旋壓鉬坩堝成型工藝研究

李衛巖，鄒永剛，徐恒秋，張心明，馬曉輝

（1.長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，長春 130022；2.中國第五五研究所 旋壓工程部，長春 130022；3.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

制造高純凈、大尺寸、晶體完整性好且易于加工的單晶藍寶石一直是各國研究人員的主要研究方向。通常使用鉬坩堝作為結晶藍寶石的器皿，采用傳統方法制造大尺寸的鉬坩堝不但很難保證鉬坩堝的質量，而且成本較高［1］。利用旋壓工藝可以制造出質量優良的鉬坩堝，相比燒結以及沖壓工藝來說省時又省力。本文研制的成品鉬坩堝底部外徑為φ364mm，內徑為φ354mm，高度為600mm，錐度為1：150。經過計算確定了毛坯的外徑為φ410mm，內徑為φ392mm，高度為162mm［2］。

1 旋壓成型工藝

旋壓成型工藝是一種少無切屑的加工工藝，它是集鍛造、擠壓、拉伸、滾壓、彎曲、橫軋于一體的工藝方法。旋壓時坯料和旋輪屬于點接觸，點接觸的優點是可以減小金屬變形所需要的力，加工同一零件旋壓機的功率要比其他機床的功率小得多。利用旋壓工藝制造出的產品其尺寸精度高、表面質量好、生產成本低并且不會浪費材料［3］。

旋壓成型工藝根據旋壓后坯料的壁厚是否發生變化可以分為普通旋壓和強力旋壓。普通旋壓就是旋壓過程中坯料的壁厚變化很小或不發生改變，主要是靠坯料在徑向和周向的伸縮來達到變形的效果，旋壓時坯料外徑的改變就是其最重要的特征。強力旋壓則是不僅坯料的形狀、尺寸以及性能發生變化，而且坯料的厚度也發生變化，強力旋壓后坯料的厚度要小于旋壓前坯料的厚度［4］。

2 工藝參數的選擇

2.1 旋壓設備

由于金屬鉬的熔點較高，常溫下塑性很差，需要將坯料加熱到一定溫度提高它的塑性后再進行旋壓。因此本次旋壓試驗選用強力熱旋壓機，該旋壓機是中國兵器集團第五五研究所獨立設計并制造的［5］。該旋壓機床身長5m，寬1.5m，高0.8m。主軸轉速分為3級，分別為低速、中速和高速。其主軸的最高轉速可達到200r/min，旋輪縱向進給的行程為0.6m。

2.2 減薄率

壁厚減薄率等于原始壁厚減去成品制件的壁厚所得到的差值再除以原始壁厚，它是工件變形量最直接的表達方式。壁厚減薄率大體可分成兩類：一類是道次減薄率，一類是總減薄率。進行強力旋壓時減薄率是材料發生變形的重要工藝參數，減薄率的大小決定了所需旋壓過程中所需的旋壓力以及旋壓后制件的質量［6］。在旋壓錐形件時，減薄率φt和芯模的半錐角滿足下面關系：

2.3 主軸轉速

提高主軸旋轉速度等效于多個旋輪一起參與旋壓工作，變形區由原來的點接觸變成環形接觸。環形接觸可以更好的限制變形區的材料沿圓周方向流動，工件成型質量得以提高，在一定程度上可以避免擴徑現象的產生。提高主軸轉速還可以使工件很好的貼模，工件內表面的質量也得到相應提高，使旋壓后的工件有較高的尺寸精度以及較好的表面質量。對于成型比較困難、塑性比較差的坯料主軸轉速一般設定在80～120r/min［7-8］。對于鉬坩堝旋壓試驗，主軸的轉速初步設定為100r/min。

2.4 進給量

進給量是芯模隨主軸旋轉一周時旋輪沿芯模軸線方向上前進的距離。進給量這個工藝參數對制件質量影響較大，與坯料的尺寸精度、旋壓力的大小、表面粗糙度以及減薄率等都有密切的關系。進給量越大制件的貼模性越好，但進給量也不能選的過大，否則容易在旋輪前形成金屬堆積，制件會產生嚴重起皮現象。選擇小的進給量則可以使成型后的制件表面非常光滑。但進給量也不能取的太小，進給量過小會導致內表面材料流動不充分，容易引起制件產生裂紋或夾層［9］。本試驗選定進給量為0.8mm/s、1.0mm/s、1.2mm/s三個參數，通過采用不同進給量來模擬旋壓過程，然后通過觀察坯料變形情況，最后選取變形區應力小、變形好的進給量。

