中国旋压成形技术的应用和发展

2012-10-20李继贞刘德贵王健飞北京航空制造工程研究所

锻造与冲压 2012年12期

关键词：旋压毛坯强力

文／李继贞，刘德贵，王健飞·北京航空制造工程研究所

中国旋压成形技术的应用和发展

文／李继贞，刘德贵，王健飞·北京航空制造工程研究所

旋压成形技术的应用

普通旋压技术为民用技术，多年来发展缓慢，就这一点来说国际国内的情况一致。应用最多、最广的强力旋压技术近几年在我国得到了深化。强力旋压作为近代塑性加工中的一种新工艺，在生产薄壁、高精度回转体零件方面具有明显的优势：

⑴强力旋压后材料的强度和硬度比母材提高了约15％～25％，因此强力旋压能有效地减小零件的设计壁厚、减轻重量，抗疲劳性能也能得到显著地提高。

⑵强力旋压属于整体成形技术，成形的零件没有母线焊缝，因此零件整体性能得到了提高，尤其是疲劳寿命能够显著提高。

⑶强力旋压的无切削加工和简易的成形模具降低了生产制造成本。

⑷由于减薄率较大，因此强力旋压能有效地检验母材中的冶金缺陷，而这些缺陷用超声波等其他无损检测的方法检测，效果非常不明显甚至根本无法进行。

⑸强力旋压零件的尺寸公差和形位公差较小。

基于以上优点，特别是强力旋压后零件的强度、硬度和抗疲劳性能等能够得到显著地提高，故近几年强力旋压技术在航空航天工业的零部件制造中得到了广泛的应用。

钛合金的强力旋压成形

随着航空航天事业的高速发展，对钛合金、高温合金等难变形材料强力旋压的需求逐渐增多。钛合金常温塑性较差、变形抗力很大，在室温条件下进行强旋加工较为困难，国内曾对TC4、Ti-15-3等材料进行过冷强旋试验研究，但由于TC4室温下的低塑性及各工艺参数的综合影响，试验件均存在开裂或其他严重缺陷。强力旋压成形工艺可以使钛合金组织细化均匀，综合机械性能更稳定，又可达到无母线焊缝的技术要求，现在采用钛合金的薄壁回转体零件越来越多。北京航空制造工程研究所对钛合金强力旋压进行了系统的试验研究，采用热旋压加工工艺，克服了钛合金常温下变形抗力巨大、零件回弹严重、材料加工硬化严重且很难消除等问题，在国内实现了钛合金薄壁回转体零件的中小批量稳定生产。

某飞机发动机和某型号导弹中有很多钛合金筒形、锥形件及其他异形件，以往都是用卷筒焊接的方法成形。如某导弹部件就是用厚度为1.2mm的TC1板材卷焊成形的，如果用TC4代替TC1，可使工件获得更好的强度和耐热性能，同时因为强度的增加可以使厚度减小，达到减重的目的；其次，用强旋工艺代替卷焊成形难变形的TC4，避免了母线焊缝带来的缺陷，也使材料晶粒细化、强度提高，从而可以进一步达到减小壁厚、减轻重量的目的。目前，在一些导弹中，为了降低弹体的重量和满足超音速飞行对弹体耐热性的要求，已经开始考虑用钛合金的旋压件来取代原来的铝合金及高强度钢旋压件。钛合金强力旋压时需注意以下几个方面的问题：

⑴毛坯的制备。

根据机加、热拉深、锻造、环轧、超塑成形或旋压预制坯等制坯工艺的特点，针对具体的材料，选择最佳的毛坯制备技术，尽量节省材料、缩短工艺流程、降低制坯成本，达到要求的组织状态。

⑵工艺参数的选取。

合理匹配及优化坯料壁厚、减薄率、进给比、旋轮工作角、旋轮圆角半径、主轴转速等工艺参数，可获得高质量的工件，实现尺寸精度和表面质量及内部组织性能的最佳控制；选择合理的旋轮轨迹，可减少旋压道次，减轻旋压过程中壁厚的变薄和材料的硬化；选择合适的润滑剂和表面保护涂料，一方面可减小摩擦、避免粘连，另一方面也可最大限度地减少毛坯表面氧化和吸氢。

⑶加热方式的选择和加热过程中温度的测量。

由于钛合金材料本身的特点，其旋压成形、冲压成形必须在热状态下进行。根据旋压的工艺特点，其加热方式有以下两种：

①火焰加热，如图1所示。火焰加热利用氧-乙炔或者氢-氧作为气源，在模具及毛坯高速旋转下进行。该加热方式的优点是操作灵活方便，加热成本低；缺点是加热温度均匀性较差，由于热量不断地向模具及旋压机床相关部件传导，故加热时间较长。

图1 火焰加热

②感应加热，如图2所示。感应加热的优点是加热速度快，加热温度均匀；缺点是受零件和毛坯外形的限制，除筒形件流动旋压以外，感应器的形状很难统一，而且在利用板料毛坯进行普通或者强力旋压时，感应器还要随毛坯的变化而随动，结构及控制复杂，造价较高。

