張慶旭,鄧春鋒
(洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司,河南洛陽(yáng)471000)
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,各種不同類型的特殊零部件現(xiàn)模具掉落損壞、人身傷害等安全事故。需要旋壓加工。近些年氣瓶行業(yè)發(fā)展迅速,熱旋壓技術(shù)在氣瓶制造過(guò)程中也得到了應(yīng)用和推廣。熱旋壓成形技術(shù)具有材料損失少、成形效率高、成形和表面質(zhì)量好、外形尺寸誤差小、旋壓一致性好等特點(diǎn)。隨著科技的不斷進(jìn)步,熱旋壓設(shè)備在航空航天、海洋工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。尤其是氣瓶縮旋局部變形無(wú)芯模旋壓技術(shù)在氣瓶制造中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。
本文著重討論旋壓過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題及解決辦法,其中重點(diǎn)在旋壓工藝參數(shù)的選擇和最終旋壓工藝參數(shù)的確定。與常規(guī)壁厚氣瓶旋壓相比,薄壁氣瓶旋壓工藝更難確定,故本文主要介紹薄壁氣瓶縮旋局部變形無(wú)芯模旋壓工藝參數(shù)研究,旨在為薄壁高壓氣瓶熱旋壓提供可靠的依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。
圖1所示為φ559mm高壓氣瓶旋壓圖,材料為4130X,鋼管壁厚8.3mm。該氣瓶國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的制造方法是將管坯切成統(tǒng)一的長(zhǎng)度,采用中頻預(yù)加熱后用手工操作的模板式收口熱成形工藝。此成形方法的特點(diǎn)是成形部件的外形輪廓尺寸達(dá)不到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求,另外旋壓后制件一致性不好。由于手工控制旋壓收口而導(dǎo)致人為因素造成廢品率較高,浪費(fèi)較大,所以如果設(shè)備和人員條件允許的情況下建議不采用此種旋壓成形方法。
圖1 旋壓圖
我公司吸收國(guó)外先進(jìn)旋壓技術(shù),從國(guó)外引進(jìn)世界最先進(jìn)全自動(dòng)數(shù)控?zé)嵝龎涸O(shè)備,實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同壁厚(15~35mm)筒形零件局部加熱后作無(wú)芯模的收口,由于采用數(shù)字化信息進(jìn)行自動(dòng)化控制熱旋壓流程,極大地提高了制件的旋壓質(zhì)量和穩(wěn)定性,保證了旋壓后氣瓶旋壓段的一致性,同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率。
本設(shè)備全自動(dòng)工藝流程及工作過(guò)程:毛坯上料→夾緊→主軸慢速旋轉(zhuǎn)→加熱→旋壓加工→主軸停→下料。旋壓加工過(guò)程:旋壓時(shí)以旋輪作進(jìn)給運(yùn)動(dòng),多道次加壓于夾緊在主軸上電動(dòng)旋轉(zhuǎn)的毛坯,使其產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形使毛坯口逐漸縮小成形。
