文/夏琴香，肖剛鋒·華南理工大學(xué)

程秀全·廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院

金屬旋壓成形中的創(chuàng)新與創(chuàng)造

文/夏琴香，肖剛鋒·華南理工大學(xué)

程秀全·廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院

夏琴香，教授，主要從事精密成形與模具計(jì)算機(jī)技術(shù)研究，曾負(fù)責(zé)和參與多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省工業(yè)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目。

本文對(duì)通過改變旋輪及坯料的運(yùn)動(dòng)方式而產(chǎn)生的三維非軸對(duì)稱件及非圓截面件旋壓成形技術(shù)、通過改變旋輪或芯模形狀而產(chǎn)生的齒輪件旋壓成形技術(shù)、通過將旋壓成形工藝與熱處理工藝進(jìn)行有機(jī)結(jié)合用于制備具有納米/超細(xì)晶結(jié)構(gòu)筒形件的旋壓成形技術(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)闡述，介紹了上述旋壓技術(shù)的成形方法、成形工藝及研究現(xiàn)狀，并對(duì)旋壓技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

創(chuàng)新是以新思維、新發(fā)明為特征的一種概念化過程，是推動(dòng)科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的不竭動(dòng)力。隨著工業(yè)生產(chǎn)向著精密化、綠色化及可持續(xù)化的方向發(fā)展，高精度、高性能、低成本、低能耗已成為未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。通過技術(shù)創(chuàng)新，突破傳統(tǒng)制造技術(shù)的局限，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的精密化、綠色化及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

旋壓是借助于旋輪的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，加壓于隨芯模沿同一軸線旋轉(zhuǎn)的金屬毛坯，使其產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形而成為所需空心零件的一種近凈精密塑性成形方法。金屬旋壓成形是一門古老的技術(shù)，起源于我國(guó)古代的制陶工藝；傳統(tǒng)的金屬旋壓工藝主要用于成形薄壁回轉(zhuǎn)體空心零件。

近年來，隨著旋壓理論的不斷完善和旋壓技術(shù)的不斷創(chuàng)新，旋壓成形技術(shù)已取得了較快的發(fā)展，比如三維非軸對(duì)稱零件、非圓截面空心零件及齒輪零件旋壓技術(shù)的出現(xiàn)，突破了旋壓技術(shù)傳統(tǒng)意義上只能生產(chǎn)軸對(duì)稱、圓形截面、等壁厚產(chǎn)品的限制；此外，還提出將強(qiáng)力旋壓技術(shù)用于制備具有納米/超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的筒形件。

三維非軸對(duì)稱件旋壓成形技術(shù)

三維非軸對(duì)稱零件可分為偏心和傾斜兩大類。當(dāng)零件的各部分軸線間相互平行時(shí)稱為偏心類零件；當(dāng)零件的各部分軸線成一定夾角時(shí)稱為傾斜類零件 。汽車排氣歧管是典型的三維非軸對(duì)稱類零件（圖1），其右端成形機(jī)理屬于傾斜類、左端成形機(jī)理屬于偏心類。

圖1 汽車排氣歧管零件圖

由于傳統(tǒng)的旋壓成形技術(shù)在加工零件時(shí)是將毛坯固定在機(jī)床主軸上與主軸一起旋轉(zhuǎn)的，因此只能加工空心軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體零件。經(jīng)本文作者及同事的多次試驗(yàn)研究，提出了使毛坯避開回轉(zhuǎn)狀態(tài)而由旋輪繞毛坯公轉(zhuǎn)的三維非軸對(duì)稱零件旋壓成形新工藝、新方法。其成形機(jī)理為：在成形零件的偏心部分時(shí)，不同道次旋壓成形時(shí)的工件軸線保持平行；每道次成形前先將工件沿旋輪公轉(zhuǎn)軸線的垂直方向在水平面內(nèi)進(jìn)行平移（圖2運(yùn)動(dòng)5），然后在成形時(shí)將工件沿著旋輪公轉(zhuǎn)的軸線方向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（圖2運(yùn)動(dòng)3）；直至各道次成形后的軸線偏移總量達(dá)到所需要的數(shù)值δ時(shí)為止（圖3a）。

在成形零件的傾斜部分時(shí)，每道次成形前先將工件軸線相對(duì)于旋輪公轉(zhuǎn)軸線在水平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)一定角度（圖2運(yùn)動(dòng)4），然后使裝卡在機(jī)床工作臺(tái)上的坯料沿著旋輪公轉(zhuǎn)的軸線方向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（圖2運(yùn)動(dòng)3）；這樣每道次旋壓后，坯料已變形部分相對(duì)于未變形部分便傾斜了一定的角度。經(jīng)過多道次旋壓成形，便可獲得所要求的總的傾斜角度α（圖3b）。

依據(jù)上述偏心及傾斜類零件旋壓成形方法，實(shí)現(xiàn)了汽車排氣歧管類三維非對(duì)稱零件的完整制造。

圖2 非軸對(duì)稱零件旋壓成形原理

圖3 非軸對(duì)稱零件旋壓成形過程

非圓截面件旋壓成形技術(shù)

