本文重點分析了火花放電擊穿、摩擦潤滑和壁厚減薄對旋壓構件成形質量缺陷的影響規律。實驗結果表明二硫化鉬是一種理想的潤滑劑，可以顯著地降低旋壓構件和導電工具頭之間的摩擦力，旋壓構件表面粗糙度明顯降低。同時實驗發現壁厚過度減薄和減薄不足都會影響材料的流動特性，進而影響構件的壁厚分布和表面成形質量。

旋壓技術按照旋壓時成形的溫度可分為冷旋和熱旋，材料經冷旋成形后，斷裂強度、疲勞極限等機械性能增強，成形精度高，而塑性降低，熱旋一般用于常溫塑性差的金屬材料（如鈦、鎢、鉬等金屬及其合金）。鈦及鈦合金因其高強度、高密度比和耐腐蝕性良好等優異性能而被廣泛應用于航空航天、武器裝備等方面。在對鈦及其合金進行加熱旋壓時，加熱方式主要為火焰加熱、電阻加熱等方式，加熱過程中模具會產生循環熱應力導致板料軟化，板料易與模具發生粘連產生成形精度低、工件表面起皺等缺陷，加熱溫度難以控制，部分零件表面損傷或污染嚴重。可以通過控制旋壓溫度范圍，保證變形區溫度的均勻性和合理性以實現旋壓過程的穩定，當厚徑比小于1%時，可以通過減少道次減薄率來防止局部失穩。

電流輔助作用對材料變形具有增塑作用，電流輔助成形能明顯提高工件的成形質量及成形效率。電流輔助自阻加熱會引起板料溫度分布不均勻，進而導致變形不均勻，局部不均勻變形會導致局部電流密度及電阻發生變化，會對成形件質量產生一定影響。目前對于電塑性拔絲、軋制、拉伸及微成形等電流輔助成形先進工藝研究較多，但是對于電流輔助成形旋壓成形研究報道較少。本文主要針對TA2純鈦板電流輔助旋壓成形質量控制因素，重點研究分析了板料與導電工具頭之間的火花放電、不同潤滑方式以及壁厚減薄對旋壓構件的成形質量缺陷的影響規律。

實驗裝置及材料

本次實驗采用的是HXP600HD數控強力旋壓機床，實驗裝置如圖1所示。旋輪與工具頭關于主軸旋轉中心軸對稱，并且旋輪和主軸旋轉中心軸呈45°夾角。在安裝旋輪與導電工具頭時，用絕緣硅膠板將其與機床主體絕緣。電源的負極接在導電工具頭，正極接在尾頂。在旋壓成形過程中，導電工具頭、電源、尾頂、板料之間形成閉合電流回路。焦耳熱效應會使與工具頭接觸的局部鈦板區域溫度迅速升高，高溫軟化和純電塑性效應能提高板料的塑性，當主軸旋轉時，可以通過旋輪擠壓板料進行協同加熱擠壓變形。本次實驗采用高頻低壓直流電源，輸出電壓為0～15V，不會對操作人員造成危險。

圖1 電流輔助旋壓成形實驗裝置

本次實驗使用厚度為1mm，直徑為120mm的TA2純鈦板，其化學成分如表1所示。工業純鈦的電阻率為0.48μΩ·m，是鐵的4.33倍，鋁的15.8倍。同時由于焦耳熱效應會導致鈦板溫度上升，電阻率亦隨之增大，工業純鈦的電阻率與溫度的關系如表2所示。

成形質量缺陷分析

火花放電擊穿

圖2 電流輔助旋壓成形件

圖2是采用電流輔助旋壓方式的成形件，其中a是旋壓過程未出現火花放電的成形件，b是旋壓過程出現火花放電的成形件。可以看出，在加工過程中出現火花放電的成形件表面存在凹坑的成形質量缺陷。在電流輔助成形時，隨著板料表面溫度的迅速上升，導電工具頭表面粘結一些二硫化鉬潤滑劑，使得原本光滑的導電工具頭表面出現微小凸起。在進行旋壓過程中，會導致導電工具頭與板料之間的接觸表面出現微小的間隙。電壓擊穿板料和工具頭之間的介質而形成放電通道。通道內的電流密度很高，在電場的作用下，通道內的帶電粒子（電子和離子）會產生高速運動，高速運動的粒子之間因相互碰撞而釋放大量的熱量，同時，帶電粒子會高速轟擊板料表面，將自身具有的動能轉化成熱能，這樣，板料表面溫度迅速升高到熔點甚至沸點，放電區域局部板料出現熔化甚至汽化的現象，待板料冷卻后，熔化、汽化區域便產生表面凹坑甚至小孔等缺陷。

