張立軍 楊 寧 李志順 陶繼紹 徐嘉怡 李 帆 趙升噸，3

1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，青島，266580 2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安，710049 3.中南大學(xué)輕合金研究院，長(zhǎng)沙，410083

0 引言

對(duì)輪旋壓技術(shù)作為近凈成形的塑性加工技術(shù)[1]的代表，近年來(lái)迅猛發(fā)展，已逐步用于各類回轉(zhuǎn)體零件的加工制造[2-3]。21世紀(jì)以來(lái)，以運(yùn)載火箭外殼為代表的大型金屬薄壁筒體的旋壓成形技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)之一。新型運(yùn)載火箭的研發(fā)是提高我國(guó)航天器運(yùn)載能力、航空航天科技水平的重要方向。薄壁結(jié)構(gòu)的整體化、輕量化和精密化制造是發(fā)展運(yùn)載火箭的核心和關(guān)鍵任務(wù)[4]。

目前，這些大型薄壁筒體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)主要采用卷筒-焊接、分瓣沖壓成形-焊接、鍛造-機(jī)械加工等成形工藝，它們存在焊縫強(qiáng)度低、生產(chǎn)效率低、制造精度低、產(chǎn)品質(zhì)量大、可靠性差等缺點(diǎn)[5]。采用上述加工方案制造運(yùn)載火箭的薄壁筒體難以實(shí)現(xiàn)承載耐力和加工直徑的突破。對(duì)輪旋壓技術(shù)可以較好地解決這一難題，與傳統(tǒng)旋壓工藝[6-7]相比，對(duì)輪旋壓?jiǎn)蔚来蔚睦湫冃瘟扛哌_(dá)90%，成形力減小1/2，芯模生產(chǎn)管理成本減少約20%[8-9]，成形件內(nèi)表面質(zhì)量顯著提高、內(nèi)外表面材料的組織更加均勻，基本滿足運(yùn)載火箭筒體整體化、輕量化的制造要求。目前，針對(duì)金屬薄壁筒體的對(duì)輪旋壓技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要著眼于金屬流動(dòng)理論模型、仿真模擬預(yù)測(cè)、設(shè)備研發(fā)與試驗(yàn)等方面的研究。因此，本文分別從對(duì)輪旋壓的塑性變形機(jī)理、成形精度影響與控制、組織演變與缺陷和對(duì)輪旋壓設(shè)備等四個(gè)方面對(duì)對(duì)輪旋壓技術(shù)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)析，分析探討對(duì)輪旋壓技術(shù)在工藝、仿真預(yù)測(cè)、設(shè)備等方面的發(fā)展趨勢(shì)。

1 筒形件對(duì)輪旋壓技術(shù)

1.1 對(duì)輪旋壓技術(shù)原理

對(duì)輪旋壓屬?gòu)?qiáng)力柔性旋壓，具有高強(qiáng)高精、薄壁均質(zhì)、節(jié)材環(huán)保等特點(diǎn)。如圖1所示，對(duì)輪旋壓用內(nèi)旋輪替代傳統(tǒng)旋壓的芯模，通過(guò)成對(duì)配合的旋輪對(duì)工件毛坯內(nèi)外表面同步進(jìn)行成形加工，較好地解決了芯模制造和管理成本高、裝卸困難、工件內(nèi)外表面性能不一致等問(wèn)題[10]。成形過(guò)程中，筒形毛坯件繞其軸線做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，內(nèi)外旋輪可沿工件的軸向和徑向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，依靠成形過(guò)程中的材料流動(dòng)阻力驅(qū)動(dòng)旋輪繞其軸線被動(dòng)自轉(zhuǎn)。針對(duì)不同尺寸筒形件的制造要求，通常采用2對(duì)～4對(duì)旋輪均布的成形工藝，圖1所示為3對(duì)旋輪均布的對(duì)輪旋壓工藝，其中，n為毛坯轉(zhuǎn)速，v為內(nèi)外旋輪進(jìn)給速度，D0為毛坯外徑，D為成形外徑，t0為毛坯厚度，tf為成形厚度，t1為內(nèi)減薄量，t2為外減薄量。待加工筒形毛坯的減薄量由內(nèi)旋輪和外旋輪共同承擔(dān)，成形件內(nèi)外變形均勻，變形區(qū)近乎對(duì)稱分布，改善了其受力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了成形工件的高屈服強(qiáng)度和大伸長(zhǎng)率的優(yōu)良力學(xué)性能組合，故對(duì)輪旋壓技術(shù)特別適合高性能金屬薄壁筒體的加工[11-13]。

(a)三對(duì)輪旋壓示意圖

(b)對(duì)輪旋壓結(jié)構(gòu)參數(shù)圖1 筒形件對(duì)輪旋壓原理圖Fig.1 Schematic diagram of counter-roller spinning for cylinders

