旋压钼坩埚成型工艺研究

李卫岩，邹永刚，徐恒秋，张心明，马晓辉

（1.长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022；2.中国第五五研究所 旋压工程部，长春 130022；3.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

制造高纯净、大尺寸、晶体完整性好且易于加工的单晶蓝宝石一直是各国研究人员的主要研究方向。通常使用钼坩埚作为结晶蓝宝石的器皿，采用传统方法制造大尺寸的钼坩埚不但很难保证钼坩埚的质量，而且成本较高［1］。利用旋压工艺可以制造出质量优良的钼坩埚，相比烧结以及冲压工艺来说省时又省力。本文研制的成品钼坩埚底部外径为φ364mm，内径为φ354mm，高度为600mm，锥度为1：150。经过计算确定了毛坯的外径为φ410mm，内径为φ392mm，高度为162mm［2］。

1 旋压成型工艺

旋压成型工艺是一种少无切屑的加工工艺，它是集锻造、挤压、拉伸、滚压、弯曲、横轧于一体的工艺方法。旋压时坯料和旋轮属于点接触，点接触的优点是可以减小金属变形所需要的力，加工同一零件旋压机的功率要比其他机床的功率小得多。利用旋压工艺制造出的产品其尺寸精度高、表面质量好、生产成本低并且不会浪费材料［3］。

旋压成型工艺根据旋压后坯料的壁厚是否发生变化可以分为普通旋压和强力旋压。普通旋压就是旋压过程中坯料的壁厚变化很小或不发生改变，主要是靠坯料在径向和周向的伸缩来达到变形的效果，旋压时坯料外径的改变就是其最重要的特征。强力旋压则是不仅坯料的形状、尺寸以及性能发生变化，而且坯料的厚度也发生变化，强力旋压后坯料的厚度要小于旋压前坯料的厚度［4］。

2 工艺参数的选择

2.1 旋压设备

由于金属钼的熔点较高，常温下塑性很差，需要将坯料加热到一定温度提高它的塑性后再进行旋压。因此本次旋压试验选用强力热旋压机，该旋压机是中国兵器集团第五五研究所独立设计并制造的［5］。该旋压机床身长5m，宽1.5m，高0.8m。主轴转速分为3级，分别为低速、中速和高速。其主轴的最高转速可达到200r/min，旋轮纵向进给的行程为0.6m。

2.2 减薄率

壁厚减薄率等于原始壁厚减去成品制件的壁厚所得到的差值再除以原始壁厚，它是工件变形量最直接的表达方式。壁厚减薄率大体可分成两类：一类是道次减薄率，一类是总减薄率。进行强力旋压时减薄率是材料发生变形的重要工艺参数，减薄率的大小决定了所需旋压过程中所需的旋压力以及旋压后制件的质量［6］。在旋压锥形件时，减薄率φt和芯模的半锥角满足下面关系：

2.3 主轴转速

提高主轴旋转速度等效于多个旋轮一起参与旋压工作，变形区由原来的点接触变成环形接触。环形接触可以更好的限制变形区的材料沿圆周方向流动，工件成型质量得以提高，在一定程度上可以避免扩径现象的产生。提高主轴转速还可以使工件很好的贴模，工件内表面的质量也得到相应提高，使旋压后的工件有较高的尺寸精度以及较好的表面质量。对于成型比较困难、塑性比较差的坯料主轴转速一般设定在80～120r/min［7-8］。对于钼坩埚旋压试验，主轴的转速初步设定为100r/min。

2.4 进给量

进给量是芯模随主轴旋转一周时旋轮沿芯模轴线方向上前进的距离。进给量这个工艺参数对制件质量影响较大，与坯料的尺寸精度、旋压力的大小、表面粗糙度以及减薄率等都有密切的关系。进给量越大制件的贴模性越好，但进给量也不能选的过大，否则容易在旋轮前形成金属堆积，制件会产生严重起皮现象。选择小的进给量则可以使成型后的制件表面非常光滑。但进给量也不能取的太小，进给量过小会导致内表面材料流动不充分，容易引起制件产生裂纹或夹层［9］。本试验选定进给量为0.8mm/s、1.0mm/s、1.2mm/s三个参数，通过采用不同进给量来模拟旋压过程，然后通过观察坯料变形情况，最后选取变形区应力小、变形好的进给量。

