D406A超高強度鋼變壁厚薄壁圓筒旋壓工藝

文/龔軍善，牟少正，韓冬·航天科技集團公司四院七四一四廠

旋壓成形是一種特殊的近凈塑性成形方法，具有工裝簡單、成形力小、成形壁厚薄和精度高等優(yōu)點，近年來在航天、兵器和民用產(chǎn)品中得到了飛速發(fā)展和應用。本文論述了D406A超高強度鋼變壁厚薄壁圓筒旋壓特點，優(yōu)化處理了旋壓工藝方案和工藝參數(shù)，有效提高了中直徑薄壁旋壓圓筒的壁厚尺寸精度，解決了超高強鋼圓筒旋壓中出現(xiàn)的圓度、母線直線度超差等問題。

某薄壁圓筒材質(zhì)選用超高強度鋼D406A，圓筒屬于薄壁且壁厚公差帶小、直徑、圓度和直線度要求高，旋壓成形難度較大，產(chǎn)品尺寸要求如圖1所示，可以看出變壁厚薄壁圓筒成形的難度主要有以下幾個方面：在大減薄率條件下保證旋壓圓筒壁厚高精度要求；薄壁圓筒因旋壓參數(shù)不合理產(chǎn)生的塑性變形不均勻，導致圓筒圓度和母線直線度的超差；變壁厚外環(huán)臺階由于厚度梯度產(chǎn)生旋壓成形減薄率變化，容易在臺階位置產(chǎn)生內(nèi)表面凹陷，影響圓筒質(zhì)量。

圖1旋壓圓筒尺寸精度

旋壓工藝設計

工藝性分析

D406A超高強度鋼是一種低合金強度鋼，球化退火后可以實現(xiàn)75％的道次減薄率，具有良好的旋壓成形性能。圓筒為變壁厚直筒件，壁厚分布為薄壁區(qū)和加強環(huán)區(qū)，為保證2.5mm加強環(huán)的成形精度，必須有一定的道次減薄率。

根據(jù)旋壓圓筒壁厚和長度、工件長度和金屬塑性變形體積不變原理以及盡量減少旋壓道次，確定旋壓毛坯壁厚為11mm，則旋壓成形總減薄率為83.18％，需要采用多道次旋壓，并合理安排中間去應力退火工序。

如圖1所示，可知變壁厚圓筒的壁厚精度和形位精度要求很高。進給比是影響圓筒直徑、壁厚和母線直線度精度的重要參數(shù)，大的進給比會使旋壓力升高，但有利于收徑使工件貼模，以提高母線直線度；而小的進給比可獲得較好的表面質(zhì)量但容易擴徑。旋輪與芯模的間隙直接影響壁厚，它根據(jù)道次減薄率和回彈量而確定，回彈量的大小又受到道次減薄率、進給比以及旋輪幾何參數(shù)的影響。

設備選擇

經(jīng)計算單輪徑向旋壓力為12t，選擇HO-018/30t旋壓機即可滿足圓筒旋壓力的需要。機床性能參數(shù)：最大坯料直徑500mm，最小旋壓工件直徑40mm，旋壓工件最大長度4000mm，旋輪縱向推力30t，單旋輪橫向推力30t，尾頂力25t。

旋壓芯模

旋壓芯模材料選用冷作模具鋼70Cr3NiMo，熱處理硬度要求達到55～60HRC，芯模表面粗糙度要求達到Ra0.4μm。

旋輪

旋輪要求有很高的硬度和表面質(zhì)量，因此選用冷作模具鋼9SiCr制作，熱處理表面硬度要求達到58～63HRC，成形面粗糙度Ra0.4μm，旋輪直徑φ326mm，成形圓角半徑為R6mm，旋壓攻角25°。

工藝方案實施過程

初步旋壓試驗方案及實施

初步擬訂產(chǎn)品工藝路線為：坯料準備→第1、 2道次錯距旋壓→中間退火→第3、4道次旋壓→超聲波檢測→機加工，工藝參數(shù)見表1。需要注意的是，旋輪是旋壓加工的主要工具，其中R6mm是旋輪圓角，25°為旋輪前角（圖2），這兩者及旋輪半徑?jīng)Q定著變形區(qū)材料流動方向。

旋壓成形過程中，第1、2道次采用較大的壓下量，保證坯料有充足的變形量，實現(xiàn)大的減薄率；第3道次使用大的進給比收徑保證較好的貼模；第4道次選用合適的參數(shù)以滿足工件最終壁厚及形狀精度要求并能夠容易卸料。中間退火的目的是消除殘余應力。旋壓時選用三旋輪錯距旋壓，三旋輪錯距旋壓如圖3所示。

圖2 旋輪

■表1 初步工藝方案的旋壓工藝參數(shù)

