滾珠旋壓成形工藝及研究現(xiàn)狀

李巖

（海軍駐哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司軍事代表室，哈爾濱 150046）

1 引言

金屬旋壓成形技術(shù)，是指借助旋輪或桿棒等工具，在某個方向上給予工件一定的壓力，工件的受力點隨著旋輪等工具的旋轉(zhuǎn)由點到線、由線到面，從而使金屬材料產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形，并沿著特定方向流動而成形為某一形狀的技術(shù)［1］。滾珠旋壓是在普通旋壓成形技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用滾珠代替旋輪或桿棒，屬于多點局部成形，所需力學(xué)載荷小且對稱、成形時變形區(qū)小且穩(wěn)定，所得旋壓件力學(xué)性能好、尺寸精度高、材料利用率高，產(chǎn)品成本低，且設(shè)備輕便，所需工裝簡單，現(xiàn)已成為筒形件、蝶形件等薄壁回轉(zhuǎn)體零件成形的首選工藝［2-3］。

2 滾珠旋壓成形概述

2.1 滾珠旋壓成形的原理與工裝

金屬滾珠旋壓成形的原理是：利用滾珠對坯料的滾動摩擦力，使得金屬材料發(fā)生塑性變形。在滾珠的壓力作用下，金屬坯料沿著流動阻力較小的軸向和徑向同時發(fā)生變形流動［4］，在此過程中，坯料體積保持不變，進(jìn)行壁厚減薄和軸向拉長的塑性變形,逐點將坯料加工成所需的空心回轉(zhuǎn)體制件。

圖1 反向滾珠旋壓工裝示意圖

圖1 給出了一種滾珠旋壓成形的工裝，該工裝由兩部分組成，一部分是旋轉(zhuǎn)部件，另一部分是軸向運動部件。旋轉(zhuǎn)部件主要包括支承管、支承圈、圓錐模環(huán)和滾珠；軸向運動部件主要包括芯模和工件坯料。旋轉(zhuǎn)部件通過車床主軸的旋轉(zhuǎn)來帶動，芯模安裝在車床尾頂上，與工件坯料一起沿著軸向運動。調(diào)節(jié)滾珠與芯模間隙來設(shè)定減薄率，從而成形出各種壁厚和直徑的工件。

2.2 滾珠旋壓成形的工藝參數(shù)

影響滾珠旋壓成形的主要工藝參數(shù)為旋壓方式、減薄率、進(jìn)給比、滾珠工作角等。

（1）旋壓方式。旋壓方式分為反向旋壓和正向旋壓兩種。反向旋壓是指坯料的流動方向與滾珠的運動方向相反，采用這種旋壓方式時金屬容易產(chǎn)生堆積，使旋壓件表面起鱗；正向旋壓是指坯料的流動方向與滾珠的運動方向相同，若采用正旋方式，金屬向坯料尚未成形的自由端流動時受到的阻力較小，因此金屬不會產(chǎn)生堆積，縱向失穩(wěn)的可能性也較小，所得制件直徑精度優(yōu)于反向旋壓。但是正旋方式所得管材長度受芯軸限制［6］。

（2）減薄率。在滾珠旋壓成形過程中工件的變形程度用壁厚減薄率來表征。減薄率影響到旋壓力的大小、旋壓的效率以及旋壓精度的好壞。

一般情況下，隨著減薄率的增大，金屬在軸向流動的阻力增大，當(dāng)減薄率過大時，金屬軸向流動非常困難，就會沿周向堆積，產(chǎn)生隆起，進(jìn)而在零件上形成喇叭口現(xiàn)象；當(dāng)減薄率過小時，所需的旋壓力較小，變形效率低。具體采用多大的減薄率，還需要在實際生產(chǎn)中不斷摸索。

（3）進(jìn)給比。進(jìn)給比是指芯模每旋轉(zhuǎn)一周，滾珠沿工件母線的進(jìn)給量。選取合適的旋壓進(jìn)給比對提高工件質(zhì)量和生產(chǎn)效率非常有利。進(jìn)給比不能太小，否則材料會發(fā)生彈性變形，使得坯料存在夾層。進(jìn)給比的增大會提高生產(chǎn)效率，但過大的進(jìn)給比會降低工件的表面質(zhì)量［7-8］。所以在保證工件質(zhì)量的前提下，盡量取大的進(jìn)給比。

其中，t0為工件初始壁厚值，t為變形后壁厚值，t0-t 即為工件的減薄量。由上式可知，如果減薄量為一恒定值，滾珠直徑D只與工作角α 有關(guān)。

如果滾珠工作角選擇得太小，其壓入坯料的深度很小，外層坯料被旋透，而內(nèi)層坯料僅發(fā)生較小的塑性變形，甚至是沒有發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致坯料內(nèi)外層的塑性變形不均勻。如果滾珠工作角太大，其壓入毛坯和零件過渡區(qū)的深度會過深，工件壁厚將會偏離正旋率，從而形成粗糙的銼齒形表面。因此選擇合適的滾珠工作角對旋壓成形至關(guān)重要。馬文博等人［4］的研究表明,大尺寸薄璧管材滾珠旋壓成形時一般取α=16°～26°。

