李維壯,張德真,李曉燕,曾 光,許鐿巍,趙春江

(1.太原科技大學(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原 030024；2.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；3.武警北京市總隊(duì)參謀部，北京 100027)

0 前言

滾珠旋壓是一種利用滾珠對(duì)管坯進(jìn)行擠壓的旋壓工藝。作為一種特種加工工藝，其工藝特點(diǎn)在于連續(xù)塑性成形，變形面積小，所需旋壓力低，且使用設(shè)備易操作、不容易損耗[1]。對(duì)常規(guī)工件加工時(shí)，可對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，就可加工制造小直徑薄壁管。因此在精密制造行業(yè)，應(yīng)用前景十分廣泛，許多專家學(xué)者都對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了一定的探索與研究。但目前，加工大尺寸薄壁管類零件的設(shè)備仍然較少，而且在滾珠旋壓過程中，工件與設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、工藝參數(shù)的選擇、成形件質(zhì)量控制等方面的研究皆存在一定的短板。

滾珠旋壓主要加工變形難度高的金屬材料,而鎂合金在室溫下不易變形，且在各工業(yè)領(lǐng)域中對(duì)變形鎂合金的需求很大，故滾珠旋壓工藝是加工鎂合金的不錯(cuò)選擇。例如，采用大直徑薄壁管旋壓后沿母線剪切展開的方法，來生產(chǎn)鎂合金薄板，這樣可避免傳統(tǒng)制造工藝中的邊裂現(xiàn)象。在美國、歐洲等國家，已用該方法獲得金屬薄帶。

本文主要介紹了滾珠旋壓的成形原理、特征及常見的滾珠旋壓設(shè)備，并闡述了鎂合金在滾珠旋壓上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展前景。

1 滾珠旋壓的成形原理及特征

圖1為正旋滾珠旋壓示意圖。由于管件受到滾珠的擠壓，在變形部位產(chǎn)生了旋壓力。滾珠在模環(huán)內(nèi)不停的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，同時(shí)芯軸朝模環(huán)方向運(yùn)動(dòng)，從而管件實(shí)現(xiàn)連續(xù)變形[1]。

在滾珠旋壓過程中，因?yàn)樽冃螀^(qū)的變形較小，管坯在旋壓變形過程中受到的作用載荷較小，且反旋變形區(qū)在壓縮變形狀態(tài)下呈三個(gè)方向變形，所以滾珠旋壓時(shí)管坯很少發(fā)生滑動(dòng)摩擦。滾珠旋壓工藝與旋輪旋壓工藝相比，在加工時(shí)旋轉(zhuǎn)軸線是固定不變的[2]。在旋壓過程中，滾珠既可以實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)又可以實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)，所以管坯表面光潔度高，通過此方法生產(chǎn)得到的管件結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)固。此外，管件在加工過程中受到的旋壓力是均勻的，這是因?yàn)闈L珠在模環(huán)內(nèi)呈陣列分布，所以在一定程度上管件減小了擴(kuò)徑現(xiàn)象，保證了穩(wěn)定旋壓，能得到質(zhì)量高的管件。

滾珠旋壓制造的管件直徑通常2～200 mm之間，經(jīng)加工后管件壁厚在0.04～1.5 mm之間，整體減薄率可達(dá)90%以上。滾珠旋壓多用于加工變形難度大，熔點(diǎn)較高的金屬材料。因?yàn)樵摴に囍圃爝^程所用時(shí)間較少，生產(chǎn)的零件精度較高，加工生產(chǎn)中不產(chǎn)生廢料，所以材料利用率高，產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度較高，生產(chǎn)的管件長(zhǎng)度可達(dá)原管坯的1.2～1.5倍。傳統(tǒng)制造技術(shù)已經(jīng)不能滿足零件塑性能力欠佳、但精度要求較高的加工，旋壓工藝往往能很好的解決這類問題。

2 滾珠旋壓技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 旋壓機(jī)組及大型裝備的研究現(xiàn)狀

