金屬薄壁筒體對輪旋壓技術(shù)進展及應(yīng)用探析

張立軍 楊 寧 李志順 陶繼紹 徐嘉怡 李 帆 趙升噸，3

1.中國石油大學(華東)機電工程學院，青島，266580 2.西安交通大學機械工程學院，西安，710049 3.中南大學輕合金研究院，長沙，410083

0 引言

對輪旋壓技術(shù)作為近凈成形的塑性加工技術(shù)[1]的代表，近年來迅猛發(fā)展，已逐步用于各類回轉(zhuǎn)體零件的加工制造[2-3]。21世紀以來，以運載火箭外殼為代表的大型金屬薄壁筒體的旋壓成形技術(shù)成為研究的熱點之一。新型運載火箭的研發(fā)是提高我國航天器運載能力、航空航天科技水平的重要方向。薄壁結(jié)構(gòu)的整體化、輕量化和精密化制造是發(fā)展運載火箭的核心和關(guān)鍵任務(wù)[4]。

目前，這些大型薄壁筒體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)主要采用卷筒-焊接、分瓣沖壓成形-焊接、鍛造-機械加工等成形工藝，它們存在焊縫強度低、生產(chǎn)效率低、制造精度低、產(chǎn)品質(zhì)量大、可靠性差等缺點[5]。采用上述加工方案制造運載火箭的薄壁筒體難以實現(xiàn)承載耐力和加工直徑的突破。對輪旋壓技術(shù)可以較好地解決這一難題，與傳統(tǒng)旋壓工藝[6-7]相比，對輪旋壓單道次的冷旋變形量高達90%，成形力減小1/2，芯模生產(chǎn)管理成本減少約20%[8-9]，成形件內(nèi)表面質(zhì)量顯著提高、內(nèi)外表面材料的組織更加均勻，基本滿足運載火箭筒體整體化、輕量化的制造要求。目前，針對金屬薄壁筒體的對輪旋壓技術(shù)，國內(nèi)外學者主要著眼于金屬流動理論模型、仿真模擬預(yù)測、設(shè)備研發(fā)與試驗等方面的研究。因此，本文分別從對輪旋壓的塑性變形機理、成形精度影響與控制、組織演變與缺陷和對輪旋壓設(shè)備等四個方面對對輪旋壓技術(shù)的最新研究進展進行簡析，分析探討對輪旋壓技術(shù)在工藝、仿真預(yù)測、設(shè)備等方面的發(fā)展趨勢。

1 筒形件對輪旋壓技術(shù)

1.1 對輪旋壓技術(shù)原理

對輪旋壓屬強力柔性旋壓，具有高強高精、薄壁均質(zhì)、節(jié)材環(huán)保等特點。如圖1所示，對輪旋壓用內(nèi)旋輪替代傳統(tǒng)旋壓的芯模，通過成對配合的旋輪對工件毛坯內(nèi)外表面同步進行成形加工，較好地解決了芯模制造和管理成本高、裝卸困難、工件內(nèi)外表面性能不一致等問題[10]。成形過程中，筒形毛坯件繞其軸線做回轉(zhuǎn)運動，內(nèi)外旋輪可沿工件的軸向和徑向做進給運動，依靠成形過程中的材料流動阻力驅(qū)動旋輪繞其軸線被動自轉(zhuǎn)。針對不同尺寸筒形件的制造要求，通常采用2對～4對旋輪均布的成形工藝，圖1所示為3對旋輪均布的對輪旋壓工藝，其中，n為毛坯轉(zhuǎn)速，v為內(nèi)外旋輪進給速度，D0為毛坯外徑，D為成形外徑，t0為毛坯厚度，tf為成形厚度，t1為內(nèi)減薄量，t2為外減薄量。待加工筒形毛坯的減薄量由內(nèi)旋輪和外旋輪共同承擔，成形件內(nèi)外變形均勻，變形區(qū)近乎對稱分布，改善了其受力狀態(tài)，實現(xiàn)了成形工件的高屈服強度和大伸長率的優(yōu)良力學性能組合，故對輪旋壓技術(shù)特別適合高性能金屬薄壁筒體的加工[11-13]。

