2A12铝合金筒体旋压工艺

2021-12-22孟祥志吴新勇王秋菊宋丽君闫作铭

金属加工(冷加工) 2021年12期

孟祥志，吴新勇，王秋菊，宋丽君，闫作铭

北方华安工业集团有限公司黑龙江齐齐哈尔 161006

1 序言

随着新产品的不断更新，各种零件的尺寸精度要求也越来越严格。为加工出满足客户要求的产品，对产品的加工方法也不断革新。旋压是用于成形薄壁空心回转体零件的一种金属压力加工方法。结合现有三种尺寸零件进行旋压工艺方案的设计、实施，并对研究结果做出分析及总结。

2 强力冷旋压工装结构

我单位在旋压加工2A12铝合金筒体零件时，选用图1所示的强力冷旋压工装，取得了较好的应用效果。

图1 强力冷旋压工装

3 340mm长零件的旋压工艺方案设计及实施

3.1 零件尺寸

图2所示340mm长零件为带有两个台阶的筒形零件，由于其底部螺纹内径小，因此必须采用正旋压方式。其口部外径为137.50-0.63mm，最薄部位外径为133.50-0.63mm，内径为127.5+0.630mm。

图2 340mm长零件

3.2 设备及模具

340mm长零件旋压加工设备及模具尺寸和技术参数如下。

1）心轴外径127.52mm，硬度60HRC。模具径向圆跳动：头部0.15mm，根部0.03mm。

2）旋轮：φ280mm，前R8mm×20°/中R8mm×20°/后R6mm×20°×3°挤光。径向圆跳动：前轮（远）0.05mm，中轮（上）0.03mm，后轮（近）0.03mm，硬度60HRC。

3）旋轮错距4.12mm/3.52mm。

4）尾顶压6MPa。

5）机床零点。A：836.128mm，X（前轮/远）：－20.954mm，Z（中轮/上）：－16.54mm，Y（后轮/近）：－21.67mm。

6）主轴旋转方向：面向主轴，逆时针。

3.3 毛坯

340mm长零件毛坯如图3所示。热处理状态：H112状态退火，随炉升温至380℃，保温45min，炉冷至260℃，空冷。毛坯尺寸：内径127.75+0.030mm×厚8.1+0.10mm×长188mm。硬度：端面378～381HL，筒体325～334HL。

图3 340mm长零件毛坯

3.4 三道次正旋压（方案一）

三道次正旋压工艺流程为：控制每道次旋压工件壁厚8.2mm→6.12mm→4.65mm→退火（随炉升温至330℃，保温1h，炉冷至260℃，空冷）→3.3mm（单边留0.6mm机械加工余量）。340mm长零件三道次正旋压工艺参数见表1；第一道次及第二道次程序如图4所示，第三道次程序如图5所示；旋压后毛坯与零件对比如图6所示。

图6 旋压后毛坯与零件对比

表1 340mm长零件三道次正旋压工艺参数

图4 方案一340mm长零件第一道次及第二道次程序

图5 方案一340mm长零件第三道次程序

第二道次旋压后外径137.20mm，口部外径达到图样要求；然后进行第三道次旋压，由于外径两个台阶处过渡长度仅5mm，不符合旋压规律，因此旋压后外径留余量，可机械加工成形。

采用三道次成形时，内径过渡处不平缓，达不到零件加工要求，因此设计两道次成形。

3.5 两道次正旋压（方案二）

340mm长零件两道次正旋压工艺流程为：控制每道次旋压工件壁厚8.2mm→5.8mm→3.3mm（单边留0.6mm机械加工余量）。340mm长零件两道次正旋压工艺参数见表2；第一道次程序如图7所示，第二道次程序如图8所示；两道次旋压方案成形零件如图9所示。

表2 340mm长零件两道次正旋压工艺参数

图7 方案二340mm长零件第一道次程序

图8 方案二340mm长零件第二道次程序

图9 两道次旋压方案成形零件

成形后单边留0.5mm机械加工余量，口部在第二道次也进行旋压，解决了过渡不平缓的问题，达到了技术要求。

4 770mm长零件的旋压工艺方案设计及实施

4.1 零件尺寸

图10所示770mm长零件为带有两个台阶的筒形零件，由于底部螺纹内径小，因此必须采用正旋压。口部外径为137.50-0.5mm，中间台阶部位外径为140-0.4-0.6mm，最薄部位外径为133.50-0.4mm，内径为127.5+0.630mm。