2.5 旋压温度

有些高熔点、高沸点的金属在常温下塑性很差，为了提高金属的塑性变形能力，一般通过加热的方法使其达到红热状态或接近红热状态。通过热旋可以很好的细化坯料组织。本次试验采取外加热方法，旋压温度选定为600℃、700℃、800℃三个参数。与进给量一样，分别选用不同的温度来模拟旋压过程，通过观察坯料变形区应力、应变以及总变形情况来选取最佳的温度。

3 仿真模型的建立及结果分析

由于钼金属造价昂贵，需对其旋压过程进行仿真，通过仿真结果来总结工艺参数对旋压过程的影响规律，这样既可以节约成本，又可以节省时间。

3.1 模型离散化

在建立三维模型时，对芯模以及旋轮作简化处理。由于不考虑它们在旋压过程中的变形，所以把它们都设为刚体，建模时只需画出它们的外部轮廓即可。在实际旋压过程中，毛坯是靠尾顶压紧在芯模上并随着芯模一起转动的，按照实际旋压过程设置边界条件是非常复杂的，并且计算量大，模拟的结果具有不确定性。为了更好的接近实际旋压过程，利用相对运动的原理来建立边界条件。建立边界条件时完全约束芯模和坯料的自由度，只对旋轮加载载荷，使旋轮一方面能够绕芯模轴线转动，另一方面又可以沿芯模轴线方向进给。这样就与实际旋压过程相差无几［10］。

3.2 网格划分

对坯料进行网格划分，网格的疏密程度对模拟结果会产生较大的影响。网格划分较少则不能得出准确的结果，网格划分较多又需要花费较长的时间才能得到结果，影响仿真效率，所以应该选取合适的疏密程度［11-12］。本文采用十节点四面体等参单元对坯料进行网格划分，划分后的结点总数为31988，单元总数为18495。对坯料进行建模时将坯料定义为弹塑性体，将芯模和旋轮定义为刚性体。为了提高模拟的求解精度，在设定条件时将坯料材质设为均质，忽略重力和惯性力带来的影响。

3.3 边界条件的确定

本文的有限元模拟中分析步的步骤设为动力、显示，时间长度设为300，为了提高仿真效率，质量缩放设为1000000，其他接受默认。

3.4 旋压过程模拟结果分析

3.4.1 旋压温度对旋压过程的影响

旋压温度是影响旋压过程因素中比较重要的一个因素。考虑坯料在高温下的塑性变形能力，分别在600℃、700℃和800℃的温度下对旋压过程进行了有限元模拟。

图1 不同温度旋压对比图

如图1（a）所示：当温度选取600℃进行仿真时，坯料的塑性变形能力较差，旋压过程中坯料容易产生轻微的震动，震动幅度过大的话则可能导致坯料表面出现裂纹；如图1（b）所示：当选取700℃进行仿真时，钼坩埚表面的质量相对其他两个温度来说要好的多；如图1（c）所示：当温度选取800℃进行仿真时，坯料的强度明显下降，材料变软，在旋压过程中很容易产生金属堆积，从而使坯料表面产生起皮等缺陷。

3.4.2 旋轮进给量对旋压过程的影响

进给量的大小直接决定着制件的尺寸精度、表面粗糙度以及减薄率等。一般在选取旋轮进给量时都尽量选大一些，因为在不影响成品制件质量的情况下，选择大的进给量可以提高生产效率。如图2（a）所示：当选取0.8mm/s的进给量进行旋压时，坯料在旋压过程中由于存在弹性变形的原因，小的进给量使材料产生的变形流动量很小，并且在壁厚方向上分布不均匀，容易导致坯料产生裂纹；如图2（b）所示：当选取1.0mm/s的进给量进行旋压时，坯料表面相对其他两个进给量来说要好的多；如图2（c）所示：当进给量选取1.2mm/s时，在旋压过程中金属材料容易出现堆积的情况，导致坯料表面出现起皱等缺陷。