(a)三對輪旋壓示意圖

(b)對輪旋壓結(jié)構(gòu)參數(shù)圖1 筒形件對輪旋壓原理圖Fig.1 Schematic diagram of counter-roller spinning for cylinders

1.2 對輪旋壓與其他筒形件成形方法對比

相比于芯模旋壓、卷焊、鍛/鑄-機加工等金屬筒形件的常用加工方法，對輪旋壓方法在工件整體強度、成形尺寸、加工柔性、加工精度、工裝成本、材料利用率等方面都有顯著優(yōu)勢，如表1所示。大/超大直徑筒形件的成形制造過程中，芯模旋壓和機加工等方法的劣勢凸顯，很難實現(xiàn)成形尺寸的突破[14]。航空航天裝備的不斷發(fā)展對工件的整體強度和整體性能提出了更高的要求，卷焊等拼接方法[15]顯得心余力絀，對輪旋壓則顯出其優(yōu)越性，但對輪旋壓的材料塑性流動控制難度大等問題是亟待解決的研究熱點。

表1 金屬筒形件加工方法的對比Tab.1 Comparison of machining methods for metal cylindrical parts

2 對輪旋壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀簡析

針對對輪強力旋壓成形加工過程中的材料塑性流動控制難題，國內(nèi)外專家學者致力于從金屬流動的理論模型、仿真模擬預(yù)測、設(shè)備研發(fā)與試驗中探尋有效解決途徑。

2.1 對輪旋壓的塑變機理

學者對實際的對輪旋壓工況進行了簡化，獲得了特定條件下的金屬塑性流動的應(yīng)力應(yīng)變場模型。

文獻[16-18]基于剛塑性有限元變分原理，建立了旋壓過程中塑性流變速度場的迭代公式，考慮應(yīng)變硬化和摩擦的影響，分別利用Turb Basic和FORTRAN編寫了適合對輪旋壓變形的剛塑性有限元程序，定量得到了平面變形簡化模型不同旋壓工藝參數(shù)(減薄率、進給比等)下金屬塑性流動的應(yīng)力應(yīng)變場，指出25°的旋輪工作角最利于45鋼管坯的成形。

XIAO等[19]基于平面應(yīng)變假設(shè)和扇形塑性流場建立了對輪旋壓的金屬流動模型，如圖2所示，其中，O為極點，OX為極軸，Ⅰ為未變形區(qū)，Ⅱ為變形區(qū)，Ⅲ為已變形區(qū)，L1為未變形區(qū)和變形區(qū)的邊界圓弧(半徑為r0)，L2為變形區(qū)和已變形區(qū)的邊界圓弧(半徑為rf)，v0、vf分別為未變形區(qū)和已變形區(qū)的金屬軸向流動速度，θ為變形區(qū)任意點A的極角。通過上限法獲得了對輪旋壓工件的等效應(yīng)變方程：

圖2 對輪旋壓金屬流動模型示意圖[19]Fig.2 Schematic diagram of metal flow model for counter-roller spinning

(1)

ZHU等[20]建立了對輪旋壓工藝塑性變形區(qū)的動可容速度場，如圖3所示。基于上限定理，采用能量法推導(dǎo)出對輪旋壓過程中成形力的公式：

圖3 對輪旋壓變形區(qū)動可容速度場[20]Fig.3 Admissible velocity field in deformation zone of counter-roller spinning

(2)

式中，F(xiàn)r1、Fz1分別為內(nèi)旋輪的徑向力和軸向力；Fr2、Fz2分別為外旋輪的徑向力和軸向力；Fy為旋輪理想狀態(tài)下的徑向接觸壓力；F0為未成形區(qū)的軸向力；F1為已成形區(qū)軸向力；β為等效成形角；β1為內(nèi)旋輪接觸角；β2為外旋輪接觸角；Re為成形后的半徑；R0為毛坯半徑；r1為內(nèi)旋輪半徑；r2為外旋輪半徑；fp為進給速度。

