铝合金顶盖旋压工艺及工装设计

朱金华，王  超，潘  勇

  （空军93199部队飞机修理厂，黑龙江五常150223）

摘要：旋压是先进制造技术的重要组成部分，也是应用潜力很大的制造工艺方法。通过对飞机短波天线组成中3 A21-0铝合金顶盖零件的旋压工艺分析，介绍了该零件的旋压工艺计算、工艺参数的确定、工艺装置的设计方法。同时对旋压过程中旋压件缺陷产生原因进行了分析，提出了解决措施，保证了该零件旋压加丁的顺利进行，提高了产品质量。

关键词：普通车床；顶盖零件；旋压工艺；工装设计

中图分类号：TG379；V243.4  文章编号：1007 - 7235( 2016) 02 - 0060 - 05

 旋压成形综合了锻造、挤压、拉深、弯曲及滚压等工艺的特点，是一种先进的、少或无切削塑性成形工艺，该工艺以其能够保持材料表面的流线完整，并使金属晶粒大大细化，从而使零件的强度、硬度、精度显著提高，表面粗糙度值降低，材料的利用率高、工装简单等优点，在航天、航空领域得到了广泛的应用。本文介绍运输五型飞机短波天线组成中铝合金顶盖旋压工艺及工装设计。

1  零件分析

 顶盖是运输五型飞机短波天线组成的重要零件，如图1所示。

 该顶盖零件材料为3A21-O铝合金(防锈铝LF21M)，截面壁厚为1 mm，壁厚差0.05 mm，并且要求内孔精度ɸ15 H10，表面粗糙度Ral.6 μm。该零件生产属于批量生产。

2  工艺分析

 该顶盖零件是由圆柱段、锥形段、加强筋段组成的复合形件，并且加强筋是内翻形。对该零件的加工主要有以下两种方法。

2.1切削加工

 用普通车床采用ɸ65 mm的棒料进行切削加工，其工艺过程为：下料→钻孔→镗内孔ɸ15H10→镗内锥面→车外圆ɸ17 mm→车外锥面→抛光→阳极化。由于该零件壁薄在加工过程中产生振动，表面形成波纹，尺寸精度、粗糙度难易保证，良品率很低，造成很大损失。

2.2旋压加工

 用普通车床进行旋压加工是将坯料固定在用三爪卡盘夹持的芯模上，旋压时芯模和坯料同时旋转，用旋轮加压于坯料，并使旋轮对坯料和芯模作相对运动（即进给运动），使坯料按芯模的形状产生连续局部的塑性变形，获得空心回转制件。

 通过以上分析，根据理论计算该零件的旋压力，设计了两轮法和两模法的多道次拉伸旋压工艺方案。结合现有设备，决定在C618车床上采用旋压成形加工该零件。其工艺过程为：下料→预成形旋压→成形旋压→切边→收边→翻边→抛光→阳极化。旋压原理如图2所示。

3  旋压工艺设计

3.1毛坯设计

 根据顶盖零件要求，旋压件尺寸如图1所示，结合零件成形特点，通过等积法计算（需加出适当的修边余量），在增加6 mm的修边余量后，选用毛坯尺寸ɸ98 mm x1mm的板料。

3.2旋压道次

 采用两轮法和两模法多道次进给逐步完成。在多道次拉伸旋压过程中，必须严格控制旋轮形状及工作圆角半径、旋压成形道次等旋压工艺参数，来实现顶盖零件的旋压加工。

3. 2.1  预成形旋压

 利用预成形芯模，根据等积法原理旋压圆柱段成部分锥形半成品，旋压参数选择要合理，防止厚度减薄，避免缩径旋压时产生裂纹而造成废品。

3.2.2成形旋压

 利用成形芯模，首先根据半成品旋压圆柱段部分，其次旋压锥体部分，再次旋压加强筋部分成圆柱体，成形后用切断刀切去工件的余边即可，但不要切到芯模上。

3.2.3收边旋压

 分别设计加工一套阴模、一套空心分瓣芯模，并配一台阶心轴，阴模内型腔与顶盖零件外形尺寸相配合，分瓣芯模与顶盖零件内锥度相配合，用线切割机分成形状不等的七瓣，按顺序进行打号标记。将阴模用三爪卡盘夹牢，然后把空心分瓣芯模与心轴装入旋压成形件型腔内，并一同装入阴模内，用顶尖压紧，起动车床用旋轮加压把加强筋部分旋压到与车床轴线垂直方向。