由于滾珠旋壓的模環(huán)機(jī)械結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，便于加工，且一般機(jī)床經(jīng)過簡(jiǎn)單改造，就可用于加工制造。因此，與傳統(tǒng)旋壓機(jī)床相比，制造一臺(tái)滾珠旋壓機(jī)床的費(fèi)用較低，可用來大規(guī)模生產(chǎn)[3]。滾珠旋壓機(jī)床一般情況下，可劃分兩種形式：臥式滾珠旋壓機(jī)，如圖2所示；立式滾珠旋壓機(jī)，如圖3所示。

圖2 臥式滾珠旋壓機(jī)

圖3 立式滾珠旋壓機(jī)

立式滾珠旋壓機(jī)的構(gòu)件一般是三梁四柱形，其具有良好的剛度，加工過程中不易產(chǎn)生振動(dòng)。常見的有：型號(hào)為GX-85的立式旋壓機(jī)和型號(hào)為XY15-110的立式滾珠旋壓機(jī)等[4]。為減少工業(yè)制造成本，一般生產(chǎn)規(guī)格較小的零件時(shí)，把臥式機(jī)床經(jīng)過簡(jiǎn)單改裝就可用來加工生產(chǎn)。相比與立式旋壓機(jī)床，臥式滾珠旋壓機(jī)床不易安裝滾珠。常見的臥式滾珠旋壓機(jī)有型號(hào)為RF-30的旋壓機(jī)和型號(hào)為L(zhǎng)XC40-150的旋壓拉拔機(jī)[5]。

在設(shè)備的研發(fā)與改進(jìn)方面,C.Sakaisha[6]提出了一種用滾珠旋壓工藝形成管道內(nèi)螺紋的設(shè)備。我國的第一臺(tái)數(shù)控旋壓設(shè)備誕生于20世紀(jì)80年代；張士宏等人[7]研究了型號(hào)為CNC的數(shù)控滾珠旋壓機(jī),該旋壓機(jī)能夠自動(dòng)移動(dòng)滾珠，使?jié)L珠能到達(dá)指定位置，方便加工制造；趙春江等[8]在現(xiàn)有技術(shù)機(jī)體中增加軸向負(fù)載裝置，提高了高速滾珠旋壓機(jī)電主軸的軸向承載能力，開發(fā)出軸向重載的滾珠旋壓設(shè)備；王琛等[9]為解決人工向滾珠旋壓模具中布放滾珠對(duì)稱性差、速度慢的技術(shù)問題，設(shè)計(jì)開發(fā)出可快速、均勻布放旋壓滾珠的裝置。

目前，隨著精密機(jī)械行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)零件加工質(zhì)量的要求不斷提升，滾珠旋壓機(jī)與自動(dòng)技術(shù)的結(jié)合，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率以及實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)，對(duì)于精密制造領(lǐng)域有極大的推動(dòng)作用。

2.2 成形技術(shù)的研究進(jìn)展

2.2.1 制造工藝方面取得的進(jìn)展

旋壓技術(shù)的最早應(yīng)用是在我國的陶瓷制造工藝中，隨后在13世紀(jì)左右，歐洲的制造領(lǐng)域開始引進(jìn)、應(yīng)用；1760年后，旋壓技術(shù)在金屬加工中應(yīng)用愈發(fā)廣泛。我國旋壓技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，到20世紀(jì)80年代中后期，國內(nèi)旋壓技術(shù)的研究轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)力旋壓和普通旋壓，國內(nèi)張濤[10]對(duì)旋壓技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的總結(jié)。

