大尺寸薄壁LF6 鋁合金筒體旋壓成形技術

黑愛卿，李鈺，鄧全得，陳曦，李仲輝

（西安航天發動機有限公司，西安 710100）

大型薄壁圓筒成形的工藝方法主要有板料卷焊和鍛坯旋壓成形兩種。板料卷焊圓筒工藝簡單、成本適中，需焊接而成，焊接件耐壓強度低于整體產品，同時制造精度難以滿足精密裝配要求。對于筒體回轉類產品，旋壓工藝技術是很好的實現方式。所謂旋壓，是指借助旋輪作進給運動，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回轉體零件。旋壓成形方法不僅具有節省材料、降低成本、模具簡單等優點，而且旋壓產品壁厚均勻，易于得到較高的精度，產品材料組織結構好，晶粒細小并具有纖維狀特征，強度和硬度得到了提高，可以有效提高材料綜合性能[1—2]。

大尺寸薄壁LF6鋁合金筒體是某型號飛機副油箱的主體部分，為中空回轉體零件，長度為1750 mm，壁厚為（3±0.2）mm，直徑精度為Φ796±0.5 mm，如圖1所示。LF6屬于鋁鎂系熱處理不強化變形鋁合金，具有較高的塑性及耐蝕性，板料卷焊成形產品精度、強度均不滿足相關要求[3]，若采用鍛件整體車削加工，成本極高，故急需開展流動旋壓工藝技術在大尺寸薄壁筒體類產品上的應用。

圖1 LF6 鋁合金筒體尺寸Fig.1 Cylinder size of LF6 aluminum alloy

1 材料

LF6鋁合金材料的化學成分如表1所示，其室溫下的密度為4.5 g/cm3，抗拉強度≥315 MPa，屈服強度≥160 MPa，伸長率約為15%，斷面收縮率約為40%，彎角≥20°。產品的技術要求為：①壁厚為（3±0.2）mm，形面線輪廓度為±0.3 mm；② 兩端口部直徑精度為±0.5 mm。產品特點為該產品屬于大直徑薄壁筒形件，其相對高徑比L/φD=2.2，相對厚度t/φD=0.004。

表1 LF6 鋁合金化學成分Tab.1 Chemical composition of LF6 aluminum alloy

2 工藝方案

2.1 工藝方案對比

對于上述薄壁筒形產品，目前常用的工藝方法有：①板材卷筒成形+縫焊；② 鍛件直接車削加工成形；③鍛件圓形毛坯正旋壓成形；④ 鍛件筒形毛坯反旋成形。從工裝尺寸、工序數量、材料成本、工藝難度及產品性能等方面綜合對比，上述工藝方法的優缺點比較結果如表2所示。

表2 圓筒形零件成形工藝方法對比結果Tab.2 Comparison results of advantages and disadvantages of tube forming process

從表2可以看出，筒形鍛件毛坯反旋成形的工藝方案具有工藝裝備簡單、中間工序少、材料利用率高、質量高、廢品率低等優點，是大尺寸薄壁筒形件成形的理想工藝方法。

2.2 流動旋壓技術特點

筒形件流動旋壓是制造薄壁筒形件最有效的工藝方法之一，采用強力旋壓工藝得到的薄壁筒形件具有晶粒致密、強度高、尺寸精度高、材料利用率高、工藝裝備簡單、所需設備噸位小、成本低等優點[4—5]。

流動旋壓的特點如下[6—7]：①制品整體無焊縫，相對于卷焊圓筒，消除了縱向焊縫影響，并通過塑性變形極大提高了工件的機械性能，同時，減少了筒體制造過程中的焊接、退火、探傷等工序，降低了制造成本；② 由于金屬變形區具有對稱性，工件殘余應力狀態得到明顯改善，內表面貼胎間隙為0.1 mm，外表面由對稱旋輪進行加工，這是實現筒形件高尺寸精度、高表面質量的關鍵因素；③材料利用率髙，由于旋壓為無切削加工，旋壓加工與其他機加工相比，可節約大量原材料；④ 制品范圍廣，旋壓可以成形大直徑薄壁管材、變斷面管材、橢圓形等帶有階梯狀和變化壁厚的幾乎所有的回轉類零件。

流動減薄旋壓根據金屬流動的方向又可分為正旋和反旋。正旋時已加工區受到拉應力的作用，而未加工區不受應力作用。金屬流動方向同旋輪進給方向相同。反旋時未加工區受到壓應力作用，已加工區不受應力作用。金屬流動方向與旋輪進給方向相反。對于筒形件來說，一般會改變工件的壁厚和筒形件的長度，而內徑不變。正、反旋壓示意圖如圖2所示。