3.2.4翻边成形

 取出分瓣芯模，用成形旋压芯模装入旋压顶盖型腔，用车床尾座加力把加强筋翻边成形，一个合格的顶盖零件旋压加工完成。

3.3  旋压工艺参数的确定

 旋压工艺参数的选择直接影响到旋压零件的质量、旋压力的大小和旋压生产的加工效率。确定旋压工艺参数，首先要考虑保证旋压件的质量。由于顶盖零件锥度大、小端直径比为3.7、长径比为3.53、相对高度比为0. 95，属于难易旋压加工件。当芯模转速确定后，锥体部分每个截面的旋压速度（旋轮与旋压件接触点的线速度）都不相同，进给量也在变化。

3. 3.1  芯模转速n

 芯模转速对旋压件的影响主要体现在工件表面质量和生产效率上，适当的转速有利于零件厚度偏差的控制。转速过低，毛坯边缘会起褶皱，增加成形阻力，甚至导致工件破裂；转速过高则材料变薄严重。故在允许的情况下，应尽可能地选择较高的主轴转速。由实践得知，在C618车床上旋压铝板则选定820 r/min转速。

3.3.2旋压速度v

 旋压速度与芯模转速之间存在相互关系，其关系式如下：

v=πDn

式中：

D-------旋压件变形处的直径。

则圆柱段旋压速度

3.3.3进给量s

 旋压进给量影响着工件质量。增大进给量有助于零件的收径和生产效率的提高，但工件表面质量下降。反之则反。

 进给量与芯模转速n、旋压速度V之间存在以下关系：s= v/n

 则圆柱段进给量s= 43. 77/820：0.05  mm/r

 锥度大端进给量s= 162. 21/820：0.20  mm/r

 通过实践，顶盖零件旋压进给量s选为0. 08 mm/r～0.18  mm/r。

4  旋压工装的设计

4.1旋轮的设计

 旋轮是一个关键工装，它对产品壁厚差、表面粗糙度、旋压波纹以及产品性能均有很大影响。

4.1.1  圆角半径R

 旋轮圆角半径主要影响着零件的尺寸精度和表面粗糙度。一般情况，较小的R值有利于旋压零件贴模，但R值过小，会使零件表面质量下降。根据顶盖零件的要求分别选R4、R1的两种旋压轮，参见图3。

4.1.2成形角

 成形角对旋压起关键作用，它不仅影响旋压力的大小及其在不同方向上的分配，而且影响工件的精度和表面质量。成形角较大时，工件贴模好，但材

容易产生隆起；成形角小时，工件贴模差，扩径大。此工艺中取450、600。

4.1.3退出角

 退出角的作用是避免旋轮与工件已旋部分再次接触，影响旋压质量。此工艺中取300、450。

4.1.4旋轮直径

 旋轮直径选得大些，则有利于提高零件表面质量，但作用力略有增加。为使零件厚度容易控制及防止旋轮在旋压中的振动，旋轮的外圆与内孔的同轴度要好，允差0. 005 mm，旋轮工作表面粗糙度Ra0.4μm。此工艺取旋轮直径为ɸ68 mm，内孔直径为多35H7，并与E202轴承外径成过盈配合。

4.1.5旋轮材料

 旋轮在工作过程中，要承受很高的接触压力、剧烈摩擦和由此引起的发热现象。因此，为保证旋轮具有较高的使用寿命，旋轮选用Cr12MoV钢制造，热处理后硬度(56~ 60) HRC。

 通过分析并在生产中经反复修正确定出比较合理的参数，设计出R4、R1两种旋压轮，如图3所示。R4的旋压轮主要用于多道次拉伸旋压，旋压成形都是由它来完成；R1的旋压轮主要用于圆柱与锥度连接处旋压及最后旋压贴模。

4.1.6旋轮的安装

 设计一套旋轮支架，用C618型普通车床安装刀架的心轴作为旋轮支架的转轴，把旋压轮安装在上面，通过杠杆原理用双手实现旋轮的纵向、横向的复合运动，控制纵向、横向进给量，要动作连贯、平稳来完成顶盖零件的旋压工作，如图4所示。