趙云豪[10]系統(tǒng)的總結(jié)了旋壓技術(shù)，并對(duì)多種合金材料的組織性能進(jìn)行了研究。李彥利[11]對(duì)TB2鈦合金回轉(zhuǎn)件進(jìn)行了減薄旋壓實(shí)驗(yàn)，探討了鈦合金鍛、擠壓坯料旋壓后的組織、強(qiáng)化效果及塑性變形規(guī)律；同時(shí)研究了固溶、時(shí)效溫度對(duì)其組織性能的影響。徐文臣[12]針對(duì)雙向軋壓效應(yīng)的鈦合金熱強(qiáng)旋過程，深入研究了組織和織構(gòu)的演變機(jī)理及性能控制；并探索了異形金屬復(fù)合旋壓的成形機(jī)制、界面熱阻的影響機(jī)理。蔣成寶和王敬民[13]制備了不同轉(zhuǎn)速，相同旋壓方法的Ni-Mn-Ga合金多晶薄帶，研究了旋壓速度對(duì)合金組織、相變和磁化強(qiáng)度的影響，以及旋壓速度與馬氏體、飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度等的關(guān)系。李德富等[14]利用光學(xué)顯微鏡，掃描電子顯微鏡和萬向拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)Ni-Cr-Mo合金鑄造、旋壓和固溶處理后的組織和性能進(jìn)行了研究和比較。張婷婷[15]、張媛琦[16]分別對(duì)AZ31鎂合金和AZ91鎂合金筒形件進(jìn)行強(qiáng)力旋壓，研究其組織演變規(guī)律，并用納米壓痕試驗(yàn)儀對(duì)不同旋壓道次筒形件的微/納力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試并分析其強(qiáng)化機(jī)理。

滾珠旋壓是強(qiáng)力旋壓中的一個(gè)分支，在1950年左右應(yīng)用于國外的精密制造中，隨后我國引入并加以研究，馬振平[1]匯總了關(guān)于滾珠旋壓技術(shù)的科研結(jié)果以及創(chuàng)新點(diǎn)。

江樹勇[17]獲得鎳鈦形狀記憶合金在應(yīng)變速率和變形溫度下的真實(shí)壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究了鎳鈦形狀記憶合金在熱變形下的力學(xué)行為。通過微觀結(jié)構(gòu)的演化研究了鎳鈦形狀記憶合金的動(dòng)態(tài)恢復(fù)，獲得鎳鈦形狀記憶合金動(dòng)態(tài)恢復(fù)與溫度、應(yīng)變和變形程度之間的關(guān)系。詹梅[18]分析了TA15鈦合金在不同速率下的幾何精度和微觀結(jié)構(gòu)，分析了偏移速率和加熱溫度對(duì)加熱剪切旋壓件的影響機(jī)理。張士宏[19]分析了在滾珠旋壓過程中，管件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生螺紋等缺陷的原因，同時(shí)研究了管件的組織性能。M.Kuss[20-21]為了分析管件表面縱向開裂這一情況，建立了有限元模型對(duì)此進(jìn)行研究。此外，對(duì)薄壁管進(jìn)行擴(kuò)徑模擬與實(shí)驗(yàn)。Ayman A.Abd-Eltwab[22]等人以內(nèi)花鍵軸套為研究對(duì)象，運(yùn)用滾珠旋壓技術(shù)進(jìn)行加工制造，并對(duì)該工藝進(jìn)行了理論和實(shí)踐研究。

2.2.2 旋壓基本參數(shù)計(jì)算模型

金屬旋壓工藝是彈塑性變形工藝，在加工制造過程中，旋壓力、力矩及功率對(duì)于加工設(shè)備的選用至關(guān)重要(如電動(dòng)機(jī)等)；同時(shí)，其力學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征也對(duì)加工參數(shù)的選擇起到了至關(guān)重要的作用，而參數(shù)的選取則直接決定了成形件的質(zhì)量。而滾珠旋壓時(shí)，其變形過程十分復(fù)雜，分析時(shí)需要綜合塑性力學(xué)、摩擦學(xué)、動(dòng)力學(xué)等方面的知識(shí)。因此，精確分析其運(yùn)動(dòng)及力學(xué)特性具有重要意義。

M.I.Rotarescu[23]學(xué)者推導(dǎo)了滾珠旋壓力的數(shù)學(xué)表達(dá)式。同時(shí)，建立了滾珠旋壓的有限元模型，并對(duì)該過程進(jìn)行模擬仿真。但由于該有限元模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此變形接觸面積計(jì)算誤差值大。T.Sumitomo[24]等得到了基于上限元法的內(nèi)找旋壓力的計(jì)算要點(diǎn)。