式(2)是考慮了旋輪半徑等參數(shù)的平面應(yīng)變簡化公式，且仿真與試驗證實了其有效性。ZHANG等[21]建立了大直徑鋁合金筒形件對輪旋壓的FORGE有限元模型，模型考慮摩擦等條件，更符合實際工況。該有限元仿真結(jié)果表明應(yīng)力應(yīng)變場在毛坯的厚度方向上是對稱分布的，變形區(qū)內(nèi)的金屬流動是對稱的，如圖4所示。旋壓試驗驗證了金屬流動的對稱性。

(a)等效應(yīng)力分布

(b)等效應(yīng)變分布圖4 對輪旋壓的應(yīng)力分布和應(yīng)變分布[21]Fig.4 Stress distribution andstrain distribution of counter-roller spinning

上述研究主要通過理論分析或仿真建模來探究對輪旋壓的塑變機理。相比于理論分析，仿真分析更加符合旋壓實際工況。目前的塑變理論模型和公式大都是基于平面應(yīng)變假設(shè)建立的，在特定條件下的精確度較高，但其推廣需更加深入的研究。拓展完善對輪旋壓三維模型的塑性成形理論體系，對對輪旋壓工藝的改進及設(shè)備研制的借鑒和指導(dǎo)意義非凡。

2.2 成形精度影響與控制

目前，研究人員主要是通過數(shù)值仿真軟件和實驗方法研究對輪旋壓工藝成形精度的影響因素及參數(shù)控制，獲得旋輪參數(shù)和旋壓工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響規(guī)律。

GUO等[22]基于Simufact建立了外徑1970 mm的30CrMnSiA筒形件四對輪旋壓模型，研究了穩(wěn)定加工階段的旋輪進給比f對工件成形精度的影響，其中，成形件直線度隨旋輪進給比的增大而增大，而橢圓度和外徑偏差與進給比負相關(guān)，如圖5所示。此外，相同條件下，工件內(nèi)表面成形質(zhì)量優(yōu)于外表面成形質(zhì)量。如果未合理地控制和降低內(nèi)外旋輪進給比，則旋壓表面質(zhì)量將隨旋壓道次的進行持續(xù)惡化。王大力等[23]基于上述模型進一步探討了減薄率、旋輪成形角、內(nèi)旋輪圓角半徑、內(nèi)外旋輪壓下量等參數(shù)對成形精度的影響，對比分析了第一道次下的仿真結(jié)果和試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者的橢圓度和側(cè)母線精度較一致。

(a)橢圓度變化

(b)外徑偏差變化圖5 不同旋輪進給比下的橢圓度和外徑偏差[22]Fig.5 Ovality and outer diameter deviation under different rotary wheel feed ratio

XIAO等[24]通過試驗研究了旋壓方式(包括芯模錯距旋壓和對輪旋壓)和總減薄率對旋壓件尺寸精度與力學性能的影響。試驗結(jié)果表明，對輪旋壓方式更有利于減小橢圓度，而不利于減小壁厚偏差。不同旋壓方式下，隨著總減薄率的增大，壁厚偏差均減小，橢圓度均增大。在成形工件質(zhì)量方面，對輪旋壓件的力學性能更加優(yōu)良，旋壓后工件的強度和硬度均隨總減薄率的增大而不斷增大，伸長率隨總減薄率的增大而減小。

席奇豪等[25]基于ANSYS軟件建立了三對輪旋壓的有限元模型，通過正交試驗分析了不同工藝參數(shù)對壁厚差和擴徑量的影響，發(fā)現(xiàn)減薄率是影響成形精度最重要的因素。

孫于晴等[26]基于ABAQUS軟件建立了30CrMnSiA大直徑筒形件的四對輪旋壓有限元模型，設(shè)計了11組單因素模擬試驗，分析了減薄率、進給比、成形角對成形壁厚偏差和圓度誤差的影響，指出筒形件加工效率和成形精度最佳的綜合優(yōu)選參數(shù)為成形角α=25°、進給比f=1.2 mm/r、減薄率ψt=30%。LI等[27]在此基礎(chǔ)上建立了直徑2.25 m的CRS(counter-roller spinning)模型，結(jié)合正交試驗和多元非線性回歸分析獲得了成形效果良好的最佳工藝參數(shù)范圍，如圖6所示，這為大直徑筒形件的旋壓成形提供了一定的指導(dǎo)。