旋壓方案實施結果討論：第二道次旋壓出現(xiàn)了扭紋，產(chǎn)生扭紋的原因是坯料旋壓過程中出現(xiàn)了轉(zhuǎn)動現(xiàn)象。后續(xù)道次旋壓時通過對卸料環(huán)修復后進行三道次旋壓，扭紋消失。在退火工序圓筒圓度發(fā)生了5mm以上變形，無法裝料進行下一道次的旋壓，進行熱校形處理后圓筒根部直徑變小，只能用內(nèi)撐具進行冷脹徑處理來擴徑。在圓筒四道次旋壓完后進行檢測，壁厚和外徑基本滿足要求，直線度在0.6～1.4mm之間，圓度在1.0～2.5mm之間，圓筒臺階位置內(nèi)表面凹陷嚴重。圓筒機加時出現(xiàn)卷邊現(xiàn)象，說明四道次完圓筒內(nèi)應力仍很大。分析認為，采用反旋工藝，旋壓道次越多，圓筒擴徑、變形越嚴重，因此，應盡可能減少旋壓道次。

圖3圓筒錯距旋壓示意圖

改進旋壓工藝方案及實施

D406A鋼退火狀態(tài)屈強比為0.65、斷面收縮率為57％，該試驗圓筒最大旋壓減薄率達80％。由于初步方案試驗中產(chǎn)品擴徑、變形較為嚴重，為此改進工藝方案，使用三道次旋壓。1、2道次旋壓后退火處理，累積減薄率控制在60％以內(nèi)；第3道次選用合適的參數(shù)以滿足工件要求并保證容易卸料，減薄率約為50％。為了減少受力不均，適當調(diào)整旋壓間隙和軸向錯距量。

擬訂產(chǎn)品工藝路線為：坯料準備→第1、2道次錯距旋壓→中間退火→第3道次旋壓→超聲波檢測→機加工。具體旋壓工藝參數(shù)見表2。

■表2 改進方案的旋壓工藝參數(shù)

一、二道次連續(xù)旋壓，壁厚在4.3mm左右，貼模良好。為了驗證圓筒內(nèi)應力的大小和中間退火的影響，對退火前后圓筒的直線度和圓度進行了測量對比，結果表明：退火后的直線度由退火前的0.2mm變?yōu)?.5mm左右，圓度由0.2mm變?yōu)?.3mm。因此，必須采取有效措施降低圓筒旋壓后的內(nèi)應力，減小旋壓圓筒內(nèi)應力的最主要的措施是三個旋輪的旋壓力得到最大限度的平衡。三道次旋壓時機床工作表顯示A輪的壓力相對偏小，三道次旋壓時在旋輪距芯模根部150mm范圍內(nèi)旋壓機發(fā)生振動，降低主軸轉(zhuǎn)速為290r/min時振動消失，但出現(xiàn)了圓筒嚴重劃傷。經(jīng)檢測，壁厚為2.20～2.26mm，外徑φ（420.3～420.6）mm，直線度0.3mm，圓度1.05mm，圓筒帶臺階位置，內(nèi)表面凹陷狀態(tài)改善明顯。分析認為，三道次旋壓很好地解決了圓筒擴徑的問題，但圓度仍然超差，工藝參數(shù)需要進一步調(diào)整。

■表3優(yōu)化工藝后旋壓工藝參數(shù)

■表4S5號件的檢測結果

優(yōu)化旋壓工藝路線并實施

經(jīng)過改進后的旋壓工藝方案，旋壓圓筒精度已有大幅提高，但出現(xiàn)了旋壓共振、內(nèi)表面劃傷和直徑超差問題。因此，從主軸轉(zhuǎn)速、旋輪減薄率、進給比和旋輪錯距量等幾個方面進行工藝優(yōu)化改進，并采用旋壓后頂緊尾頂?shù)墓に嚧胧┙档凸舱?。具體旋壓工藝參數(shù)見表3。

經(jīng)過前兩道次旋壓，退火后的變形情況基本良好，經(jīng)過第三道次旋壓后，圓筒的各項指標都滿足設計需求，圓度指標和臺階凹陷等質(zhì)量問題基本解決，圓筒滿足使用要求。具體的旋壓尺寸數(shù)據(jù)如表4所示。

結束語

D406A超高強度鋼薄壁圓筒高精度旋壓工藝需要控制的因素很多，對于變壁厚圓筒旋壓除了這些因素，還要控制厚度梯度處的旋壓工藝參數(shù)，解決變形均勻性問題，通過三個階段工藝試驗，分析工藝參數(shù)和工藝手段對旋壓成形的影響，不斷改進工藝方案，旋壓質(zhì)量進一步提高并達到穩(wěn)定狀態(tài)，主要得到以下三個結論：

⑴對D406A進行球化退火并在中間道次進行必要的消除應力退火，可以旋出高精的旋壓圓筒。

⑵利用超高強度鋼D406A進行多道次連續(xù)錯距旋壓，最大減薄率可達60％以上。

⑶通過對主軸轉(zhuǎn)速、旋輪間隙和錯距量及進給比的調(diào)整，可以有效地控制旋壓圓筒的圓度及母線直線度。

龔業(yè)軍于哈善，爾1濱9 8工8年業(yè)畢大學鍛壓工藝及設備專業(yè)，分配到國營七四二二廠，負責鍛壓工藝工作，2002年進入七四一四廠旋壓中心，負責旋壓工藝工作