金屬旋壓成形中的創新與創造

文/夏琴香，肖剛鋒·華南理工大學

程秀全·廣州民航職業技術學院

金屬旋壓成形中的創新與創造

文/夏琴香，肖剛鋒·華南理工大學

程秀全·廣州民航職業技術學院

夏琴香，教授，主要從事精密成形與模具計算機技術研究，曾負責和參與多項國家自然科學基金項目、廣東省自然科學基金項目、廣東省工業科技攻關計劃項目。

本文對通過改變旋輪及坯料的運動方式而產生的三維非軸對稱件及非圓截面件旋壓成形技術、通過改變旋輪或芯模形狀而產生的齒輪件旋壓成形技術、通過將旋壓成形工藝與熱處理工藝進行有機結合用于制備具有納米/超細晶結構筒形件的旋壓成形技術等進行了詳細闡述，介紹了上述旋壓技術的成形方法、成形工藝及研究現狀，并對旋壓技術的發展前景進行了展望。

創新是以新思維、新發明為特征的一種概念化過程，是推動科技進步和社會發展的不竭動力。隨著工業生產向著精密化、綠色化及可持續化的方向發展，高精度、高性能、低成本、低能耗已成為未來制造業的發展趨勢。通過技術創新，突破傳統制造技術的局限，是實現工業生產的精密化、綠色化及社會、經濟的可持續發展的重要手段。

旋壓是借助于旋輪的進給運動，加壓于隨芯模沿同一軸線旋轉的金屬毛坯，使其產生連續的局部塑性變形而成為所需空心零件的一種近凈精密塑性成形方法。金屬旋壓成形是一門古老的技術，起源于我國古代的制陶工藝；傳統的金屬旋壓工藝主要用于成形薄壁回轉體空心零件。

近年來，隨著旋壓理論的不斷完善和旋壓技術的不斷創新，旋壓成形技術已取得了較快的發展，比如三維非軸對稱零件、非圓截面空心零件及齒輪零件旋壓技術的出現，突破了旋壓技術傳統意義上只能生產軸對稱、圓形截面、等壁厚產品的限制；此外，還提出將強力旋壓技術用于制備具有納米/超細晶結構的筒形件。

三維非軸對稱件旋壓成形技術

三維非軸對稱零件可分為偏心和傾斜兩大類。當零件的各部分軸線間相互平行時稱為偏心類零件；當零件的各部分軸線成一定夾角時稱為傾斜類零件 。汽車排氣歧管是典型的三維非軸對稱類零件（圖1），其右端成形機理屬于傾斜類、左端成形機理屬于偏心類。

圖1 汽車排氣歧管零件圖

由于傳統的旋壓成形技術在加工零件時是將毛坯固定在機床主軸上與主軸一起旋轉的，因此只能加工空心軸對稱回轉體零件。經本文作者及同事的多次試驗研究，提出了使毛坯避開回轉狀態而由旋輪繞毛坯公轉的三維非軸對稱零件旋壓成形新工藝、新方法。其成形機理為：在成形零件的偏心部分時，不同道次旋壓成形時的工件軸線保持平行；每道次成形前先將工件沿旋輪公轉軸線的垂直方向在水平面內進行平移（圖2運動5），然后在成形時將工件沿著旋輪公轉的軸線方向作進給運動（圖2運動3）；直至各道次成形后的軸線偏移總量達到所需要的數值δ時為止（圖3a）。

在成形零件的傾斜部分時，每道次成形前先將工件軸線相對于旋輪公轉軸線在水平面內偏轉一定角度（圖2運動4），然后使裝卡在機床工作臺上的坯料沿著旋輪公轉的軸線方向作進給運動（圖2運動3）；這樣每道次旋壓后，坯料已變形部分相對于未變形部分便傾斜了一定的角度。經過多道次旋壓成形，便可獲得所要求的總的傾斜角度α（圖3b）。

