某不銹鋼雙壁管零件成形工藝

史東浩

（航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003）

0 引言

我公司產品中用到某不銹鋼雙壁管，其作用是利用金屬塑性變形來吸收碰撞動能。主要特點是雙壁管零件受到沖擊載荷時，經過特定的連接方式使其沿軸向發生連續的塑性變形，通過延伸變形還原成單壁管，在此期間，將沖擊動能轉化為塑性變形能和熱能；在合理連接結構控制下，還可以在沖擊回彈時，由單壁管通過壓縮變形再次回復成雙壁管，從而繼續吸收沖擊回彈能量，能起到多次連續吸收沖擊及回彈能量的作用，是目前各類吸能元件中吸能效果最好的元件。其在要求耐受墜撞沖擊的領域，作為保護人員的安全裝置方面，取得非常可靠的效果。裝備此類裝置的產品在我單位年度經營指標中長期占據40%左右的份額，占據核心產品的地位，該元件屬于核心零件。但該零件的生產一直存在合格率很低的現象，長期為30%左右。為滿足交付需求，往往采用提高投產數量的方式組織生產，有時投產量達到需求量的5倍左右，導致產出100件左右的合格零件，需要超過4個月的生產周期，相應的成本居高不下。近年來隨著市場競爭日趨激烈及產品升級換代的需要，降本增效提上日程，需要對該零件的生產過程進行全面提升，根據對相關資料的研究，結合生產實踐驗證，改善實際生產工藝中的部分環節，取得明顯的效果。

該零件材質為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，其形狀尺寸如圖1所示。

圖1 雙壁管零件圖

1 工藝分析

此類雙壁管零件的成形工藝，在國內應用較少，從傳統的沖壓擴口、縮口、翻邊等工藝發展起來的特種成形技術，它通過對金屬薄壁圓管施加軸向壓力并借助模具使管端材料逐步產生卷曲變形，得到雙層管狀工件[1]。

零件材質1Cr18Ni9Ti的伸長率δ5≥40%，具有很好的塑性，適宜進行變形工藝的操作。根據相關文獻資料，這類零件屬于大深度薄壁雙層管件，不能使用自由翻卷方式，較好的工藝方式是拉伸翻卷成形，翻管工藝過程為：管坯→預成形加工管端法蘭→預成形管坯的退火→拉伸翻管→雙壁管件[2]。

工藝方案是將管坯一端制成內縮形式，另一端制成外擴的樣式，再通過專用拉伸翻卷模具，固定管坯的兩端，通過導向芯軸，施加一定的壓力，進行相對運動，使管坯從擴口端向外通過模具圓角發生連續變形卷曲，經過一定的行程后，即可得到雙壁管結構。

根據工藝過程和有關文獻，設計專用拉伸翻卷模具，主要由上、下模組成，中間穿過導向芯軸，導向芯軸上端用來固定管坯的內縮端，上下模之間用來壓緊管坯的外擴端，管坯的外擴端制成法蘭形狀，便于壓緊。當管坯在模具上安裝好后，從導向芯軸上端施加壓力，管坯與導向芯軸一起下降，制成雙壁管。

生產設備使用上海申聯出產的微機控制電子式萬能試驗機WDW-50M，進行相關成形操作，使用該設備的優點是不用考慮翻卷時的啟動載荷，可以直接連續加載，直到管坯開始變形，還可以直接觀察變形過程中載荷變化情況，并自動以圖表形式記錄，有利于問題分析及工藝措施改進。

2 實施情況

2.1工藝過程

制定的翻管工藝過程直接參考相關文獻，無需進行原則性調整，實際生產工藝為：管坯→管坯收縮端加工及線切割開槽→預成形管端法蘭→預成形后退火處理→翻卷成形→雙壁管件→調整加工。具體生產過程步驟介紹如下：

