基于球形旋轮的锥形件无模旋压成形极限工艺

Forming limit process of conical parts in dieless spinning based on spherical roller

摘要

为了研究主要工艺参数对基于球形旋轮的锥形件无模旋压成形极限的影响规律，通过球形旋轮锥形件旋压成形试验，开展旋压件半锥角、旋轮进给速率、板料初始直径、旋轮半径4个主要工艺参数对旋压件成形极限的影响规律研究。结果表明，旋压件半锥角减小导致旋轮在板料轴向的进给增大，以及板料与旋轮的接触面积增大，旋压件易出现起皱或开裂现象。此外，旋压件半锥角减小会使芯轴圆角处板料的弯曲程度增大，旋压件也易出现开裂现象。旋轮进给速率增加使板料与旋轮之间的接触面积增大，旋压件易出现起皱现象，旋轮进给速率减小，旋轮对板料的成形时间延长，旋压件易出现开裂现象。增加板料的初始直径会使板料径向所受拉应力的时间增加，导致旋压件在顶面圆角处易出现开裂现象，而旋压件半锥角减小导致板料的变形增大，旋压件法兰的起皱风险增加，导致旋压件法兰易出现起皱现象。半径较小的旋轮在成形时板料径向拉应力的持续时间较长，导致旋压件易出现开裂现象；半径较大的旋轮在旋压成形末期板料所受的周向压应力增大且持续时间较长，导致旋压件外缘易出现起皱现象。

Abstract

In order to study the influence law of main process parameters on forming limit of conical parts in dieless spinning based on spherical roller， the influence of four main process parameters， such as spinning part half-cone angle， feed rate of the spinning roller， initial diameter of the sheet metal and roller radius， on the forming limit of the spinning part was studied through the spinning forming experiment of the conical part with spherical roller. The results show that the decrease of the half-cone angle of the spinning part leads to the increase of the feed of the spinning roller in the axial direction of the sheet material and the increase of the contact area between the sheet material and the spinning part roller. The spinning part is prone to wrinkles or cracking. In addition， the decrease of the half-cone angle of the spinning part will increase the bending degree of the sheet material at the round corner of the mandrel， and the spinning part is prone to crack. The contact area between the sheet and the roller increases with increasing the feed rate of the roller. The spinning part is prone to appear wrinkle. When the feed rate of the roller decreases， the forming time of the roller to the sheet is prolonged， and the spinning part is prone to appear crack. The increase of the initial diameter of the sheet metal increases the time of the tensile stress on the radial direction of the sheet metal， which leads to the cracking of the spinning part at the top fillet. While the decrease of the half-cone angle of the spinning part leads to the increase of the deformation of the sheet metal and the risk of wrinkling of the part flange. The flange of the part is more likely to wrinkle. The radial tensile stress of the sheet metal with a smaller radius is longer in duration during forming， which leads to cracking of spinning parts more easily. The circumferential compressive stress of the sheet metal with a larger radius increases and lasts longer in duration at the end of spinning forming， resulting in the outer edges of the spinning parts being prone to wrinkles.

Graphical abstract

关键词

旋压成形 / 球形旋轮 / 锥形件 / 无模旋压 / 成形极限

Key words

spinning forming / spherical roller / conical parts / dieless spinning / forming limit

随着航空航天产业的迅速发展，旋压技术因其设备简单、产品质量高，以及易实现产品轻量化、整体化和形状复杂化等一系列优点在航空航天制造领域被广泛应用。该技术在成形壁薄、质轻、高强度、高精度且具有良好的抗疲劳性能的回转体零部件方面，其工艺优势不可替代^［1-2］。同时，作为金属塑性加工技术，无模旋压工艺不需要与目标件形状相对应的芯模^［3］，凭借着制造成本低、可生产零件形状灵活的特点，逐渐成为旋压技术的研究热点。锥形件作为一种典型的薄壁回转体零件，与传统成形技术相比，具有更为显著的优势，尤其是可以提高材料的力学性能，这也使其在航空航天领域有着广泛的应用^［4］。

国内外学者对锥形件的旋压成形技术进行了大量的研究。Kim等^［5-6］对锥形件剪切旋压的成形过程及力学性能进行研究，结果表明，理论模型能够较为准确地预测剪切旋压过程中成形力及力学性能的变化规律，与试验结果相吻合。夏琴香等^［7-8］通过试验对锥形件柔性旋压成形进行研究，分析了锥形件柔性旋压时出现质量问题的主要原因，结果表明，在柔性旋压工艺中，除了工件壁厚分布偏离正弦律外还存在着起皱、法兰前倾及直径不足等成形质量缺陷。Han等^［9-10］研究了无模旋压锥形件的厚度分布，为了控制壁厚变化，提出了一种基于旋轮轨迹的离散性方法。Yan等^［11］研究了锥形件无模旋压的成形状态的判据和工艺依赖性，结果表明，在无模旋压过程中成形零件的壁厚会发生变化且主要取决于板料和芯模的直径。此外，Yan等^［12］针对无模旋压工艺参数的时变成形规律，提出了一种新的动态方法和系统，分析了工艺参数对壁厚和法兰起皱的时变影响。但现有的研究多为常规旋轮的无芯模旋压成形，这种成形方式制造的零件壁厚不易控制，成形零件易产生缺陷^［13-14］。

