本文重点分析了火花放电击穿、摩擦润滑和壁厚减薄对旋压构件成形质量缺陷的影响规律。实验结果表明二硫化钼是一种理想的润滑剂，可以显著地降低旋压构件和导电工具头之间的摩擦力，旋压构件表面粗糙度明显降低。同时实验发现壁厚过度减薄和减薄不足都会影响材料的流动特性，进而影响构件的壁厚分布和表面成形质量。

旋压技术按照旋压时成形的温度可分为冷旋和热旋，材料经冷旋成形后，断裂强度、疲劳极限等机械性能增强，成形精度高，而塑性降低，热旋一般用于常温塑性差的金属材料（如钛、钨、钼等金属及其合金）。钛及钛合金因其高强度、高密度比和耐腐蚀性良好等优异性能而被广泛应用于航空航天、武器装备等方面。在对钛及其合金进行加热旋压时，加热方式主要为火焰加热、电阻加热等方式，加热过程中模具会产生循环热应力导致板料软化，板料易与模具发生粘连产生成形精度低、工件表面起皱等缺陷，加热温度难以控制，部分零件表面损伤或污染严重。可以通过控制旋压温度范围，保证变形区温度的均匀性和合理性以实现旋压过程的稳定，当厚径比小于1%时，可以通过减少道次减薄率来防止局部失稳。

电流辅助作用对材料变形具有增塑作用，电流辅助成形能明显提高工件的成形质量及成形效率。电流辅助自阻加热会引起板料温度分布不均匀，进而导致变形不均匀，局部不均匀变形会导致局部电流密度及电阻发生变化，会对成形件质量产生一定影响。目前对于电塑性拔丝、轧制、拉伸及微成形等电流辅助成形先进工艺研究较多，但是对于电流辅助成形旋压成形研究报道较少。本文主要针对TA2纯钛板电流辅助旋压成形质量控制因素，重点研究分析了板料与导电工具头之间的火花放电、不同润滑方式以及壁厚减薄对旋压构件的成形质量缺陷的影响规律。

实验装置及材料

本次实验采用的是HXP600HD数控强力旋压机床，实验装置如图1所示。旋轮与工具头关于主轴旋转中心轴对称，并且旋轮和主轴旋转中心轴呈45°夹角。在安装旋轮与导电工具头时，用绝缘硅胶板将其与机床主体绝缘。电源的负极接在导电工具头，正极接在尾顶。在旋压成形过程中，导电工具头、电源、尾顶、板料之间形成闭合电流回路。焦耳热效应会使与工具头接触的局部钛板区域温度迅速升高，高温软化和纯电塑性效应能提高板料的塑性，当主轴旋转时，可以通过旋轮挤压板料进行协同加热挤压变形。本次实验采用高频低压直流电源，输出电压为0～15V，不会对操作人员造成危险。

本次实验使用厚度为1mm，直径为120mm的TA2纯钛板，其化学成分如表1所示。工业纯钛的电阻率为0.48μΩ·m，是铁的4.33倍，铝的15.8倍。同时由于焦耳热效应会导致钛板温度上升，电阻率亦随之增大，工业纯钛的电阻率与温度的关系如表2所示。

成形质量缺陷分析

火花放电击穿

图2是采用电流辅助旋压方式的成形件，其中a是旋压过程未出现火花放电的成形件，b是旋压过程出现火花放电的成形件。可以看出，在加工过程中出现火花放电的成形件表面存在凹坑的成形质量缺陷。在电流辅助成形时，随着板料表面温度的迅速上升，导电工具头表面粘结一些二硫化钼润滑剂，使得原本光滑的导电工具头表面出现微小凸起。在进行旋压过程中，会导致导电工具头与板料之间的接触表面出现微小的间隙。电压击穿板料和工具头之间的介质而形成放电通道。通道内的电流密度很高，在电场的作用下，通道内的带电粒子（电子和离子）会产生高速运动，高速运动的粒子之间因相互碰撞而释放大量的热量，同时，带电粒子会高速轰击板料表面，将自身具有的动能转化成热能，这样，板料表面温度迅速升高到熔点甚至沸点，放电区域局部板料出现熔化甚至汽化的现象，待板料冷却后，熔化、汽化区域便产生表面凹坑甚至小孔等缺陷。