2.5 旋壓溫度

有些高熔點、高沸點的金屬在常溫下塑性很差，為了提高金屬的塑性變形能力，一般通過加熱的方法使其達到紅熱狀態或接近紅熱狀態。通過熱旋可以很好的細化坯料組織。本次試驗采取外加熱方法，旋壓溫度選定為600℃、700℃、800℃三個參數。與進給量一樣，分別選用不同的溫度來模擬旋壓過程，通過觀察坯料變形區應力、應變以及總變形情況來選取最佳的溫度。

3 仿真模型的建立及結果分析

由于鉬金屬造價昂貴，需對其旋壓過程進行仿真，通過仿真結果來總結工藝參數對旋壓過程的影響規律，這樣既可以節約成本，又可以節省時間。

3.1 模型離散化

在建立三維模型時，對芯模以及旋輪作簡化處理。由于不考慮它們在旋壓過程中的變形，所以把它們都設為剛體，建模時只需畫出它們的外部輪廓即可。在實際旋壓過程中，毛坯是靠尾頂壓緊在芯模上并隨著芯模一起轉動的，按照實際旋壓過程設置邊界條件是非常復雜的，并且計算量大，模擬的結果具有不確定性。為了更好的接近實際旋壓過程，利用相對運動的原理來建立邊界條件。建立邊界條件時完全約束芯模和坯料的自由度，只對旋輪加載載荷，使旋輪一方面能夠繞芯模軸線轉動，另一方面又可以沿芯模軸線方向進給。這樣就與實際旋壓過程相差無幾［10］。

3.2 網格劃分

對坯料進行網格劃分，網格的疏密程度對模擬結果會產生較大的影響。網格劃分較少則不能得出準確的結果，網格劃分較多又需要花費較長的時間才能得到結果，影響仿真效率，所以應該選取合適的疏密程度［11-12］。本文采用十節點四面體等參單元對坯料進行網格劃分，劃分后的結點總數為31988，單元總數為18495。對坯料進行建模時將坯料定義為彈塑性體，將芯模和旋輪定義為剛性體。為了提高模擬的求解精度，在設定條件時將坯料材質設為均質，忽略重力和慣性力帶來的影響。

3.3 邊界條件的確定

本文的有限元模擬中分析步的步驟設為動力、顯示，時間長度設為300，為了提高仿真效率，質量縮放設為1000000，其他接受默認。

3.4 旋壓過程模擬結果分析

3.4.1 旋壓溫度對旋壓過程的影響

旋壓溫度是影響旋壓過程因素中比較重要的一個因素。考慮坯料在高溫下的塑性變形能力，分別在600℃、700℃和800℃的溫度下對旋壓過程進行了有限元模擬。

圖1 不同溫度旋壓對比圖

如圖1（a）所示：當溫度選取600℃進行仿真時，坯料的塑性變形能力較差，旋壓過程中坯料容易產生輕微的震動，震動幅度過大的話則可能導致坯料表面出現裂紋；如圖1（b）所示：當選取700℃進行仿真時，鉬坩堝表面的質量相對其他兩個溫度來說要好的多；如圖1（c）所示：當溫度選取800℃進行仿真時，坯料的強度明顯下降，材料變軟，在旋壓過程中很容易產生金屬堆積，從而使坯料表面產生起皮等缺陷。

3.4.2 旋輪進給量對旋壓過程的影響

進給量的大小直接決定著制件的尺寸精度、表面粗糙度以及減薄率等。一般在選取旋輪進給量時都盡量選大一些，因為在不影響成品制件質量的情況下，選擇大的進給量可以提高生產效率。如圖2（a）所示：當選取0.8mm/s的進給量進行旋壓時，坯料在旋壓過程中由于存在彈性變形的原因，小的進給量使材料產生的變形流動量很小，并且在壁厚方向上分布不均勻，容易導致坯料產生裂紋；如圖2（b）所示：當選取1.0mm/s的進給量進行旋壓時，坯料表面相對其他兩個進給量來說要好的多；如圖2（c）所示：當進給量選取1.2mm/s時，在旋壓過程中金屬材料容易出現堆積的情況，導致坯料表面出現起皺等缺陷。