Oo.外圓圓度誤差 Δt.壁厚偏差 For.外旋輪徑向力圖6 直徑2.25 mCRS筒形件的最佳工藝參數(shù)范圍[27]Fig.6 The optimum process parameters range of the φ2.25 mCRS cylindrical part

LUO等[28]建立了帶環(huán)形內(nèi)筋和曲母線的筒體復(fù)合旋壓(對輪旋壓和多道次旋壓)有限元模型。該研究不僅通過仿真獲得了不同旋壓工藝參數(shù)對成形件最大橢圓度的影響規(guī)律，還通過試驗獲得了熱旋壓溫度對成形精度的影響規(guī)律。如圖7所示，工件的最大橢圓度隨成形溫度的升高逐漸增大，這說明旋壓溫度對成形精度具有重大影響，即溫度對于對輪旋壓工藝來說也是不容忽視的重要參數(shù)之一。

圖7 熱旋壓溫度對成形精度的影響[28]Fig.7 Influence of temperature of hot spinning on forming accuracy

2.3 組織演變與缺陷

對輪旋壓是一個多旋輪相互協(xié)調(diào)配合下的多參數(shù)、多場耦合的加載成形過程，旋轉(zhuǎn)的金屬筒形件材料在多對旋輪的碾壓變形作用下呈現(xiàn)出高度的非線性[29]，材料極易產(chǎn)生不均勻的復(fù)雜塑性變形，材料晶粒等微觀組織也會發(fā)生明顯而復(fù)雜的變形，產(chǎn)生擴口、開裂、剝落、起皺、鼓包、材料堆積等宏微觀缺陷，故而探尋對輪旋壓的微觀組織演化和損傷力學行為極具實際意義。

XIAO等[19]通過LEICA DMI 5000M金相顯微鏡對比觀察了對輪旋壓與錯距旋壓在50%減薄率下的顯微組織差異。相比于錯距旋壓，對輪旋壓件的內(nèi)外表面同步產(chǎn)生金屬的塑性流變，內(nèi)外表面鐵素體晶粒均沿軸向拉伸，晶粒細化更均勻，細化率基本相同，證實了對輪旋壓可用于制備厚度方向上晶粒均勻的筒形零件。曾超[30]從層錯能出發(fā)，分析了20鋼和H62黃銅塑性變形過程中的組織演變和晶粒細化機制，指出隨著減薄率的增大，原始等軸晶粒不斷拉長，逐漸呈現(xiàn)出取向有序的微觀組織形貌，如圖8所示。欲獲得更均勻細小的等軸晶粒，可通過采取合理的退火溫度和保溫處理等措施。這為進一步分析晶粒細化與力學性能關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。

(a)20鋼原始組織 (b)20鋼減薄84%后的組織

(c)H62黃銅原始組織 (d)H62黃銅減薄66%后的組織圖8 不同材料對輪旋壓前后的微觀組織[30]Fig.8 Microstructures of different materials before and after counter-roller spinning

GUO等[22]通過對輪旋壓試驗證明了30CrMnSiA合金在減薄率達69%后，毛坯件會因多次加工硬化、毛坯徑向跳動、超出材料變形極限等原因而產(chǎn)生剝落缺陷，如圖9所示，給出了預(yù)防出現(xiàn)此缺陷的措施——對坯料退火處理。曾超[30]分析了工件口部的橫向和縱向裂紋缺陷(圖10)的成因，提出了再結(jié)晶退火消除橫向裂紋、減小道次減薄率避免縱向裂紋的方法。

圖9 剝落缺陷[22]Fig.9 Spalling defect

圖10 旋壓件的口部裂紋[30]Fig.10 Mouth cracks of the part

LUO等[28]對含對輪旋壓的復(fù)合旋壓成形產(chǎn)生的缺陷進行了研究。表2所示為試驗發(fā)現(xiàn)的4種主要缺陷的成因及應(yīng)采取的措施，這對理解對輪旋壓工藝的主要缺陷并采取相應(yīng)的處理舉措具有重要意義。