图10 770mm长零件

4.2 设备及模具

770mm长零件旋压加工设备及模具尺寸和技术参数如下。

1）心轴外径127.52mm，硬度60HRC。模具径向圆跳动：头部0.15mm，根部0.03mm。

2）旋轮：φ280mm，前R8mm×20°/中R8mm×20°/后R6mm×20°×3°挤光。径向圆跳动：前轮（远）0.05mm，中轮（上）0.03mm，后轮（近）0.03mm，硬度60HRC。

3）旋轮错距4.12mm/3.52mm。

4）尾顶压6MPa。

5）机床零点。A：836.128mm，X（前轮/远）：－20.954mm，Z（中轮/上）：－16.54mm，Y（后轮/近）：－21.67mm。

6）主轴旋转方向：面向主轴，逆时针。

4.3 毛坯

770mm长零件毛坯如图11所示。热处理状态：H112状态退火，随炉升温至380℃，保温45min，炉冷至260℃，空冷。毛坯尺寸：内径127.75+0.030mm×厚8.1+0.10mm×长417mm。硬度：端面378～381HL，筒体325～334HL。

图11 770mm长零件毛坯

4.4 两道次正旋压

770mm长零件两道次正旋压工艺流程为：控制每道次旋压工件壁厚8.1mm→6.6mm（外径141mm，车削至139.5mm）→3.7mm（外径135mm，车削至133.3mm）。770mm长零件两道次正旋压工艺参数见表3；第一道次程序如图12所示，第二道次程序如图13所示；旋压后产品如图14所示。

表3 770mm长零件两道次正旋压工艺参数

图12 770mm长零件第一道次程序

图13 770mm长零件第二道次程序

图14 旋压后产品

5 608mm长零件的旋压工艺方案设计及实施

5.1 零件尺寸

图15 所示608mm长零件为带有3个台阶的筒形零件，由于内径为等径，因此可采用反旋压工艺，4处外径分别为

图15 608mm长零件

5.2 设备及模具

608mm长零件旋压加工设备及模具尺寸和技术参数如下。

1）心轴外径122.18mm，硬度60HRC。模具径向圆跳动：头部0.10mm，根部0.02mm。

2）旋轮：φ280mm，前R8mm×20°/中R8mm×20°/后R6mm×20°×3°挤光。径向圆跳动：前轮（远）0.05mm，中轮（上）0.03mm，后轮（近）0.03mm，硬度60HRC。

3）旋轮错距5.5mm/5.0mm。

4）尾顶压6MPa。

5）机床零点。A：－388.8mm，X（前轮/远）：－23.624mm，Z（中轮/上）：－19.21mm，Y（后轮/近）：－24.34mm。

6）主轴旋转方向：面向主轴，逆时针。

5.3 毛坯

608mm长零件毛坯如图16所示。热处理状态：H112状态退火，随炉升温至380℃，保温1h，炉冷至260℃，空冷。毛坯尺寸：内径122.2+0.10mm×厚10.2+0.10mm×长410mm。硬度：端面378～381HL，筒体325～334HL。

图16 608mm长零件毛坯

5.4 两道次反旋压

608mm长零件两道次反旋压工艺流程为：控制每道次旋压工件壁厚10.2mm→9.08mm→5.48mm（单边留1.68mm机械加工余量）。608mm长零件两道次反旋压工艺参数见表4，旋压程序如图17所示，旋压后的铝筒件如图18所示。

表4 608mm长零件两道次反旋压工艺参数

图17 旋压程序

图18 旋压后的铝筒件

6 结果分析

通过对三种不同尺寸的铝筒件的旋压过程及结果进行分析，总结出几种因素对铝筒件硬度、内径精度及内径的影响如下。

6.1 旋压过程对铝筒件硬度的影响

旋压前毛坯一般采用软态进行成形。这是因为软态时塑性较好，利于旋压塑性变形。软态一般指O态，也可采用H112状态进行退火处理。本研究即采用H112状态毛坯进行退火处理。