設(shè)備為3軸聯(lián)動(dòng)旋壓方式,包括擺動(dòng)、橫向移動(dòng)和縱向移動(dòng)。全自動(dòng)控制旋壓過(guò)程,U軸為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)以角度計(jì)量。X軸、Z軸為直線運(yùn)動(dòng)。在工藝調(diào)試過(guò)程中通過(guò)隨時(shí)調(diào)整程序參數(shù),靈活地改變旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡,從而快速獲得旋壓工藝參數(shù)。該設(shè)備是為常規(guī)壁厚氣瓶旋壓而設(shè)計(jì),設(shè)備主要參數(shù)范圍:旋壓鋼管的直徑范圍為φ470~φ660mm,旋輪直徑為φ500~φ700mm,主軸轉(zhuǎn)速為100~300轉(zhuǎn)/min,旋輪圓角半徑為R30~R50mm。
該設(shè)備可對(duì)常規(guī)壁厚(15~35mm)的氣瓶進(jìn)行旋壓,旋壓后質(zhì)量無(wú)懈可擊,效率也十分高。但是對(duì)于設(shè)計(jì)壁厚在15mm以下的鋼管旋壓時(shí),使用常規(guī)旋壓工藝根本無(wú)法完成旋壓成形。圖2所示為使用常規(guī)旋壓工藝旋壓時(shí)在前幾個(gè)道次所出現(xiàn)的材料失穩(wěn)和斷裂現(xiàn)象。故為滿足薄壁氣瓶設(shè)計(jì)要求,需摸索并確定薄壁氣瓶旋壓成形工藝,此即研究的靈魂。
圖2 常規(guī)工藝旋壓材料失穩(wěn)和斷裂
熱旋壓成形中溫度是一個(gè)很重要的工藝參數(shù),加熱溫度選擇不當(dāng)就會(huì)造成很大的影響。如果溫度過(guò)高,材料就會(huì)發(fā)生再結(jié)晶,再結(jié)晶使晶粒粗大,材料的纖維組織也隨之變粗,不利于多道次旋壓。如果溫度過(guò)低,金屬伸展性差,機(jī)床旋壓阻力增大,易造成機(jī)床過(guò)載報(bào)警,而且在瓶嘴處金屬材料積累不夠,內(nèi)孔尺寸過(guò)大。當(dāng)變形量超過(guò)金屬的塑性變形時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂紋,影響到氣瓶旋壓質(zhì)量。且由于薄壁鋼管在旋壓過(guò)程中溫度散失十分迅速,所以薄壁氣瓶旋壓加熱溫度是一項(xiàng)十分重要的因素。不但要保證中頻加熱到設(shè)定溫度不過(guò)燒,還要保證旋壓過(guò)程中的補(bǔ)熱溫度,避免溫度散失過(guò)快造成溫度驟降。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢測(cè)方法有多種,當(dāng)教材中的檢測(cè)方法不能達(dá)到預(yù)期效果時(shí),可以引導(dǎo)學(xué)生思考在其他實(shí)驗(yàn)中有沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)類似的問(wèn)題,有沒(méi)有方法可以借用。例如,在“果汁中的果膠和果膠酶”實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要觀察果汁的澄清度。平時(shí)的實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生一般用肉眼觀察,各個(gè)試管中的果汁澄清度差異很不明顯。這時(shí),教師可以啟發(fā)學(xué)生聯(lián)想到:在“亞硝酸鹽的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中曾經(jīng)使用過(guò)分光光度計(jì)來(lái)測(cè)量吸光度從而推測(cè)亞硝酸鹽的含量,若在本實(shí)驗(yàn)中也使用分光光度計(jì)來(lái)定量檢測(cè),將定性試驗(yàn)改為定量試驗(yàn),就可以明確地比較出不同實(shí)驗(yàn)組中的果汁澄清度差異。