表2 旋壓工藝產(chǎn)生的缺陷Tab.2 Defects arising from spinning process

目前，對對輪旋壓微觀組織和缺陷成因的研究相對較少，且大多是通過試驗進行分析。不斷試錯的過程中總結(jié)經(jīng)驗才能提出有效的預(yù)防措施，這增加了工程應(yīng)用的成本。因此，探尋對輪旋壓工藝在晶體塑性有限元[31-33]和擴展有限元(XFEM)[34]等多尺度下的缺陷仿真方法，并結(jié)合多尺度試驗進一步獲得有限元仿真的計算時間與試驗成本間的匹配關(guān)系，對提升對輪旋壓工藝具有重要的指導(dǎo)價值。

2.4 對輪旋壓設(shè)備

設(shè)備是對輪旋壓技術(shù)水平的重要體現(xiàn)，決定了對輪旋壓制造的技術(shù)水準，是直接影響成形件尺寸和精度的核心。國內(nèi)外機構(gòu)對輪旋壓設(shè)備進行了試驗研究。

國外對對輪旋壓技術(shù)和設(shè)備的研究起步較早，以金屬板材的旋壓成形為主，采用該技術(shù)的產(chǎn)品用于航天等領(lǐng)域，全金屬ATV推進劑儲罐和Alphabus衛(wèi)星推進劑儲罐的圓頂?shù)鹊闹圃炀褪峭ㄟ^對輪旋壓工藝實現(xiàn)的[35-37]。在金屬筒體的對輪旋壓技術(shù)及設(shè)備方面，美德等制造強國在20世紀七八十年代就已研制成功了大型對輪旋壓設(shè)備，并將其用于石油運輸管路和火箭筒體(歐洲阿里安5號、戰(zhàn)神等)的制造[38-41]。伊利諾技術(shù)研究院和拉迪斯鍛造公司基于臥式車床原理，分別研制了1對輪和2對輪的臥式對輪旋壓機；拉迪斯鍛造公司生產(chǎn)的液壓徑向進給對輪旋壓設(shè)備加工了羅爾公司的大直徑圓筒件和美國戰(zhàn)神火箭的固體發(fā)動機FTV-2殼體[42-43]。MT公司與提森機械制造公司聯(lián)合研制了4對輪的立式數(shù)控旋壓機[38-39]，如圖11所示。該設(shè)備率先實現(xiàn)了對輪錯距旋壓工藝，并成功制造出阿麗亞娜5號火箭的助推器外殼。目前為止，僅有德美等一些制造強國掌握著大型金屬筒體的對輪旋壓核心技術(shù)。

(a)四對輪立式數(shù)控旋壓機

(b)旋壓產(chǎn)品圖11 德國MT公司的旋壓機和產(chǎn)品Fig.11 Spinning machine of German MT company and products

近年來，國內(nèi)許多研究單位為打破國外對輪強力旋壓關(guān)鍵技術(shù)的壟斷，也開展了大量的技術(shù)研究和設(shè)備研制工作。夏琴香等[19，44]改造數(shù)控機床，研制了阿基米德螺旋盤-楔形式的內(nèi)外旋輪運動機構(gòu)(圖12)，實現(xiàn)了小直徑金屬筒形件的三對輪旋壓加工。

圖12 三對輪旋壓加工設(shè)備[19]Fig.12 Three counter-rollers spinning processing equipment

基于車床原理的臥式設(shè)備限制了待旋壓件的直徑，懸臂安裝的大長度筒形件坯料的自重也嚴重影響成形精度和質(zhì)量，故國內(nèi)研究機構(gòu)開始著眼于立式旋壓設(shè)備的研制。徐文臣等[45]設(shè)計了立式四對輪旋壓機，并進行了結(jié)構(gòu)校核和優(yōu)化設(shè)計，在樣機上對6061鋁合金筒體進行了加工試驗，如圖13所示。

圖13 哈爾濱工業(yè)大學研制的立式旋壓機[45]Fig.13 Vertical spinning machine developed by Harbin Institute of Technology