为了改善这一问题，选择球形旋轮进行无芯模旋压成形，球形旋轮可以有效地抑制壁厚减薄，提高成形零件的产品质量。

1 基于球形旋轮的锥形件成形工艺

基于球形旋轮的锥形件无模旋压成形工艺原理如图1a所示。将圆形金属板料通过尾顶固定在通用芯模上，通用芯模安装在旋压机床的主轴，成形时由主轴带动通用芯模和板料旋转，旋轮的进给对材料施加压力，使板料产生连续的塑性变形进而获得成形零件，板料的成形形状完全由旋轮轨迹决定。在基于球形旋轮的旋压工艺中，通过使用球形旋轮可以有效地抑制板料壁厚减薄，防止板料在成形过程中产生缺陷。本试验选取3种不同半径的球形旋轮，但运动的轨迹是一致的，与其半径无关。在计算球形旋轮的轨迹时，选取旋轮球心为参考点，参考点到球形旋轮表面任意一点的距离都是恒定的，即为旋轮半径。对于基于球形旋轮成形的锥形件，其半锥角大小恒定，旋轮沿着零件运动的轨迹为一条直线，如图1b所示。在旋压开始时，计算球形旋轮球心位置的方程^［15］如式（1）、（2）所示。

X_{\mathrm{c}\mathrm{s}}=(R+t_{\mathrm{0}}+r)\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\frac{\beta }{\mathrm{2}}+\frac{D_{\mathrm{0}}}{\mathrm{2}}-r（1）

Z_{\mathrm{c}\mathrm{s}}=-(t_{\mathrm{0}}+R)（2）

式中：X_cs、Z_cs为旋轮球心起始点坐标。

随着旋压的结束，其旋轮球心位置的方程^［15］如式（3）、（4）所示。

X_{\mathrm{c}\mathrm{e}}=\frac{D_{\mathrm{0}}}{\mathrm{2}}-r+(r+t_{\mathrm{0}})\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta +L\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha +R\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta（3）

Z_{\mathrm{c}\mathrm{e}}=r-(r+t_{\mathrm{0}})\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta +L\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -R\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta（4）

式中：X_ce、Z_ce为旋轮球心终止坐标；R为球形旋轮的半径，单位为mm；t_{\mathrm{0}}为板料的初始厚度，单位为mm；r为芯模轴肩处的圆角半径，单位为mm；\beta为旋轮轴线与旋轮球心到球面和板料相切点连线之间的夹角，单位为°；D_{\mathrm{0}}为芯模直径，单位为mm；\alpha为成形零件的半锥角，单位为°；L为锥形件成形结束后其母线的预期长度，单位为mm。

2 锥形件成形极限试验

2.1 试验材料

试验所选用板料的材料为铝合金6061-O，该材料具有良好的可塑性和可机加工性，在退火后仍能保持较好的操作性。试验材料的真实应力与应变间关系可以通过σ=Kεⁿ 表示，其性能具体参数来自文献［16］，如表1所示。由于本试验主要研究基于球形旋轮锥形件的成形极限，所以可忽略材料的各向异性问题。

2.2 试验设备

试验采用的设备为PS-CNCSXY600-5型数控旋压机，如图2a所示。该旋压机采用SIEMENS-SINUMERIK-840D-SL数控系统，能够精确地协调主轴与球形旋轮的运动。主轴通过一台输出功率11 kW的伺服电机控制运转，旋轮的轴向与径向运动则通过两台伺服电机控制，该旋压机的定位精度为0.02 mm。在旋压设备中，球形旋轮、板料与芯模的装配如图2b所示。

基于试验设备所选取的球形旋轮装置如图2c所示。本试验选取的球形旋轮为一个球冠体，旋轮的底面通过螺栓与连杆机构相连接。连杆穿过刀杆上的特定固定孔，且连杆上配有一对推力轴承，这些推力轴承使得连杆和旋轮能够围绕自转轴旋转。连杆的末端设有螺纹，通过紧固螺母可以将旋轮及其连杆机构稳固地安装在刀杆上。这种设计有助于在试验过程中更加便捷地更换不同规格的球形旋轮。

