提高薄壁管旋壓拉深表面質量的剝離層缺口誘導開裂方法

王戰生

(太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

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提高薄壁管旋壓拉深表面質量的剝離層缺口誘導開裂方法

王戰生

(太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

在對旋壓拉深剝離層形成和開裂機理分析的基礎上，提出了在旋拉前管坯底部外表預制缺口的工藝方法，經實際驗證，在凹痕缺口的誘導作用下，剝離層開裂效果穩定、良好，有效解決了影響管件表面質量的工藝技術問題，提高了薄壁管旋壓拉深表面質量。

旋壓；剝離層；開裂

1　旋壓拉深及其特點

旋壓是一種少、無切削加工的工藝方法，加工時將毛坯頂緊在芯模上，由機床主軸帶動芯棒和坯料旋轉，同時旋壓輪將材料擠壓在旋轉的芯模上，使材料產生連續的塑性變形，從而獲得各種形狀的空心旋轉體零件，兼有擠壓、拉深、彎曲、環軋、橫軋和滾擠等工藝特點。根據旋壓加工過程中毛坯厚度的變化情況，一般將旋壓分為普通旋壓和強力旋壓兩種。

旋壓拉深是強力變薄旋壓的一個分支，又稱滾珠旋壓(見圖1)，即使用多個滾珠代替旋輪，毛坯在滾珠和模具的共同作用下變薄成型的過程，在民用、軍工等領域生產加工高精度小直徑薄壁管方面獲得了廣泛的應用。除了具有旋壓方法的一般特點之外，滾珠旋壓還具有以下優點：

(1)管件加工質量高。從內部講，金屬管件在變形區處于壓應力狀態，變形后使材質晶粒延長和組織細化，具有連續纖維結構，提高了金屬的屈服強度，管件硬度也有所提高，延伸率相應下降；從外部講，旋后管件外徑尺寸可控制在±0.005 mm以內，表面粗糙度通常可達0.2 μm，，管件的管壁最薄可達0.04 mm。滾珠旋壓的這些特質，通常的滾輪變薄旋壓是很難達到的。另外，旋壓過程中管坯中任何夾雜、夾層、隱性裂紋、砂眼等缺限很容易暴露出來，旋壓過程也附帶起到了對管坯質量自檢的作用。

(2)加工簡便、成本低、效率高。旋壓過程不需要過多依賴操作人員的技術干預，技術裝備簡單。通常的切削機床稍加改進，就能用于滾珠旋壓加工。由于變形力小，可以用噸位較小的設備加工較大尺寸產品。旋壓拉深與深沖拉深相比，由于旋壓變形力小，且滾動摩擦代替滑動摩擦，滾珠旋壓模具多為通用可調整尺寸范圍，致使工模具消耗僅為沖壓引伸模具的1/5～1/8左右。對于塑性好的金屬及合金，單道次的斷面收縮率可達70%～85%。而拉拔管材時也僅僅為30%左右。若與切削加工相比，可提高生產效率30～50倍。便于小批量多品種、多規格長徑比大的薄壁管筒零件加工。

2　剝離及其對表面質量的影響

在旋壓拉深過程中，常常會在旋壓變形區的滾珠前端形成多余金屬堆積。伴隨著旋壓過程的進行，堆積金屬也越來越多，并附著在管坯上，這一現象稱之為剝離。雖然發生剝離會導致金屬材料的損耗、降低材料利用率，但剝離現象可以使得旋后管件具有良好的表面粗糙度和光亮度，因而在薄壁精密管件拉深中經常出現。調整滾珠大小或工藝參數，可以使毛坯在旋壓過程中產生剝離層。圖2所示是在滾珠旋薄過程中經常在金屬管件表面出現的剝離情況，旋薄后管件表面可分為整體剝離、末屑剝離、開裂剝離等情況，開裂剝離根據裂口數量又分為單裂、雙裂和多裂等。

通過對金屬在旋壓過程中的塑性流動分析，剝離的產生是滾珠旋擠材料在變形區非穩定流動所引起的。從圖3a分析可知：旋壓角α與滾珠半徑R和減薄量△t相關。生產實踐證明，旋壓角α為32°～42°時，通常會產生穩定的剝離現象，加工后的管坯外表光亮，是經常選用的工藝參數區域。圖3a所示是金屬材料在穩定變形區的流動情況。當減薄率不變時，隨著滾珠直徑的減小，旋壓角α增大，此時金屬材料流過滾珠的難度也增大。滾珠前方原本為剛性區的金屬在較大軸向壓應力作用下，滿足了塑性屈服準則而發生塑性變形。而金屬管材表層為無約束的自由表面，此時，金屬塑性流動的徑向速度分量vr和軸向速度分量vz的比值發生了變化。當減薄率增大或滾珠直徑減小時會引起徑向速度分量vr增大，而軸向速度分量vz減小。在此狀況下材料的流動趨勢發生了變化，多余金屬材料開始向滾珠前方流動形成堆積，如圖3b所示。隨著堆積金屬在滾珠前方不斷增加，堆積區的金屬材料的應力狀態發生了改變，產生拉應力，隨著拉應力的增大，堆積區金屬與管坯主體失去連續性而剝離，形成剝離層。