LUO等[46]通過有限元分析方法建立了5種不同結(jié)構(gòu)的對輪旋壓機模型，確定的優(yōu)選結(jié)構(gòu)如圖14所示，與優(yōu)化前方案相比，該方案的總變形量減小了2.29%，最大等效應(yīng)力減小了10.15%，更好地滿足了精密加工要求。鄭宏偉等[47]以此模型的旋輪基座為主要研究對象，提出了基于ANSYS有限元程序與最大熵耦合法的可靠性分析方法，對旋輪座結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化改進，將失效率降低了11.42%。

圖14 立式對輪旋壓設(shè)備模型[47]Fig.14 Vertical counter-roller spinning machine model

張大偉等[48]研制了中型龍門立式雙對輪旋壓機，如圖15所示。根據(jù)成形方式需求，該設(shè)備可實現(xiàn)普通旋壓和強力旋壓；根據(jù)工藝需求，可實現(xiàn)同位旋壓和錯距旋壓，加工槽輪、波紋管等異型件。李帆等[49]提出了分散多動力、伺服電驅(qū)動的理念，設(shè)計了6 m級的全電伺服四對輪立式旋壓設(shè)備，如圖16所示。為降低傳動系統(tǒng)的冗雜性、提高控制精度和準確性，采用獨立動力源驅(qū)動各個部件運動。通過數(shù)控編程來控制多個交流伺服永磁同步電機的獨立運動及相互聯(lián)動，提高了設(shè)備的自動控制水平。

圖15 中型龍門立式雙對輪旋壓機[48]Fig.15 Medium gantry vertical double counter-rollers spinning machine

圖16 6 m級四對輪立式旋壓設(shè)備[49]Fig.16 6-meter vertical four counter-rollers spinning machine

近年來，國內(nèi)研究單位針對對輪旋壓設(shè)備開展了積極的探索，涌現(xiàn)了一批具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的新設(shè)備，但大尺寸對輪強力旋壓設(shè)備的探索還多處于模型仿真階段。

3 對輪旋壓在典型金屬筒形件的應(yīng)用分析

對輪旋壓可一體成形金屬薄壁筒形件的獨特優(yōu)勢引起了學者的廣泛關(guān)注并取得了長足的發(fā)展。伴隨著對輪旋壓技術(shù)研究的不斷深入，其制品可應(yīng)用領(lǐng)域也愈加廣闊。

國防和航空航天等工業(yè)領(lǐng)域?qū)α悴考a(chǎn)的嚴格要求促進了旋壓技術(shù)的發(fā)展[50]。炮筒、導(dǎo)彈殼體、發(fā)動機整流罩、戰(zhàn)斗機副油箱、作動筒、燃燒室、機匣外工作面、火箭殼體、燃料儲箱、壓力容器、噴管等特定應(yīng)用場合的筒體都需具有薄壁輕質(zhì)、高強、高精、可靠、抗疲勞等性能。汽車輪轂是具有復(fù)雜母線的空心回轉(zhuǎn)體零部件，其生產(chǎn)還需考慮加工柔性等問題。目前，這些金屬筒形件均已逐漸采用普旋、強旋等旋壓成形工藝制造，并取得較好的成形效果，但這些旋壓工藝依然存在一些技術(shù)難題，如無模旋壓中工件的壁厚和形狀尺寸精度調(diào)控困難、芯模旋壓中的復(fù)雜曲母線筒形件脫模困難及尺寸限制等，限制了金屬筒形件的精密制造和發(fā)展。對輪強力旋壓技術(shù)具有較高的工藝柔性、較大的成形尺寸范圍和良好的成形內(nèi)表面質(zhì)量等不可比擬的優(yōu)點，故對輪旋壓技術(shù)在這些領(lǐng)域的筒形件制造中將迎來黃金發(fā)展期。

一體化是大型零部件制造發(fā)展的主流，對輪旋壓有望成為大型筒體綠色一體化制造的主要方法之一。除在國防、航空、航天、交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用外，對輪旋壓制品也應(yīng)用于生活的多個領(lǐng)域，如圖17所示。

圖17 對輪旋壓技術(shù)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域Fig.17 The potential application fields of counter-roller spinning technology