依據上述偏心及傾斜類零件旋壓成形方法，實現了汽車排氣歧管類三維非對稱零件的完整制造。

圖2 非軸對稱零件旋壓成形原理

圖3 非軸對稱零件旋壓成形過程

非圓截面件旋壓成形技術

在工業設計中，經常會把構件的結構設計成一些特殊的形狀，使得構件截面形狀呈現為非圓形（零件外輪廓至截面幾何中心的距離是變化的）。由于傳統的旋壓成形技術在加工零件任一截面時，旋輪與芯模回轉中心的距離保持不變，因此只能加工圓形截面零件。本文作者等提出基于靠模驅動旋輪徑向高頻進給的非圓截面旋壓成形新工藝、新方法，實現了非圓截面零件的旋壓成形。

如圖4所示是基于靠模驅動的旋壓成形裝置。在基于靠模驅動的非圓截面零件旋壓成形中，變形金屬通過尾頂2夾緊在芯模1上；芯模1與靠模7通過齒輪副9傳動實現相同角速度旋轉；安裝在橫向工作臺5上的旋輪座在靠模7的驅動下做高速往復直線運動，進而實現旋輪4的往復進給；縱向工作臺3在伺服電機的驅動下沿機床的縱向進給。

圖4 基于靠模驅動的旋壓成形裝置

在非圓截面零件旋壓成形過程中，工件隨芯模（主軸）旋轉一周時，為了保證旋輪與芯模之間的間隙不變，旋輪必須隨零件邊緣輪廓到芯模中心距離的增加而高速徑向后退；反之，則須高速徑向前進；有別于傳統旋壓的準靜態變形，屬于在動載荷下的變形。圖5所示為依據上述非圓截面零件旋壓成形技術旋制出的各種形狀的非圓截面空心零件。

齒形件旋壓成形技術

齒形零件是指沿軸向或周向壁厚成周期性增厚和減薄的零件，可分為橫齒類零件（如帶輪）和縱齒類零件（如內齒輪）。對于此類零件，本文作者等提出采用與零件外輪廓相對應的齒形旋輪或與零件內輪廓相對應的齒形芯模，實現了齒形零件的旋壓成形。

帶輪是典型的橫齒類零件，以六楔帶輪為例，首先采用拉深工藝獲得如圖6a所示預制坯，然后以拉深預制坯為基礎，設計出五工步旋壓成形工藝。具體工藝如下：預成形工步（預成形旋輪2與上模1聯動進給，使筒壁成微“鼓”形，如圖6b所示）；腰鼓成形工步（上模1單獨下壓，預成形件與下模3貼合，成形所需鼓形件，如圖6c所示）；增厚成形工步（增厚旋輪2進給，將腰鼓壓平，實現壁部增厚，保證旋齒所需厚度，如圖6c所示）；預成齒工步（預成齒旋輪2進給，成形初步齒形，如圖6d所示）；整形工步（整形旋輪2進給，精整壁部齒形，如圖6e所示）。

成形縱齒類零件時，將具有外齒廓的芯模安裝在機床主軸上，杯形預制坯同心地夾緊在芯模和尾頂塊之間，并隨主軸一起旋轉；變形金屬在120°范圍內均勻分布的三個旋輪作用下，其內壁材料因受芯模外齒廓的約束產生徑向塑性流動而形成齒形，如圖7所示。

圖8所示為依據上述縱齒零件旋壓成形技術旋制出的各種形狀齒輪件，實現了內齒輪零件無切削精密旋壓成形 。

圖7 內齒輪零件旋壓成形原理

圖8 內齒輪旋壓件

納米/超細晶筒形件旋壓成形技術

納米材料是指晶粒尺寸在納米量級（1～100 nm）的固體材料，而超細晶材料是指晶粒大小為100～1000nm的固體材料。目前采用劇烈塑性變形來制備納米材料的方法較多，主要有：等通道轉角擠壓、累積疊軋、多向鍛造、高壓扭轉等。