為了減小旋壓時(shí)鋼管的變形抗力,能夠進(jìn)行大變形量的旋壓成形,必須控制好加熱溫度。將鋼管置于多圈環(huán)形中頻感應(yīng)器內(nèi)加熱到1,150±50℃。由于設(shè)備配置的是加熱常規(guī)壁厚鋼管的中頻感應(yīng)器,熱感應(yīng)區(qū)長(zhǎng)度只有350mm,利用此感應(yīng)器加熱薄壁鋼管時(shí)就要超出中頻爐的感應(yīng)區(qū)50~100mm。在不改變中頻加熱的方式,同時(shí)不增加任何工裝和經(jīng)濟(jì)成本的前提下大膽嘗試,讓鋼管超出中頻爐熱感應(yīng)區(qū)50~100mm,使鋼管在中頻爐內(nèi)以5轉(zhuǎn)/min的速度慢速轉(zhuǎn)動(dòng),保證均勻加熱,當(dāng)加熱溫度達(dá)到1,150±50℃后退出,然后調(diào)整補(bǔ)熱系統(tǒng)的位置和流量,利用兩把大流量補(bǔ)熱噴槍對(duì)超出熱感應(yīng)區(qū)的鋼管端部進(jìn)行加熱,同時(shí)使用便攜式紅外測(cè)溫儀檢測(cè)補(bǔ)熱溫度,當(dāng)補(bǔ)熱溫度達(dá)到1,150±50℃后進(jìn)行旋壓。如圖3所示。
圖3 旋壓機(jī)加熱及補(bǔ)熱系統(tǒng)示意圖
由于補(bǔ)熱噴槍數(shù)量少,同時(shí)又被鋼管端部補(bǔ)熱區(qū)分去兩把,這就增加了補(bǔ)熱的難度。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn),中頻爐加熱時(shí)熱應(yīng)區(qū)中間部位的溫度明顯高于兩端的溫度,在旋壓的過(guò)程中中間部位溫度降低相對(duì)緩慢,所以中間區(qū)域可以減少補(bǔ)熱噴槍的分配,用旋輪座上的兩把小功率補(bǔ)熱噴槍即可達(dá)到補(bǔ)熱效果。這樣就可以把另外兩把補(bǔ)熱噴槍全都分配在鋼管加熱區(qū)和未加熱的區(qū)域上,解決此位置溫度散失過(guò)快,很好的控制了此位置的溫度。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),最終確定4把補(bǔ)熱噴槍的最佳補(bǔ)熱位置和最佳流量參數(shù)值,解決了中頻爐熱應(yīng)區(qū)小的限制問(wèn)題。
2.2.1 主軸轉(zhuǎn)速的確定
正常的旋壓薄壁氣瓶的旋壓機(jī)主軸轉(zhuǎn)速通常設(shè)定在500~1,000轉(zhuǎn)/min,解決低轉(zhuǎn)速的設(shè)備旋壓效率低,溫度散失快,很難完成薄壁旋壓的問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速最高只有300轉(zhuǎn)/min的現(xiàn)狀,從旋壓效率角度考慮把主軸轉(zhuǎn)速盡可能設(shè)置高一些,提高旋壓效率,節(jié)省旋壓時(shí)間,減少旋壓過(guò)程中鋼管溫度散失,以達(dá)到提高氣瓶旋壓質(zhì)量的效果。根據(jù)常規(guī)壁厚轉(zhuǎn)速經(jīng)驗(yàn),φ559mm型氣瓶旋壓時(shí)線速度不要超過(guò)500m/min。綜合以上兩個(gè)因素考慮,根據(jù)公式Vc=πDn/1,000推導(dǎo)出主軸轉(zhuǎn)速n=280轉(zhuǎn)/min,所以在程序中暫時(shí)設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為280轉(zhuǎn)/min。但是在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),由于鋼管伸出主軸長(zhǎng)度較長(zhǎng),在旋壓時(shí)鋼管的端部出現(xiàn)了嚴(yán)重的跳動(dòng)現(xiàn)象,跳動(dòng)頻率大引起旋壓機(jī)震動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致旋壓時(shí)瓶嘴外徑上出現(xiàn)振動(dòng)波紋,影響瓶嘴尺寸和質(zhì)量。所以280轉(zhuǎn)/min設(shè)置的偏高,猜想與實(shí)際不吻合。為了去除各因素之間的干擾問(wèn)題,僅改變一個(gè)變量因素,排除多因素相互制約的干擾。在其他控制條件都不改變的情況下,僅改變主軸轉(zhuǎn)速,把主軸轉(zhuǎn)速降低再次試驗(yàn)。根據(jù)常規(guī)壁厚的旋壓經(jīng)驗(yàn),主軸轉(zhuǎn)速一定不能設(shè)置過(guò)低,必須大于230轉(zhuǎn)/min,故調(diào)整成260轉(zhuǎn)/min,再次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)仍然有些震動(dòng),但震動(dòng)明顯降低(見(jiàn)表1)。為了再次降低震動(dòng),繼續(xù)調(diào)低主軸轉(zhuǎn)速為250轉(zhuǎn)/min,發(fā)現(xiàn)此時(shí)震動(dòng)微弱。