1）管坯準備。1Cr18Ni9Ti-G20×0.74（精密管），長度L=390 mm。

2）管坯加工。一端壓制半球頭，半球頭端就是屬于管坯收縮端，實際采用的旋壓成形模，下頂上壓的方式，在旋鉚機上完成，中間留有直徑φ12 mm的導向孔，半球頭成形后該孔保留下來，因對后續生產不造成影響，不再進行加工。另一端線切割制開口槽，采用六槽均布方式，槽寬3 mm，根部為避免拉伸時應力集中，直接加工成圓角。

3）管坯預成形。將開槽部分擴張制成法蘭端，此端用于在模具上壓緊固定，翻卷時起到提供牽引的作用。

4）去應力退火。將卷邊端頭20 mm區域內進行去應力退火。用氧乙炔焰燒至1000℃，外觀顏色呈暗紅色，空冷即可。

5）翻卷成形。模具成形時，采用上壓下拉將薄壁管翻轉180°使其成為雙壁管。將加工好的薄壁管毛坯穿過導向芯軸，固定在成形模具內，上模和下模將毛坯壓緊，再放到拉伸試驗機上進行壓制，由于下模對導向芯軸和管坯底部無支撐，沖頭向下的正壓力在管坯法蘭端壓緊處變成拉力，即形成上壓下拉態勢，達到管坯的塑性變形力后，管坯開始翻卷，成為雙壁管。

6）后續加工。從模具上卸下雙壁管材，對管材進行簡單的校調，使同軸度不大于φ0.5 mm，然后用線切割切除法蘭盤端，再用車工除毛刺。

2.2 生產過程存在的問題

圖2 管坯示意圖

圖3 預制槽端示意圖

圖4 法蘭端示意圖

圖5 退火后圖

圖6 翻卷成形零件圖

不銹鋼雙壁管生產過程中最重要的環節是翻卷成形，薄壁管材在載荷的作用下，沿導向芯軸運動，在擴口端被凹模圓角約束，一邊向外擴大從圓角邊緣滑出，不斷發生翻卷變化。在整個變形過程中，管坯的擴口邊界部分不斷與凹模圓角處脫離接觸，同時管坯管壁的材料不斷填補進去，形成一個連續的變化過程。整個運動過程穩定均勻，就可以得到符合要求的不銹鋼雙壁管。從成形過程中，可以發現相關的關聯因素比較多，當某些因素出現問題時，如管坯壁厚不均勻、材料缺陷、管坯彎曲、模具設計參數、模具使用方式等，在翻卷成形過程中拉伸試驗機出現拉伸載荷數據大幅變化的現象，直至零件破壞。分析主要問題如下：

1）雙壁管管坯去應力退火不均勻或材質內部缺陷，在模具中拉伸過程中容易產生裂紋，造成當管坯的這個區域進入變形區時，由于局部缺陷使管壁區材料抗拉應力嚴重下降，所受的應力超過管材抗拉應力，直接出現拉裂的現象，無法形成翻卷，造成工件報廢，這種破裂只產生在變形區，被稱為變形區破裂故障，故障件如圖7所示。

圖7 變形區破裂故障件

2）翻卷模具上提供活動翻卷元件的導向芯軸導向部分過短，成形過程中管坯中心軸線偏離模具定位中軸線，造成零件拉伸過程中出現軸對稱失穩，造成零件破裂報廢。軸對稱失穩拉伸力曲線變化如圖8所示，軸對稱失穩故障件如圖9所示。

圖8 軸對稱失穩拉伸力曲線變化圖

圖9 軸對稱失穩故障件

3）管坯零件的加工制造誤差（圓度、直線度及壁厚等），會造成管坯局部位置材質結構差異大，拉伸過程中局部不翻卷而產生折疊，產生被稱為金剛石失穩現象，造成翻卷失敗。

4）翻卷成形時管坯兩端的載荷不同軸，產生原因有模具上下模不同心，試驗機工作臺面歪斜、管坯彎曲等，也會造成拉伸時產生錯移現象，產生歪斜管，得不到合格的工件。

5）管坯零件與拉伸模具芯軸之間在接觸過程中會出現材料黏著，影響拉伸翻卷效果，降低工件合格率。

6）管坯與上模的接觸區（含圓角部位）之間的相互摩擦力對翻卷也有很大的影響，摩擦力一旦增大接近或達到管坯材料塑性變形的范圍，翻卷過程就會被中斷，根據程度不同，會出現上述的各類故障。

