卡旋輪1。對好切入角20度；

（4）據實際需要進行反旋壓與正旋壓相結合的方法。（以達到其良好的貼模率和退模要求，消除應力）；

（5）留適當旋壓后延長出芯軸的鋁筒。（以備收口用）；

（6）換旋壓輪2，收口（如圖3）； （7）精車，外徑達圖要求，齊長短；（8）退模（如圖4）；（9）換芯模2，換旋輪3，準備壓氣密環；（10）壓氣密環（旋壓凹槽）。

1.3 完成以上操作的關鍵點

1.3.1 如何掌握這頂關鍵技能

（1）鋁筒內徑與芯模之間的間隙要在0.1mm以內，讓鋁筒微變形使之與芯模不能自由轉動；（2）旋輪的旋入點要在靠尾座一側旋入（反旋），在旋制中期采用正旋為了更好的貼模率；（3）旋壓完成前要反向旋壓一次，以破解旋壓產生的扭曲應力；（4）退模要慢慢轉動主軸。使鋁筒對稱受力；（5）旋壓用量選擇也很重要，旋壓用量選擇如下：主軸轉數為：300至500轉/分，旋輪線速度為：800m/min。旋伸率為每道次50～60mm，減薄率為每道次0.4～0.5mm。

1.3.2 應用效果（和其他的操作方法比）

（1）普通旋壓使用專用旋壓設備；該操作法使用普通車床，應用性廣，節約資金，便于操作與推廣；（2）普通旋壓工件必須與芯模卡緊，該操作法被旋壓件與芯模不用互相卡緊，只是不能自由轉動。這也是該操作法與普通旋壓法最大的不同；（3）普通旋壓只能完成一道工序，該旋壓法可以一次裝卡完成變薄旋壓、封口、精車外徑、齊長短等多道工序。

1.3.3 解決的幾項關鍵技術

（1）金屬疲勞；（2）貼模率；（3）氣密環尺寸。

2 金屬疲勞、貼模率、氣密環等問題

2.1 金屬疲勞的解決

零件在交變應力作用下損壞叫做疲勞破壞。據統計，在機械零件失效中有80%以上屬于疲勞破壞，例如鋁筒經旋輪多次滾壓后，通常受到的交變應力為對稱循環應力，這種應力可以是彎曲應力、扭轉應力、或者是兩者的復合，金屬疲勞分為彎曲疲勞、扭轉疲勞、 拉-拉疲勞、拉-壓疲勞、等，而我們這種屬滾壓疲勞。

在金屬材料中添加各種“維生素”是增強金屬抗疲勞的有效辦法。例如，在鋼鐵和有色金屬里，加進萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素，就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領，延長使用壽命。該所選用的“鋁6061”合金其主要合金元素是鎂與硅，并形成Mg2Si相。若含有一定量的錳與鉻，可以中和鐵的壞作用；有時還添加少量的銅或鋅，以提高合金的強度，而又不使其抗蝕性有明顯降低；具有良好的可成型性、可焊接性、可機械加工性能，同時具有中等強度，在退火后仍能維持較好的操作性.屬熱處理可強化合金。這都是旋壓用鋁所最需要的性能指標，經過理論探討和多次反復試驗，得出了多道次旋壓的次數和毛壞料的長度，有效的解決了金屬抗疲勞問題。

