薄壁氣瓶旋壓成形工藝研究

張慶旭，鄧春鋒

（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南洛陽471000）

1 引言

隨著經濟的發展，各種不同類型的特殊零部件現模具掉落損壞、人身傷害等安全事故。需要旋壓加工。近些年氣瓶行業發展迅速，熱旋壓技術在氣瓶制造過程中也得到了應用和推廣。熱旋壓成形技術具有材料損失少、成形效率高、成形和表面質量好、外形尺寸誤差小、旋壓一致性好等特點。隨著科技的不斷進步，熱旋壓設備在航空航天、海洋工程領域得到了廣泛應用。尤其是氣瓶縮旋局部變形無芯模旋壓技術在氣瓶制造中得到了長足的發展。

本文著重討論旋壓過程中的關鍵問題及解決辦法，其中重點在旋壓工藝參數的選擇和最終旋壓工藝參數的確定。與常規壁厚氣瓶旋壓相比，薄壁氣瓶旋壓工藝更難確定，故本文主要介紹薄壁氣瓶縮旋局部變形無芯模旋壓工藝參數研究，旨在為薄壁高壓氣瓶熱旋壓提供可靠的依據和經驗。

圖1所示為φ559mm高壓氣瓶旋壓圖，材料為4130X，鋼管壁厚8.3mm。該氣瓶國內傳統的制造方法是將管坯切成統一的長度，采用中頻預加熱后用手工操作的模板式收口熱成形工藝。此成形方法的特點是成形部件的外形輪廓尺寸達不到圖紙設計要求，另外旋壓后制件一致性不好。由于手工控制旋壓收口而導致人為因素造成廢品率較高，浪費較大，所以如果設備和人員條件允許的情況下建議不采用此種旋壓成形方法。

圖1 旋壓圖

我公司吸收國外先進旋壓技術，從國外引進世界最先進全自動數控熱旋壓設備，實現了對不同壁厚（15～35mm）筒形零件局部加熱后作無芯模的收口，由于采用數字化信息進行自動化控制熱旋壓流程，極大地提高了制件的旋壓質量和穩定性，保證了旋壓后氣瓶旋壓段的一致性，同時也提高了生產效率。

本設備全自動工藝流程及工作過程：毛坯上料→夾緊→主軸慢速旋轉→加熱→旋壓加工→主軸?！铝?。旋壓加工過程：旋壓時以旋輪作進給運動，多道次加壓于夾緊在主軸上電動旋轉的毛坯，使其產生連續的局部塑性變形使毛坯口逐漸縮小成形。

設備為3軸聯動旋壓方式，包括擺動、橫向移動和縱向移動。全自動控制旋壓過程，U軸為旋轉運動，運動以角度計量。X軸、Z軸為直線運動。在工藝調試過程中通過隨時調整程序參數，靈活地改變旋輪運動軌跡，從而快速獲得旋壓工藝參數。該設備是為常規壁厚氣瓶旋壓而設計，設備主要參數范圍：旋壓鋼管的直徑范圍為φ470～φ660mm，旋輪直徑為φ500～φ700mm，主軸轉速為100～300轉/min，旋輪圓角半徑為R30～R50mm。

該設備可對常規壁厚（15～35mm）的氣瓶進行旋壓，旋壓后質量無懈可擊，效率也十分高。但是對于設計壁厚在15mm以下的鋼管旋壓時，使用常規旋壓工藝根本無法完成旋壓成形。圖2所示為使用常規旋壓工藝旋壓時在前幾個道次所出現的材料失穩和斷裂現象。故為滿足薄壁氣瓶設計要求，需摸索并確定薄壁氣瓶旋壓成形工藝，此即研究的靈魂。

圖2 常規工藝旋壓材料失穩和斷裂

2 薄壁氣瓶旋壓工藝探索過程中幾個關鍵問題及解決方法

2.1 巧用中頻爐加熱及補熱系統解決熱應區小的問題

熱旋壓成形中溫度是一個很重要的工藝參數，加熱溫度選擇不當就會造成很大的影響。如果溫度過高，材料就會發生再結晶，再結晶使晶粒粗大，材料的纖維組織也隨之變粗，不利于多道次旋壓。如果溫度過低，金屬伸展性差，機床旋壓阻力增大，易造成機床過載報警，而且在瓶嘴處金屬材料積累不夠，內孔尺寸過大。當變形量超過金屬的塑性變形時就會產生裂紋，影響到氣瓶旋壓質量。且由于薄壁鋼管在旋壓過程中溫度散失十分迅速，所以薄壁氣瓶旋壓加熱溫度是一項十分重要的因素。不但要保證中頻加熱到設定溫度不過燒，還要保證旋壓過程中的補熱溫度，避免溫度散失過快造成溫度驟降。