摩擦潤滑

電流輔助加熱成形使得接觸區域溫度很高，對潤滑劑的要求較高，宜采用絕緣且耐高溫良好的固體潤滑劑。二硫化鉬因具有絕緣、耐高溫良好等優異性能在電輔助成形加工中能起到良好的潤滑效果。在金屬加工過程中，摩擦會直接影響成形件的成形極限、回彈及成形質量。圖3是不同潤滑方式下成形件示意圖，其中a是未采用任何潤滑劑的電流輔助旋壓成形件，b是采用二硫化鉬噴涂液進行潤滑的電流輔助旋壓成形件。可以看出，在不同潤滑方式下進行成形加工，成形件的表面摩擦方式有很大的區別。在未采用任何潤滑劑潤滑的情況下進行旋壓加工，接觸表面在載荷的作用下相互粘結，高溫作用會使得板料軟化從而導致在加工過程中部分與工具頭粘結的板料表面被撕裂而殘留在工具頭表面，形成凸起的小顆粒，凸起的顆粒會對板料表面進行刻槽，形成一道道犁溝，而在二硫化鉬噴涂液潤滑的作用下，工具頭與板料之間存在一層極薄的潤滑膜，能起到潤滑的效果。然而，在高溫高壓下，潤滑膜極易破損，因此成形件表面出現一道道明顯的劃痕。

圖3 不同潤滑方式下的成形件

表1 TA2純鈦化學成分表（wt,%）

表2 工業純鈦電阻率與溫度的關系

壁厚減薄

在電流輔助旋壓成形實驗中，輸入電流強度為400A、主軸恒定線速度為25m/min、旋輪進給率為0.5mm/r，采用二硫化鉬噴涂液潤滑。在旋壓成形過程中，壁厚偏離對旋壓構件的壁厚分布均勻和表面成形質量有著顯著的影響，可通過壁厚偏離率Δt（公式1）來表示。

其中，ta是旋壓成形件的實際壁厚，t'是旋壓件的理論計算壁厚。t'的計算如公式2所示。其中，t是旋壓件原始厚度，α是母線的切線與軸線的夾角。圖4是成形件厚度與高度的理論計算和實際結果關系圖。從圖4可以看出，成形件高度在2mm～18mm之間，實際壁厚小于理論壁厚，Δt＞0，為正偏離旋壓，即為過度減薄；成形件高度在18mm～35mm之間，實際壁厚大于理論壁厚，Δt＜0，為負偏離旋壓，即壁厚減薄不足。

圖5中的區域一內壁厚過度減薄，進行負偏離旋壓，在14mm高度處，實際壁厚偏離率達到最大值；區域二內壁厚減薄不足，進行正偏離旋壓。從圖5可以看出，在成形件壁部和頂部出現明顯的材料堆積。這是由于在加工過程中，板料出現過度減薄，較大的壁厚變化使材料沿著旋輪前進的方向流動阻力過大，會迫使材料沿著相反的方向流動，在成形件壁部出現材料堆積、頂部出現鼓凸的現象。然而，當板料出現減薄不足時，旋輪與芯模之間的間隙過大，導致旋輪與板料靠近凸緣的部位形成附加的徑向拉應力和周向壓應力，材料的流動性變差。在旋壓過程中會出現板料凸緣失穩的現象，凸緣失穩會進一步導致起皺現象。

圖4 旋壓構件壁厚分布曲線

圖5 旋壓構件壁厚分布與材料流動變化

結論

在使用電流輔助旋壓成形時，因為潤滑劑的粘結作用會使工具頭表面產生小凸起。這樣會使得在板料與工具頭接觸區域出現間隙，電壓會擊穿間隙之間的介質從而形成放電通道，帶電粒子在電場作用下高速轟擊板料表面使得板料溫度迅速升高，板料出現熔化甚至汽化現象，使得成形件出現表面凹坑、小孔等缺陷。

電流輔助旋壓加工過程中，若不采用任何潤滑方式，板料表面因高溫高壓軟化而粘結在工具頭表面并形成凸起的小顆粒。顆粒在加工過程中會對板料表面進行刻槽而形成明顯的犁溝。二硫化鉬噴涂液潤滑劑能在工具頭與板料之間形成極薄的潤滑膜，提高成形件表面質量。然而在加工過程中，潤滑膜極易破損，在板料表面出現明顯的劃痕。

旋壓加工過程中，過度減薄和減薄不足都會對成形件的成形質量影響較大。當壁厚過度減薄時，板料沿著旋輪前進方向流動阻力過大，迫使材料沿著旋輪前進相反方向流動，出現反擠現象。反擠現象的出現會導致在成形件壁部出現材料堆積，嚴重影響成形件質量。當減薄不足時，旋輪與芯模之間的間隙過大導致在靠近凸緣的部位形成附加的徑向拉應力和周向壓應力，會引起板料凸緣失穩從而導致在成形件端部出現皺折。

作者簡介

蔡繼文，碩士研究生，主要研究方向為鈦及鈦合金電流輔助旋壓成形。

——本文節選自《鍛造與沖壓》2019年第12期。