康達(dá)昌、李茂盛，顏永年等[25]基于圓弧形沖壓頭壓入半無限體時(shí)的平均接觸壓力計(jì)算方法，在討論了其與球形沖頭壓入空間半無限體時(shí)的接觸壓力的變化趨勢(shì)后，間接推導(dǎo)出了滾珠旋壓力的計(jì)算公式，但由于其忽略了滾珠軸向進(jìn)給所需的壓痕力，因此計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。Harris[26]建立了高速滾珠旋壓擬動(dòng)力學(xué)模型。為了討論陀螺轉(zhuǎn)矩和離心力對(duì)套圈位移的影響，王中堂[27-30]團(tuán)隊(duì)研究了薄壁管的塑性變形規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，分析了工藝參數(shù)與薄壁管旋壓變形之間的關(guān)系，并模擬了旋壓過程中穩(wěn)定的金屬流動(dòng)與滾珠旋壓角的關(guān)系，給出AZ31鎂合金加熱變形后的應(yīng)力本構(gòu)公式。

江樹勇[31-33]團(tuán)隊(duì)以鎳鈦合金管件為研究對(duì)象，建立了滾珠旋壓有限元模型，并實(shí)現(xiàn)模擬。此外，該團(tuán)隊(duì)采用有限元分析計(jì)算方法，對(duì)旋壓加工過程進(jìn)行了分析，并對(duì)該過程的變形準(zhǔn)則進(jìn)行了研究和討論。W.Kwasny[34]等人構(gòu)造了高速滾珠下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型。對(duì)該模型的軸向預(yù)緊力設(shè)置了不同的參數(shù)，進(jìn)而分析了離心力和轉(zhuǎn)矩與套圈位移之間的關(guān)系。

趙春江學(xué)者[35]求解了滾珠與管坯之間的三向旋壓力。其求解過程為，觀察滾珠在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，建立了邊界方程。但由于該方程考慮外界因素不多，以及對(duì)加工材料的簡(jiǎn)化，這將在一定程度上導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的誤差。

熊杰[36]基于旋壓過程中滾珠與模環(huán)、管坯接觸點(diǎn)切向不滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)假設(shè)，提出了一種利用滾珠的力學(xué)-運(yùn)動(dòng)學(xué)方程耦合的高速滾珠分析方法，并結(jié)合旋壓過程中的動(dòng)力學(xué)特征，構(gòu)建了高速滾珠的擬動(dòng)力學(xué)模型，隨之利用蜂群算法基于C++平臺(tái)編程求解出了其運(yùn)動(dòng)學(xué)及力學(xué)參數(shù)。圖4為滾珠空間運(yùn)動(dòng)與受力狀態(tài)示意圖。

目前來講，將力學(xué)-動(dòng)力學(xué)特征綜合考慮，構(gòu)建耦合方程組，從而獲得其力學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性的辦法較為準(zhǔn)確。但由于滾珠旋壓的復(fù)雜性與專業(yè)性，其加工過程中的理論分析認(rèn)識(shí)仍然較為缺少，有待進(jìn)一步研究。

圖4 滾珠空間運(yùn)動(dòng)與受力狀態(tài)示意圖

3 旋壓技術(shù)在鎂合金方面的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景

3.1 鎂合金在滾珠旋壓技術(shù)上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

鎂合金在結(jié)構(gòu)合金材料中是最輕的，具有比強(qiáng)度高、彈性模量大、沖擊承載能力大、耐堿腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。鎂合金材料在精密機(jī)械制造、高科技等領(lǐng)域起著日益顯著的作用，同時(shí)，該材料具有可回收性等優(yōu)勢(shì)，因此被稱為“21世紀(jì)的綠色環(huán)保結(jié)構(gòu)材料”。圖5為AZ31 鎂合金擠壓態(tài)管材的擠壓態(tài)顯微組織。