實驗結果的檢測方法有多種，當教材中的檢測方法不能達到預期效果時，可以引導學生思考在其他實驗中有沒有出現過類似的問題，有沒有方法可以借用。例如，在“果汁中的果膠和果膠酶”實驗中，實驗結果需要觀察果汁的澄清度。平時的實驗中，學生一般用肉眼觀察，各個試管中的果汁澄清度差異很不明顯。這時，教師可以啟發學生聯想到：在“亞硝酸鹽的測定”實驗中曾經使用過分光光度計來測量吸光度從而推測亞硝酸鹽的含量，若在本實驗中也使用分光光度計來定量檢測，將定性試驗改為定量試驗，就可以明確地比較出不同實驗組中的果汁澄清度差異。

為了減小旋壓時鋼管的變形抗力，能夠進行大變形量的旋壓成形，必須控制好加熱溫度。將鋼管置于多圈環形中頻感應器內加熱到1，150±50℃。由于設備配置的是加熱常規壁厚鋼管的中頻感應器，熱感應區長度只有350mm，利用此感應器加熱薄壁鋼管時就要超出中頻爐的感應區50～100mm。在不改變中頻加熱的方式，同時不增加任何工裝和經濟成本的前提下大膽嘗試，讓鋼管超出中頻爐熱感應區50～100mm，使鋼管在中頻爐內以5轉/min的速度慢速轉動，保證均勻加熱，當加熱溫度達到1，150±50℃后退出，然后調整補熱系統的位置和流量，利用兩把大流量補熱噴槍對超出熱感應區的鋼管端部進行加熱，同時使用便攜式紅外測溫儀檢測補熱溫度，當補熱溫度達到1，150±50℃后進行旋壓。如圖3所示。

圖3 旋壓機加熱及補熱系統示意圖

由于補熱噴槍數量少，同時又被鋼管端部補熱區分去兩把，這就增加了補熱的難度。通過觀察發現，中頻爐加熱時熱應區中間部位的溫度明顯高于兩端的溫度，在旋壓的過程中中間部位溫度降低相對緩慢，所以中間區域可以減少補熱噴槍的分配，用旋輪座上的兩把小功率補熱噴槍即可達到補熱效果。這樣就可以把另外兩把補熱噴槍全都分配在鋼管加熱區和未加熱的區域上，解決此位置溫度散失過快，很好的控制了此位置的溫度。經過多次試驗，最終確定4把補熱噴槍的最佳補熱位置和最佳流量參數值，解決了中頻爐熱應區小的限制問題。

2.2 旋壓工藝參數的確定

2.2.1 主軸轉速的確定

正常的旋壓薄壁氣瓶的旋壓機主軸轉速通常設定在500～1，000轉/min，解決低轉速的設備旋壓效率低，溫度散失快，很難完成薄壁旋壓的問題。針對現有設備主軸轉速最高只有300轉/min的現狀，從旋壓效率角度考慮把主軸轉速盡可能設置高一些，提高旋壓效率，節省旋壓時間，減少旋壓過程中鋼管溫度散失，以達到提高氣瓶旋壓質量的效果。根據常規壁厚轉速經驗，φ559mm型氣瓶旋壓時線速度不要超過500m/min。綜合以上兩個因素考慮，根據公式Vc=πDn/1，000推導出主軸轉速n=280轉/min，所以在程序中暫時設定主軸轉速為280轉/min。但是在實際試驗過程中發現，由于鋼管伸出主軸長度較長，在旋壓時鋼管的端部出現了嚴重的跳動現象，跳動頻率大引起旋壓機震動，進而導致旋壓時瓶嘴外徑上出現振動波紋，影響瓶嘴尺寸和質量。所以280轉/min設置的偏高，猜想與實際不吻合。為了去除各因素之間的干擾問題，僅改變一個變量因素，排除多因素相互制約的干擾。在其他控制條件都不改變的情況下，僅改變主軸轉速，把主軸轉速降低再次試驗。根據常規壁厚的旋壓經驗，主軸轉速一定不能設置過低，必須大于230轉/min，故調整成260轉/min，再次試驗發現仍然有些震動，但震動明顯降低（見表1）。為了再次降低震動，繼續調低主軸轉速為250轉/min，發現此時震動微弱。

表1 不同主軸轉速旋壓效果及采用情況

經過多次試驗發現，當主軸轉速在240～250轉/min范圍內設備震動微弱，此時效率相對較快。所以最終把收口道次主軸轉速設定為250轉/min，成形道次主軸轉速設定為240轉/min，根據旋壓過程微調。這種高低轉速配合使用的方法不但解決了設備主軸轉速低的限制因素，還解決了設備振動的難題。同時，還總結出一個規律：旋壓機主軸轉速越高，則旋壓成形力越小，對制件的旋壓收口越有利；主軸的轉速太低，則旋壓成形力較大，導致旋壓制件的精度變差，同時容易引起機床的振動。