摩擦润滑

电流辅助加热成形使得接触区域温度很高，对润滑剂的要求较高，宜采用绝缘且耐高温良好的固体润滑剂。二硫化钼因具有绝缘、耐高温良好等优异性能在电辅助成形加工中能起到良好的润滑效果。在金属加工过程中，摩擦会直接影响成形件的成形极限、回弹及成形质量。图3是不同润滑方式下成形件示意图，其中a是未采用任何润滑剂的电流辅助旋压成形件，b是采用二硫化钼喷涂液进行润滑的电流辅助旋压成形件。可以看出，在不同润滑方式下进行成形加工，成形件的表面摩擦方式有很大的区别。在未采用任何润滑剂润滑的情况下进行旋压加工，接触表面在载荷的作用下相互粘结，高温作用会使得板料软化从而导致在加工过程中部分与工具头粘结的板料表面被撕裂而残留在工具头表面，形成凸起的小颗粒，凸起的颗粒会对板料表面进行刻槽，形成一道道犁沟，而在二硫化钼喷涂液润滑的作用下，工具头与板料之间存在一层极薄的润滑膜，能起到润滑的效果。然而，在高温高压下，润滑膜极易破损，因此成形件表面出现一道道明显的划痕。

壁厚减薄

在电流辅助旋压成形实验中，输入电流强度为400A、主轴恒定线速度为25m/min、旋轮进给率为0.5mm/r，采用二硫化钼喷涂液润滑。在旋压成形过程中，壁厚偏离对旋压构件的壁厚分布均匀和表面成形质量有着显著的影响，可通过壁厚偏离率Δt（公式1）来表示。

其中，ta是旋压成形件的实际壁厚，t'是旋压件的理论计算壁厚。t'的计算如公式2所示。其中，t是旋压件原始厚度，α是母线的切线与轴线的夹角。图4是成形件厚度与高度的理论计算和实际结果关系图。从图4可以看出，成形件高度在2mm～18mm之间，实际壁厚小于理论壁厚，Δt＞0，为正偏离旋压，即为过度减薄；成形件高度在18mm～35mm之间，实际壁厚大于理论壁厚，Δt＜0，为负偏离旋压，即壁厚减薄不足。

图5中的区域一内壁厚过度减薄，进行负偏离旋压，在14mm高度处，实际壁厚偏离率达到最大值；区域二内壁厚减薄不足，进行正偏离旋压。从图5可以看出，在成形件壁部和顶部出现明显的材料堆积。这是由于在加工过程中，板料出现过度减薄，较大的壁厚变化使材料沿着旋轮前进的方向流动阻力过大，会迫使材料沿着相反的方向流动，在成形件壁部出现材料堆积、顶部出现鼓凸的现象。然而，当板料出现减薄不足时，旋轮与芯模之间的间隙过大，导致旋轮与板料靠近凸缘的部位形成附加的径向拉应力和周向压应力，材料的流动性变差。在旋压过程中会出现板料凸缘失稳的现象，凸缘失稳会进一步导致起皱现象。

结论

在使用电流辅助旋压成形时，因为润滑剂的粘结作用会使工具头表面产生小凸起。这样会使得在板料与工具头接触区域出现间隙，电压会击穿间隙之间的介质从而形成放电通道，带电粒子在电场作用下高速轰击板料表面使得板料温度迅速升高，板料出现熔化甚至汽化现象，使得成形件出现表面凹坑、小孔等缺陷。

电流辅助旋压加工过程中，若不采用任何润滑方式，板料表面因高温高压软化而粘结在工具头表面并形成凸起的小颗粒。颗粒在加工过程中会对板料表面进行刻槽而形成明显的犁沟。二硫化钼喷涂液润滑剂能在工具头与板料之间形成极薄的润滑膜，提高成形件表面质量。然而在加工过程中，润滑膜极易破损，在板料表面出现明显的划痕。

旋压加工过程中，过度减薄和减薄不足都会对成形件的成形质量影响较大。当壁厚过度减薄时，板料沿着旋轮前进方向流动阻力过大，迫使材料沿着旋轮前进相反方向流动，出现反挤现象。反挤现象的出现会导致在成形件壁部出现材料堆积，严重影响成形件质量。当减薄不足时，旋轮与芯模之间的间隙过大导致在靠近凸缘的部位形成附加的径向拉应力和周向压应力，会引起板料凸缘失稳从而导致在成形件端部出现皱折。

作者简介

蔡继文，硕士研究生，主要研究方向为钛及钛合金电流辅助旋压成形。