1.2 對(duì)輪旋壓與其他筒形件成形方法對(duì)比

相比于芯模旋壓、卷焊、鍛/鑄-機(jī)加工等金屬筒形件的常用加工方法，對(duì)輪旋壓方法在工件整體強(qiáng)度、成形尺寸、加工柔性、加工精度、工裝成本、材料利用率等方面都有顯著優(yōu)勢(shì)，如表1所示。大/超大直徑筒形件的成形制造過(guò)程中，芯模旋壓和機(jī)加工等方法的劣勢(shì)凸顯，很難實(shí)現(xiàn)成形尺寸的突破[14]。航空航天裝備的不斷發(fā)展對(duì)工件的整體強(qiáng)度和整體性能提出了更高的要求，卷焊等拼接方法[15]顯得心余力絀，對(duì)輪旋壓則顯出其優(yōu)越性，但對(duì)輪旋壓的材料塑性流動(dòng)控制難度大等問(wèn)題是亟待解決的研究熱點(diǎn)。

表1 金屬筒形件加工方法的對(duì)比Tab.1 Comparison of machining methods for metal cylindrical parts

2 對(duì)輪旋壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)析

針對(duì)對(duì)輪強(qiáng)力旋壓成形加工過(guò)程中的材料塑性流動(dòng)控制難題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者致力于從金屬流動(dòng)的理論模型、仿真模擬預(yù)測(cè)、設(shè)備研發(fā)與試驗(yàn)中探尋有效解決途徑。

2.1 對(duì)輪旋壓的塑變機(jī)理

學(xué)者對(duì)實(shí)際的對(duì)輪旋壓工況進(jìn)行了簡(jiǎn)化，獲得了特定條件下的金屬塑性流動(dòng)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)模型。

文獻(xiàn)[16-18]基于剛塑性有限元變分原理，建立了旋壓過(guò)程中塑性流變速度場(chǎng)的迭代公式，考慮應(yīng)變硬化和摩擦的影響，分別利用Turb Basic和FORTRAN編寫了適合對(duì)輪旋壓變形的剛塑性有限元程序，定量得到了平面變形簡(jiǎn)化模型不同旋壓工藝參數(shù)(減薄率、進(jìn)給比等)下金屬塑性流動(dòng)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，指出25°的旋輪工作角最利于45鋼管坯的成形。

XIAO等[19]基于平面應(yīng)變假設(shè)和扇形塑性流場(chǎng)建立了對(duì)輪旋壓的金屬流動(dòng)模型，如圖2所示，其中，O為極點(diǎn)，OX為極軸，Ⅰ為未變形區(qū)，Ⅱ?yàn)樽冃螀^(qū)，Ⅲ為已變形區(qū)，L1為未變形區(qū)和變形區(qū)的邊界圓弧(半徑為r0)，L2為變形區(qū)和已變形區(qū)的邊界圓弧(半徑為rf)，v0、vf分別為未變形區(qū)和已變形區(qū)的金屬軸向流動(dòng)速度，θ為變形區(qū)任意點(diǎn)A的極角。通過(guò)上限法獲得了對(duì)輪旋壓工件的等效應(yīng)變方程：

圖2 對(duì)輪旋壓金屬流動(dòng)模型示意圖[19]Fig.2 Schematic diagram of metal flow model for counter-roller spinning

(1)

ZHU等[20]建立了對(duì)輪旋壓工藝塑性變形區(qū)的動(dòng)可容速度場(chǎng)，如圖3所示。基于上限定理，采用能量法推導(dǎo)出對(duì)輪旋壓過(guò)程中成形力的公式：

圖3 對(duì)輪旋壓變形區(qū)動(dòng)可容速度場(chǎng)[20]Fig.3 Admissible velocity field in deformation zone of counter-roller spinning

(2)

式中，F(xiàn)r1、Fz1分別為內(nèi)旋輪的徑向力和軸向力；Fr2、Fz2分別為外旋輪的徑向力和軸向力；Fy為旋輪理想狀態(tài)下的徑向接觸壓力；F0為未成形區(qū)的軸向力；F1為已成形區(qū)軸向力；β為等效成形角；β1為內(nèi)旋輪接觸角；β2為外旋輪接觸角；Re為成形后的半徑；R0為毛坯半徑；r1為內(nèi)旋輪半徑；r2為外旋輪半徑；fp為進(jìn)給速度。

