陰中煒，張緒虎，周曉建，陳永來，韓冬峰

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

旋壓成形是一種先進(jìn)的少無切削塑性成形工藝，該工藝以其金屬變形條件好、材料利用率高、能夠改善制品性能、工裝簡單等優(yōu)點(diǎn)，在航天、航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-8］.航天器用貯箱箱底主要為球形或橢球形封頭，目前，國外多采用旋壓工藝來生產(chǎn)各種貯箱封頭，其具有成形精度高、研制周期短等優(yōu)點(diǎn).而在國內(nèi)采用旋壓工藝成形大型薄壁貯箱封頭的報(bào)道較少，大型貯箱封頭仍以沖壓加工或拼焊工藝為主［9-15］.

為充分發(fā)揮旋壓工藝優(yōu)勢，拓展其在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，本文采用旋壓工藝研制直徑1.1 m半球形鋁合金貯箱箱底.對影響零件質(zhì)量的各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對影響產(chǎn)品質(zhì)量的各工藝參數(shù)進(jìn)行全面分析，獲得了質(zhì)量良好的鋁合金半球殼體.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用12 mm厚5A06鋁合金板材.該材料為不可熱處理強(qiáng)化的鋁鎂合金，具有良好的耐蝕性和塑性加工性能，試驗(yàn)材料的力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 原材料力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

因半球形零件尺寸較大，而且存在較長的直線段，如果直接采用旋壓成形則旋壓設(shè)備的回轉(zhuǎn)直徑要在1 600 mm以上，另外，在普旋成形過程中坯料會有明顯的拉薄，則需要坯料原始厚度約在18 mm以上，這樣既對旋壓設(shè)備噸位要求較高，同時(shí)也帶來材料的浪費(fèi).因此，本文采用沖壓預(yù)成形與旋壓成形相結(jié)合的方法成形半球殼體.由于5A06鋁合金加工硬化傾向明顯，且零件尺寸大、變形量大，因此，沖壓預(yù)成形和旋壓過程都需采用熱加工方式.旋壓成形在TORC-180/2數(shù)控旋壓機(jī)上進(jìn)行.

2 成形工藝及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 坯料設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品需求，旋壓件尺寸要求如圖1所示，結(jié)合零件成形特點(diǎn)，通過等積法計(jì)算后選用板坯尺寸為Φ1 600 mm×12 mm.

圖1 旋壓件規(guī)格示意圖

2.2 沖壓預(yù)成形及結(jié)果討論

沖壓預(yù)成形與旋壓成形相結(jié)合的工藝方法，因其既可以提高生產(chǎn)效率又可以降低對旋壓設(shè)備能力要求而得到廣泛應(yīng)用.另外，對于本文成形的半球形零件加工，沖壓預(yù)成形還可以降低原材料板厚，提高材料的利用率.

如圖2所示，該預(yù)成形件為帶直邊橢球封頭.沖壓預(yù)成形件越接近旋壓件的形狀則越能夠體現(xiàn)沖壓預(yù)成形的優(yōu)勢，提高工作效率，但同時(shí)還要保證預(yù)成形件在旋壓過程中材料有足夠的變形量，能夠?qū)崿F(xiàn)旋壓過程中零件的良好貼模.

圖2 沖壓預(yù)成形橢球封頭示意圖

預(yù)成形采用800 t液壓機(jī)熱壓成形，成形后退火處理并平齊口部，如圖3所示.封頭橢球面壁厚均保持了板材原始厚度12 mm，口部逐漸增厚，最大壁厚值達(dá)14 mm.

圖3 沖壓預(yù)成形件

預(yù)成形采用800 t液壓機(jī)熱壓成形，成形后退火處理并平齊口部，如圖3所示.封頭橢球面壁厚均保持了板材原始厚度12 mm，口部逐漸增厚，最大壁厚值達(dá)14 mm.

試驗(yàn)結(jié)果表明，橢球封頭橢球面的離心率過大，會使旋壓過程的變形抗力增大，需要進(jìn)行多道次的普旋才能實(shí)現(xiàn)成形;而離心率過小，會導(dǎo)致旋壓成形變形量不足，造成零件的貼胎效果較差.當(dāng)離心率選定為e=0.866時(shí)，即長短軸比為2∶1時(shí)，旋壓可以通過兩道次普旋結(jié)合強(qiáng)旋實(shí)現(xiàn)成形，并且貼胎效果良好.另外，預(yù)成形件的口部直徑大小，對成形結(jié)果影響也很大，當(dāng)口部內(nèi)徑大于Ф1 130 mm時(shí)，最終的旋壓件很難貼胎.這是因?yàn)樵谛龎哼^程中，口部直線段部分其變形方式主要為縮徑旋壓，如果一道次變形量過大，會出現(xiàn)明顯橢圓和不貼胎現(xiàn)象，而如果道次過多，則易出現(xiàn)反擠現(xiàn)象.可見，預(yù)成形件口部直徑的設(shè)計(jì)，會直接影響最終旋壓件的質(zhì)量，通過大量試驗(yàn)，本文最終確定預(yù)成形件內(nèi)徑為Ф1 115 mm，該尺寸既能實(shí)現(xiàn)旋壓的良好成形，同時(shí)又為預(yù)成形件與旋壓工裝之間留有足夠的間隙，可以降低對預(yù)成形件圓度、同軸度等形位精度的要求，避免了因預(yù)成形件圓度、同軸度偏差造成旋壓件的反擠.