2.3 试验方案

目前研究发现，起皱和开裂是锥形件在旋压成形过程中出现的典型成形缺陷。使用常规旋轮进行旋压成形的锥形件中，出现开裂主要是由于在旋压过程中凸缘部分越来越小，使得已成形区附加很大的拉伸拉应变，其拉应变使旋压件壁部出现过度减薄，当超过材料的成形极限就会出现开裂。同时，过度减薄也与旋轮进给速率等工艺参数有关，减薄率过大会导致旋轮前方金属严重堆积，进而导致成形锥形件表面起皱 ^［17］。然而，使用球形旋轮进行旋压成形的锥形件，通过改变球形旋轮的半径可以有效地抑制锥形件壁厚减薄，但由于成形过程中使用了球形旋轮，旋轮与板料之间存在较大的接触面积，板料径向受到较大的拉应力作用，导致成形的锥形件在其顶面圆角处容易出现开裂现象。同时，成形过程中旋轮顶部附近的板料变形程度最大且旋轮顶部附近的板料受到较大的周向压应力影响，这些都会导致球形旋轮成形锥形件的法兰出现起皱现象。

根据上述成形缺陷机理分析及球形旋轮锥形件成形工艺特点，在成形过程中旋压件半锥角、旋轮进给速率、板料初始直径、旋轮半径4个工艺参数对锥形件的成形质量有着显著的影响。本试验通过观察旋压件的成形状态作为成形极限的评价指标，使用单因素试验方法，通过相对较少的试验次数来完成试验方案。使用单因素的试验方法控制参数变化，每次只选择一个工艺参数作为旋压件成形极限的影响因素，其他工艺参数不变，以此来观察这一工艺参数对旋压成形的锥形件成形极限的影响。

试验中分别对旋压件半锥角与旋轮进给率、板料初始直径、球形旋轮半径进行了3组成形极限试验，其中球形旋轮半径依据生产经验设置^［15］，其余工艺参数根据所选球形旋轮尺寸进行相应配置，成形极限试验工艺参数如表2所示。

采用表2的试验工艺参数对锥形件进行成形极限试验，共成形了25个锥形件，如图3所示。从图3可以看出，成形零件产生的主要成形缺陷为起皱和破裂。通过观察发现部分锥形件顶端发生明显开裂现象，严重的甚至出现顶端脱落，如工况A、C、P、Q、S、T；部分锥形件表面出现明显起皱现象，其边缘扭曲、整体成形不对称，如工况E、H、O、V、W、S；部分锥形件成形成功，其表面质量良好，未出现破裂现象，边缘规则且未发生褶皱，如工况B、D、F、G、R、U、Y。

3 试验结果分析

3.1 主要工艺参数对成形极限的影响规律

3.1.1 不同旋轮进给速率与旋压件半锥角的旋压成形极限

在固定球形旋轮半径（选择中间值60 mm）及板料初始直径条件下，不同旋轮进给速率与旋压件半锥角的成形极限试验的工艺参数如表3所示。

图4为不同旋轮进给速率与旋压件半锥角的旋压成形极限图。随着旋压件半锥角的减小，旋压件更容易出现起皱或开裂现象。起皱现象的出现是由于旋压件的半锥角减小导致旋轮在板料轴向的进给增大，从而使得旋轮顶部板料的变形程度增加，当法兰无法维持板料的稳定时，旋压件就会出现起皱。旋压件出现开裂的原因是随着旋压件半锥角的减小，板料与旋轮的接触面积增大，导致板料径向所受的拉应力有所增加。此外，旋压件半锥角的减小也意味着芯轴圆角处板料的弯曲程度增大，这使得该处板料受拉变薄情况更为严重，最终导致旋压件出现开裂。

旋轮的进给速率对旋压件成形极限的影响同样显著。随着旋轮进给速率增大，旋压件更容易出现起皱现象。这是因为旋轮进给速率的增加使得板料与旋轮之间的接触面积增大，进而导致板料的变形加剧，在接触面附近板料的弯曲与反弯曲状态变得更加频繁，从而使得旋压件更容易出现起皱现象。相反，当旋轮进给速率减小时，旋轮对板料的成形时间延长，板料径向所受的拉应力持续时间增加，芯轴圆角处的板料由于长时间受到拉应力作用而变薄情况更加严重，最终导致旋压件出现开裂现象。