圖5 鎂合金管擠壓態(tài)微觀組織

壓鑄是目前用來生產(chǎn)鎂合金零件的主要方法，但由于其組織大、內(nèi)部缺陷多、力學(xué)性能差，制約了其發(fā)展。鎂合金經(jīng)過塑造成型處理后，材料多為均勻的晶粒狀結(jié)構(gòu)。此外，加工后的鎂合金零件具有高強(qiáng)度、多樣化的特征。塑性加工方法主要有軋制、鍛造、擠壓和超塑成形等。對(duì)比其他塑性加工方法，滾珠旋壓的優(yōu)勢(shì)便顯現(xiàn)出來，現(xiàn)如今，在醫(yī)療、航空航天等精密機(jī)械制造行業(yè)，世界各國廣泛采用滾珠旋壓技術(shù)對(duì)管類零件進(jìn)行加工處理，但研究的零件材料僅涉及于黃銅、不銹鋼等金屬，對(duì)鎂合金研究仍然較少。

由于在滾珠旋壓是連續(xù)逐點(diǎn)成型，因此在加工過程中，會(huì)產(chǎn)生大量熱。趙春江等[37]通過有限元分析軟件AQAQUS的dynamic，temp-disp，explicit模塊分析得到減薄量和高轉(zhuǎn)速對(duì)滾珠旋壓變形影響區(qū)的溫度影響最大，且溫度皆隨著摩擦系數(shù)、模具轉(zhuǎn)速、減薄量和進(jìn)給比的提高而增加。因此，大減薄量、高轉(zhuǎn)速下即可滿足鎂合金溫?zé)岢尚偷臏囟纫蟆?/p>

陳文哲[38]等人在室溫條件下，利用摩擦生熱原理，對(duì)擠壓態(tài)的鎂合金進(jìn)行旋壓加工，探究了鎂合金板的可旋性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，摩擦熱在一定程度上提高了加工材料的延伸性。

滾珠旋壓工藝參數(shù)中，蘇夢(mèng)穎[39]通過分別改變進(jìn)給比、減薄量、轉(zhuǎn)速、滾珠直徑，從組織性能、抗拉強(qiáng)度、延伸率三個(gè)維度分別討論了各工藝參數(shù)的改變對(duì)滾珠旋壓成型的影響。不過，對(duì)于四個(gè)工藝參數(shù)的綜合分析，仍然需要繼續(xù)研究。

3.2 應(yīng)用前景

21世紀(jì)以來，鎂合金在航空航天、軍事和民用工業(yè)等領(lǐng)域中的作用愈發(fā)凸顯。鎂也是目前最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料之一，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性等物理性能。加工材料為鎂合金的工件，其形態(tài)結(jié)構(gòu)不易改變。

隨著傳統(tǒng)金屬材料如鐵、鋁的不斷消耗，鎂合金在工業(yè)上占有的地位也日益重要。此外，高科技行業(yè)正著重朝向輕量化發(fā)展，鎂合金等金屬材料受到世界各國的密切關(guān)注。因此，滾珠旋壓加工鎂合金的加工工藝必然前景廣闊。

4 結(jié)束語

隨著我國節(jié)能減排和國防安全的進(jìn)一步推進(jìn)，鎂合金的多方面應(yīng)用必然會(huì)成為趨勢(shì)。而滾珠旋壓技術(shù)作為一種可加工難變形金屬的加工方式，其在加工過程中，不僅成形件尺寸精度高，可以滿足航空航天等精密制造領(lǐng)域的要求，而且還可以提高材料力學(xué)性能。目前，鎂合金的市場(chǎng)需求較大且我國儲(chǔ)量居世界第一，因此將鎂合金與滾珠旋壓工藝結(jié)合，具有突出的優(yōu)勢(shì)。后續(xù)在研究領(lǐng)域，可通過對(duì)旋壓過程理論計(jì)算的精確求解、計(jì)算機(jī)有限元模擬以及自動(dòng)加工技術(shù)等方面的研究，使成形速度、成形質(zhì)量、成形極限以及設(shè)備的研發(fā)取得進(jìn)一步進(jìn)展，從而促進(jìn)滾珠旋壓技術(shù)的廣泛應(yīng)用。