式(2)是考慮了旋輪半徑等參數(shù)的平面應(yīng)變簡(jiǎn)化公式，且仿真與試驗(yàn)證實(shí)了其有效性。ZHANG等[21]建立了大直徑鋁合金筒形件對(duì)輪旋壓的FORGE有限元模型，模型考慮摩擦等條件，更符合實(shí)際工況。該有限元仿真結(jié)果表明應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)在毛坯的厚度方向上是對(duì)稱分布的，變形區(qū)內(nèi)的金屬流動(dòng)是對(duì)稱的，如圖4所示。旋壓試驗(yàn)驗(yàn)證了金屬流動(dòng)的對(duì)稱性。

(a)等效應(yīng)力分布

(b)等效應(yīng)變分布圖4 對(duì)輪旋壓的應(yīng)力分布和應(yīng)變分布[21]Fig.4 Stress distribution andstrain distribution of counter-roller spinning

上述研究主要通過(guò)理論分析或仿真建模來(lái)探究對(duì)輪旋壓的塑變機(jī)理。相比于理論分析，仿真分析更加符合旋壓實(shí)際工況。目前的塑變理論模型和公式大都是基于平面應(yīng)變假設(shè)建立的，在特定條件下的精確度較高，但其推廣需更加深入的研究。拓展完善對(duì)輪旋壓三維模型的塑性成形理論體系，對(duì)對(duì)輪旋壓工藝的改進(jìn)及設(shè)備研制的借鑒和指導(dǎo)意義非凡。

2.2 成形精度影響與控制

目前，研究人員主要是通過(guò)數(shù)值仿真軟件和實(shí)驗(yàn)方法研究對(duì)輪旋壓工藝成形精度的影響因素及參數(shù)控制，獲得旋輪參數(shù)和旋壓工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響規(guī)律。

GUO等[22]基于Simufact建立了外徑1970 mm的30CrMnSiA筒形件四對(duì)輪旋壓模型，研究了穩(wěn)定加工階段的旋輪進(jìn)給比f(wàn)對(duì)工件成形精度的影響，其中，成形件直線度隨旋輪進(jìn)給比的增大而增大，而橢圓度和外徑偏差與進(jìn)給比負(fù)相關(guān)，如圖5所示。此外，相同條件下，工件內(nèi)表面成形質(zhì)量?jī)?yōu)于外表面成形質(zhì)量。如果未合理地控制和降低內(nèi)外旋輪進(jìn)給比，則旋壓表面質(zhì)量將隨旋壓道次的進(jìn)行持續(xù)惡化。王大力等[23]基于上述模型進(jìn)一步探討了減薄率、旋輪成形角、內(nèi)旋輪圓角半徑、內(nèi)外旋輪壓下量等參數(shù)對(duì)成形精度的影響，對(duì)比分析了第一道次下的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者的橢圓度和側(cè)母線精度較一致。

(a)橢圓度變化

(b)外徑偏差變化圖5 不同旋輪進(jìn)給比下的橢圓度和外徑偏差[22]Fig.5 Ovality and outer diameter deviation under different rotary wheel feed ratio

XIAO等[24]通過(guò)試驗(yàn)研究了旋壓方式(包括芯模錯(cuò)距旋壓和對(duì)輪旋壓)和總減薄率對(duì)旋壓件尺寸精度與力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)輪旋壓方式更有利于減小橢圓度，而不利于減小壁厚偏差。不同旋壓方式下，隨著總減薄率的增大，壁厚偏差均減小，橢圓度均增大。在成形工件質(zhì)量方面，對(duì)輪旋壓件的力學(xué)性能更加優(yōu)良，旋壓后工件的強(qiáng)度和硬度均隨總減薄率的增大而不斷增大，伸長(zhǎng)率隨總減薄率的增大而減小。

席奇豪等[25]基于ANSYS軟件建立了三對(duì)輪旋壓的有限元模型，通過(guò)正交試驗(yàn)分析了不同工藝參數(shù)對(duì)壁厚差和擴(kuò)徑量的影響，發(fā)現(xiàn)減薄率是影響成形精度最重要的因素。

孫于晴等[26]基于ABAQUS軟件建立了30CrMnSiA大直徑筒形件的四對(duì)輪旋壓有限元模型，設(shè)計(jì)了11組單因素模擬試驗(yàn)，分析了減薄率、進(jìn)給比、成形角對(duì)成形壁厚偏差和圓度誤差的影響，指出筒形件加工效率和成形精度最佳的綜合優(yōu)選參數(shù)為成形角α=25°、進(jìn)給比f(wàn)=1.2 mm/r、減薄率ψt=30%。LI等[27]在此基礎(chǔ)上建立了直徑2.25 m的CRS(counter-roller spinning)模型，結(jié)合正交試驗(yàn)和多元非線性回歸分析獲得了成形效果良好的最佳工藝參數(shù)范圍，如圖6所示，這為大直徑筒形件的旋壓成形提供了一定的指導(dǎo)。