图2 不同进给量旋压对比图

4 实验

4.1 旋压试验

根据上一章的模拟结果来看，试验所用的工艺参数如表1所示。

表1 旋压钼坩埚工艺参数

旋压试验前，首先启动电控柜，先使主轴以中等转速旋转。利用主轴带动芯模旋转，通过丙烷与氧气喷枪对芯模进行加热，用电子测温仪对芯模进行实时测温当芯模温度达到200℃左右时停止加热。接着开始安装毛坯，毛坯安装完成之后顶尾顶，使毛坯在轴向方向上不发生窜动即可，然后继续用喷枪对毛坯进行加热。当毛坯的温度达到700℃时，启动事先编制好的程序开始进行第一道次的旋压。旋压过程中应该继续加热，时刻检测坯料的温度，不能使温度降到650℃以下。第一道次的程序走完后旋轮会自动退回，由于此时旋轮底部的温度已经降下来了，所以不能立刻旋压，还要继续对毛坯进行加热。当毛坯的温度达到700℃时，才可以进行第二道次的旋压。进行完第一道次旋压后，紧接着进行下面剩下的道次旋压。需要注意事项就是要注意时刻检查温度，不能使旋压温度低于要求值。其次就是如果坯料产生凸起或有异常响声且有强烈震感时应该停止旋压，取下坯料仔细检查。若是有凸起应及时修整，若是已经有裂纹则应该分析其原因，避免下次产生同样的状况。

4.2 试验结果

第一次试验所采用的工艺参数完全是依照模拟后选出的参数进行旋压的，然而并没有能够旋压出满足要求的钼坩埚，这也说明了仿真还存在着缺陷。因为模拟的旋压过程并不是与实际旋压过程完全一致，模拟得到的参数只能起到参考的作用。若想旋压出质量良好的钼坩埚还是要通过不断的实践才能完成。

经过几次试验之后，通过不断地分析产生缺陷的原因，然后修改参数，最后终于旋压出满足要求的钼坩埚。如图3所示为经过不同道次旋压后毛坯的尺寸形状对比，从图4可以看出坩埚内部的锥度。

图3 经过不同道次旋压的钼坩埚

图4 坩埚内部形貌图

中间的坩埚即是经过五道次的旋压后最终的成品坩埚。可见只要选取正确的工艺参数就可获得良好的成品坩埚，该坩埚表面比较光滑平整，力学性能优异。内表面经测量满足成品锥度要求，钼坩埚最终旋压成型工艺参数如表2所示。

表2 成品钼坩埚旋压工艺参数

5 结论

本文通过研究钼坩埚从坯料到成型过程的总工艺过程，期间对旋压过程进行了仿真，从仿真的结果中选出较优异的旋压工艺参数来进行旋压试验，得出如下结论。

（1）金属钼在常温下塑性很差，必须要对其加热来提高它的塑性方可进行旋压，旋压温度的控制增加了旋压过程的难度。试验表明，旋压温度的控制极其重要，它直接影响了旋压制品的成型质量。

（2）通过对旋压过程进行有限元模拟，从模拟结果上能够观察到旋压过程中坯料变形区应力、应变变化，从中分析出旋压变形只发生在坯料和旋轮接触区的一小片区域。从成型后制件的形状可以分析出经过旋轮挤压后的金属同时沿旋轮径向、轴向以及周向三个方向运动。

（3）通过观察模拟后坯料的变形程度选出坯料变形程度最好的一组旋压工艺参数，然后利用此旋压工艺参数进行旋压试验。通过分析试验过程中产生缺陷的原因并不断的修改工艺参数，最后旋压出满足要求的良好钼坩埚，得到了旋压该类型钼坩埚的最优工艺参数。

（4）在所有的旋压工艺参数中，进给量和旋压温度是影响成型质量最关键的因素。因此，在选定旋压工艺参数时，应该慎重考虑这两个参数的选择。