|
（中国航天科技集团公司第四研究院7414厂，西安，710025）
摘要：本文阐述了金属旋压成形技术和设备的在各个主要领域的应用与发展，详细介绍了旋压工艺技术、典型旋压件的工艺技术方案、旋压设备及关键装置、典型旋压设备的应用，提出了旋压技术中值得探讨的表面粗糙度等问题，并对今后旋压技术和设备的发展进行了展望。
关键词：旋压成形技术 旋压设备
The Application and Development of Metal Spinning Technology and Equipment
Zhao Linyu Han dun Wang beiping Yang yantao
(The 7414th Factory of the Fourth Academy of CASC, Xi’an 710025, China)
Abstract:Introduce the application and development of metal spinning technology and equipment in all sorts of main fields, detailedly account for spinning process technology, typical spinning part’s process projects,spinning Equipment and pivotal devices, typical spinning equipment’s application, bring forward worthy discuss ible questions,such as roughness,and in expectation of the development of metal spinning technology and equipment in the future.
Keywords: Metal Spinning Technology; Metal Spinning Equipment
1 前言
旋压技术是一项具有悠久历史的传统技术，据文献记载最早起源于我国唐代，由制陶工艺发展出了金属的旋压工艺。到20世纪中叶以后，随着工业的发展和宇航事业的开拓，普旋工艺大规模应用于金属板料成形领域，从而促进了该工艺的研究与发展。在二十世纪中叶以后，普通旋压有了以下三个方面的重大进展：一是，普通旋压设备逐渐机械化与自动化，在20世纪50年代出现了模拟手工旋压的设备，即采用液压助力器等驱动旋轮往复移动，以实现进给和回程，因而减轻了劳动强度。二是，在20世纪60~70年代出现了能单向多道次进给的、电器液压程序控制的半自动旋压机。三是，由于电子技术的发展，于20世纪60年代后期，国外在半自动旋压机的基础上，发展了数控和录返式旋压机。这些设备的快速发展将旋压工艺带进了中、大批量化的生产中[1-11]。
强力旋压是上世纪五十年代在普通旋压的基础上发展起来的，最早是在瑞典、德国被用于民间工业(例如，加工锅皿等容器)。由于旋压工艺的先进性、经济性和实用性，且该工艺具有变形力小，节约原材料等特点，在近四十年中，旋压技术得到了长足的发展，不仅在航空航天领域，而且在化工、机械、轻工等民用工业中都得到了广泛应用。目前，旋压技术已日趋成熟，已经成为金属压力加工中的一个新的领域。
近20年来，旋压成形技术突飞猛进，高精度数控和录返旋压机不断出现并迅速推广应用，目前正向着系列化和标准化方向发展。在许多国家，如美国、俄罗斯、德国、日本和加拿大等国己生产出先进的标准化程度很高的旋压设备，这些旋压设备己基本定型，旋压工艺稳定，产品多种多样，应用范围日益广泛[19]。