在工業(yè)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)把構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一些特殊的形狀，使得構(gòu)件截面形狀呈現(xiàn)為非圓形（零件外輪廓至截面幾何中心的距離是變化的）。由于傳統(tǒng)的旋壓成形技術(shù)在加工零件任一截面時(shí)，旋輪與芯模回轉(zhuǎn)中心的距離保持不變，因此只能加工圓形截面零件。本文作者等提出基于靠模驅(qū)動(dòng)旋輪徑向高頻進(jìn)給的非圓截面旋壓成形新工藝、新方法，實(shí)現(xiàn)了非圓截面零件的旋壓成形。

如圖4所示是基于靠模驅(qū)動(dòng)的旋壓成形裝置。在基于靠模驅(qū)動(dòng)的非圓截面零件旋壓成形中，變形金屬通過尾頂2夾緊在芯模1上；芯模1與靠模7通過齒輪副9傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)相同角速度旋轉(zhuǎn)；安裝在橫向工作臺(tái)5上的旋輪座在靠模7的驅(qū)動(dòng)下做高速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)旋輪4的往復(fù)進(jìn)給；縱向工作臺(tái)3在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿機(jī)床的縱向進(jìn)給。

圖4 基于靠模驅(qū)動(dòng)的旋壓成形裝置

在非圓截面零件旋壓成形過程中，工件隨芯模（主軸）旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，為了保證旋輪與芯模之間的間隙不變，旋輪必須隨零件邊緣輪廓到芯模中心距離的增加而高速?gòu)较蚝笸?；反之，則須高速?gòu)较蚯斑M(jìn)；有別于傳統(tǒng)旋壓的準(zhǔn)靜態(tài)變形，屬于在動(dòng)載荷下的變形。圖5所示為依據(jù)上述非圓截面零件旋壓成形技術(shù)旋制出的各種形狀的非圓截面空心零件。

齒形件旋壓成形技術(shù)

齒形零件是指沿軸向或周向壁厚成周期性增厚和減薄的零件，可分為橫齒類零件（如帶輪）和縱齒類零件（如內(nèi)齒輪）。對(duì)于此類零件，本文作者等提出采用與零件外輪廓相對(duì)應(yīng)的齒形旋輪或與零件內(nèi)輪廓相對(duì)應(yīng)的齒形芯模，實(shí)現(xiàn)了齒形零件的旋壓成形。

帶輪是典型的橫齒類零件，以六楔帶輪為例，首先采用拉深工藝獲得如圖6a所示預(yù)制坯，然后以拉深預(yù)制坯為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出五工步旋壓成形工藝。具體工藝如下：預(yù)成形工步（預(yù)成形旋輪2與上模1聯(lián)動(dòng)進(jìn)給，使筒壁成微“鼓”形，如圖6b所示）；腰鼓成形工步（上模1單獨(dú)下壓，預(yù)成形件與下模3貼合，成形所需鼓形件，如圖6c所示）；增厚成形工步（增厚旋輪2進(jìn)給，將腰鼓壓平，實(shí)現(xiàn)壁部增厚，保證旋齒所需厚度，如圖6c所示）；預(yù)成齒工步（預(yù)成齒旋輪2進(jìn)給，成形初步齒形，如圖6d所示）；整形工步（整形旋輪2進(jìn)給，精整壁部齒形，如圖6e所示）。

成形縱齒類零件時(shí)，將具有外齒廓的芯模安裝在機(jī)床主軸上，杯形預(yù)制坯同心地夾緊在芯模和尾頂塊之間，并隨主軸一起旋轉(zhuǎn)；變形金屬在120°范圍內(nèi)均勻分布的三個(gè)旋輪作用下，其內(nèi)壁材料因受芯模外齒廓的約束產(chǎn)生徑向塑性流動(dòng)而形成齒形，如圖7所示。

圖8所示為依據(jù)上述縱齒零件旋壓成形技術(shù)旋制出的各種形狀齒輪件，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)齒輪零件無切削精密旋壓成形 。

圖7 內(nèi)齒輪零件旋壓成形原理

圖8 內(nèi)齒輪旋壓件

納米/超細(xì)晶筒形件旋壓成形技術(shù)

納米材料是指晶粒尺寸在納米量級(jí)（1～100 nm）的固體材料，而超細(xì)晶材料是指晶粒大小為100～1000nm的固體材料。目前采用劇烈塑性變形來制備納米材料的方法較多，主要有：等通道轉(zhuǎn)角擠壓、累積疊軋、多向鍛造、高壓扭轉(zhuǎn)等。

強(qiáng)力旋壓屬于劇烈塑性變形的方法之一，它在不改變材料結(jié)構(gòu)與成分的前提下，通過對(duì)金屬材料施加很大的剪切應(yīng)力而產(chǎn)生高密度的錯(cuò)位，進(jìn)而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。

