滚珠旋压成形工艺及研究现状

李岩

（海军驻哈尔滨汽轮机厂有限责任公司军事代表室，哈尔滨 150046）

1 引言

金属旋压成形技术，是指借助旋轮或杆棒等工具，在某个方向上给予工件一定的压力，工件的受力点随着旋轮等工具的旋转由点到线、由线到面，从而使金属材料产生连续的局部塑性变形，并沿着特定方向流动而成形为某一形状的技术［1］。滚珠旋压是在普通旋压成形技术的基础上进行了改进，采用滚珠代替旋轮或杆棒，属于多点局部成形，所需力学载荷小且对称、成形时变形区小且稳定，所得旋压件力学性能好、尺寸精度高、材料利用率高，产品成本低，且设备轻便，所需工装简单，现已成为筒形件、蝶形件等薄壁回转体零件成形的首选工艺［2-3］。

2 滚珠旋压成形概述

2.1 滚珠旋压成形的原理与工装

金属滚珠旋压成形的原理是：利用滚珠对坯料的滚动摩擦力，使得金属材料发生塑性变形。在滚珠的压力作用下，金属坯料沿着流动阻力较小的轴向和径向同时发生变形流动［4］，在此过程中，坯料体积保持不变，进行壁厚减薄和轴向拉长的塑性变形,逐点将坯料加工成所需的空心回转体制件。

图1 反向滚珠旋压工装示意图

图1 给出了一种滚珠旋压成形的工装，该工装由两部分组成，一部分是旋转部件，另一部分是轴向运动部件。旋转部件主要包括支承管、支承圈、圆锥模环和滚珠；轴向运动部件主要包括芯模和工件坯料。旋转部件通过车床主轴的旋转来带动，芯模安装在车床尾顶上，与工件坯料一起沿着轴向运动。调节滚珠与芯模间隙来设定减薄率，从而成形出各种壁厚和直径的工件。

2.2 滚珠旋压成形的工艺参数

影响滚珠旋压成形的主要工艺参数为旋压方式、减薄率、进给比、滚珠工作角等。

（1）旋压方式。旋压方式分为反向旋压和正向旋压两种。反向旋压是指坯料的流动方向与滚珠的运动方向相反，采用这种旋压方式时金属容易产生堆积，使旋压件表面起鳞；正向旋压是指坯料的流动方向与滚珠的运动方向相同，若采用正旋方式，金属向坯料尚未成形的自由端流动时受到的阻力较小，因此金属不会产生堆积，纵向失稳的可能性也较小，所得制件直径精度优于反向旋压。但是正旋方式所得管材长度受芯轴限制［6］。

（2）减薄率。在滚珠旋压成形过程中工件的变形程度用壁厚减薄率来表征。减薄率影响到旋压力的大小、旋压的效率以及旋压精度的好坏。

一般情况下，随着减薄率的增大，金属在轴向流动的阻力增大，当减薄率过大时，金属轴向流动非常困难，就会沿周向堆积，产生隆起，进而在零件上形成喇叭口现象；当减薄率过小时，所需的旋压力较小，变形效率低。具体采用多大的减薄率，还需要在实际生产中不断摸索。

（3）进给比。进给比是指芯模每旋转一周，滚珠沿工件母线的进给量。选取合适的旋压进给比对提高工件质量和生产效率非常有利。进给比不能太小，否则材料会发生弹性变形，使得坯料存在夹层。进给比的增大会提高生产效率，但过大的进给比会降低工件的表面质量［7-8］。所以在保证工件质量的前提下，尽量取大的进给比。

其中，t0为工件初始壁厚值，t为变形后壁厚值，t0-t 即为工件的减薄量。由上式可知，如果减薄量为一恒定值，滚珠直径D只与工作角α 有关。

如果滚珠工作角选择得太小，其压入坯料的深度很小，外层坯料被旋透，而内层坯料仅发生较小的塑性变形，甚至是没有发生塑性变形，导致坯料内外层的塑性变形不均匀。如果滚珠工作角太大，其压入毛坯和零件过渡区的深度会过深，工件壁厚将会偏离正旋率，从而形成粗糙的锉齿形表面。因此选择合适的滚珠工作角对旋压成形至关重要。马文博等人［4］的研究表明,大尺寸薄璧管材滚珠旋压成形时一般取α=16°～26°。

滚珠旋压工艺参数的选取是结合多年的经验积累，进行大量的试验研究，从而进行归纳总结，获得一定的工艺参数范围，再结合实际生产情况进行调试，从而选取合理的工艺参数。

2.3 滚珠旋压成形工艺的特点

（1）所需力学载荷小，变形效率高。在滚珠旋压过程中，滚珠与坯料之间是点接触，接触面积较小，单位压力较大，因而所需力学载荷较小，使得功率消耗大大降低，变形效率大幅度提高。

（2）滚珠旋压能制造出形状多样、尺寸各异的产品,且制件力学性能高。传统的薄壁回转体零件多采用冲压成形，与冲压成形技术相比，滚珠旋压技术能够制造出形状多样、尺寸各异的产品。

在滚珠旋压过程中，滚珠对坯料施加一定的压力后，变形区中的金属晶粒将沿着滑移面错移，滑移面中各滑移层的方向与变形方向一致，因此，金属纤维不会被破坏，能够保持连续性和完整性，从而使旋压制品的强度、硬度、抗拉强度和屈服极限都有所提高。

（3）滚珠旋压制品表面光洁度高、尺寸精度高，生产效率高。滚珠处于一个相对封闭的模腔中，受外界的影响较小，易于获得尺寸精度较高的成形件，且滚珠数目较多，制件表面光洁度和生产效率将大大提高。