Oo.外圓圓度誤差 Δt.壁厚偏差 For.外旋輪徑向力圖6 直徑2.25 mCRS筒形件的最佳工藝參數(shù)范圍[27]Fig.6 The optimum process parameters range of the φ2.25 mCRS cylindrical part

LUO等[28]建立了帶環(huán)形內(nèi)筋和曲母線的筒體復(fù)合旋壓(對(duì)輪旋壓和多道次旋壓)有限元模型。該研究不僅通過(guò)仿真獲得了不同旋壓工藝參數(shù)對(duì)成形件最大橢圓度的影響規(guī)律，還通過(guò)試驗(yàn)獲得了熱旋壓溫度對(duì)成形精度的影響規(guī)律。如圖7所示，工件的最大橢圓度隨成形溫度的升高逐漸增大，這說(shuō)明旋壓溫度對(duì)成形精度具有重大影響，即溫度對(duì)于對(duì)輪旋壓工藝來(lái)說(shuō)也是不容忽視的重要參數(shù)之一。

圖7 熱旋壓溫度對(duì)成形精度的影響[28]Fig.7 Influence of temperature of hot spinning on forming accuracy

2.3 組織演變與缺陷

對(duì)輪旋壓是一個(gè)多旋輪相互協(xié)調(diào)配合下的多參數(shù)、多場(chǎng)耦合的加載成形過(guò)程，旋轉(zhuǎn)的金屬筒形件材料在多對(duì)旋輪的碾壓變形作用下呈現(xiàn)出高度的非線性[29]，材料極易產(chǎn)生不均勻的復(fù)雜塑性變形，材料晶粒等微觀組織也會(huì)發(fā)生明顯而復(fù)雜的變形，產(chǎn)生擴(kuò)口、開(kāi)裂、剝落、起皺、鼓包、材料堆積等宏微觀缺陷，故而探尋對(duì)輪旋壓的微觀組織演化和損傷力學(xué)行為極具實(shí)際意義。

XIAO等[19]通過(guò)LEICA DMI 5000M金相顯微鏡對(duì)比觀察了對(duì)輪旋壓與錯(cuò)距旋壓在50%減薄率下的顯微組織差異。相比于錯(cuò)距旋壓，對(duì)輪旋壓件的內(nèi)外表面同步產(chǎn)生金屬的塑性流變，內(nèi)外表面鐵素體晶粒均沿軸向拉伸，晶粒細(xì)化更均勻，細(xì)化率基本相同，證實(shí)了對(duì)輪旋壓可用于制備厚度方向上晶粒均勻的筒形零件。曾超[30]從層錯(cuò)能出發(fā)，分析了20鋼和H62黃銅塑性變形過(guò)程中的組織演變和晶粒細(xì)化機(jī)制，指出隨著減薄率的增大，原始等軸晶粒不斷拉長(zhǎng)，逐漸呈現(xiàn)出取向有序的微觀組織形貌，如圖8所示。欲獲得更均勻細(xì)小的等軸晶粒，可通過(guò)采取合理的退火溫度和保溫處理等措施。這為進(jìn)一步分析晶粒細(xì)化與力學(xué)性能關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。

(a)20鋼原始組織 (b)20鋼減薄84%后的組織

(c)H62黃銅原始組織 (d)H62黃銅減薄66%后的組織圖8 不同材料對(duì)輪旋壓前后的微觀組織[30]Fig.8 Microstructures of different materials before and after counter-roller spinning

GUO等[22]通過(guò)對(duì)輪旋壓試驗(yàn)證明了30CrMnSiA合金在減薄率達(dá)69%后，毛坯件會(huì)因多次加工硬化、毛坯徑向跳動(dòng)、超出材料變形極限等原因而產(chǎn)生剝落缺陷，如圖9所示，給出了預(yù)防出現(xiàn)此缺陷的措施——對(duì)坯料退火處理。曾超[30]分析了工件口部的橫向和縱向裂紋缺陷(圖10)的成因，提出了再結(jié)晶退火消除橫向裂紋、減小道次減薄率避免縱向裂紋的方法。

圖9 剝落缺陷[22]Fig.9 Spalling defect

圖10 旋壓件的口部裂紋[30]Fig.10 Mouth cracks of the part

LUO等[28]對(duì)含對(duì)輪旋壓的復(fù)合旋壓成形產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行了研究。表2所示為試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的4種主要缺陷的成因及應(yīng)采取的措施，這對(duì)理解對(duì)輪旋壓工藝的主要缺陷并采取相應(yīng)的處理舉措具有重要意義。