图2 感应加热

为了保证加热的均匀性，在钛合金热旋压加热过程中应实时测温，在利用板材毛坯旋压时，测温点应选择在毛坯靠近模具处、中间和口部，在温度接近或者达到旋压温度时，应增加测温的频率，以实现温度的精确控制。测温方式有红外测温和激光测温两种，从测温的准确性来说，一般采用激光测温，如图3所示。

图3 激光测温

⑷不同旋压方式及退火温度对材料旋压成形性能的影响。

不同旋压方式（正旋、反旋、错距旋压）和旋压温度（热旋、温旋、冷旋）对材料可旋性的影响很大。不同的退火温度影响旋后材料的组织结构及机械性能，应根据具体的材料确定最佳退火规范。

⑸温度梯度和温度场对成形后零件几何精度的影响。

选择合理的旋压温度、加热方式、保温技术以及温度均匀性控制措施，可使旋后零件的各种技术指标在规定的范围之内。

⑹旋压成形后材料的性能。

对不同成形参数及热处理条件的旋后材料机械性能σb、σ0.2、δ及组织进行对比分析，进一步优化工艺参数，可使工艺方案更趋合理化。

通过对强旋变形的理论分析，建立合理的有限元模型，进行强旋变形过程的计算机模拟，研究各工艺参数对强旋变形的影响规律，对可能出现的成形缺陷进行预测。

钛合金的活性随温度的升高而增强。虽然在常温下很稳定，但在500～560℃时存在吸氢和表面氧化等问题，随着温度的升高，氧化膜失去保护作用；常温下，钛合金的吸氢量很小，在250℃以上吸氢速度加快，500～600℃时达到最大值。钛合金对气体的吸附增加了杂质含量，而且分布不均，大大降低了材料的塑性，尤其是过多的吸氢导致氢脆，致使旋压件开裂。

钛合金热旋时，如用火焰加热，表面氧化严重，保护困难。另外，加热时，火焰和坯料之间的相对位置难以精确控制，氧和乙炔的气体压力、流量也时常波动，所以温度的变化直接影响旋压零件的尺寸精度。虽然室温强力旋压可避免上述问题，但是完全采用室温旋压可能遇到以下问题：初始道次旋压时，毛坯较厚，旋压力较大，对设备吨位的要求很大；常温下毛坯材料的冷作硬化严重，很可能带来毛坯再次旋压时的开裂。另外，钛合金的初始毛坯很难采用变形的方法细化组织，这直接影响材料的可旋性。

高温合金的强力旋压成形

高温合金大都是固溶强化镍基抗氧化合金，在900℃以下具有高的塑性和中等的热强性，适宜制造在900℃以下长期工作的发动机主燃烧室和加力燃烧室零部件以及导向叶片等。但该材料常温下的变形抗力较大，零件回弹严重，为此，在强力旋压时应注意以下几点：⑴根据高温合金的组织性能特点，通过对坯料进行恰当的退火工序可得到适合旋压的毛坯。⑵结合工艺试验和计算机数值模拟技术及理论分析，优化旋压工艺流程和工艺参数。⑶分析成品件的组织性能，总结高温合金的旋压成形工艺参数与成品零件的几何形状和组织性能之间的规律。⑷将温旋压、热旋压和热处理相结合，探索高温合金薄壁回转体零件强力旋压成形特性。

镁合金的旋压成形

镁合金的晶体结构是密排六方结构，滑移面少，室温下塑性成形困难，目前镁合金的成形以铸造为主，尤其是压铸，成形零件的形状简单、尺寸精度低。但镁合金在再结晶温度以上塑性成形性能显著提高，所以国内外一般将镁合金加热到一定温度范围再进行旋压成形。北京航空制造工程研究所对镁合金的旋压成形进行了初步探索，并取得了以下初步成果：⑴摸索出了镁合金旋压成形最佳的预热温度。⑵对不同温度下镁合金的减薄率、旋轮进给速度、旋压机床主轴转速进行了系统研究。⑶总结出了不同成形温度对镁合金机械性能的影响规律。⑷探索了不同温度、不同成形工艺参数对镁合金显微组织的影响。