強力旋壓屬于劇烈塑性變形的方法之一，它在不改變材料結構與成分的前提下，通過對金屬材料施加很大的剪切應力而產生高密度的錯位，進而達到細化晶粒的目的。

圖9 錯距旋壓

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筒形件強力旋壓有錯距旋壓、對輪旋壓等多種方法。錯距旋壓是多個旋輪在軸向相互錯開而在徑向又依次使坯料減薄的一種旋壓方式，采用錯距旋壓可以在一道工序中完成需要幾道工序完成的工作，使生產率顯著提高，如圖9所示。對輪旋壓是用內旋輪代替芯模，采用一對或多對內外旋輪同時對工件內外表面施加成形力，使工件內外表面同時產生塑性變形。采用對輪旋壓可以消除有芯模旋壓中內外表面變形不均而導致的晶粒細化程度差異較大的缺陷，對于獲得均勻的納米/超細晶較為有利，如圖10所示。本文分別采用兩種不同強力旋壓方法來制備具有納米/超細晶結構的筒形件。由于強力旋壓過程中，晶粒變形具有方向性，為獲得等軸的納米/超細晶，作者等提出將強力旋壓工藝與再結晶退火相結合的方法來制備具有納米/超細晶結構的筒形件。

圖10 對輪旋壓

圖11 20鋼微觀組織

作者等以20鋼為毛坯，采用“多道次強旋→再結晶退火→強旋→再結晶退火”的工藝方法，按照變形過程中材料體積不變原理和工件產生85%～90%的總厚度減薄率的要求，首先通過強力旋壓使其壁厚減薄率達到60%～70%；再將工件放入惰性氣體保護爐中進行再結晶退火；然后再進行強力旋壓，使其壁厚總減薄率達到85%～90%并進行再結晶退火，制備出無內應力且晶粒尺寸小于0.5μm的具有等軸晶組織的筒形件。金相組織分析結果表明，20鋼原始筒形件組織晶粒大小為50μm（圖11a），經多道次錯距旋壓劇烈塑性變形后，晶體中鐵素體和珠光體沿軸向逐漸被拉長，形成纖維狀組織；經再結晶退火后，獲得晶粒尺寸為0.5μm的等軸晶組織（圖11b），從而實現了零件整體的納米/超細晶化。

結束語

近年來，技術創新已成為社會發展、科技進步的重要動力。旋壓成形理論的完善和旋壓技術的創新拓寬了旋壓技術的應用范圍，順應了制造業的發展要求和趨勢。目前，旋壓技術的創新主要包括以下兩個方面：

⑴旋壓成形方法的自我創新。通過改變旋輪及坯料的運動方式、旋輪或芯模的形態，使其打破傳統旋壓技術僅用于生產回轉軸對稱薄壁空心零件的局限，可用于生產三維非軸對稱、非圓截面、齒形等復雜形狀零件，拓寬了旋壓技術可成形零件范圍。

⑵旋壓成形方法與其他工藝方法的結合創新。為獲得具有特定微觀組織結構的零件，以滿足特定的服役環境，可采用旋壓成形技術與再結晶退火熱處理相結合的方法，獲得具有整體納米/超細晶結構的零件。

隨著現代工業的高速發展，旋壓成形技術將朝著高精度、高性能、低成本、低能耗的方向發展，旋壓技術的應用范疇將不斷拓展。通過采用熱旋壓成形技術及將旋壓技術與熱處理工藝的有效結合，旋壓技術可有效地用于一些高溫合金等難變形金屬及軟磁合金等功能材料的成形；產品的宏觀成形質量和微觀組織性能已成為加工制造中必須同時兼顧的目標，因此，未來旋壓技術的創新和發展還須在保證產品宏觀成形質量的同時，關注獲得特定的微觀組織形態以滿足零件特殊的服役環境要求，實現旋壓成形過程的形/性一體化控制。