大長徑比薄壁零件旋壓工藝研究

廖清華，賓 璐，阮瀅瀅，鐘 濤

(江南工業集團有限公司，湖南 湘潭 411207)

近年來，隨著軍工事業的發展，以提高武器裝備可靠性為目標，保證其產品質量成為降本增效、提高和保證軍工產品質量的重要課題。目前，旋壓已成為精密塑性成形的主要方法，特別是在加工各種復雜薄壁零件時的優勢明顯[1]。旋壓加工成形后的產品具有晶粒致密、強度高、壁厚均勻等特點，因此在航空、航天、兵器、造船、機械、建筑及日用工業品中得到廣泛應用[2]。在軍工產品制造過程中，大長徑比薄壁零件的使用越來越多，如發動機燃燒室殼體、戰斗部中心管等都是大長徑比薄壁零件。然而由于薄壁筒形件長徑比大(一般>10)，超過了其他塑性加工方法的成形極限，使其很難甚至不能加工，而變薄旋壓加工薄壁筒形件產品精度高，尺寸范圍廣，加工方便，省時省料，被廣泛應用[3]。為解決中心管零件容易彎曲變形的問題，提高武器裝備系列產品零部件的質量，通過研究采用正旋加工工藝，可有效解決加工出現的問題。

1 旋壓加工分類及特點

1.1 旋壓工藝分類

旋壓工藝是工件通過旋轉使之受力點由點到線，由線到面，同時在某個方向用滾刀給予一定的壓力使金屬材料沿著這一方向變形和流動而形成某一形狀的技術。旋壓工藝是一種比較先進的塑性加工方法，它綜合了鍛造、擠壓、軋制、拉伸、彎曲、平整等工藝特點，是回轉體類零件塑性成形的主要加工方式[4]。旋壓工藝種類較多，按照坯料塑性變形程度分為強力旋壓和普通旋壓；按照旋輪數量分為單旋輪、雙旋輪和三旋輪旋壓；按照金屬流向分為正旋和反旋；按照旋壓零件的形狀可分為對稱和非對稱旋壓等[5]。

1.2 旋壓加工特點

旋壓加工和其他加工方式比較，其優點在于：具有良好的金屬變形條件；加工耗費的原材料少，產品成本低；工序簡單，設備和模具都比較簡單；產品精度高，表面光潔度好；產品的性能好，范圍廣；采用旋壓方法可以加工出筒形件、變截面管材、壁厚不等或帶有階梯等大部分回轉體零件及三維非軸對稱零件和非圓截面空心零件等非回轉體零件[6]。

旋壓加工所用的坯料種類及加工方式具有多樣性。幾乎所有金屬均能進行不同程度的旋壓加工，例如，旋壓坯料可以用優質鋼、碳素鋼、不銹鋼、合金、稀有金屬、有色金屬及其合金等，但在塑性較好的材料中應用更廣泛。

旋壓等局部成形技術是比較先進的塑性成形技術，近年來，旋壓工件使用范圍越來越廣泛，某些高質量的重點旋壓產品幾乎供不應求[7]。在軍工行業，旋壓產品呈現多態的發展趨勢，包括筒體、殼體、藥形罩、尾管、中心管等零件都是采用旋壓加工成形。因進行旋壓加工時只需要一個芯模即可，而且都是在數控旋壓機上進行，成形和切削可以在同一臺機器上完成，操作更簡單。旋壓屬于局部連續性的加工，瞬間的變形區小，總的變形力小；一些形狀復雜的零部件或高難度易變形的材料，傳統工藝很難甚至無法加工，但是用旋壓的辦法就可以加工出來。

2 大長徑比薄壁零件傳統加工方法分析

2.1 零件結構分析

江南工業集團有限公司某中心管的結構如圖1所示，其加工內容并不復雜，是一個典型的大長徑比薄壁零件，選用符合GB/T 8162—2008[8]規定的無縫鋼管，毛坯尺寸為φ83 mm×6 mm，具有長徑比、徑厚比大(長徑比達10.8，徑厚比達41)，是典型的超長薄壁類零件，加工中容易出現彎曲、變形、壁厚不均勻，因此，應對該零件加工方法進行研究，以解決零件加工時的變形和振動。

圖1 大長徑比薄壁零件結構示意圖

該零件主要技術要求如下。

1)材料牌號為符合GB/T 699—1999[9]的20、25、35優質碳素結構鋼。

2)零件長度為887 mm±0.45 mm。

6)止口壁厚2 mm。

2.2 零件工藝分析

1)中心管材料為符合GB/T 8162—2008的無縫鋼管，屬于中碳鋼，強度、硬度較高，具有較好的韌性、焊接性，切削性能良好。

2)中心管的長徑比較大，壁厚較薄，因此剛性較差，裝夾時容易變形，不易保證加工精度。

3)中心管高速旋轉時，在離心力的作用下，易彎曲變形。

4)工件為較長管狀零件，加工時一般內孔采由脹簧脹緊，車削外圓時，容易造成零件壁厚不均勻。

2.3 傳統機械加工方法

對于中心管這類大長徑比薄壁零件，一般采用傳統的機械加工方法，其工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程