表1 不同主軸轉(zhuǎn)速旋壓效果及采用情況
經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在240~250轉(zhuǎn)/min范圍內(nèi)設(shè)備震動(dòng)微弱,此時(shí)效率相對(duì)較快。所以最終把收口道次主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為250轉(zhuǎn)/min,成形道次主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為240轉(zhuǎn)/min,根據(jù)旋壓過(guò)程微調(diào)。這種高低轉(zhuǎn)速配合使用的方法不但解決了設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速低的限制因素,還解決了設(shè)備振動(dòng)的難題。同時(shí),還總結(jié)出一個(gè)規(guī)律:旋壓機(jī)主軸轉(zhuǎn)速越高,則旋壓成形力越小,對(duì)制件的旋壓收口越有利;主軸的轉(zhuǎn)速太低,則旋壓成形力較大,導(dǎo)致旋壓制件的精度變差,同時(shí)容易引起機(jī)床的振動(dòng)。
2.2.2 吃刀量和進(jìn)給量的確定
常規(guī)壁厚氣瓶旋壓時(shí)為了提高旋壓效率采用的是大吃刀量(20~30mm)和大進(jìn)給量(10~15mm/轉(zhuǎn))的方法,因大壁厚大吃刀量編程時(shí)機(jī)床未出現(xiàn)過(guò)載報(bào)警,薄壁氣瓶初期則根據(jù)材料體積不變的原則,編輯更大的吃刀量和進(jìn)給量。實(shí)際旋壓后發(fā)現(xiàn)當(dāng)吃刀量、進(jìn)給量加大后旋壓前幾個(gè)道次就會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象,即鋼管端部出現(xiàn)不規(guī)則的振紋花邊。
分析原因主要是由于吃刀量大,造成旋輪前材料堆積,以及進(jìn)給量過(guò)大,金屬材料變形量太大,積累的材料來(lái)不及隨著旋輪的運(yùn)動(dòng)軌跡延展,所以就造成了材料的堆積,最終造成失穩(wěn)的問(wèn)題(見(jiàn)圖4)。
圖4 鋼管端部失穩(wěn)
經(jīng)過(guò)多次實(shí)際旋壓后最終確定出合適的吃刀量和進(jìn)給量相配合的參數(shù),對(duì)φ559mm型薄壁氣瓶旋壓時(shí)采用3~10mm的吃刀量和3~8mm/轉(zhuǎn)的進(jìn)給量。第一道次壓下角為28°,吃刀量為10mm,進(jìn)給量為8mm/轉(zhuǎn);第二道次壓下角為32°,吃刀量10mm,進(jìn)給量為7.6mm/轉(zhuǎn)。按照這樣的規(guī)律逐漸調(diào)整減小,直至調(diào)整出吃刀量和進(jìn)給量相匹配的合理參數(shù)(見(jiàn)表2)。
表2 第一道次不同吃刀量、進(jìn)給量旋壓情況
經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)際旋壓試驗(yàn),不斷修改旋壓參數(shù)和軌跡參數(shù),最終確定出合適的旋壓參數(shù)。同時(shí)也總結(jié)出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn):
(1)縮口旋壓時(shí),當(dāng)薄壁筒坯變形抗力低而易變形失穩(wěn)時(shí),旋輪每道次軸向進(jìn)給量不宜過(guò)大,應(yīng)采用小變形多道次的成形工藝。