2.2.2 吃刀量和進給量的確定

常規壁厚氣瓶旋壓時為了提高旋壓效率采用的是大吃刀量（20～30mm）和大進給量（10～15mm/轉）的方法，因大壁厚大吃刀量編程時機床未出現過載報警，薄壁氣瓶初期則根據材料體積不變的原則，編輯更大的吃刀量和進給量。實際旋壓后發現當吃刀量、進給量加大后旋壓前幾個道次就會出現失穩的現象，即鋼管端部出現不規則的振紋花邊。

分析原因主要是由于吃刀量大，造成旋輪前材料堆積，以及進給量過大，金屬材料變形量太大，積累的材料來不及隨著旋輪的運動軌跡延展，所以就造成了材料的堆積，最終造成失穩的問題（見圖4）。

圖4 鋼管端部失穩

經過多次實際旋壓后最終確定出合適的吃刀量和進給量相配合的參數，對φ559mm型薄壁氣瓶旋壓時采用3～10mm的吃刀量和3～8mm/轉的進給量。第一道次壓下角為28°，吃刀量為10mm，進給量為8mm/轉；第二道次壓下角為32°，吃刀量10mm，進給量為7.6mm/轉。按照這樣的規律逐漸調整減小，直至調整出吃刀量和進給量相匹配的合理參數（見表2）。

表2 第一道次不同吃刀量、進給量旋壓情況

經過反復實際旋壓試驗，不斷修改旋壓參數和軌跡參數，最終確定出合適的旋壓參數。同時也總結出以下幾點經驗：

（1）縮口旋壓時，當薄壁筒坯變形抗力低而易變形失穩時，旋輪每道次軸向進給量不宜過大，應采用小變形多道次的成形工藝。

（2）在收口工藝中，應該特別注意旋壓參數的選擇，過大的進給量容易引起毛坯失穩和旋輪前的材料堆積。

（3）薄壁旋壓從第一個道次開始旋輪的進給量及壓下角越小越好。如果剛開始道次的進給量過大，金屬變形量太大，容易導致管坯褶皺，甚至出現旋壓時鋼管失穩現象（從鋼管的剖面看，管坯由圓形變成多邊形，而且每個邊不是規則變化）。

2.2.3 道次的確定

旋壓道次的確定目前還沒有統一的理論計算方法，需要通過多次試驗進行確定。旋壓道次與鋼管直徑、鋼管壁厚、氣瓶瓶嘴外徑、氣瓶瓶嘴長度及所用的鋼管材料等因素有關。

多道次旋壓中，旋輪道次軌跡的確定是一大難題，如何選擇合理的旋壓道次、軌跡，如何實現所選擇的道次軌跡要涉及到多種因素。根據以往常規壁厚的氣瓶旋壓經驗，反推旋輪成形角α（見圖5），經驗公式α=[arcsin（d/D）+10°]

圖5 旋壓成形角示意圖

說明：此經驗公式僅適用于4130X材料的半球形氣瓶旋壓。利用經驗公式推導出薄壁氣瓶旋壓時的成形角，再根據實際旋壓后瓶嘴外徑尺寸對成形角加以調整。

收口道次完全沒有經驗公式可以參考，只能通過實際旋壓來決定需要幾個道次。而成形道次可以參考成形角的大小，通常分5～7道次完成成形。實際旋壓薄壁氣瓶時發現，常規壁厚的經驗僅能作為一種參考，薄壁氣瓶旋壓時需要更多的道次，才能在成形道次時不出現常規缺陷，如：失穩、翻起、螺旋振紋、裂紋等等。本次薄壁氣瓶旋壓使用13個道次收口，使用6個道次成形。吃刀量和進給量適當調整，參數設定在范圍內。最后一個精整道次，為了達到較高的表面光潔度，最后一個道次的吃刀量和進給量都是設置最低。

3 結論

通過以上步驟的實際旋壓試驗探索出了薄壁氣瓶縮口旋壓的工藝參數。同時也得出了旋壓成形的重要相關因素，在此做一個總結。

（1）薄壁旋壓時主軸轉速可以在240～250轉/min范圍內參考。

（2）薄壁旋壓時采用3～10mm的吃刀量和3～8mm/轉的進給量。

（3）薄壁旋壓可采用多道次，收口道次在10～15個道次；成形道次在5～10個道次。

（4）薄壁旋壓成功與否的一個重要因素就是溫度，此溫度包括加熱溫度和補熱溫度。

（5）旋壓成形過程中出現的缺陷，包括：材料失穩、起皮、螺旋振紋、旋輪前積料、粘結、瓶嘴喇叭口、設備振動等，都是由于旋壓工藝參數選擇不合理導致的。

（6）旋壓工藝參數范圍比較廣泛，通過以上實際探索得出相應結論。薄壁鋼管旋壓工藝參數的確定主要從溫度、主軸轉速、吃刀量、進給比、道次和軌跡參數方面確定。當這些參數選擇合理時就可以旋壓出滿足設計要求的制件。