對于較長的薄壁件采用傳統機械加工方法加工外圓時，是采用內孔由脹簧脹緊，但是由于中心管是大長徑比薄壁零件，由于其長度太長，壁厚較薄，因此，加工其外圓時不能采用脹簧脹緊內孔的方法加工，容易造成零件壁厚不均勻。

3 大長徑比薄壁零件旋壓加工方法

3.1 零件旋壓工藝分析

由于該零件細長、壁薄、剛性差，受力、受熱易變形，易產生振動，所以在加工中應防止或減小變形和振動[10]。在零件試制階段，由于量少，在加工之前會從原材料中挑出壁厚一致性較好的鋼管來加工，因此沒有問題暴露出來。大批量生產后發現，中心管在進行水壓試驗時發生了彎曲現象。為了查找原因，筆者將該零件剖開，發現中心管兩邊壁厚嚴重不均，其中最薄處僅為0.4 mm，在進行水壓試驗時，就會因為最薄處強度不夠而發生彎曲。由此可見，該零件的加工難點是如何使中心管加工完成后壁厚均勻，不產生彎曲，而導致壁厚不均的直接原因與原材料壁厚不均及加工方法有關。

3.2 旋壓工藝方案設計

針對大長徑比薄壁零件使用傳統機械加工方法易發生彎曲的情況，開展了大長徑比薄壁零件加工實例研究工作。分析發現，原材料自身不直的管材就會導致材料的壁厚不一致，在車外圓時，就會造成零件壁厚單邊嚴重。因此，筆者提出了改進加工方法——采用旋壓加工，因為旋壓加工對于又長又薄的零件有著無與倫比的優勢，旋壓加工時由于有芯棒的支承，毛坯能貼著芯棒均勻地流動來體積成形，能保證壁厚的一致性。

經過反復研究討論，初步確定了如下2種旋壓方案。

1)反旋工藝：反旋一般適用于不帶底的產品如燃燒室等，反旋時加工進給方向和金屬流動方向相反，反旋兩道保證產品外徑，該方法中材料處于壓應力狀態，有利于成形，但是金屬堆積嚴重，從而造成兩端的外徑擴口比較嚴重，旋壓完成后需增加一道收口工序才能保證車內止口。

2)正旋工藝：正旋一般適用于帶底的產品，如戰斗部殼體等，正旋時加工進給方向和金屬流動方向相同，正旋中材料處于拉應力狀態，較反旋難成形些，但是該方法外圓擴口較小，容易保證產品的精度。

接下來對零件特點進行了分析，該中心管零件為本身不帶底零件，但由于其為戰斗部裝藥的重要零件，在車外圓、鏜孔后應焊上中心管底。因此，為了保證零件精度，采用正旋工藝，并對工藝進行優化后制定工藝方案如下：下料→毛坯加工→焊中心管底→鉆排氣孔→旋壓→焊排氣孔→平總長→車外止口→氣密水壓檢驗。

首先將中心管毛坯車內止口，然后焊上中心管底，旋壓加工完成之后再焊中心管前端，旋壓毛坯如圖3所示。

圖3 旋壓毛坯圖

3.3 加工難點

在旋壓加工中，有如下2個難點問題。

1)旋壓加工的芯棒問題：由于以前生產的零件口徑都在200 mm以上，芯棒剛度好，但對于小口徑的零件旋壓加工從未涉及，且小口徑零件旋壓的芯棒其剛度也要差些，因此只能借鑒其他長零件旋壓加工的成功經驗進行旋壓加工。

2)正旋工藝的排氣問題：需要考慮到零件的排氣，否則零件裝不進芯棒，若要排氣只能在芯棒上開孔，而在1 m多長的芯棒鉆孔也是難點。由于在加工芯棒時排氣孔加工難度大，未能及時鉆通。因此，為了解決這一難題，筆者采用一個新的加工方法：在產品上開排氣孔，等旋壓加工完成之后，再將排氣孔焊好，采用該方法有效地解決了這一難題。通過使用優化后制定的工藝方案進行加工，該中心管零件加工完成后的尺寸、精度均符合圖樣要求。

通過對大長徑比薄壁中心管零件進行旋壓加工后，和原傳統加工方法相比，原材料長度可由原來的890 mm縮短到375 mm，節省材料57.9%，材料利用率由以前的32%提高到76%；同時以正旋代替反旋，解決了旋壓后產品的擴口問題和產品壁厚不均勻的問題，有效減少了零件的廢品率。

4 結語

本文通過對大長徑比薄壁零件的旋壓加工驗證，對比正旋與反旋2種旋壓方式的優缺點,采用正旋加工工藝可有效規避反旋帶來的擴口問題，零件加工質量能夠滿足技術指標要求，較原傳統加工方法，可有效節省材料，縮短加工時間，提高零件質量。為了充分發揮旋壓技術的優勢，對于大長徑比薄壁零件的旋壓加工可采用本文所列方案進行相關工藝方案設計，實現薄壁長筒體零件的加工，可有效解決加工中出現的彎曲變形問題。