(2)在收口工藝中,應(yīng)該特別注意旋壓參數(shù)的選擇,過(guò)大的進(jìn)給量容易引起毛坯失穩(wěn)和旋輪前的材料堆積。
(3)薄壁旋壓從第一個(gè)道次開(kāi)始旋輪的進(jìn)給量及壓下角越小越好。如果剛開(kāi)始道次的進(jìn)給量過(guò)大,金屬變形量太大,容易導(dǎo)致管坯褶皺,甚至出現(xiàn)旋壓時(shí)鋼管失穩(wěn)現(xiàn)象(從鋼管的剖面看,管坯由圓形變成多邊形,而且每個(gè)邊不是規(guī)則變化)。
2.2.3 道次的確定
旋壓道次的確定目前還沒(méi)有統(tǒng)一的理論計(jì)算方法,需要通過(guò)多次試驗(yàn)進(jìn)行確定。旋壓道次與鋼管直徑、鋼管壁厚、氣瓶瓶嘴外徑、氣瓶瓶嘴長(zhǎng)度及所用的鋼管材料等因素有關(guān)。
多道次旋壓中,旋輪道次軌跡的確定是一大難題,如何選擇合理的旋壓道次、軌跡,如何實(shí)現(xiàn)所選擇的道次軌跡要涉及到多種因素。根據(jù)以往常規(guī)壁厚的氣瓶旋壓經(jīng)驗(yàn),反推旋輪成形角α(見(jiàn)圖5),經(jīng)驗(yàn)公式α=[arcsin(d/D)+10°]
圖5 旋壓成形角示意圖
說(shuō)明:此經(jīng)驗(yàn)公式僅適用于4130X材料的半球形氣瓶旋壓。利用經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出薄壁氣瓶旋壓時(shí)的成形角,再根據(jù)實(shí)際旋壓后瓶嘴外徑尺寸對(duì)成形角加以調(diào)整。
收口道次完全沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)公式可以參考,只能通過(guò)實(shí)際旋壓來(lái)決定需要幾個(gè)道次。而成形道次可以參考成形角的大小,通常分5~7道次完成成形。實(shí)際旋壓薄壁氣瓶時(shí)發(fā)現(xiàn),常規(guī)壁厚的經(jīng)驗(yàn)僅能作為一種參考,薄壁氣瓶旋壓時(shí)需要更多的道次,才能在成形道次時(shí)不出現(xiàn)常規(guī)缺陷,如:失穩(wěn)、翻起、螺旋振紋、裂紋等等。本次薄壁氣瓶旋壓使用13個(gè)道次收口,使用6個(gè)道次成形。吃刀量和進(jìn)給量適當(dāng)調(diào)整,參數(shù)設(shè)定在范圍內(nèi)。最后一個(gè)精整道次,為了達(dá)到較高的表面光潔度,最后一個(gè)道次的吃刀量和進(jìn)給量都是設(shè)置最低。
通過(guò)以上步驟的實(shí)際旋壓試驗(yàn)探索出了薄壁氣瓶縮口旋壓的工藝參數(shù)。同時(shí)也得出了旋壓成形的重要相關(guān)因素,在此做一個(gè)總結(jié)。
(1)薄壁旋壓時(shí)主軸轉(zhuǎn)速可以在240~250轉(zhuǎn)/min范圍內(nèi)參考。
(2)薄壁旋壓時(shí)采用3~10mm的吃刀量和3~8mm/轉(zhuǎn)的進(jìn)給量。
(3)薄壁旋壓可采用多道次,收口道次在10~15個(gè)道次;成形道次在5~10個(gè)道次。
(4)薄壁旋壓成功與否的一個(gè)重要因素就是溫度,此溫度包括加熱溫度和補(bǔ)熱溫度。
(5)旋壓成形過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷,包括:材料失穩(wěn)、起皮、螺旋振紋、旋輪前積料、粘結(jié)、瓶嘴喇叭口、設(shè)備振動(dòng)等,都是由于旋壓工藝參數(shù)選擇不合理導(dǎo)致的。
(6)旋壓工藝參數(shù)范圍比較廣泛,通過(guò)以上實(shí)際探索得出相應(yīng)結(jié)論。薄壁鋼管旋壓工藝參數(shù)的確定主要從溫度、主軸轉(zhuǎn)速、吃刀量、進(jìn)給比、道次和軌跡參數(shù)方面確定。當(dāng)這些參數(shù)選擇合理時(shí)就可以旋壓出滿足設(shè)計(jì)要求的制件。