2.2 貼模率的解決

在旋壓加工過程中，往往會出現貼模難的問題，造成不貼模或貼模難主要有以下幾個原因及解決方法。

2.2.1 熱處理

金屬材料熱處理溫度和保溫時間不合適，造成材料過硬或過軟，使金屬得不到良好的可塑性。

2.2.2 操作方法

操作方法不合適，比如這種產品初期主要采用的是反旋壓，這種方法是貼模率最低的，所以經過改進，采用反旋壓與正旋壓相結合的方法，具體步驟按時際情況而決定。

2.2.3 旋壓進給量

旋輪進給量的調整，旋壓力隨旋輪進給量的增加而增大，而且開始時增大較快，至旋輪進給量達到一定值后又減慢。這是因為在旋輪進給過程中，旋輪與旋壓件接觸處的變形面積的軌跡是一個螺旋帶，當旋輪進給量較小時，后一轉的螺旋帶與前一轉的螺旋帶有一部分重合，而重合部分在前一圈中已經繹過變形，故所需旋壓力較小。隨旋輪進給量的增大重合部分減小，因而旋壓力增大，至旋輪進給量增大到螺旋帶不再重合后，旋壓力的增加也就大為減慢，表明增加旋輪進給量，旋壓件壁厚差減小后又緩慢增大，這是因為旋輪進給量過小時，引起材料周向流動而不貼模，壁厚局部變薄嚴重，故壁厚差較大，較大的進給量則有利于旋壓件貼模，成形順利，壁厚差減小，但過大的進給量則容壞料隆起和堆積，導致壁厚差增大。

2.3 氣密環的基本原理及氣密環尺寸

氣密環是浮標殼體中部壓成的封水凹槽，氣密環凹槽與殼體里面裝陪的“密封塞”和“O”型圈共同組成氣密的封水裝置。浮標氣密環上半部是降落傘倉，下半部是裝載探測儀器的密封倉，浮標在使用時從四五千米的高空投入海中，入水后其膠皮“O”型圈在密封塞的作用下緊貼浮標殼體上的氣密環，排除了各部位的間隙，要承受兩個大氣壓強，從而達到氣密封水的作用。

氣密環是在產品的中間部分單面壓進去1.5mm深，16mm寬環狀結構，主要保證氣密環部分內徑尺寸，在？準116.4mm到？準116.8mm之間，以達到封堵海水不下漏的技術要求。此處氣密環的尺寸取決于殼體旋制時氣密環位置是否百分之百貼模，在鋁筒內徑達到要求后，才能保證氣密環內徑尺寸和不出現橢圓現象。

3 試驗結果

2008年六一三研究所海上空投實驗一次成功，投放，開傘，空中軌跡，入水，激活，工作都很正常，個別指標優于進口產品指標，聲吶浮標殼體研制的成功，對提高我軍的戰斗力，加強我國的國防力量，節省外匯開支都有著重大的意義。

4 先進性和效益性主要體現在哪些方面

多道次普通旋壓是一種先進的金屬塑性加工技術，但這對于我們來說卻是一項全新的技術，特別是這種浮標用鋁筒，是專門供應解放軍海軍航空兵河南洛陽六一三研究所（我國海軍航空兵反艦反潛研究所）研制“聲吶浮標”等反艦反潛裝備。該廠加工的鋁筒是反潛聲吶浮標的殼體。最早在80年代由蘇聯引進，但是我國對“浮標”的產生加工可以說是處在空白狀態，全部都要從蘇聯進口，之前，我國還沒有同類型產品生產。六一三研究所曾委與河南、廣州、深圳等多家工廠生產，最終都沒有成功。研制中沒有現成的資料借鑒，公司克服困難，攻克難關，在較短的時間內完成了原理模型和實驗樣品的研制，順利進行了多次海試，為我國聲吶浮標早日立項打下了堅實的基礎。加工方法屬于國內首創。填補了浮標殼體制造在國內的一項空白。終于摸索出了芯模、旋輪、旋壓參數等全套的加工方法，目前以形成成熟的工藝。2006～2007年共交付400 件。2008年又交付了100件，2012年12月分交付了700件。

2013年計劃在生產五個種類1000件左右，其中包括現在國際比較先進的“SQ”航空溫深浮標系列，我們生產的的產品比進口國外同類型產成本降低了80%左右（國外進口浮標用鋁殼體單件價格在6000元左右），而且還打破了國外的技術封鎖，隨著聲吶浮標殼體加工技術的成熟和各種聲納浮標新產品的穩定定型，我單位以成為我國聲納浮標殼體的重要生產基地。

5 2013年我國最新試驗產品“SQ系列航空溫深浮標”殼體也在我單位生產