我国旋压技术的发展状况与国外先进水平相比有较大差距。但近年来取得了较大发展，许多产品精度和性能都接近或达到了国外较先进水平。国内许多研究所(如北航现代技术研究所、黑龙江省旋压技术研究所、长春55所等)已经研制出了性能较好的旋压机。
2 旋压技术
2．1 旋压技术介绍
2.1.1 旋压技术定义与分类
旋压是一种综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚挤等工艺特点的少无切削加工的先进工艺，将金属筒坯、平板毛坯或预制坯用尾顶顶紧在旋压机芯模上，由主轴带动芯棒和坯料旋转，同时旋压轮从毛坯一侧将材料挤压在旋转的芯模上，使材料产生逐点连续的塑性变形，从而获得各种母线形状的空心旋转体零件。旋压工艺的加工原理如图2-1。 （图片） 根据旋压加工过程中毛坯厚度的变化情况，一般将旋压工艺分为普通旋压和强力旋压两种。
普通旋压简称普旋。传统观点认为，普旋过程中毛坯的厚度基本保持不变，成型主要依靠坯料沿圆周的收缩及沿半径方向上的伸长变形来实现，其重要特征是在成型过程中可以明显看到坯料外径的变化。
普通旋压的基本方式有：拉深旋压(拉旋)、缩径旋压(缩旋)和扩径旋压(扩旋)等三种。
拉深旋压是指毛坯拉深过程中的旋压成型方法。如图2-2-a示。它是由普通旋压中最主要和应用最广泛的成型方法。毛坯弯曲塑性变形是它的主要的变形方式。拉深旋压又可分为简单拉深旋压和多道次拉深旋压。（图片） 缩径旋压是指使用旋轮(或摩擦块)将回转体空心件或管状毛坯进行径向局部旋转压缩以减小其直径的成型方法。如图2-2-b示。缩径旋压过程中，将毛坯同心地适当装夹在适当的芯模中，将需要成型的那部分从中露出外面，当主轴带动毛坯旋转后，由手工操作或自动控制旋轮，按规定的形状轨迹作往复运动，当每次改变方向时给以一定大小的横向进给，逐步地使毛坯外周缩径，得到带有喉径形状或封闭球形的零件。为了避免工件产生起皱和破裂，应根据缩径前后直径之比，将过程分为若干道次或工序进行，即旋轮要作多次往复运动，且每次之前均给以一定的进给量，有时还需更换几次芯模和进行中间热处理等。根据材料和工件尺寸，有时要在加热条件下缩旋。如有可能通过支承容器边缘以减少生产起皱的趋势，从而可增大进给并减少生产周期。
扩径旋压是利用旋压工具使空心回转体容器或管状毛坯进行局部(中部或端部)直径增大的旋压成型方法，如图2-2-c示，这种工艺方法的限制主要是工件的材料性能，如抗拉强度、屈服极限、沿伸率、断面收缩率等。根据工件扩径程度的大小，往往分为若干道次进行。其道次数的确定原则是:使材料在扩径过程中不致产生过度的应变(应力)，也就是说，在成型过程中的应力不能超过材料的抗拉强度，否则会导致破裂。如果材料有较大的加工硬化趋向，则道次数要少，且每道次扩径量尽可能大，否则由于硬化严重，需更早时进行中间热处理，否则就无法进行。
强力旋压简称为强旋。强旋工艺主要依靠坯料厚度的减薄来实现成形，坯料外径基本保持不变。在进行强力旋压时，旋轮加于坯料上的压力要比普通旋压时大得多，坯料的变形情况和普通旋压时也不大相同，在普旋过程中，坯料厚度变化不大但直径变化很大—由大变小或由小变大，而在强旋过程中，坯料直径基本保持不变，但厚度变化很大—由厚变薄。因此强力旋压又称为变薄旋压。从工艺过程分析看，强力旋压属轴向拉延，变形区材料处于二向或三向压应力状态，因而可产生较高的变形程度。