在以上探索的基础上，北京航空制造工程研究所用板材毛坯成功旋压成形出直径200mm、高150mm的锥形件，如图4所示。

图4 北京航空制造工程研究所旋压出的锥形件

旋压设备的发展

我国的旋压工艺与设备的研究起源于20世纪60年代初期，经过近几十年的发展，基本形成了从设备的研制到工艺开发一整套成熟的体系。80年代初～90年代末，鉴于当时的国际国内大环境，我国的旋压技术经历了相对较慢的发展过程。90年代末至今，随着军工事业的发展，我国的旋压技术在近十年内经历了一个突飞猛进的发展阶段，无论旋压设备还是旋压工艺都有了长足的进步，与西方发达国家的差距明显减小。长期以来，旋压技术为我国的国民经济尤其是军工事业做出了突出贡献。可以说，在这不到十年的时间里，我国的旋压设备完成了由液压仿形到全数字控制的转变。60年代中期～90年代中期，我国设计制造的旋压机床都是液压仿形，控制精度较低，所采用的电器、液压控制元件性能差，机床的整体性能及可靠性低。对于一些形状复杂、加工工序道次多、走刀轨迹复杂的零件，液压仿形旋压机床暴露出了加工效率低和其他一些功能上的缺陷。不过这类机床最大的特点就是经久耐用、抗冲击振动、抗负荷过载能力强，能够适用各种恶劣的工况，经过不断地维修整改，这些机床现在仍有不少在承担着大量的科研生产任务，近40年来还是为我国的航空航天事业做出了贡献。

90年代末期，随着计算机技术的发展及各种进口元器件的大量采用，我国的旋压设备生产厂商在综合吸收了已经研制开发出的旋压设备的精华的基础上，设计制造出了集国际上最先进的数控系统、液压系统、机械及各种元器件于一身的且完全代表了国际先进水平的旋压设备。这些设备的特点表现在如下几方面：

⑴数控系统。广泛采用国际上最先进、最流行的数控系统如西门子840D，控制轴数多，控制精度高，性能稳定可靠。

⑵液压系统。采用伺服阀或比例伺服阀，频响高，全闭环控制。尤其是比例伺服阀，综合了比例阀和伺服阀的优点，成为数控旋压机床电-液转换的最理想的控制元件。

⑶主轴系统。采用交流变频或直流调速，变频器采用进口，能够做到恒线速度。

⑷传动部件。采用进口主轴轴承，进口滚动导轨等旋转传动部件，提高了整个设备的精度和可靠性。

⑸位移控制。光栅尺、位移传感器、旋转编码器等多种位移、位置反馈元件也采用进口元件。

由于采用了国际上最先进的数控系统、液压系统、机械传动及控制元件，结合自身的机械加工优势，国产旋压机床的整体水平已经达到国际21世纪初期的水平。国产旋压机床的这种制造模式与国际上其他旋压机生产厂商是一致的，并且和进口旋压设备相比国产旋压机床具有价格优势、维修及售后服务优势、工艺服务优势。

90年代末至今，我国共设计制造各类数控旋压机床300余台（图5），其中包括单旋轮普通旋压机床，双旋轮普通/强力旋压机床，三旋轮强力旋压机床；各类专用旋压机床，如立式皮带轮旋压机床，铝合金气瓶、钢质气瓶收口专用旋压机床，封头成形旋压机床，风机零件成形、翻边专用旋压机床，内旋压专用旋压机床，滚珠旋压机床。机床的加工范围从直径φ50mm～φ2500mm，可成形零件高度最大达3000mm；就旋压机床最重要的参数径向旋压力来讲，单个旋轮的最大推力已经达到600kN。目前，亚洲最大的立式三旋轮旋压机床——单个旋轮最大径向推力1000kN、可成形零件直径φ2600mm、高度4000mm的标志性设备正在设计制造中。

图5 国产部分旋压机床

中国旋压成形技术发展过程中存在的问题

就旋压技术来讲，我国的工艺水平与西方发达国家差距不大。筒形件、异形件、各种带内外筋零件无论是旋压零件精度还是尺寸规格都没有明显的差距。在设备方面，采用的元件水平与西方发达国家相当，例如电气控制系统和液压系统采用的都是与国外设备相同的产品。主要差距表现在以下几个方面：一是设备系列化，二是设备的结构设计、工业造型设计，三是专机的自动化程度和机床的多功位、自动换刀等，以上都需要一段的研制周期才可以得到提高和完善。目前，对功能单一的三旋轮强力旋压机床来说不存在这些问题，但对一些专用机床如皮带轮成形专用机床来说，国产设备与国外的先进设备相比还是具有一定的差距。

从80年代中期至今，国内引进了各种旋压设备数十台，应该看到，由于缺少长远观念、系统规划、详细论证，某些价格昂贵的引进设备的利用率并不高，个别引进设备的技术水平也参差不一，有的甚至存在严重质量问题。这种重复引进的势头目前尚没有得到有效地遏制。就功能相对单一、旋压工艺相对简单的三旋轮强力旋压机床来说，国产设备与国外的几乎没有差距，但进口设备的价格是同类国产设备价格的2～4倍。90年代中期以前进口的旋压设备经过十几年的使用有的已经开始出现问题，对这些设备的改造也已经提到日程上来了，找国外原生产厂商大修，由于价格、运输等原因根本不可能，国内相关单位通过对这些设备的改造，正在不断吸收国外先进的设计理念，相信我国旋压设备的水平很快就会赶上或超过西方发达国家。