綜上所述，預(yù)成形件的型面及尺寸都對旋壓件的質(zhì)量有著重要的影響，甚至決定最終旋壓的成敗;同時(shí)，旋壓工藝參數(shù)的變化又會對預(yù)成形件提出不同的要求.因此，預(yù)成形件設(shè)計(jì)必須結(jié)合旋壓設(shè)備的能力，綜合考慮后續(xù)旋壓工藝參數(shù)，且通過試驗(yàn)才能最終確定.

2.3 旋壓成形

2.3.1 旋壓模具設(shè)計(jì)

該半球殼體計(jì)劃進(jìn)行小批量生產(chǎn)，而且模具尺寸較大，為減輕重量、降低成本，采用45#鋼空心鑄件加工模具.模具的尺寸設(shè)計(jì)考慮了機(jī)械加工余量，同時(shí)，也兼顧了旋壓件的圓度偏差和熱膨脹等因素，最終確定工裝直徑為Φ1 096 mm，直線段長120 mm.

2.3.2 旋壓成形及結(jié)果討論

旋壓試驗(yàn)采用TORC-180/2雙旋輪臥式數(shù)控旋壓機(jī)，旋壓過程中可對主軸轉(zhuǎn)速及旋輪進(jìn)給速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié).

2.3.2.1 旋壓成形工藝方法

因?yàn)椴捎昧藳_壓預(yù)成形，旋壓道次可以大幅減少，采用一道次強(qiáng)旋加1道次普旋成形.因?yàn)?A06鋁合金冷變形加工硬化明顯，因此，必須采用熱旋成形.

2.3.2.2 旋壓工藝參數(shù)的設(shè)定

從零件底部開始，采用強(qiáng)旋直接成形，旋輪壓下量按照正弦率進(jìn)行計(jì)算，如圖4所示.根據(jù)公式t×sinα1=t0×sinα2(t為旋壓間隙，t0 為預(yù)成形件壁厚，α1為橢球封頭半錐角，α2旋壓為半球半錐角)計(jì)算并設(shè)定旋壓間隙，軸線方向上每隔100 mm設(shè)定一個(gè)旋壓間隙值，兩點(diǎn)間間隙均勻過渡.當(dāng)旋輪到達(dá)工件直徑Φ900 mm處時(shí)，減薄率達(dá)到30%以上，旋輪壓下量超過4 mm，在該區(qū)域開始增加一道次普旋，先把工件旋成近球形，再通過強(qiáng)旋使工件貼模成形.設(shè)定主軸最大轉(zhuǎn)速40 rpm，主軸軸向進(jìn)給200 mm/min.旋壓前采用氧乙炔焊槍預(yù)熱工裝，工裝溫度達(dá)150℃以上時(shí)裝卡工件，用四把焊槍加熱工件，溫度達(dá)到300℃以上開始旋壓.

圖4 旋壓成形半錐角

2.3.2.3 旋壓試驗(yàn)結(jié)果討論

對成形零件進(jìn)行樣板檢測發(fā)現(xiàn)，零件貼胎效果較差，口部內(nèi)徑尺寸在1 102 mm以上，工件底部與樣板存在3～4 mm間隙.如圖5所示為旋壓過程照片和示意圖，對旋壓過程和工藝參數(shù)進(jìn)行分析可知，工件口部貼模不好主要是由于工件強(qiáng)旋過程使零件底部逐漸貼合芯模，在成形過程中會出現(xiàn)圖5所示的環(huán)向隆起的類似環(huán)筋結(jié)構(gòu)，該區(qū)域在變形的過程中抗力較大，而增加的一道次普旋難以使工件很好的貼模，而且，由于普旋起旋位置相對靠后，還會導(dǎo)致環(huán)筋處在變形的過程中使零件產(chǎn)生一定程度的反擠.而零件底部貼模效果差主要是因?yàn)榘凑绽碚撚?jì)算設(shè)定的參數(shù)旋壓時(shí)，底部的減薄率過小，工件的壁厚較大，成形過程中材料沒有完全發(fā)生塑性變形，在旋壓后回彈導(dǎo)致的不貼胎.針對以上分析對旋壓工藝進(jìn)行改進(jìn)，首先，將普旋道次增加到3道，并將普旋起旋點(diǎn)前移;同時(shí)，增大底部減薄量，保證材料能夠完全發(fā)生塑性變形，減小回彈;另外，旋壓過程中兩把焊槍對變形區(qū)加熱，兩把焊槍對待變形區(qū)的加熱.改進(jìn)工藝后，旋壓時(shí)工件的變形抗力明顯下降，旋壓件貼模效果良好，旋壓件口部內(nèi)徑在1 095～1 097 mm，圓度偏差≤0.5 mm，壁厚≥6 mm，批量生產(chǎn)一致性較好，零件照片如圖6所示.

圖5 旋壓過程(a)及旋壓示意圖(b)

圖6 旋壓件及車加工后零件圖

3 結(jié)論

成形過程中，沖壓預(yù)成形件的形狀與開口尺寸的設(shè)計(jì)，與旋壓過程中的旋壓道次、減薄率、加熱方式等工藝參數(shù)的選擇要相互協(xié)調(diào)，統(tǒng)籌考慮;半球旋壓過程中的普旋道次及減薄率設(shè)計(jì)對半球成形質(zhì)量影響較大.

采用沖壓預(yù)成形后旋壓成形方案加工鋁合金薄壁半球零件，能夠更大程度的發(fā)揮旋壓工藝、設(shè)備的優(yōu)勢，提高生產(chǎn)效率，成形出精度良好的大型薄壁鋁合金半球殼體.

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