根据旋压件的类型和金属变形机理的差异，强力旋压可分为锥形件强力旋压一剪切旋压（如图2-3-a示）和筒形件强力旋压一挤出强旋（如图2-3-b示）两种。前者用于加工锥形、抛物线形、和半球形等异形件，而后者用于筒形件件和管形件的加工。有时这两种方法联合运用，加工各种复合形零件。强力旋压工艺利用旋轮对连同芯模一起转动的管状或平板毛坯施加压力，并沿毛坯经线方向进给，使得金属沿经线方向流动，相当于金属在旋压过程中得到了轧制，从而使制件性能提高，因此，该工艺在某些生产领域内比一般的机加工更具有应用前途[19][20]。（图片） 剪切旋压指的是不改变毛坯的外径而改变其厚度，以制造圆锥等各种轴对称薄壁件的旋压方式(锥形变薄旋压)。这种成型方法的特点是旋轮受力较小，半锥角和壁厚互相影响，材料流动流畅，表面光洁和成型精度高，并且能较容易地成型拉深旋压难于成型的材料。旋压过程中遵循的理论计算公式为：（图片）。根据旋后工件实际壁厚T11与理论值T1比较分为过旋压(T11> T1)和欠旋压(T11< T1)两种旋压方式。
筒形变薄旋压是指旋轮紧压在与芯模同时旋转的管状毛坯上并沿管坯轴向运动而制出薄壁长筒件。这种旋压过程始终遵循金属材料体积不变的原则，有如图2-4示两种旋压方式，即材料的流动方向与旋轮的移动方向一致的正旋（b）以及材料的流动方向与旋轮的移动方向相反的反旋（a）。（图片） 根据旋压轮是否在同一截面上还可将强力旋压分为错距旋压（图2-5）和同步旋压。（图片） 2.1.2 旋压技术工艺要素
普通旋压主要是改变毛坯的形状，而壁厚改变很小或不改变，其毛坯形状及尺寸的设计计算是关键技术。其工艺要素为旋压轮运动轨迹、旋轮直径、旋压间隙、进给率、主轴转速、旋压线速度、旋轮圆角半径、旋轮前侧面与模具母线夹角等。
强力旋压主要是改变工件的壁厚和直径尺寸，工件长度会相应作以改变，其工艺要素为旋轮直径、旋轮圆角半径、旋轮前角、旋轮后角、旋压攻角、主轴转速、进给率、旋压间隙、旋压道次、减薄率、工件半锥角、旋压线速度等。
当然对于材料要求要具有较高的延伸率、断面收缩率，抗拉及屈服强度也要适当。
金属材料的热处理也是旋压工艺中主要的因素，在旋压过程中由于受到强大的压、拉应力，致使材料硬化严重，必须采取热处理手段加以软化，为了改变最终工件的机械性能也需要进行必要的热处理。
2．2 旋压技术在不同领域的应用
旋压产品形状各式各样（如图2-6示），通过旋压可完成成形、缩径、收口、封底、翻边、卷边、压筋等各种工作，其产品广泛应用于各行各业（表2-1）。（图片）
图2-6 旋压成型的工件形状表6 各种旋压制件
（图片）2．3 典型旋压产品的工艺技术
2.3.1 圆筒形件强力旋压
图2-3-b为圆筒形件强力旋压工艺过程，其材料变形过程始终遵循体积不变原则，工件形状的改变为旋压前后圆筒壁厚的减薄、直径的变小、长度的增加，同时产品内径也会因工艺参数的不同而有不同程度的改变，最终产品要素为圆筒外（内）径、壁厚、长度、直线度、圆度等，产品长度可用式2-1计算。（图片） 其中：
L1--工件长度
L0--毛坯长度
S0--毛坯厚度
S1--工件厚度
di--内径
在圆筒形件强力旋压中有一种特殊的旋压方式就是分层错距旋压，是指多个旋轮在周向相互错开而在径向又依次使毛坯厚度减薄的旋压过程（图2-2）。这种旋压方式可以在一道次旋压过程中完成多道次旋压，提高了生产效率，同时由于对材料变形区增加了约束致使工件直径精度得到了提高[2]。