3.1.2 不同板料初始直径与旋压件半锥角的旋压成形极限

在固定球形旋轮半径及其进给速率条件下，不同板料初始直径与旋压件半锥角的成形极限试验的工艺参数如表4所示。

图5为不同板料初始直径与旋压件半锥角的旋压成形极限图。随着板料初始直径的增大，旋压件更容易出现起皱或开裂现象。增大板料的初始直径使得旋压中期的持续时间延长，而旋压中期又是旋轮与板料接触面积最大的阶段，板料所承受的径向拉应力处于较大值。因此，当旋压件半锥角增大时，旋压件法兰的起皱风险相对较低，延长旋压中期的时间导致板料径向所受较大拉应力的时间增加，最终导致旋压件在顶面圆角处出现开裂现象。然而，当旋压件半锥角减小时，旋轮在轴向的进给增加，这导致板料的变形增大，旋压件法兰的起皱风险增加，最终导致旋压件法兰率先出现起皱现象。

3.1.3 不同旋轮半径与旋压件半锥角的旋压成形极限

在固定旋压进给速率与板料初始直径的条件下，不同旋轮半径与旋压件半锥角的成形极限试验的工艺参数如表5所示。

图6为不同旋轮半径与旋压件半锥角的旋压成形极限图。半径较小的旋轮成形旋压件更易发生开裂现象，半径较大的旋轮成形旋压件更易出现起皱现象。当成形板料的直径相同时，半径较小的旋轮在旋压初期和末期的持续时间较短，旋压中期的持续时间较长。由于旋压中期的持续时间较长，板料径向拉应力的持续时间较长，最终会导致旋压件更易开裂。然而，半径较大的旋轮则是旋压初期和旋压末期的持续时间较长，旋压中期的持续时间较短，其在成形时虽然与板料的接触面积较大，板料所受的径向拉应力更大。但是，由于旋压中期的持续时间较短，到旋压末期后板料所受的径向拉应力又有所下降，所以芯轴圆角处的板料不会严重减薄。到旋压末期后，板料所受的周向压应力有所增大，半径较大的旋轮旋压末期的持续时间又相对较长，这导致旋压件外缘易出现起皱现象。

3.2 主要工艺参数间的影响权重与质量的关系

通过分析成形极限试验数据，总结出不同工艺参数情况下锥形件旋压成形的成功概率，如表6所示。从表6可以看出，板料初始直径是锥形件成形质量的核心影响因素，随着板料初始直径的增加，旋压件出现明显的起皱或开裂现象，尤其是在低半锥角的情况下，板料初始直径对成形质量的影响更为明显，所以该工艺参数的影响权重最大。旋压件半锥角的影响次之，当半锥角≥35°时，旋压件成功概率显著提升；而半锥角<35°时，则更容易出现开裂或起皱，尤其是当半锥角<30°时，仅有一个旋压件未发生缺陷，并且其与板料初始直径存在较强的相互作用，直径越大，半锥角的下限越高。旋轮进给速率的影响相对较小，当旋轮进给速率为0.1时易出现起皱，进给速率为1.0时易出现开裂，其余速率成形比较稳定，所以该工艺参数的影响权重相对较小。球形旋轮半径的影响最小，当半锥角<35°时，球形旋轮半径过小易引起开裂，而半径过大则易引起起皱；当半锥角≥35°时，无论球形旋轮半径取何值，旋压件都不会发生起皱或破裂，所以该工艺参数的影响权重最小。

根据上述分析可知，板料初始直径和旋压件半锥角是锥形件成形质量的主要影响因素，旋轮进给速率和球形旋轮半径影响相对较小。

4 结论

本文针对基于球形旋轮的锥形件无模旋压成形极限工艺进行研究，通过对不同工艺参数的锥形件进行成形极限试验，分析得出了主要工艺参数对成形极限的影响规律，主要结论如下：

1）减小旋压件半锥角容易导致旋压件出现起皱和开裂现象。

2）旋轮进给速率增大会导致旋压件更易出现起皱现象； 而旋轮进给速率减小会导致旋压件更易出现开裂现象。

3）增大板料的初始直径会导致板料更容易出现开裂和起皱现象。

4）球形旋轮半径较小时，旋压件在成形过程中更易发生开裂现象；球形旋轮半径较大时，则更容易产生起皱现象。

5）不同工艺参数的影响顺序由大到小为板料初始直径、旋压件半锥角、旋轮进给速率、球形旋轮半径。

本文研究了主要工艺参数对成形极限的影响规律，但忽略了在成形过程中材料属性和回弹对试验结果的影响，而这两者在实际成形过程中对旋压件的成形质量具有潜在的影响。在今后的试验中，通过分析延伸率等材料属性与成形的关系和建立回弹数学模型可以得到两者对成形极限的影响，完善不同因素对锥形件成形极限的影响规律。

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基金资助

国家自然科学基金(52275355)

辽宁省教育厅面上项目(JYTMS20230252)

辽宁省属本科高校基本科研业务费专项资金资助项目(LJ212410143083)