滾珠旋壓工藝參數(shù)的選取是結(jié)合多年的經(jīng)驗積累，進(jìn)行大量的試驗研究，從而進(jìn)行歸納總結(jié)，獲得一定的工藝參數(shù)范圍，再結(jié)合實際生產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)試，從而選取合理的工藝參數(shù)。

2.3 滾珠旋壓成形工藝的特點

（1）所需力學(xué)載荷小，變形效率高。在滾珠旋壓過程中，滾珠與坯料之間是點接觸，接觸面積較小，單位壓力較大，因而所需力學(xué)載荷較小，使得功率消耗大大降低，變形效率大幅度提高。

（2）滾珠旋壓能制造出形狀多樣、尺寸各異的產(chǎn)品,且制件力學(xué)性能高。傳統(tǒng)的薄壁回轉(zhuǎn)體零件多采用沖壓成形，與沖壓成形技術(shù)相比，滾珠旋壓技術(shù)能夠制造出形狀多樣、尺寸各異的產(chǎn)品。

在滾珠旋壓過程中，滾珠對坯料施加一定的壓力后，變形區(qū)中的金屬晶粒將沿著滑移面錯移，滑移面中各滑移層的方向與變形方向一致，因此，金屬纖維不會被破壞，能夠保持連續(xù)性和完整性，從而使旋壓制品的強度、硬度、抗拉強度和屈服極限都有所提高。

（3）滾珠旋壓制品表面光潔度高、尺寸精度高，生產(chǎn)效率高。滾珠處于一個相對封閉的模腔中，受外界的影響較小，易于獲得尺寸精度較高的成形件，且滾珠數(shù)目較多，制件表面光潔度和生產(chǎn)效率將大大提高。

（4）滾珠旋壓屬于多點局部成形，成形區(qū)相對來說較小且穩(wěn)定，能有效防止變薄旋壓過程中工件的失穩(wěn)問題。對于成形尺寸精度高的細(xì)長薄壁筒形件優(yōu)勢尤為明顯。

（5）工藝方法簡單、容易掌握。

（6）材料利用率高、產(chǎn)品成本低。

（7）材質(zhì)自檢效果。在旋壓過程中，滾珠對坯料逐點施壓，使得坯料近似逐點變形，其中夾渣、氣泡、裂紋、砂眼等缺陷就很容易暴露出來。這樣，旋壓過程也能起到對制件進(jìn)行自動檢驗的作用。

（8）工裝簡單，設(shè)備輕便。

3 滾珠旋壓成形技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1960 年代初，為了解決某些軍工產(chǎn)品的成形問題，部分軍工科研院所率先開展旋壓技術(shù)工藝和設(shè)備的研究，并進(jìn)行理論探討和開發(fā)新工藝，例如：北京有色金屬研究總院、北京625 所、中國兵器工業(yè)第55 研究所、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。國外對旋壓技術(shù)的研究起步較早，很多國家特別是西班牙、美國、德國、意大利等，旋壓技術(shù)現(xiàn)已日臻完善，在理論與工藝研究、設(shè)備設(shè)計與制造、旋壓技術(shù)應(yīng)用等方面都有很大的發(fā)展。例如，美國旋壓設(shè)備大型化，工藝水平先進(jìn)；德國設(shè)備種類齊全、標(biāo)準(zhǔn)化，工藝系列化。

滾珠旋壓技術(shù)作為旋壓成形方法的一個分支，已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。文獻(xiàn)［6］介紹了薄壁不銹鋼管滾珠旋壓成形試驗過程，通過制定合理的工藝過程和最佳的工藝參數(shù)，成功旋制出壁厚0.2mm的薄壁不銹鋼管。文獻(xiàn)［10］開發(fā)出一種可以制造小直徑薄壁管的滾珠旋壓機。文獻(xiàn)［11］介紹了應(yīng)用滾珠旋壓技術(shù)制造帶有深度為0.2mm內(nèi)微槽的薄壁鋼管的工藝過程。文獻(xiàn)［12，13，14］研究了帶有縱向內(nèi)筋的薄壁筒形件滾珠旋壓成形技術(shù)，分析工藝參數(shù)對內(nèi)筋成形性的影響。文獻(xiàn)［15］研究了滾珠旋壓法成形薄壁筒形件時，工藝參數(shù)的選取方法和大致范圍。文獻(xiàn)［16］研究了滾珠旋壓過程中旋壓力的計算方法。文獻(xiàn)［17］利用Deform-3D 有限元軟件進(jìn)行高溫合金薄壁管滾珠旋壓成形過程的數(shù)值模擬，揭示了薄壁管缺陷產(chǎn)生的原因，分析了不同工藝參數(shù)對管材表面波紋、端口喇叭口及擴徑等缺陷的影響規(guī)律。

4 結(jié)語

目前我國有很多科研院所對滾珠旋壓成形技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，也取得了很大的成就，但是主要停留在試驗研究和試驗?zāi)M的階段，使用這種成形加工方法的生產(chǎn)制造廠家較少。因此，在更加深入研究的滾珠旋壓理論同時，應(yīng)盡快地實現(xiàn)科研成果的轉(zhuǎn)化，將現(xiàn)有的研究成果推廣應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，以進(jìn)一步提高和促進(jìn)我國滾珠旋壓技術(shù)的跨越式發(fā)展。

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