旋压后毛坯表面硬化，如果继续旋压变形，容易出现裂纹等缺陷，因此需要进行旋压道次间退火，恢复材料塑性，以便下一步旋压变形。旋压后中间退火如图19所示，毛坯旋压前后对比如图20所示。

图19 旋压后中间退火

图20 毛坯旋压前后对比

H112状态毛坯的硬度为325～334HL；380℃退火后硬度为313～320HL，硬度下降，但下降程度不大；旋压后工件壁厚由8.1mm减薄至4.65mm，工件表面硬化，硬度增大到347～360HL；然后进行330℃退火，硬度减小到293～300HL，下降幅度较大，比H112状态毛坯退火后的硬度还低，为下一步变形提供了基础。

6.2 减薄率对内径精度的影响

表5为不同减薄率对内径的影响，在进给比不变的情况下，随着减薄率由18.5%增大到24.4%、28.4%，内径由128.00mm减小到127.80mm、1 2 7.7 5 mm，即随着减薄率增大，内径逐渐减小。旋压前毛坯内径为127.80mm，扩径量分别为0.20mm、0mm和－0.05mm，即扩径量逐渐减小，更有利于贴模。

表5 不同减薄率对内径的影响

6.3 进给比对内径精度的影响

表6为不同进给比对内径的影响，在减薄率不变的情况下，随着进给比由0.8mm/r增大到1.0mm/r、1.2mm/r，内径由127.77mm减小到127.71mm和127.60mm，即随着进给比增大，内径逐渐减小。芯模外径为127.52mm，扩径量分别为0.25mm、0.19mm和0.08mm，即进给比逐渐增大，更有利于贴模。

表6 不同进给比对内径的影响

6.4 旋压道次对内径精度的影响

表7为不同旋压道次对内径的影响，第一道次进给比为0.8mm/r，毛坯为内径127.80mm，旋压后内径为128.00mm，扩径0.20mm；第二道次进给比增大到1mm/r，旋压后内径为127.90mm，较旋压前内径减小0.10mm，呈现收径趋势。第二道次旋压后，进行中间退火（随炉升温至330℃，保温1h，炉冷至260℃，空冷），硬度降低；第三道次进给比为1mm/r，旋压后收径0.10mm，呈现收径的趋势。

表7 不同旋压道次对内径的影响

6.5 旋压轨迹对内径的影响

340mm长零件经过两道次旋压后，外径旋压至零件的口部尺寸，即φ137.50-0.63mm，旋压后为137.16～137.22mm，然后再进行第三道次成形，口部不进行变形，口部内径位置出现过渡不平缓的问题，达不到产品技术要求。对工艺进行优化，第一道次外径旋压至139.40mm，第二道次再进行变形旋压至138.3mm（单边留0.55mm机械加工余量），底部变形至134.45mm（单边留0.62mm机械加工余量）。留机械加工余量的主要原因是口部台阶高度仅5mm，旋压工艺无法实现，如果设计为10mm以上，则外径不需要留余量，直接成形至成品尺寸即可。经过工艺优化，解决了口部过渡处内径过渡不平缓的问题。

608mm长零件工艺优化前采用第一道次旋压后，外径由143.00mm减薄至140.50mm（单边留0.5mm机械加工余量），然后进行第二道次旋压，口部不进行旋压，旋压后内径出现过渡不平缓现象。工艺优化后，第一道次口部留98mm不进行旋压，第二道次外径由143.00mm直接减薄至140.50mm，这样尾顶端外径由143.00mm减薄至133.20mm（单边留1.6mm机械加工余量），同时进行变形，解决内径过渡不平缓问题。

综上所述，对于带有台阶的零件，在最终成形时各个台阶均需进行减薄变形，内径过渡更趋于平缓，内径成形质量更高。

6.6 正旋压/反旋压对内径的影响

正旋压/反旋压对内径的影响见表8。正旋压时，旋压前毛坯内径为127.80mm，进给比为1mm/r时，扩径量为0.20mm。如果进给比为0.8mm/r，则扩径量更大。反旋压时，旋压前毛坯内径为122.25mm，进给比为0.8mm/r时，扩径量为0.15mm，与正旋压相比，反旋压时扩径量较小，即更有利于贴模。正旋压产品如图21所示，反旋压产品如图22所示。