王 琛，李維壯，許鐿巍，田 旺，趙春江，梁建國，張國慶

（1.太原科技大學機械工程學院，山西 太原 030024；2.山西電子科技學院，山西 臨汾 041082；3.太原理工大學，山西 太原 030024；4.太原磬泓機電設備有限公司，山西 太原 030027）

超薄壁管（徑厚比D/S≥100）主要應用于航天器、大型電子元器件、核反應堆、家電和辦公用品、彈性元件波紋管、散熱管以及新興的復合材料等[1-3］。當前，超薄壁管尤其是極限尺寸規(guī)格超薄壁無縫管的需求不斷增大，外徑尺寸跨度為3～1 000 mm，極限壁厚可達0.015～0.030 mm；同時為了發(fā)揮薄壁管的體積質量優(yōu)勢和熱力學優(yōu)勢，對徑厚比的要求不斷提高[4］。

旋壓綜合了鍛造、擠壓和滾壓等工藝的優(yōu)點，材料利用率高、功耗低，產品組織均勻細化、表面光潔度高，而滾珠旋壓技術是其中一個分支，其主要應用于小批量管件的高精度制備[5］。

近年來，針對超薄壁金屬材料的成形研究，肖宏等[6-7］在Fleck理論、Stone公式的基礎上，借助有限元分析等手段，推導出極薄帶最小可軋制厚度公式，并通過對鋁、304不銹鋼、銅等3種材料最小可軋制厚度的軋制試驗，最終認為最小可軋厚度與軋制力、軋輥直徑、材料彈性模量、軋件屈服強度、平均張力和摩擦因數(shù)相關。劉相華等[8-11］分析了板帶厚度尺寸與晶粒尺寸對銅箔軋制變形行為的影響，采用晶體塑性有限元法研究了Cu極薄帶滑移與變形行為。Song[12］采用多級冷軋的方法實現(xiàn)了制備0.1 mm硅鋼片的工藝，分析軋制后熱處理對超薄板晶粒細化、均勻化的影響。

筆者團隊使用滾珠旋壓加工技術加工出壁厚0.1 mm、0.05 mm的超薄壁管，檢測其表面的成形質量（粗糙度）情況，通過分析不同減薄量下管件的顯微織構取向分布函數(shù)（Orientation Distribution Function，ODF）的變化情況，得到旋壓過程中織構的變化情況，為下一步的壁厚減薄提供理論基礎。

1 試驗方案

滾珠旋壓成形基本原理如圖1所示。加工時，模環(huán)保持主動旋轉，管件與套在內部的芯棒同時進給；通過模環(huán)內周向布置的滾珠自轉及滾珠繞管件的周向旋轉實現(xiàn)管件的減薄。滾珠數(shù)量及大小、進給速度、圓錐模環(huán)旋轉速度等工藝參數(shù)借助文獻[5］中關于工藝參數(shù)的公式進行計算，并以加工質量為優(yōu)化目標進行多參數(shù)優(yōu)化。

圖1 滾珠旋壓成形基本原理示意

加工前，首先將鎳銅合金NCu40-2-1管件（Φ10.8 mm×0.5 mm）在氫氣氣氛中進行950℃退火并保溫0.5 h，然后在立式滾珠旋壓機中以進給比0.1 mm/r，圓錐模環(huán)轉速900 r/min，滾珠直徑為3 mm的工藝參數(shù)進行加工，最終加工出壁厚為0.1 mm（減薄量80%）和0.05 mm（減薄量90%）的超薄壁管。

采用JB-4C型精密粗糙度測試儀檢測薄壁管的粗糙度。由于管件應變量較大、壁厚極薄，使用常規(guī)電化學拋光已經難以實現(xiàn)EBSD（電子背散射衍射技術Electron Back Scattering Diffraction）試樣表面處理應達到的效果，因此在機械磨拋后用IB-19520CP氬離子截面拋光儀進行拋光。拋光時，先用6 kV離子束拋光2 h，然后用4 kV離子束精修30 min。采用Nordly max3掃描電子顯微分析儀以0.05～0.20μm的步長束掃描，進行EBSD檢測得到ODF圖。