4 筒形件對輪旋壓技術(shù)的展望

突破對輪旋壓技術(shù)工程產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用背后的“卡脖子”難題是研究人員需共同考慮的問題。本節(jié)分別從輕質(zhì)/高強材質(zhì)旋壓新工藝探討、跨尺度的材料流動分析、數(shù)字化對輪旋壓設(shè)備等方面展望金屬筒形件對輪旋壓技術(shù)。

4.1 輕質(zhì)/高強材質(zhì)旋壓新工藝探討

高強/超高強度輕質(zhì)合金材料的對輪旋壓成形機理是研究熱點。航空航天工業(yè)的迅猛發(fā)展對大尺寸、高質(zhì)強比和強耐蝕筒形件產(chǎn)生急迫需求。類薄壁筒體的直徑和高度較大、扭轉(zhuǎn)剛度低，在強力對輪旋壓的大扭矩和旋壓力作用下易發(fā)生屈曲變形和扭轉(zhuǎn)彈性變形，故對輪主動強力柔性旋壓工藝[51]有望成為解決此難題的一個重要途徑。該工藝是結(jié)合旋壓與軋制的新方法，更利于增大難變形金屬材料的單次減薄率，改善材料的加工硬化性能。

對輪主動強力柔性旋壓區(qū)別于普通對輪旋壓的主要特征是旋輪的主動旋轉(zhuǎn)運動。如圖18所示，內(nèi)外旋輪主動旋轉(zhuǎn)時，成形處的切線方向τ1、τ2與筒體轉(zhuǎn)動方向τ一致，因此，該工藝可通過內(nèi)外旋輪主動旋轉(zhuǎn)和筒體主動旋轉(zhuǎn)相混合的方式，克服單源(筒體轉(zhuǎn)盤動力源)驅(qū)動存在的扭矩大、彈性變形嚴重等問題。

圖18 對輪主動強力旋壓工藝原理圖[51]Fig.18 Schematic diagram of active power spinning process of counter-roller

直徑D0=550 mm的2024鋁合金材質(zhì)的筒體旋壓成形研究顯示，在起旋階段，工件的扭矩波動劇烈并出現(xiàn)極值，這說明起旋過程可嚴重影響工件的成形質(zhì)量。與普通強力對輪旋壓(非主動)相比，對輪主動強力旋壓在工件不同橫截面處的初旋扭矩(旋輪與工件臨界接觸時的扭矩)T0均有不同程度的減小。在工件起旋端每隔2 mm劃分一個橫截面，得到一系列截面，主動和非主動旋壓工藝不同截面在產(chǎn)生初旋扭矩的3個臨近時刻(0.88 s、0.94 s和1.00 s)的扭矩如表3所示，最貼近初旋扭矩產(chǎn)生的時刻即t=0.88 s時，主動對輪旋壓在各截面處產(chǎn)生的扭矩減小22.43%～29.84%。因此，對輪主動旋壓可以顯著減小筒體自轉(zhuǎn)所需的動力，同時解決成形件扭轉(zhuǎn)剛度低的難題，這也為進一步提高對輪旋壓質(zhì)量提供了新的研究思路。

表3 不同截面處的初旋扭矩Tab.3 Initial spinning torque at different sections

4.2 多能場耦合下跨尺度的材料流動分析

現(xiàn)階段，對輪強力旋壓的塑變理論模型與實際工況存在較大差異，這些理論模型多是基于二維平面理論構(gòu)建的，對實際的對輪旋壓精密制造的指導(dǎo)價值有限。有限元模型在一定程度上彌補了理論模型的不足，但還是單一(宏觀)尺度、單一物理場作用下的理想模型，實際的對輪旋壓成形過程往往涉及材料在力、熱等多能場耦合作用下的復(fù)雜變形機制。對輪旋壓件的宏觀形狀與內(nèi)在性能變化的實質(zhì)是細微觀的位錯運動和組織結(jié)構(gòu)演化，宏、細、微觀變形是同步且關(guān)聯(lián)發(fā)生的[52]。目前，ABAQUS、ANSYS等有限元軟件的建模結(jié)果僅是宏觀和唯象的，缺乏成形過程的本質(zhì)表征和缺陷預(yù)測。