由于流動反旋時毛坯懸空，在相同的初始壁厚和變形程度下，反旋旋壓胎長度為正旋時的一半左右，極大降低了模具成本，故本方案采用反旋加工。

圖2 筒體正、反旋流動旋壓過程Fig.2 Positive and reverse spin flow spinning process of cylinder-shaped part

3 流動旋壓成形工藝設計

3.1 毛坯計算

旋前鍛坯為塑性良好的退火態，根據流動旋壓過程中毛坯體積不變定律，并忽略毛坯與芯模的裝配間隙、壁厚不均勻等因素的影響，旋壓成品的長度計算如式（1）[8]，其中當d＞＞t0,tf時，t0l0≈tflf。

式中：t0為旋壓前筒形毛坯厚度；l0為旋壓前筒形毛坯長度；tf為旋壓后筒形毛坯厚度；lf為旋壓后筒形毛坯長度；l為旋壓產品長度；dm為芯模直徑。

3.2 極限減薄率計

流動旋壓成形材料一次旋壓極限變薄率與斷面收縮率關系的經驗計算公式為[8]：

式中：z為材料斷面收縮率；t0為筒形件初始壁厚；ti為筒形件旋壓后壁厚。

變薄旋壓減薄率反映工件變形程度。變薄旋壓道次減薄率對工件內徑的脹縮量及尺寸精度的影響較大，在總變薄率確定后，根據工藝條件和工件尺寸的精度要求，可分成若干道次進行變薄旋壓。減薄率過小會導致加工效率低下，道次減薄率過大容易造成材料堆積，表面呈現波紋、折疊等缺陷。道次減薄率過小會引起工件厚度變形不均，工件內表變形不充分而出現裂紋。道次減薄率為20%～30%時是最佳選擇值[9—10]。

LF6 合金在室溫下斷面收縮率約為40%，塑性較好。根據式（2）得出極限減薄率為70%，實際確定從鍛坯到薄壁工件總減薄率約為62.5%，減薄量約為5 mm，分3 道次減薄變形，每道次減薄率約30%，進給量約1 mm/r。第一道次大變形量，可以使管坯變形充分，避免出現外部金屬流動過快而內壁變形不充分產生的內裂現象。最后一個道次為保證工件精度采用小減薄率。筒體口部坯壁可不加工或加厚，加強圓度控制。

3.3 旋壓力計算

流動旋壓過程中，旋壓力可求解為：

式中：δ0為毛坯材料的厚度；f為進給率；αρ為旋輪成形角；Dρi為旋輪直徑；σm為平均有效應力。

3.4 過程工藝參數確定

1）旋壓道次：流動旋壓時把初始筒形鍛坯減薄至近成品件厚度3 mm，考慮到筒體口部剛性預留尺寸，流動旋壓引起的擴徑量、減薄率、后續車切余量，由此一步步反推算出旋壓次數為3 次，及初始鍛坯尺寸為8 mm×Φ789.2 mm×800 mm，鍛坯尺寸精度經車削保證。

2）旋輪參數：單旋輪旋壓時徑向力不平衡，適宜薄壁短件成形。雙旋輪適宜中等規格的旋壓件[11]，工件直徑為Φ200～Φ400 mm，長度小于2 000 mm。均布三旋輪方案更為合理，成形過程中可以有效夾緊坯料，減少模具偏心，增加塑性變形區及有益改善應力分布。文中因條件限制采用對稱雙旋輪旋壓。旋輪直徑影響旋輪軸承的安裝空間與使用壽命，對旋壓件的質量影響不大，一般取（Φ150～Φ300 mm）。

旋輪主要結構參數為成形角αρ和頂部圓角Rρ：當αρ增大時，工件變形區畸變增大，使隆起和堆積傾向增大；當αρ減小時，旋輪和毛坯接觸面積增大，容易擴徑[12—13]。αρ選擇范圍為15°～30°，Rρ增大可使旋輪與毛坯接觸面積增大，從而提高旋壓表面質量，同時又會增加旋壓徑向力和軸向力，容易使毛坯在旋壓過程中發生起皺、傾倒失穩、拉裂；當Rρ減小時，有利于毛坯貼胎，同時會造成切削現象，使旋壓件表面起皮、掉屑、擠斷。根據毛坯材料、尺寸及旋壓特點，一般選取Rρ=（0.6～1）t0，表面粗糙度Ra=0.8 μm，表面跳動量為0.015 mm，旋輪材料選用W18Cr4V，表面硬度HRC58～HRC60。