圖2 不同進給量旋壓對比圖

4 實驗

4.1 旋壓試驗

根據上一章的模擬結果來看，試驗所用的工藝參數如表1所示。

表1 旋壓鉬坩堝工藝參數

旋壓試驗前，首先啟動電控柜，先使主軸以中等轉速旋轉。利用主軸帶動芯模旋轉，通過丙烷與氧氣噴槍對芯模進行加熱，用電子測溫儀對芯模進行實時測溫當芯模溫度達到200℃左右時停止加熱。接著開始安裝毛坯，毛坯安裝完成之后頂尾頂，使毛坯在軸向方向上不發生竄動即可，然后繼續用噴槍對毛坯進行加熱。當毛坯的溫度達到700℃時，啟動事先編制好的程序開始進行第一道次的旋壓。旋壓過程中應該繼續加熱，時刻檢測坯料的溫度，不能使溫度降到650℃以下。第一道次的程序走完后旋輪會自動退回，由于此時旋輪底部的溫度已經降下來了，所以不能立刻旋壓，還要繼續對毛坯進行加熱。當毛坯的溫度達到700℃時，才可以進行第二道次的旋壓。進行完第一道次旋壓后，緊接著進行下面剩下的道次旋壓。需要注意事項就是要注意時刻檢查溫度，不能使旋壓溫度低于要求值。其次就是如果坯料產生凸起或有異常響聲且有強烈震感時應該停止旋壓，取下坯料仔細檢查。若是有凸起應及時修整，若是已經有裂紋則應該分析其原因，避免下次產生同樣的狀況。

4.2 試驗結果

第一次試驗所采用的工藝參數完全是依照模擬后選出的參數進行旋壓的，然而并沒有能夠旋壓出滿足要求的鉬坩堝，這也說明了仿真還存在著缺陷。因為模擬的旋壓過程并不是與實際旋壓過程完全一致，模擬得到的參數只能起到參考的作用。若想旋壓出質量良好的鉬坩堝還是要通過不斷的實踐才能完成。

經過幾次試驗之后，通過不斷地分析產生缺陷的原因，然后修改參數，最后終于旋壓出滿足要求的鉬坩堝。如圖3所示為經過不同道次旋壓后毛坯的尺寸形狀對比，從圖4可以看出坩堝內部的錐度。

圖3 經過不同道次旋壓的鉬坩堝

圖4 坩堝內部形貌圖

中間的坩堝即是經過五道次的旋壓后最終的成品坩堝。可見只要選取正確的工藝參數就可獲得良好的成品坩堝，該坩堝表面比較光滑平整，力學性能優異。內表面經測量滿足成品錐度要求，鉬坩堝最終旋壓成型工藝參數如表2所示。

表2 成品鉬坩堝旋壓工藝參數

5 結論

本文通過研究鉬坩堝從坯料到成型過程的總工藝過程，期間對旋壓過程進行了仿真，從仿真的結果中選出較優異的旋壓工藝參數來進行旋壓試驗，得出如下結論。

（1）金屬鉬在常溫下塑性很差，必須要對其加熱來提高它的塑性方可進行旋壓，旋壓溫度的控制增加了旋壓過程的難度。試驗表明，旋壓溫度的控制極其重要，它直接影響了旋壓制品的成型質量。

（2）通過對旋壓過程進行有限元模擬，從模擬結果上能夠觀察到旋壓過程中坯料變形區應力、應變變化，從中分析出旋壓變形只發生在坯料和旋輪接觸區的一小片區域。從成型后制件的形狀可以分析出經過旋輪擠壓后的金屬同時沿旋輪徑向、軸向以及周向三個方向運動。

（3）通過觀察模擬后坯料的變形程度選出坯料變形程度最好的一組旋壓工藝參數，然后利用此旋壓工藝參數進行旋壓試驗。通過分析試驗過程中產生缺陷的原因并不斷的修改工藝參數，最后旋壓出滿足要求的良好鉬坩堝，得到了旋壓該類型鉬坩堝的最優工藝參數。

（4）在所有的旋壓工藝參數中，進給量和旋壓溫度是影響成型質量最關鍵的因素。因此，在選定旋壓工藝參數時，應該慎重考慮這兩個參數的選擇。