大长径比薄壁零件旋压工艺研究

廖清华，宾 璐，阮滢滢，钟 涛

(江南工业集团有限公司，湖南 湘潭 411207)

近年来，随着军工事业的发展，以提高武器装备可靠性为目标，保证其产品质量成为降本增效、提高和保证军工产品质量的重要课题。目前，旋压已成为精密塑性成形的主要方法，特别是在加工各种复杂薄壁零件时的优势明显[1]。旋压加工成形后的产品具有晶粒致密、强度高、壁厚均匀等特点，因此在航空、航天、兵器、造船、机械、建筑及日用工业品中得到广泛应用[2]。在军工产品制造过程中，大长径比薄壁零件的使用越来越多，如发动机燃烧室壳体、战斗部中心管等都是大长径比薄壁零件。然而由于薄壁筒形件长径比大(一般>10)，超过了其他塑性加工方法的成形极限，使其很难甚至不能加工，而变薄旋压加工薄壁筒形件产品精度高，尺寸范围广，加工方便，省时省料，被广泛应用[3]。为解决中心管零件容易弯曲变形的问题，提高武器装备系列产品零部件的质量，通过研究采用正旋加工工艺，可有效解决加工出现的问题。

1 旋压加工分类及特点

1.1 旋压工艺分类

旋压工艺是工件通过旋转使之受力点由点到线，由线到面，同时在某个方向用滚刀给予一定的压力使金属材料沿着这一方向变形和流动而形成某一形状的技术。旋压工艺是一种比较先进的塑性加工方法，它综合了锻造、挤压、轧制、拉伸、弯曲、平整等工艺特点，是回转体类零件塑性成形的主要加工方式[4]。旋压工艺种类较多，按照坯料塑性变形程度分为强力旋压和普通旋压；按照旋轮数量分为单旋轮、双旋轮和三旋轮旋压；按照金属流向分为正旋和反旋；按照旋压零件的形状可分为对称和非对称旋压等[5]。

1.2 旋压加工特点

旋压加工和其他加工方式比较，其优点在于：具有良好的金属变形条件；加工耗费的原材料少，产品成本低；工序简单，设备和模具都比较简单；产品精度高，表面光洁度好；产品的性能好，范围广；采用旋压方法可以加工出筒形件、变截面管材、壁厚不等或带有阶梯等大部分回转体零件及三维非轴对称零件和非圆截面空心零件等非回转体零件[6]。

旋压加工所用的坯料种类及加工方式具有多样性。几乎所有金属均能进行不同程度的旋压加工，例如，旋压坯料可以用优质钢、碳素钢、不锈钢、合金、稀有金属、有色金属及其合金等，但在塑性较好的材料中应用更广泛。

旋压等局部成形技术是比较先进的塑性成形技术，近年来，旋压工件使用范围越来越广泛，某些高质量的重点旋压产品几乎供不应求[7]。在军工行业，旋压产品呈现多态的发展趋势，包括筒体、壳体、药形罩、尾管、中心管等零件都是采用旋压加工成形。因进行旋压加工时只需要一个芯模即可，而且都是在数控旋压机上进行，成形和切削可以在同一台机器上完成，操作更简单。旋压属于局部连续性的加工，瞬间的变形区小，总的变形力小；一些形状复杂的零部件或高难度易变形的材料，传统工艺很难甚至无法加工，但是用旋压的办法就可以加工出来。

2 大长径比薄壁零件传统加工方法分析

2.1 零件结构分析

江南工业集团有限公司某中心管的结构如图1所示，其加工内容并不复杂，是一个典型的大长径比薄壁零件，选用符合GB/T 8162—2008[8]规定的无缝钢管，毛坯尺寸为φ83 mm×6 mm，具有长径比、径厚比大(长径比达10.8，径厚比达41)，是典型的超长薄壁类零件，加工中容易出现弯曲、变形、壁厚不均匀，因此，应对该零件加工方法进行研究，以解决零件加工时的变形和振动。

图1 大长径比薄壁零件结构示意图

该零件主要技术要求如下。

1)材料牌号为符合GB/T 699—1999[9]的20、25、35优质碳素结构钢。

2)零件长度为887 mm±0.45 mm。

6)止口壁厚2 mm。

2.2 零件工艺分析

1)中心管材料为符合GB/T 8162—2008的无缝钢管，属于中碳钢，强度、硬度较高，具有较好的韧性、焊接性，切削性能良好。

2)中心管的长径比较大，壁厚较薄，因此刚性较差，装夹时容易变形，不易保证加工精度。

3)中心管高速旋转时，在离心力的作用下，易弯曲变形。

4)工件为较长管状零件，加工时一般内孔采由胀簧胀紧，车削外圆时，容易造成零件壁厚不均匀。

2.3 传统机械加工方法

对于中心管这类大长径比薄壁零件，一般采用传统的机械加工方法，其工艺流程如图2所示。

图2 工艺流程

对于较长的薄壁件采用传统机械加工方法加工外圆时，是采用内孔由胀簧胀紧，但是由于中心管是大长径比薄壁零件，由于其长度太长，壁厚较薄，因此，加工其外圆时不能采用胀簧胀紧内孔的方法加工，容易造成零件壁厚不均匀。