表2 旋壓工藝產(chǎn)生的缺陷Tab.2 Defects arising from spinning process

目前，對(duì)對(duì)輪旋壓微觀組織和缺陷成因的研究相對(duì)較少，且大多是通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行分析。不斷試錯(cuò)的過(guò)程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)才能提出有效的預(yù)防措施，這增加了工程應(yīng)用的成本。因此，探尋對(duì)輪旋壓工藝在晶體塑性有限元[31-33]和擴(kuò)展有限元(XFEM)[34]等多尺度下的缺陷仿真方法，并結(jié)合多尺度試驗(yàn)進(jìn)一步獲得有限元仿真的計(jì)算時(shí)間與試驗(yàn)成本間的匹配關(guān)系，對(duì)提升對(duì)輪旋壓工藝具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

2.4 對(duì)輪旋壓設(shè)備

設(shè)備是對(duì)輪旋壓技術(shù)水平的重要體現(xiàn)，決定了對(duì)輪旋壓制造的技術(shù)水準(zhǔn)，是直接影響成形件尺寸和精度的核心。國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)對(duì)輪旋壓設(shè)備進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

國(guó)外對(duì)對(duì)輪旋壓技術(shù)和設(shè)備的研究起步較早，以金屬板材的旋壓成形為主，采用該技術(shù)的產(chǎn)品用于航天等領(lǐng)域，全金屬ATV推進(jìn)劑儲(chǔ)罐和Alphabus衛(wèi)星推進(jìn)劑儲(chǔ)罐的圓頂?shù)鹊闹圃炀褪峭ㄟ^(guò)對(duì)輪旋壓工藝實(shí)現(xiàn)的[35-37]。在金屬筒體的對(duì)輪旋壓技術(shù)及設(shè)備方面，美德等制造強(qiáng)國(guó)在20世紀(jì)七八十年代就已研制成功了大型對(duì)輪旋壓設(shè)備，并將其用于石油運(yùn)輸管路和火箭筒體(歐洲阿里安5號(hào)、戰(zhàn)神等)的制造[38-41]。伊利諾技術(shù)研究院和拉迪斯鍛造公司基于臥式車床原理，分別研制了1對(duì)輪和2對(duì)輪的臥式對(duì)輪旋壓機(jī)；拉迪斯鍛造公司生產(chǎn)的液壓徑向進(jìn)給對(duì)輪旋壓設(shè)備加工了羅爾公司的大直徑圓筒件和美國(guó)戰(zhàn)神火箭的固體發(fā)動(dòng)機(jī)FTV-2殼體[42-43]。MT公司與提森機(jī)械制造公司聯(lián)合研制了4對(duì)輪的立式數(shù)控旋壓機(jī)[38-39]，如圖11所示。該設(shè)備率先實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪錯(cuò)距旋壓工藝，并成功制造出阿麗亞娜5號(hào)火箭的助推器外殼。目前為止，僅有德美等一些制造強(qiáng)國(guó)掌握著大型金屬筒體的對(duì)輪旋壓核心技術(shù)。

(a)四對(duì)輪立式數(shù)控旋壓機(jī)

(b)旋壓產(chǎn)品圖11 德國(guó)MT公司的旋壓機(jī)和產(chǎn)品Fig.11 Spinning machine of German MT company and products

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多研究單位為打破國(guó)外對(duì)輪強(qiáng)力旋壓關(guān)鍵技術(shù)的壟斷，也開(kāi)展了大量的技術(shù)研究和設(shè)備研制工作。夏琴香等[19，44]改造數(shù)控機(jī)床，研制了阿基米德螺旋盤-楔形式的內(nèi)外旋輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖12)，實(shí)現(xiàn)了小直徑金屬筒形件的三對(duì)輪旋壓加工。

圖12 三對(duì)輪旋壓加工設(shè)備[19]Fig.12 Three counter-rollers spinning processing equipment

基于車床原理的臥式設(shè)備限制了待旋壓件的直徑，懸臂安裝的大長(zhǎng)度筒形件坯料的自重也嚴(yán)重影響成形精度和質(zhì)量，故國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始著眼于立式旋壓設(shè)備的研制。徐文臣等[45]設(shè)計(jì)了立式四對(duì)輪旋壓機(jī)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)校核和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在樣機(jī)上對(duì)6061鋁合金筒體進(jìn)行了加工試驗(yàn)，如圖13所示。

圖13 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的立式旋壓機(jī)[45]Fig.13 Vertical spinning machine developed by Harbin Institute of Technology

LUO等[46]通過(guò)有限元分析方法建立了5種不同結(jié)構(gòu)的對(duì)輪旋壓機(jī)模型，確定的優(yōu)選結(jié)構(gòu)如圖14所示，與優(yōu)化前方案相比，該方案的總變形量減小了2.29%，最大等效應(yīng)力減小了10.15%，更好地滿足了精密加工要求。鄭宏偉等[47]以此模型的旋輪基座為主要研究對(duì)象，提出了基于ANSYS有限元程序與最大熵耦合法的可靠性分析方法，對(duì)旋輪座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，將失效率降低了11.42%。

