薄壁深筒铜零件的旋压工艺研究

李永杰 杨华

摘 要：本文介绍了薄壁深筒铜零件的旋压成型工艺参数，详细分析了影响旋压零件质量的各方面因素，对类似薄壁深筒零件的旋压加工起到了借鉴作用。

关键词：薄壁深筒;旋压;成型工艺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.013

1 旋压成型

旋压成型是将毛坯固定在旋压机的芯模上，由主轴带动芯模和毛坯旋转，依靠主芯模和成型旋轮使毛坯材料产生连续的，逐点的塑形变形，从而获得各种形状的空心旋转体零件。同机械加工比较，旋压成型节约了大量的原材料和加工周期，同冲压成型比较，减少了多次冲压拉伸需要的模具和工序，节约了大量的人力成本和场地成本。同焊接成型比较，旋压成型可消除纵向焊缝，减少环形焊缝，提高了产品质量性能。旋压过程中材料产生晶粒细化，提高了产品的材料性能。由于旋压工艺的先进性，经济性和实用性，不仅在航空、航天等金属精密加工技术领域占有重要地位，而且在化工、机械制造、电子及轻工业等领域也得到了广泛的应用。

2 深筒薄壁零件旋压加工

2.1 深筒薄壁零件介绍

下图1所示零件为薄壁深筒零件，大端直径Φ340，周边1.2°斜度，长为470mm，成型后壁厚为2mm，材料为紫铜。综合了机械加工（材料消耗大、有切屑、须做内模工装、加工时间长）、冲压成型、焊接成型（加工工序多、有焊缝、须焊后处理）、旋压成型等其它加工方法的优缺点后，决定成型工艺使用旋压成型工艺。

2.2 旋压加工

（1）毛坯。1）毛坯材料的要求：毛坯表面不得有划痕，裂纹，锐边和毛刺，毛坯内部不得有隔层、夹渣、裂纹等缺陷。如有上述缺陷，旋压中毛坯表面和内部的缺陷会被放大，出现开裂、内裂现象。另外毛坯在旋压过程中由于塑性变形会产生强大的应力，致使材料硬化严重，所以需要在旋压前对毛坯进行退火处理加以软化，进一步提高它的塑形变形能力。2）毛坯尺寸大小的确认，上图零件材料展开直径约为Φ820，考虑到旋压机床受限，旋压深度大于壁厚的230倍以上，进一步增加了旋压的难度;旋压成型在变形过程遵循体积不变的原则，所以增加材料的厚度同时减小材料的直径，即选择普通旋压与强力旋压相结合的方法进行成型，普通旋压主要是改变坯料的形状，材料壁厚基本不变或改变较少的一种旋压成形过程。强力旋压即在旋压过程中不但改变坯料的形状而且通过坯料厚度的减薄来实现成型。再结合旋压机的工作范围，确定选择直径Φ620厚度8mm的紫铜板作为加工毛坯。

（2）芯模。芯模在运动中承受强大旋压力，对工件变形起到支撑作用，保证了工件的内壁形面，在旋轮的共同作用下迫使材料屈服变形，变形过程中受到较大的摩擦力，因此芯模材料要有较高的强度、刚度和硬度，一般材料选用淬火后回火硬度HRC50以上的工具钢。在旋压时芯模外表面与毛坯内表面紧密贴合，因此芯模外表面粗糙度要低，便于毛坯的流动，芯模的外形尺寸按照工件的内形尺寸来确定，并考虑工件旋压后铜材料回弹量和热缩量0.2-0.3mm。

（3）旋轮。旋轮工作时与毛坯直接接触，承受着巨大的接触压力，剧烈的磨擦和一定的工作温度。旋轮的表面状况（形状尺寸、精度、硬度、粗糙度）和耐热性直接反映到工件的外表面上，因此旋轮材料必须有足够的强度、刚度、硬度和耐热性。旋轮可分为圆弧式、双锥面式、台阶式等形式，旋轮的圆角半径R一般为壁厚的1～3倍，大的圆角半径R可以使变形毛坯的前后重叠部分增加，提高旋压件的表面光洁度，但大的圆角半径R使材料的轴向流动困难，工件起皱，而R过小则会在毛坯表面造成切削现象，产生轨迹状表面，降低表面光洁度。本次旋压旋轮选为圆弧式，圆角半径取R20mm，安装角为20°。

（4）旋压工艺参数的设定。影响旋压成型的工艺参数很多，这些工艺参数的选择直接决定了毛坯在强力旋压时的变形过程，影响着旋压件是否顺利成型，产品质量是否合格。因此合理的选择旋压工艺参数是保证旋压成功的关键步骤。其主要工艺参数有：减薄率、旋压次数、进给比、旋轮圆角半径。

减薄率ε=（t0-tf）/t0。

tf—旋压件的壁厚，t0—毛坯的壁厚。

本次旋压毛坯壁厚为8mm，旋压后的壁厚取2.5mm，根据公式计算出本次旋压的总减薄率ε为68.75%，减薄率越大，则标志着强力旋压的变形程度越大，材料变形愈剧烈，根据总减薄率在50%以下的旋压1次成型，总减薄率在50%～70%的旋压2次成型，总减薄率在70%以上的旋压3～4次成型的工艺积累，本次旋压采用两次进行，两次旋压减薄率的分配，考虑有利于旋压件成型和旋压件质量，在本次旋压第一次减薄率为45%，第二次减薄率为43%，在两次中间增加热处理工序以释放旋压中产生的应力、软化材料组织增加可旋性。

进给比是指芯模旋转一周，旋轮的进给位移量，单位为mm/r，进给比直接影响到旋压件是否能够成型。在满足成型的要求下，进给比尽量取大一些，以提高旋压件的表面质量。本次旋压进给比选择在1～2mm/r。

图2为第一次旋压后半成品和第二次旋压后成品。要旋压出符合设计要求的零件，在旋压过程中碰到的开裂、起皱、鼓包、壁部断裂等缺陷问题，不仅要协调减薄率、进给比、旋轮圆角半径，而且要考虑毛坯表面质量、内部缺陷等材料因素对产品质量的影响，另外芯模、顶杆装置等设备因素也是影响产品质量不可或缺的因素，只有在实际生产中综合考虑，才能选出最合适的工艺参数。

3 结论

旋壓成型技术作为金属回转体加工中新兴的一种特种成型技术，自产生以来，已经做了大量的理论研究工作，应用也日益广泛，但对旋压超薄壁件的研究相对甚少，尚没有形成较为全面、系统、可靠的超薄壁旋压基础理论及质量控制体系给予技术支持。上述深筒薄壁铜零件的旋压成型工艺对类似深筒薄壁零件旋压提供了很好的借鉴作用。在实际加工中，还需要通过不断的试验和积累，才能选出合适的加工方案，旋压加工出合格的产品。

参考文献：

[1]牟少正等.有色技术旋压技术研究现状[J].航天制造技术，2008，8（04）：38-42.

[2]刘建华等.旋压技术基本原理的研究现状与发展趋势[J].重型机械，2002（13）：1-4.

[3]王绍存等.数控旋压成形工艺应用实例[J].金属加工，2013（03）：30-33.