3 大长径比薄壁零件旋压加工方法

3.1 零件旋压工艺分析

由于该零件细长、壁薄、刚性差，受力、受热易变形，易产生振动，所以在加工中应防止或减小变形和振动[10]。在零件试制阶段，由于量少，在加工之前会从原材料中挑出壁厚一致性较好的钢管来加工，因此没有问题暴露出来。大批量生产后发现，中心管在进行水压试验时发生了弯曲现象。为了查找原因，笔者将该零件剖开，发现中心管两边壁厚严重不均，其中最薄处仅为0.4 mm，在进行水压试验时，就会因为最薄处强度不够而发生弯曲。由此可见，该零件的加工难点是如何使中心管加工完成后壁厚均匀，不产生弯曲，而导致壁厚不均的直接原因与原材料壁厚不均及加工方法有关。

3.2 旋压工艺方案设计

针对大长径比薄壁零件使用传统机械加工方法易发生弯曲的情况，开展了大长径比薄壁零件加工实例研究工作。分析发现，原材料自身不直的管材就会导致材料的壁厚不一致，在车外圆时，就会造成零件壁厚单边严重。因此，笔者提出了改进加工方法——采用旋压加工，因为旋压加工对于又长又薄的零件有着无与伦比的优势，旋压加工时由于有芯棒的支承，毛坯能贴着芯棒均匀地流动来体积成形，能保证壁厚的一致性。

经过反复研究讨论，初步确定了如下2种旋压方案。

1)反旋工艺：反旋一般适用于不带底的产品如燃烧室等，反旋时加工进给方向和金属流动方向相反，反旋两道保证产品外径，该方法中材料处于压应力状态，有利于成形，但是金属堆积严重，从而造成两端的外径扩口比较严重，旋压完成后需增加一道收口工序才能保证车内止口。

2)正旋工艺：正旋一般适用于带底的产品，如战斗部壳体等，正旋时加工进给方向和金属流动方向相同，正旋中材料处于拉应力状态，较反旋难成形些，但是该方法外圆扩口较小，容易保证产品的精度。

接下来对零件特点进行了分析，该中心管零件为本身不带底零件，但由于其为战斗部装药的重要零件，在车外圆、镗孔后应焊上中心管底。因此，为了保证零件精度，采用正旋工艺，并对工艺进行优化后制定工艺方案如下：下料→毛坯加工→焊中心管底→钻排气孔→旋压→焊排气孔→平总长→车外止口→气密水压检验。

首先将中心管毛坯车内止口，然后焊上中心管底，旋压加工完成之后再焊中心管前端，旋压毛坯如图3所示。

图3 旋压毛坯图

3.3 加工难点

在旋压加工中，有如下2个难点问题。

1)旋压加工的芯棒问题：由于以前生产的零件口径都在200 mm以上，芯棒刚度好，但对于小口径的零件旋压加工从未涉及，且小口径零件旋压的芯棒其刚度也要差些，因此只能借鉴其他长零件旋压加工的成功经验进行旋压加工。

2)正旋工艺的排气问题：需要考虑到零件的排气，否则零件装不进芯棒，若要排气只能在芯棒上开孔，而在1 m多长的芯棒钻孔也是难点。由于在加工芯棒时排气孔加工难度大，未能及时钻通。因此，为了解决这一难题，笔者采用一个新的加工方法：在产品上开排气孔，等旋压加工完成之后，再将排气孔焊好，采用该方法有效地解决了这一难题。通过使用优化后制定的工艺方案进行加工，该中心管零件加工完成后的尺寸、精度均符合图样要求。

通过对大长径比薄壁中心管零件进行旋压加工后，和原传统加工方法相比，原材料长度可由原来的890 mm缩短到375 mm，节省材料57.9%，材料利用率由以前的32%提高到76%；同时以正旋代替反旋，解决了旋压后产品的扩口问题和产品壁厚不均匀的问题，有效减少了零件的废品率。

4 结语

本文通过对大长径比薄壁零件的旋压加工验证，对比正旋与反旋2种旋压方式的优缺点,采用正旋加工工艺可有效规避反旋带来的扩口问题，零件加工质量能够满足技术指标要求，较原传统加工方法，可有效节省材料，缩短加工时间，提高零件质量。为了充分发挥旋压技术的优势，对于大长径比薄壁零件的旋压加工可采用本文所列方案进行相关工艺方案设计，实现薄壁长筒体零件的加工，可有效解决加工中出现的弯曲变形问题。