（4）滚珠旋压属于多点局部成形，成形区相对来说较小且稳定，能有效防止变薄旋压过程中工件的失稳问题。对于成形尺寸精度高的细长薄壁筒形件优势尤为明显。

（5）工艺方法简单、容易掌握。

（6）材料利用率高、产品成本低。

（7）材质自检效果。在旋压过程中，滚珠对坯料逐点施压，使得坯料近似逐点变形，其中夹渣、气泡、裂纹、砂眼等缺陷就很容易暴露出来。这样，旋压过程也能起到对制件进行自动检验的作用。

（8）工装简单，设备轻便。

3 滚珠旋压成形技术国内外研究现状

1960 年代初，为了解决某些军工产品的成形问题，部分军工科研院所率先开展旋压技术工艺和设备的研究，并进行理论探讨和开发新工艺，例如：北京有色金属研究总院、北京625 所、中国兵器工业第55 研究所、北京航空航天大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学等。国外对旋压技术的研究起步较早，很多国家特别是西班牙、美国、德国、意大利等，旋压技术现已日臻完善，在理论与工艺研究、设备设计与制造、旋压技术应用等方面都有很大的发展。例如，美国旋压设备大型化，工艺水平先进；德国设备种类齐全、标准化，工艺系列化。

滚珠旋压技术作为旋压成形方法的一个分支，已成为国内外学者研究的热点。文献［6］介绍了薄壁不锈钢管滚珠旋压成形试验过程，通过制定合理的工艺过程和最佳的工艺参数，成功旋制出壁厚0.2mm的薄壁不锈钢管。文献［10］开发出一种可以制造小直径薄壁管的滚珠旋压机。文献［11］介绍了应用滚珠旋压技术制造带有深度为0.2mm内微槽的薄壁钢管的工艺过程。文献［12，13，14］研究了带有纵向内筋的薄壁筒形件滚珠旋压成形技术，分析工艺参数对内筋成形性的影响。文献［15］研究了滚珠旋压法成形薄壁筒形件时，工艺参数的选取方法和大致范围。文献［16］研究了滚珠旋压过程中旋压力的计算方法。文献［17］利用Deform-3D 有限元软件进行高温合金薄壁管滚珠旋压成形过程的数值模拟，揭示了薄壁管缺陷产生的原因，分析了不同工艺参数对管材表面波纹、端口喇叭口及扩径等缺陷的影响规律。

4 结语

目前我国有很多科研院所对滚珠旋压成形技术进行了深入的研究，也取得了很大的成就，但是主要停留在试验研究和试验模拟的阶段，使用这种成形加工方法的生产制造厂家较少。因此，在更加深入研究的滚珠旋压理论同时，应尽快地实现科研成果的转化，将现有的研究成果推广应用到实际生产中，以进一步提高和促进我国滚珠旋压技术的跨越式发展。

［1］徐恒秋，樊桂森，张锐，等.旋压设备及工艺技术的应用与发展［J］.新技术新工艺，2007（2）：6-8.

［2］赵云豪，等.旋压技术与应用［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］韩冬，陈辉.温度梯度对TiAl 旋压圆筒件质量的影响［J］.固体火箭技术，1999，22（1）：72-74.

［4］马文博.大尺寸薄璧管材滚珠旋压成形研究［D］.沈阳：沈阳理工大学，2011：7-9.

［5］张艳秋，江树勇，孙金凤，等.薄壁筒形件多道次滚珠旋压成形机理研究［J］.锻压技术.2010，35（2）：55-58.

［6］张士宏，吴江.薄壁不锈钢管滚珠旋压成形工艺研究［J］.锻压技术，2009，34（1）：60-64.

［7］卓国光，韩丽珍.快速变薄拉伸工艺及模具设计计算［J］.模具工业，1986，12（7）：16-21.

［8］冯庆祥.弹性万向对中结构和滚珠旋压可调模具［J］.锻压机械，1982，17（4）：1-5.

［9］刘云厚，刘玉芳.薄壁小锥度细长管件的钢珠旋压技术［J］.锻压技术，1988，13（3）：40-42.

［10］王淼，王忠堂，王本贤，等.进给比对薄壁管滚珠旋压影响的有限元分析［J］.沈阳理工大学学报，2007，26（2）：30-33.

［11］JIANG S Y，REN Z Y.Analsis of mechanics in ball spinning of thin -walled tube ［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，21（1）：25-30

［12］江树勇，顾卫东，李春峰，等.纵向内筋薄壁筒反向滚珠旋压成形机理研究［J］.锻压技术，2008，33（5）：88-91.

［13］JIANG S Y，ZHENG Y F，REN Z Y，et al.Multi-pass spinning of thin -walled tubular part with longititude inner rib［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2009，19（1）：215-221.

［14］江树勇，薛克明，李春峰，等.基于神经元网络的薄壁筒滚珠旋压成形缺陷诊断［J］.锻压技术，2006，31（3）：79-83.

［15］JIANG S Y，REN Z Y，XUE K M，et al.Application of BPANN for prediction of backward ball spinning of thin -walled tubularpart with longitudinal inner ribs［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，196（1-3）：190-196.

［16］李茂盛，康达昌，张士宏，等.滚珠旋压工艺中成形区接触应力的分析计算［J］.材料科学与工艺，2004，12（2）：125-128.

［17］王芳，张宁，等.GH4169 薄壁管滚珠旋压过程的缺陷研究［J］.锻压技术，2010，35（4）：52-55.