圖14 立式對(duì)輪旋壓設(shè)備模型[47]Fig.14 Vertical counter-roller spinning machine model

張大偉等[48]研制了中型龍門立式雙對(duì)輪旋壓機(jī)，如圖15所示。根據(jù)成形方式需求，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)普通旋壓和強(qiáng)力旋壓；根據(jù)工藝需求，可實(shí)現(xiàn)同位旋壓和錯(cuò)距旋壓，加工槽輪、波紋管等異型件。李帆等[49]提出了分散多動(dòng)力、伺服電驅(qū)動(dòng)的理念，設(shè)計(jì)了6 m級(jí)的全電伺服四對(duì)輪立式旋壓設(shè)備，如圖16所示。為降低傳動(dòng)系統(tǒng)的冗雜性、提高控制精度和準(zhǔn)確性，采用獨(dú)立動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)各個(gè)部件運(yùn)動(dòng)。通過(guò)數(shù)控編程來(lái)控制多個(gè)交流伺服永磁同步電機(jī)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)及相互聯(lián)動(dòng)，提高了設(shè)備的自動(dòng)控制水平。

圖15 中型龍門立式雙對(duì)輪旋壓機(jī)[48]Fig.15 Medium gantry vertical double counter-rollers spinning machine

圖16 6 m級(jí)四對(duì)輪立式旋壓設(shè)備[49]Fig.16 6-meter vertical four counter-rollers spinning machine

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究單位針對(duì)對(duì)輪旋壓設(shè)備開(kāi)展了積極的探索，涌現(xiàn)了一批具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新設(shè)備，但大尺寸對(duì)輪強(qiáng)力旋壓設(shè)備的探索還多處于模型仿真階段。

3 對(duì)輪旋壓在典型金屬筒形件的應(yīng)用分析

對(duì)輪旋壓可一體成形金屬薄壁筒形件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注并取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。伴隨著對(duì)輪旋壓技術(shù)研究的不斷深入，其制品可應(yīng)用領(lǐng)域也愈加廣闊。

國(guó)防和航空航天等工業(yè)領(lǐng)域?qū)α悴考a(chǎn)的嚴(yán)格要求促進(jìn)了旋壓技術(shù)的發(fā)展[50]。炮筒、導(dǎo)彈殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩、戰(zhàn)斗機(jī)副油箱、作動(dòng)筒、燃燒室、機(jī)匣外工作面、火箭殼體、燃料儲(chǔ)箱、壓力容器、噴管等特定應(yīng)用場(chǎng)合的筒體都需具有薄壁輕質(zhì)、高強(qiáng)、高精、可靠、抗疲勞等性能。汽車輪轂是具有復(fù)雜母線的空心回轉(zhuǎn)體零部件，其生產(chǎn)還需考慮加工柔性等問(wèn)題。目前，這些金屬筒形件均已逐漸采用普旋、強(qiáng)旋等旋壓成形工藝制造，并取得較好的成形效果，但這些旋壓工藝依然存在一些技術(shù)難題，如無(wú)模旋壓中工件的壁厚和形狀尺寸精度調(diào)控困難、芯模旋壓中的復(fù)雜曲母線筒形件脫模困難及尺寸限制等，限制了金屬筒形件的精密制造和發(fā)展。對(duì)輪強(qiáng)力旋壓技術(shù)具有較高的工藝柔性、較大的成形尺寸范圍和良好的成形內(nèi)表面質(zhì)量等不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，故對(duì)輪旋壓技術(shù)在這些領(lǐng)域的筒形件制造中將迎來(lái)黃金發(fā)展期。

一體化是大型零部件制造發(fā)展的主流，對(duì)輪旋壓有望成為大型筒體綠色一體化制造的主要方法之一。除在國(guó)防、航空、航天、交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用外，對(duì)輪旋壓制品也應(yīng)用于生活的多個(gè)領(lǐng)域，如圖17所示。

圖17 對(duì)輪旋壓技術(shù)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域Fig.17 The potential application fields of counter-roller spinning technology

4 筒形件對(duì)輪旋壓技術(shù)的展望

突破對(duì)輪旋壓技術(shù)工程產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用背后的“卡脖子”難題是研究人員需共同考慮的問(wèn)題。本節(jié)分別從輕質(zhì)/高強(qiáng)材質(zhì)旋壓新工藝探討、跨尺度的材料流動(dòng)分析、數(shù)字化對(duì)輪旋壓設(shè)備等方面展望金屬筒形件對(duì)輪旋壓技術(shù)。