3）進給率f與轉速n：進給率含義是芯模每轉一周旋輪沿著工件母線的進給量。變薄旋壓時，進給率對工件直徑的脹縮和工件質量均有影響。適量的大進給率有助于提高效率和縮頸，但易造成旋輪前材料的堆積，小進給率有利于提高表面質量，但易出現起皮和擴徑。筒形件流動旋壓常用的進給比一般在0.5～1.5 mm/r 之間，同時結合實際產品多次試驗的經驗，三道次旋壓的進給比分別為f1=1.4 mm/r，f2=1.2 mm/r，f3=1.0 mm/r。轉速n與進給率f有關，常搭配使用[14]。在旋壓進給量一定的條件下，轉速高則進給率下降，轉速低則進給率上升。提高主軸轉速可以提高生產效率并改善旋壓質量。此外，轉速提高后，增加變形熱，還會引起機床震動等現象。通常轉速n取30～200 r/min。

4）旋壓間隙：旋輪與旋壓胎的法向距離。一般旋壓間隙=實際料厚±偏移量（根據實際情況酌情調整）。

5）潤滑劑：機油+MoS2+氯化石蠟。

6）旋壓溫度：室溫。

綜上所述，旋壓工藝參數如表3 所示。

3.5 零件成形工藝流程

根據以上分析計算及有效控制一旋、二旋、三旋減薄率和產品質量，最終確定了筒體成形的工藝流程，如圖3 所示。

表3 圓筒形產品旋壓工藝參數Tab.3 Spinning process parameters of cylindrical products

圖3 筒形件成形工藝流程Fig.3 Cylindrical product forming process

4 設備選用及工裝

4.1 旋壓所用工裝及模具

根據零件尺寸中的徑深比、尺寸精度和旋壓過程中旋壓力，結合機床加工范圍和功能，選用CZ1500/2 CNC 數控雙輪旋壓機床。

圖4 旋壓模胎實物Fig.4 Spinning mould

在旋壓過程中，芯模是決定產品成形質量的主要零件，必須具有足夠的強度、剛度和表面粗糙度[15—16]。旋壓模胎是旋壓加工的主要關鍵工藝裝備，其設計精度直接影響旋壓成形件的質量。要求旋壓胎體回轉形面與大端安裝定位面軸線同軸度≤0.03 mm、回轉跳動量≤0.03 mm、形面輪廓度≤0.03 mm，粗糙度Ra≤0.8 μm，材料選用5CrMnMo，表面硬度為HRC50～HRC55，通過轉接法蘭與旋壓機床固定，通過卡槽固定塊實現旋壓產品的固定，如圖4 所示。

4.2 端面車切所用設備及工裝夾

根據零件高度及最大回轉直徑，選用C6016 臥式落地車床。用車切夾具來保證零件兩端面的平行度、端面對軸線的垂直度。

5 旋壓過程及產品質量

按照上述確定的工藝參數、旋壓設備及工裝磨具對2件LY6筒形毛坯進行旋壓，整個旋壓過程與上述理論分析相符。使用測量工具對旋壓后的產品尺寸進行了測量，結果為：壁厚從大端到小端變化均勻，壁厚公差≤±0.1 mm；內形面與切內樣板間隙≤0.1 mm（局部≤0.20 mm）；內表面、外表面粗糙度Ra≤3.2 μm，表面光滑無缺陷；大、小端內徑公差≤±0.2 mm，詳見表4。

表4 產品尺寸精度Tab.4 Dimension accuracy of product mm

6 結論

流動反旋成形工藝方法，具有工藝簡單、操作方便、經濟合理、質量可靠、合格率高、制件一致性好的優點。采用筒形鍛坯流動反旋成形的工藝方法對大尺寸薄壁LF6 鋁合金的加工研究，可得出以下結論。

1）采用筒形鍛坯流動反旋成形工藝方法實現了大尺寸薄壁LF6 鋁合金的加工。

2）使用對稱雙旋輪旋壓設備和高精度旋壓模胎，確定旋輪成形角αρ、頂部圓角Rρ、道次、進給率和轉速等工藝參數，能夠保證旋壓后壁厚公差均滿足≤±0.1 mm，內形面與切內樣板間隙≤0.1 mm，內表面、外表面粗糙度Ra≤3.2 μm，大、小端內徑公差≤±0.2 mm 的高精度合格產品。