2 結果與討論

2.1 管件成形質量檢測

鎳銅合金管件表面粗糙度與成形表面觀測結果如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著減薄量的逐步增加，旋壓后的超薄壁管件的粗糙度總體呈上升趨勢，但增幅較小，表面粗糙度Ra在0.2～0.3μm并保持穩(wěn)定。利用超景深顯微鏡的3D建模功能觀察表面，可以看到隨著壁厚減薄率逐步增高，管件表面逐步產生明顯波紋，但表面細小劃痕明顯減少。

圖2 鎳銅合金管件粗糙度與成形表面觀測結果

強力旋壓大徑厚比的超薄壁管件時，芯棒表面質量較差或轉速偏高，使管件內壁與芯棒間隙誤差過大，進而使加工后的管件表面產生螺旋波紋[1］。滾珠旋壓過程中，系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性、滾珠與芯棒的表面粗糙度等都將對成形管件的表面粗糙度產生較大影響[13］。除此之外，類比極薄帶軋制工藝，當待加工管件的壁厚到達極限，滾珠必然受到管材、芯棒的較大反作用力，根據(jù)赫茲接觸理論[14］，滾珠會發(fā)生變形，因此滾珠材質也是影響最終管件粗糙度的因素之一。

2.2 不同減薄率下ODF函數(shù)分析

EBSD檢測面為管件壁厚面，并規(guī)定管件的厚度方向為ND方向（法向），管件長度方向為RD方向（軋向），與RD-ND面垂直的為TD方向（橫向），具體如圖3所示。

圖3 管件的EBSD檢測面

不同減薄率下管件的晶粒取向分布情況如圖4～6所示，分別描述在以旋轉角差值Δφ2=5°為變化間距的歐拉空間截面。其中，方位角φ1為平行紙面向右方向，角度范圍為0～90°；極角Φ為平行紙面向下，角度為0～90°。根據(jù)Φ、φ1、φ2這3個歐拉角可確定某一類型織構。

圖4 原始管坯中晶粒取向分布情況

由圖4可知，原始管件中的織構分布較均衡，以輕微的110//RD及Cubic織構為主；但其強度較低，極密度值為2.64，說明原始管件不存在高強度織構，前期熱處理達到預定訴求，此時管件的塑性較好、硬度較低。

壁厚減薄率增加至80%時，管件織構強度發(fā)生了較大變化（圖5），內部開始出現(xiàn)極密度值為10.7的110//RD織構，并伴隨較低強度的Cubic織構、Brass織構。在旋轉角φ2為30°、45°、60°中都出現(xiàn)了面心立方晶格金屬中典型的扭轉（純剪切）織構——{111}110[15］，在超高速率剪切變形制備鎳超穩(wěn)定納米層狀結構時也同樣出現(xiàn)[16］。這種織構的形成和滾珠旋壓變形時的滾珠繞管件的周向旋轉與其螺旋式的運行軌跡有關。

圖5 壁厚0.1 mm（減薄率80%）時管件內部晶粒取向分布情況

減薄率為90%時，管件內部織構分布發(fā)生了較大變化（圖6），強度最高的織構仍為110//RD，極密度值下降為7.12，并重新出現(xiàn)了其他織構。織構強度的下降意味著內部織構正向著分散化、均勻化方向發(fā)展。經過冷變形加工后，形變組織內產生大量的位錯結構，同時也造成了形變儲能在金屬基體內累積，給后續(xù)進一步的減薄帶來一定困難。

圖6 壁厚0.05 mm（減薄率90%）時管件內部晶粒取向分布情況

管坯經滾珠旋壓后，其微觀結構以110//RD取向為主，這與主要沿軸向方向的金屬流動有關。滾珠旋壓時晶粒沿著軸向方向被拉長，從而對晶界的取向產生了重要影響；此外，織構梯度的尖銳程度也反映了應變在厚度方向上的分布情況[17］。管件內部的110//RD織構極密度值的下降意味著內部應變在厚度方向的分布逐步均勻化[18］。

3 結 論

（1）鎳銅合金管件經滾珠旋壓加工后，表面粗糙度穩(wěn)定在0.2～0.3μm，管材外表面粗糙度隨著減薄量的提高略有上升，這與滾珠硬度、加工模具整體穩(wěn)定性有關。

（2）滾珠旋壓加工的NCu40-2-1鎳銅合金超薄壁管的壁厚減薄量增加至80%時，微觀結構中以110//RD取向為主，織構強度達到最高；進一步增大減薄率后，織構強度有所降低，內部應變在厚度方向的分布逐步均勻化。