圖9 錯(cuò)距旋壓

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筒形件強(qiáng)力旋壓有錯(cuò)距旋壓、對(duì)輪旋壓等多種方法。錯(cuò)距旋壓是多個(gè)旋輪在軸向相互錯(cuò)開而在徑向又依次使坯料減薄的一種旋壓方式，采用錯(cuò)距旋壓可以在一道工序中完成需要幾道工序完成的工作，使生產(chǎn)率顯著提高，如圖9所示。對(duì)輪旋壓是用內(nèi)旋輪代替芯模，采用一對(duì)或多對(duì)內(nèi)外旋輪同時(shí)對(duì)工件內(nèi)外表面施加成形力，使工件內(nèi)外表面同時(shí)產(chǎn)生塑性變形。采用對(duì)輪旋壓可以消除有芯模旋壓中內(nèi)外表面變形不均而導(dǎo)致的晶粒細(xì)化程度差異較大的缺陷，對(duì)于獲得均勻的納米/超細(xì)晶較為有利，如圖10所示。本文分別采用兩種不同強(qiáng)力旋壓方法來制備具有納米/超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的筒形件。由于強(qiáng)力旋壓過程中，晶粒變形具有方向性，為獲得等軸的納米/超細(xì)晶，作者等提出將強(qiáng)力旋壓工藝與再結(jié)晶退火相結(jié)合的方法來制備具有納米/超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的筒形件。

圖10 對(duì)輪旋壓

圖11 20鋼微觀組織

作者等以20鋼為毛坯，采用“多道次強(qiáng)旋→再結(jié)晶退火→強(qiáng)旋→再結(jié)晶退火”的工藝方法，按照變形過程中材料體積不變?cè)砗凸ぜa(chǎn)生85%～90%的總厚度減薄率的要求，首先通過強(qiáng)力旋壓使其壁厚減薄率達(dá)到60%～70%；再將工件放入惰性氣體保護(hù)爐中進(jìn)行再結(jié)晶退火；然后再進(jìn)行強(qiáng)力旋壓，使其壁厚總減薄率達(dá)到85%～90%并進(jìn)行再結(jié)晶退火，制備出無內(nèi)應(yīng)力且晶粒尺寸小于0.5μm的具有等軸晶組織的筒形件。金相組織分析結(jié)果表明，20鋼原始筒形件組織晶粒大小為50μm（圖11a），經(jīng)多道次錯(cuò)距旋壓劇烈塑性變形后，晶體中鐵素體和珠光體沿軸向逐漸被拉長(zhǎng)，形成纖維狀組織；經(jīng)再結(jié)晶退火后，獲得晶粒尺寸為0.5μm的等軸晶組織（圖11b），從而實(shí)現(xiàn)了零件整體的納米/超細(xì)晶化。

結(jié)束語

近年來，技術(shù)創(chuàng)新已成為社會(huì)發(fā)展、科技進(jìn)步的重要?jiǎng)恿?。旋壓成形理論的完善和旋壓技術(shù)的創(chuàng)新拓寬了旋壓技術(shù)的應(yīng)用范圍，順應(yīng)了制造業(yè)的發(fā)展要求和趨勢(shì)。目前，旋壓技術(shù)的創(chuàng)新主要包括以下兩個(gè)方面：

⑴旋壓成形方法的自我創(chuàng)新。通過改變旋輪及坯料的運(yùn)動(dòng)方式、旋輪或芯模的形態(tài)，使其打破傳統(tǒng)旋壓技術(shù)僅用于生產(chǎn)回轉(zhuǎn)軸對(duì)稱薄壁空心零件的局限，可用于生產(chǎn)三維非軸對(duì)稱、非圓截面、齒形等復(fù)雜形狀零件，拓寬了旋壓技術(shù)可成形零件范圍。

⑵旋壓成形方法與其他工藝方法的結(jié)合創(chuàng)新。為獲得具有特定微觀組織結(jié)構(gòu)的零件，以滿足特定的服役環(huán)境，可采用旋壓成形技術(shù)與再結(jié)晶退火熱處理相結(jié)合的方法，獲得具有整體納米/超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的零件。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，旋壓成形技術(shù)將朝著高精度、高性能、低成本、低能耗的方向發(fā)展，旋壓技術(shù)的應(yīng)用范疇將不斷拓展。通過采用熱旋壓成形技術(shù)及將旋壓技術(shù)與熱處理工藝的有效結(jié)合，旋壓技術(shù)可有效地用于一些高溫合金等難變形金屬及軟磁合金等功能材料的成形；產(chǎn)品的宏觀成形質(zhì)量和微觀組織性能已成為加工制造中必須同時(shí)兼顧的目標(biāo)，因此，未來旋壓技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展還須在保證產(chǎn)品宏觀成形質(zhì)量的同時(shí)，關(guān)注獲得特定的微觀組織形態(tài)以滿足零件特殊的服役環(huán)境要求，實(shí)現(xiàn)旋壓成形過程的形/性一體化控制。