伴隨著計算科學的迅猛發(fā)展，研究應(yīng)充分挖掘數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢，建立健全材料在對輪旋壓工藝的多能場耦合影響下的塑性流動關(guān)系，實現(xiàn)筒形件的精密塑性成形。深入探究宏觀成形效果在細微觀層次的材料塑變機理等技術(shù)難點，構(gòu)建筒形件對輪旋壓技術(shù)在宏、細、微納觀等跨尺度、多能場耦合變形機制下的對輪旋壓模型(圖19)，開發(fā)穩(wěn)定、精確、高效的跨尺度數(shù)據(jù)實時傳輸方法是未來研究的重難點。

有限元軟件對復(fù)雜對輪強力旋壓的計算分析效率不高，故目前僅用仿真結(jié)果來預(yù)測旋壓成形精度和缺陷，采取相應(yīng)的控制措施。為有效平衡計算時間成本和預(yù)測可靠性，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)探究更可靠合理的預(yù)測代理模型[53]將是對輪旋壓工藝優(yōu)化中不容忽視的一環(huán)。

圖19 多尺度、多能場耦合變形機制對輪旋壓建模Fig.19 Modeling of counter-roller spinning under multi-scale and multi-energy field coupling deformation mechanism

4.3 數(shù)字化對輪旋壓設(shè)備

設(shè)備作為對輪旋壓工藝的載體和落腳點，是檢驗技術(shù)成熟程度和能否工程應(yīng)用的重要標志。為適應(yīng)大尺寸旋壓件的成形，對輪旋壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)也逐漸從臥式向立式轉(zhuǎn)變。伴隨數(shù)字化技術(shù)和智能制造的不斷興起，工藝專家系統(tǒng)和三維實時在線監(jiān)測技術(shù)的集成應(yīng)用為對輪旋壓設(shè)備的研制提供了新思路。

鑒于工藝專家系統(tǒng)強大的邏輯推理能力，美、法、日等國率先建立了強力旋壓的計算機控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在一定程度上減小了旋壓工藝對加工經(jīng)驗的高度依賴。然而，國內(nèi)的相關(guān)應(yīng)用仍處于概念階段[54]。對輪強力旋壓的時變非線性使得異形筒體的旋壓精確控制更難，因此，應(yīng)充分發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢，開發(fā)基于機器視覺的三維在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時反饋對輪旋壓加工過程中工件的幾何形狀信息，在線自主決策后實時修正加工工藝參數(shù)，不斷更新和豐富工藝專家系統(tǒng)。對輪旋壓產(chǎn)品的智能工藝設(shè)計與智能制造基本框架如圖20所示，工藝專家系統(tǒng)的數(shù)字化智能轉(zhuǎn)換與三維在線視覺檢測的自主決策有利于對輪旋壓設(shè)備的精準調(diào)控。

圖20 對輪旋壓產(chǎn)品智能工藝設(shè)計與智能制造基本框架Fig.20 The basic framework of intelligent process design and intelligent manufacturing for counter-roller spinning products

5 結(jié)論

(1)對輪旋壓技術(shù)在大直徑金屬薄壁筒體的一體成形中有著獨特的優(yōu)越性，但此旋壓技術(shù)的時變非線性使得材料的塑性流動控制難度較大。本文針對對輪旋壓技術(shù)，詳細闡述了塑變機理、精度控制、組織缺陷和對輪旋壓設(shè)備的研究進展。

(2)對輪主動強力柔性旋壓工藝是解決大尺寸高強/超高強度輕質(zhì)合金材料薄壁筒形件成形的一個重要方式。旋輪主動和筒體主動相結(jié)合的方式有效提高了難變形金屬材料的單次減薄率，能解決單源驅(qū)動扭矩大、彈性變形嚴重不足的問題。

(3)對輪旋壓在塑變理論模型、仿真預(yù)測、工藝設(shè)備等方面存在的技術(shù)難點和局限性，限制了其大規(guī)模的工程應(yīng)用，故探尋多尺度和多能場耦合變形機制及其預(yù)測代理模型、智能制造工藝專家系統(tǒng)與三維在線監(jiān)測技術(shù)在對輪旋壓設(shè)備中的集成應(yīng)用，將成為提升對輪旋壓技術(shù)的有效途徑。