4.2芯模的设计

 芯模的结构一般包括工作和连接两部分。顶盖芯模工作部分的尺寸、表面粗糙度直接决定工件的尺寸、表面粗糙度。芯模借助于其连接部分与车床定位、紧固在一起，并由车床带动做旋转运动。

4.2.1  芯模主要尺寸的确定

 在实际工件中，芯模工作部分尺寸一般取旋压件的内部尺寸，对于该零件圆柱段较长，一次旋压成形报废率太高，所以设计两套芯模来旋压完成该零件。考虑到旋压后的回弹量，成形模锥度按64025'30"制造。

 芯模工作部分直径尺寸精度等级取h8，表面粗糙度值Ra0.8μm。芯模如图5所示。

4.2.2芯模材料的选择

 在旋压过程中，芯模承受很高的压力、强烈的摩擦力和热效应作用，要求芯模必须有足够的强度、硬度、刚度和良好的耐磨性、耐热性，因此一般采用高速钢、合金工具钢和轴承钢等材料制造芯模，并进行强化处理。该零件芯模材料选用Cr12MoV钢，热处理后硬度(56~ 60) HRC。芯模安装后锥面的径向跳动不大于0.02 mm。

4.3收边模的设计

 收边模是顶盖零件加强筋部分收边、内翻边用的专用阴模，收边模的结构包括工作部分和连接部分，工作部分的直径尺寸精度等级取h8，表面粗糙度值Ra0.8 μm。材料选用C45钢，热处理后硬度(35~ 40) HRC。如图6所示。

4.4分瓣模的设计

 分瓣模是内翻边的专用芯模，其形状为圆锥体，用线切割机分成形状不等的七瓣，按顺序进行打号标记，内孔与台阶心轴相配合。工作部分的直径尺寸精度等级取h8，表面粗糙度值Ra1.6μm 。材料选用C45钢，热处理后硬度(35~40) HRC。如图7所示。

5  旋压件缺陷产生的原因及预防措施

5.1圆柱端部裂纹

 1)产生原因：①旋压起始位置不正确；②旋压力振荡，进给量太大，当压下量大时，轴向力增大。

 2)解决措施：①从毛坯中心直径1/3处起旋；②由于零件顶部呈900直角，合理选择旋压参数。

5.2边缘表面褶皱

 1)产生原因：①毛坯在装夹时与芯模不同心；②旋轮控制不稳，有颤动；③压下量过多；④车床径向摆动超差。

 2)解决措施：①毛坯装夹一定要正确；②手握旋轮架要平稳；③合理选择进给量；④车床径向摆动控制在0.01 mm以内。

5.3壁厚变薄

 1)产生原因：①旋轮与芯模的摆差大；②给旋轮施加压力太大；③转速太高，毛坯与旋轮接触次数太多；④进给量太小，产生冷作硬化。

 2)解决措施：①旋轮与芯模的摆差必须控制在0.01mm以内；②手握旋轮架要稳，控制旋压力；③降低转速，改变线速度；④选择合理进给量。

5.4不贴芯模

 1)产生原因：①坯料形状和尺寸不符合正弦律要求；②进给量的变化，间隙增大、零件壁厚增大等。

 2)解决措施：①重新确定坯料的形状、尺寸；②调整进给量，改善旋轮形状，减小旋轮圆角R。

5.5锥角不合格

 1)产生原因：①芯模的锥角不对；②坯料在旋压后回弹。

 2)解决措施：①根据实际测量，确定锥角的回弹量，然后调整芯模的锥角；②调整旋压参数。

5.6表面毛刺、局部变形

 1)产生原因：①材料粘附在旋轮上；②芯模和旋轮表面粗糙度不好；③润滑不良；④毛坯夹有杂质。

 2)解决措施：①提高芯模和旋轮表面粗糙度；②选择适当的润滑剂和润滑量；③检查毛坯质量。

6结束语

 采用旋压工艺生产的顶盖铝合金零件，与切削加工工艺相比，原材料节约96.5%，工时缩短68%，不但保证了零件的尺寸精度要求，同时提高了使用性能，良品率有较大提高，取得了较好的经济效益，满足了飞机生产及修理需要，为保证飞行安全提供了有力支撑。