根據以上工件故障分析，影響翻卷成形成功的主要因素有以下幾方面：a.零件加工精度控制；b.翻卷模具設計的合理性；c.操作時的注意事項。

3 解決措施

3.1 零件加工精度控制

雙壁管管坯零件初始加工尺寸精度為IT12級，在生產中發現按該尺寸精度加工出的雙壁管零件在翻卷過程中載荷波動過大。通過數十件樣件的工藝試驗，對試驗件壁厚測量及載荷力統計分析得出，壁厚是影響翻卷載荷力的主要原因之一，分析圖如圖10所示。

圖10 雙壁管管坯壁厚與載荷力關系圖

按工藝試驗的結果，采用逐步提高雙壁管管坯零件尺寸加工精度的方式，對加工工藝做了相應調整，增加精密磨外圓工序，不僅提高管坯尺寸精度、圓度和直線度，而且對零件材料表面微裂紋等缺陷也起到很好的控制作用。經過生產實踐，當零件壁厚尺寸公差控制在±0.01 mm范圍內，圓度和直線度均控制在0.1 mm范圍內，翻卷時載荷力變化比較穩定。

3.2 翻卷成形模的設計

翻卷成形模（如圖11）由上下模組成，上下模的合模精度非常重要，在模具設計上，在上模增加定位套，并用鋼珠使定位套與上模相配，形成自調式壓緊機構，同時保證不銹鋼管坯、上下模同心，避免在翻卷過程中因合模產生的間隙引起偏心擺動而造成失穩。

圖11 模具結構示意圖

當翻卷模具控制到以下條件時取得非常好的翻卷效果：下模提供活動翻卷元件的導向芯軸初始導向部分達到翻卷行程的30%，配合間隙在0.1 mm以內；導向芯軸與管坯之間間隙控制在0.1 mm以內；導向芯軸（含管坯零件）與上模之間導向孔間隙控制在0.4～0.6 mm范圍內。

不銹鋼毛坯材料為1Cr18Ni9Ti薄壁管，在翻卷過程中會與模具導向芯軸之間產生擠壓和摩擦，造成材料粘連，影響翻卷成形效果。因此將導向芯軸的材料使用2A12—T4硬鋁制造，表面做硬質陽極化，重鉻酸鹽封閉處理，鍍層厚度為40～60 μm，這樣模具表面硬度能達到σb=（1190±100）MPa,既能滿足耐磨要求，同時配合黃油或二硫化鉬進行潤滑處理，有效避免材料粘連情況發生。

3.3 操作時的注意事項

模具在試驗機臺面安裝時，注意清潔設備臺面，調整工作臺面水平度，保證模具安裝垂直、可靠。

管坯件與上模接觸配合區，每次新裝工件時，用黃油或豬油進行潤滑處理，在降低摩擦力方面取得非常好的效果。

經過歷時2年多摸索和生產驗證，上述的工藝方案取得了明顯的效果，這類不銹鋼壁管工件的生產合格率超過96%，生產周期縮短一半，近期生產成本核算，該工件的生產成本不到往年的1/10。

4 技術總結

1）不銹鋼雙壁管的翻卷成型要求必須保證管坯零件加工精度，包括尺寸、圓度和直線度等必須加以控制，才能保證翻卷質量。

2）翻卷成形工藝，模具設計是核心，保證細長管坯在翻卷過程中的穩定性，芯軸和下模導向必須足夠長。同時采用自調式壓緊機構，上下模合模具備自定心效果，是一種合理有效的設計。

3）生產操作是產品質量保障的重要環節，合理嚴謹的操作步驟及要求對產品質量保證起到很大的作用。