發生整體剝離時，剝離層緊緊附著包裹在未加工管坯外部，增大了變形抗力；發生末屑剝離時，剝離層脫落后以碎屑方式進入加工區，會影響后續加工所形成的管壁表面質量，表面粗糙度值大于6.3 μm，因而都是不期望發生的。通過合理選擇滾珠直徑以調整旋壓角，并輔以對旋壓前管坯硬度的調節，可以將整體剝離調整至理想的開裂剝離狀態。但以上方式需調整陰模尺寸和毛坯前期工藝路線，成本和周期較長，并有可能多次反復。因此，需要尋求簡便快捷和低成本的工藝控制方法。

3　預制缺口誘導開裂

管坯在旋壓拉深過程中一方面隨著陽模高速旋轉，同時隨陽模主軸沿進給方向運動；剝離層則隨著管坯旋轉的同時，在拉深過程中不斷從滾珠接觸區向上逐漸生長，運動情況復雜。因此，在拉深過程中對剝離層采取強制開裂措施是極端困難的。將剝離層和管坯表面質量作為一對技術矛盾進行研究，根據塑性變形加工理論及工作經驗，結合對剝離層形成機理的分析，認為對拉深前的管坯外表底部采取預制缺口的方法，應該起到在旋拉過程中誘導剝離層開裂的作用。

使用專用工具在管坯底部圓角處，制出深度0.1～0.3 mm凹痕缺口共3處，沿圓周均布。拉深過程從管坯底部最先開始，管底接觸滾珠變薄并產生剝離層。在缺口的誘導作用下，表層金屬剝離時即自發形成開裂，并在后續拉深過程保持直至終了。

以φ10 mm及φ38 mm兩種1Cr18Ni9Ti不銹鋼管進行試驗，均取得明顯效果。試驗前，兩種管坯加工后的剝離層形式均為整體剝離(見圖2a)；采取人為制造管坯底部圓角外表缺口措施后，剝離層均產生了預期的開裂，裂口數量及分布方向均與預制缺口相對應(見圖4)，拉深后的管坯表面粗糙度小于0.2 μm，符合要求。

對旋壓拉深管坯變形前后部分截取試樣進行金相分析，管坯芯部(圖6a)為奧氏體組織，晶粒度25 μm左右；表層為變形纖維組織，平均硬度為306HV0.2。原因為旋拉前的管坯在經過完全固溶處理后，還要進行一次小變形量的變薄拉深，以提高管坯硬度，避免旋壓拉深時發生拉斷現象。旋拉后管壁部分(圖6b、d)為纖維狀變形組織，平均硬度為400HV0.2。剝離層(圖6c)同樣為纖維狀變形組織，平均硬度為460HV0.2，硬度較管壁部分為高，原因在于剝離層在旋拉過程中受到了比管壁部分更大的加工應力。對比有無缺口的分析試樣，表明缺口加工工藝對管坯拉深后的組織和硬度無影響。

4　結語

通過采取以上措施，在不改變管坯狀態及拉深模具等工藝參數的前提下，將整體剝離模式簡便快捷地調整為開裂剝離模式，解決了影響管坯表面質量的工藝技術問題，取得了良好效果。

[1] 馬振平，張濤. 滾珠旋壓成型技術[M]. 北京：冶金工業出版社，2011.

[2] 王愛珍. 冷作成形技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 徐開先. 波紋管類組件的制造及其應用[M]. 北京：機械工業出版社，1998.

[4] 航空制造工程手冊編委會. 航空制造工程手冊—彈性元件工藝[M].北京：航空工業出版社，1994.

[5] 阮汝祥. 技術創新方法基礎[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

(編輯李靜)

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Notch induced cracking method of stripping layer improving the surface quality of thin walled tube spinning

WANG Zhansheng

(Taiyuan Aero-instruments Co., Ltd., Taiyuan 030006, CHN)

Based on the spinning drawing stripping layer formation and cracking mechanism analysis, propose the technique that pre-made the notch at the bottom of the tube billet surface, verify through practice, under the inducing effect of dent gap, the cracking effect of stripping layer is stable, and it effectively solves the technology problems affecting the quality of pipe surface.

spinning; stripping layer; cracking

TH161.5

B

2014-06-15)

160126