4.1 輕質(zhì)/高強(qiáng)材質(zhì)旋壓新工藝探討

高強(qiáng)/超高強(qiáng)度輕質(zhì)合金材料的對(duì)輪旋壓成形機(jī)理是研究熱點(diǎn)。航空航天工業(yè)的迅猛發(fā)展對(duì)大尺寸、高質(zhì)強(qiáng)比和強(qiáng)耐蝕筒形件產(chǎn)生急迫需求。類薄壁筒體的直徑和高度較大、扭轉(zhuǎn)剛度低，在強(qiáng)力對(duì)輪旋壓的大扭矩和旋壓力作用下易發(fā)生屈曲變形和扭轉(zhuǎn)彈性變形，故對(duì)輪主動(dòng)強(qiáng)力柔性旋壓工藝[51]有望成為解決此難題的一個(gè)重要途徑。該工藝是結(jié)合旋壓與軋制的新方法，更利于增大難變形金屬材料的單次減薄率，改善材料的加工硬化性能。

對(duì)輪主動(dòng)強(qiáng)力柔性旋壓區(qū)別于普通對(duì)輪旋壓的主要特征是旋輪的主動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖18所示，內(nèi)外旋輪主動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，成形處的切線方向τ1、τ2與筒體轉(zhuǎn)動(dòng)方向τ一致，因此，該工藝可通過(guò)內(nèi)外旋輪主動(dòng)旋轉(zhuǎn)和筒體主動(dòng)旋轉(zhuǎn)相混合的方式，克服單源(筒體轉(zhuǎn)盤動(dòng)力源)驅(qū)動(dòng)存在的扭矩大、彈性變形嚴(yán)重等問(wèn)題。

圖18 對(duì)輪主動(dòng)強(qiáng)力旋壓工藝原理圖[51]Fig.18 Schematic diagram of active power spinning process of counter-roller

直徑D0=550 mm的2024鋁合金材質(zhì)的筒體旋壓成形研究顯示，在起旋階段，工件的扭矩波動(dòng)劇烈并出現(xiàn)極值，這說(shuō)明起旋過(guò)程可嚴(yán)重影響工件的成形質(zhì)量。與普通強(qiáng)力對(duì)輪旋壓(非主動(dòng))相比，對(duì)輪主動(dòng)強(qiáng)力旋壓在工件不同橫截面處的初旋扭矩(旋輪與工件臨界接觸時(shí)的扭矩)T0均有不同程度的減小。在工件起旋端每隔2 mm劃分一個(gè)橫截面，得到一系列截面，主動(dòng)和非主動(dòng)旋壓工藝不同截面在產(chǎn)生初旋扭矩的3個(gè)臨近時(shí)刻(0.88 s、0.94 s和1.00 s)的扭矩如表3所示，最貼近初旋扭矩產(chǎn)生的時(shí)刻即t=0.88 s時(shí)，主動(dòng)對(duì)輪旋壓在各截面處產(chǎn)生的扭矩減小22.43%～29.84%。因此，對(duì)輪主動(dòng)旋壓可以顯著減小筒體自轉(zhuǎn)所需的動(dòng)力，同時(shí)解決成形件扭轉(zhuǎn)剛度低的難題，這也為進(jìn)一步提高對(duì)輪旋壓質(zhì)量提供了新的研究思路。

表3 不同截面處的初旋扭矩Tab.3 Initial spinning torque at different sections

4.2 多能場(chǎng)耦合下跨尺度的材料流動(dòng)分析

現(xiàn)階段，對(duì)輪強(qiáng)力旋壓的塑變理論模型與實(shí)際工況存在較大差異，這些理論模型多是基于二維平面理論構(gòu)建的，對(duì)實(shí)際的對(duì)輪旋壓精密制造的指導(dǎo)價(jià)值有限。有限元模型在一定程度上彌補(bǔ)了理論模型的不足，但還是單一(宏觀)尺度、單一物理場(chǎng)作用下的理想模型，實(shí)際的對(duì)輪旋壓成形過(guò)程往往涉及材料在力、熱等多能場(chǎng)耦合作用下的復(fù)雜變形機(jī)制。對(duì)輪旋壓件的宏觀形狀與內(nèi)在性能變化的實(shí)質(zhì)是細(xì)微觀的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和組織結(jié)構(gòu)演化，宏、細(xì)、微觀變形是同步且關(guān)聯(lián)發(fā)生的[52]。目前，ABAQUS、ANSYS等有限元軟件的建模結(jié)果僅是宏觀和唯象的，缺乏成形過(guò)程的本質(zhì)表征和缺陷預(yù)測(cè)。

