[01383627]短筒柔轮壳体电流辅助旋压成形方法研究及产品试制

一、 项目来源及背景 成果来源广州市科技计划项目“短筒柔轮壳体电流辅助旋压成形方法研究及产品试制”（201804010135）,由广州市科学技术局投入研究经费20万元。短筒柔轮谐波减速器已成为谐波减速器的主要发展趋势之一。目前能检索到的柔轮壳体制造方法主要为采用棒料或锻坯车削,但该方法存在材料利用率低、生产周期长等缺点,同时由于柔轮壁薄、易变形,车削时装夹困难,易造成产品质量不稳定等问题;此外切削破坏了金属纤维流线,不利于柔轮疲劳强度及承载能力的提高,因此探索柔轮少无切削加工新方法已成为亟待开展的课题。短筒柔轮具有长径比小、壁薄、易变形、精度和光洁度、寿命、承载能力及可靠性高的特点,目前我国短筒柔轮与国外先进水平相比还有一定差距。目前柔轮长径比最小的谐波减速器是日本HD公司开发的CSF等系列,其长径比约为1/4;而国产短筒柔轮谐波减速器长径比仅达到3/5。塑性成形是利用材料的塑性加工制件的少无切削工艺方法,经塑性成形后的金属制品力学性能和尺寸精度高,并且具有较高的材料利用率。但柔轮常用材料30CrMnSiA合金结构钢的室温变形抗力大（屈服强度达835MPa）、塑性差（延伸率仅10%）,常温下塑性成形极为困难。因此探索短筒柔轮塑性成形新方法,对提升我国高性能谐波减速器技术的核心竞争力具有重要的理论价值及实践意义。 二、技术原理及性能指标 通过外加电流刺激降低材料的变形抗力、显著提高其塑性和成形极限的现象称为电致塑性效应。电流辅助成形是利用电致塑性效应来成形难变形金属的一种塑性成形新方法;旋压是使金属材料产生连续的局部塑性变形而成为所需薄壁空心零件的一种近净精密塑性成形方法。为此,项目提出采用电流辅助的方法来提高30CrMnSiA合金结构钢的塑性,采用旋压成形的方法来实现柔轮的少无切削精确塑性成形。重点研究30CrMnSiA材料电致塑性效应、旋压成形时电流施加及绝缘方法、电流辅助旋压成形有限元建模关键技术、拉深旋压制坯和流动旋压成形柔轮壳体质量控制方法等。基于项目研究成果,实现以下目标： （1）构建出电-热-力耦合作用下30CrMnSiA合金结构钢的本构模型; （2）构建出电流辅助多工序集成旋压成形有限元数值模拟模型; （3）获得30CrMnSiA合金结构钢电流辅助旋压成形质量影响规律; （4）获得一种短筒柔轮壳体电流辅助旋压成形工艺参数优化方法; （5）获得一种电流辅助旋压成形时脉冲电流施加及绝缘方法; （6）获得一种短筒柔轮壳体多工序集成旋压方法; （7）研制出短筒柔轮电流辅助多工序集成旋压成形工装一套,包括芯模（一个）、旋轮（三个）及旋轮座（两个）、反推装置（一套）、止动装置（一套）、尾顶（一个）。 （8）研制出电流辅助加热装置一套,包括脉冲电源、电刷、控制系统等。 （9）研制出长径比1/4的机器人用谐波减速器短筒柔轮壳体样件一批（材料为30CrMnSiA合金结构钢）,壁厚0.4mm、内径50.35mm;凸台高度0.3mm、凸台长度10mm;并满足表面粗糙度Ra0.8um,晶粒度达到9级要求。 三、技术创造性与先进性 （1）提出一种电流辅助旋压成形难变形金属材料的方法。首次提出采用低能耗的电流辅助旋压成形方法实现难变形金属的精确塑性成形,可以提高工件成形精度及表面质量。 （2）提出一种短筒柔轮壳体复合旋压成形技术。首次提出采用圆形毛坯经过拉深旋压制备出杯形预制坯后、再通过流动旋压制备出具有差异壁厚的柔轮壳体,以实现柔轮壳体的少无切削精确塑性成形。 （3）研制出一种电流辅助旋压成形装置。首次提出通过采用反推装置实现工件变形区域高密度电流的施加,有效地减少电火花放电现象对成形件表面质量的影响。 （4）构建出电流辅助旋压成形有限元数值模拟模型。首次提出采用有限元二次开发用户子程序,实现电场、温度场与变形应力-应变场的完全耦合,构建出电-热作用下的电流辅助旋压成形有限元数值分析模型。 四、技术成熟程度、适用范围和安全性 目前成果的技术成熟度为实验室阶段3,即在实验室完成了柔轮壳体的电流辅助旋压成形工艺试验,获得柔轮壳体样品,并且力学性能、尺寸精度和表面粗糙度指标已通过测试验证。项目成果可用于短筒柔轮的高性能、低成本的高效率生产制造中。项目研制的电流辅助旋压成形装置在芯模、尾顶和反推盘与机床连接装置之间设计安装POM绝缘垫圈的方法实现电流与床身的隔绝,因此经过专业培训的操作者可安全使用。 五、应用情况及存在的问题 项目对柔轮壳体的少无切削的近净成形新方法、理论和技术进行了前期探索性基础理论研究和试验工作,因此在项目推广方面的工作不足,尚未开展大规模生产制造和推广活动。如完成产业化应用,有望在实现预期经济效益的同时,极大低提高我国多个产业领域的谐波减速器寿命和精度。