伴隨著計(jì)算科學(xué)的迅猛發(fā)展，研究應(yīng)充分挖掘數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢(shì)，建立健全材料在對(duì)輪旋壓工藝的多能場(chǎng)耦合影響下的塑性流動(dòng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)筒形件的精密塑性成形。深入探究宏觀成形效果在細(xì)微觀層次的材料塑變機(jī)理等技術(shù)難點(diǎn)，構(gòu)建筒形件對(duì)輪旋壓技術(shù)在宏、細(xì)、微納觀等跨尺度、多能場(chǎng)耦合變形機(jī)制下的對(duì)輪旋壓模型(圖19)，開(kāi)發(fā)穩(wěn)定、精確、高效的跨尺度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸方法是未來(lái)研究的重難點(diǎn)。

有限元軟件對(duì)復(fù)雜對(duì)輪強(qiáng)力旋壓的計(jì)算分析效率不高，故目前僅用仿真結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)旋壓成形精度和缺陷，采取相應(yīng)的控制措施。為有效平衡計(jì)算時(shí)間成本和預(yù)測(cè)可靠性，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)探究更可靠合理的預(yù)測(cè)代理模型[53]將是對(duì)輪旋壓工藝優(yōu)化中不容忽視的一環(huán)。

圖19 多尺度、多能場(chǎng)耦合變形機(jī)制對(duì)輪旋壓建模Fig.19 Modeling of counter-roller spinning under multi-scale and multi-energy field coupling deformation mechanism

4.3 數(shù)字化對(duì)輪旋壓設(shè)備

設(shè)備作為對(duì)輪旋壓工藝的載體和落腳點(diǎn)，是檢驗(yàn)技術(shù)成熟程度和能否工程應(yīng)用的重要標(biāo)志。為適應(yīng)大尺寸旋壓件的成形，對(duì)輪旋壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)也逐漸從臥式向立式轉(zhuǎn)變。伴隨數(shù)字化技術(shù)和智能制造的不斷興起，工藝專家系統(tǒng)和三維實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的集成應(yīng)用為對(duì)輪旋壓設(shè)備的研制提供了新思路。

鑒于工藝專家系統(tǒng)強(qiáng)大的邏輯推理能力，美、法、日等國(guó)率先建立了強(qiáng)力旋壓的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，在一定程度上減小了旋壓工藝對(duì)加工經(jīng)驗(yàn)的高度依賴。然而，國(guó)內(nèi)的相關(guān)應(yīng)用仍處于概念階段[54]。對(duì)輪強(qiáng)力旋壓的時(shí)變非線性使得異形筒體的旋壓精確控制更難，因此，應(yīng)充分發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)基于機(jī)器視覺(jué)的三維在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)反饋對(duì)輪旋壓加工過(guò)程中工件的幾何形狀信息，在線自主決策后實(shí)時(shí)修正加工工藝參數(shù)，不斷更新和豐富工藝專家系統(tǒng)。對(duì)輪旋壓產(chǎn)品的智能工藝設(shè)計(jì)與智能制造基本框架如圖20所示，工藝專家系統(tǒng)的數(shù)字化智能轉(zhuǎn)換與三維在線視覺(jué)檢測(cè)的自主決策有利于對(duì)輪旋壓設(shè)備的精準(zhǔn)調(diào)控。

圖20 對(duì)輪旋壓產(chǎn)品智能工藝設(shè)計(jì)與智能制造基本框架Fig.20 The basic framework of intelligent process design and intelligent manufacturing for counter-roller spinning products

5 結(jié)論

(1)對(duì)輪旋壓技術(shù)在大直徑金屬薄壁筒體的一體成形中有著獨(dú)特的優(yōu)越性，但此旋壓技術(shù)的時(shí)變非線性使得材料的塑性流動(dòng)控制難度較大。本文針對(duì)對(duì)輪旋壓技術(shù)，詳細(xì)闡述了塑變機(jī)理、精度控制、組織缺陷和對(duì)輪旋壓設(shè)備的研究進(jìn)展。

(2)對(duì)輪主動(dòng)強(qiáng)力柔性旋壓工藝是解決大尺寸高強(qiáng)/超高強(qiáng)度輕質(zhì)合金材料薄壁筒形件成形的一個(gè)重要方式。旋輪主動(dòng)和筒體主動(dòng)相結(jié)合的方式有效提高了難變形金屬材料的單次減薄率，能解決單源驅(qū)動(dòng)扭矩大、彈性變形嚴(yán)重不足的問(wèn)題。

(3)對(duì)輪旋壓在塑變理論模型、仿真預(yù)測(cè)、工藝設(shè)備等方面存在的技術(shù)難點(diǎn)和局限性，限制了其大規(guī)模的工程應(yīng)用，故探尋多尺度和多能場(chǎng)耦合變形機(jī)制及其預(yù)測(cè)代理模型、智能制造工藝專家系統(tǒng)與三維在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在對(duì)輪旋壓設(shè)備中的集成應(yīng)用，將成為提升對(duì)輪旋壓技術(shù)的有效途徑。