工艺方案及参数的制定主要考虑毛坯材料的延伸率、断面收缩率 、抗拉强度、屈服强度等因素。旋压单道次材料减薄率不能大于极限减薄率（图片） 可通过在多道次旋压中间增加热处理软化工序成形最终产品，主要的工艺参数为道次减薄率、旋压间隙、旋轮进给比、旋轮成形角、旋轮圆角半径以及错距量等，旋轮成形角、旋压间隙要合理匹配，负责旋轮前沿材料极易产生局部隆起、堆积以至失稳开裂。
毛坯的设计主要依据体积不变的原则（式2-1），按道次安排同时考虑旋压效率等因素，旋压前后直径的变化也应该考虑，一般遵循旋轮进给比大有利于缩径，进给比小有利于扩径的规律。
2.3.2 锥筒形件剪切旋压
图2-3-a为锥形工件剪切旋压工艺过程，除了遵循体积不变原则外，正弦理论是该工艺过程中必须依据的主要理论（式2-3/2-4）。
板料成形锥形件：
S1=S0*sinα （式2-3）
预成形件成形锥形件（两次或多次剪切旋压）：（图片） 工件形状的改变主要是壁厚的减薄、锥度减小和高度的增加，最终产品要素为锥筒段高度、半锥角、壁厚、已知位置的直径、锥筒段母线直线度、圆度等。
在实际剪切旋压中常有三种偏离状态，即“零偏离”、“正偏离”和“负偏离”，用偏离率 △t（式2-5）来表示。（图片） 当△t=0 时为“零偏离”，即实际壁厚等于理论壁厚；当△t>0时为“正偏离”或称“欠旋”，此时实际壁厚大于理论壁厚；当△t<0 时为“负偏离”或称“过旋”，此时实际壁厚小于理论壁厚。此三种状态可根据工艺需要适当调整。只有在“零偏离”时工件贴模性良好、精度较高。
工艺方案及参数的制定也因考虑所旋材料的延伸率、断面收缩率等因素。根据变形程度的大小，可适当增加剪切旋压道次，在道次中间增加热处理工序以软化材料，增加可旋性。在铝合金材料的剪切旋压中由于变形程度较大，可通过热旋压的方式成形工件，具体是将毛坯均匀预热到再结晶温度以上，同时将旋压模具加热到200~300℃，在旋压过程中可用乙炔焰直接加热毛坯，以保证温度不会过快降低，使材料处于软化状态，有利于旋压成形。其主要工艺参数除无错距量外，其余同圆筒强力旋压，为了增大材料变形区面积，防止材料所受拉应力过大，旋轮前沿处材料局部隆起过高，旋轮大多使用大圆角的普旋旋轮。
毛坯的设计主要依据剪切旋压正弦理论，工件壁厚与锥度成特定关系。因形状变化较大，旋压时应防止局部失稳开裂。
2.3.3 封头普旋成形
封头是一种广泛应用于锅炉、化工容器、油罐、核反应堆、导弹和人造卫星等的重要零件。其规格正向大型化的方向发展，应用领域也在不断扩大.采用旋压法加工大、中型封头具有其它加工方法无可比拟的优越性[21]。
图2-7为封头旋压工艺过程，封头旋压通常是采用板料成形，变形前后壁厚不变化或者变化极小，直径变化较大，或收缩或扩大，旋压时较易失稳或局部拉薄，有单向前进旋压和往复摆动多道次逐步旋压两种方式（图2-7中a和b）。产品要素为封头外形轮廓度、已知位置直径、高度、壁厚等。（图片）
图2-7 封头旋压主要工艺要素为旋轮运动轨迹、旋压道次、道次旋压间距、旋压速度、是否热旋等，渐开线形旋轮运动轨迹最有利于旋压成形，道次旋压间距的确定极为重要，直接影响旋压过程的成败。
目前，国内外在封头冷旋压成形中，主要采用两种方法。一是一步法，即板坯在旋压机上一次旋压成形。二是二步法，即板坯是在压鼓机上沿板坯展面逐点压制成球冠形，然后在旋压机上翻边。一步法旋压封头，其工作效率远远高于采用二步法成形封头工艺过程，产品质量较好。现阶段一步法旋压封头已处于主导地位，并已发展成熟。
封头的旋压成形分冷旋、温旋、热旋。冷旋是指在常温下对毛坯板料进行旋压成形，由于受到材料塑性限制，能采用冷旋成形的封头材料并不多。封头温旋成形技术主要用于中厚板封头和一些难于冷变形材料的封头成形。一般将金属加热到再结晶温度或锻造温度以下某个温度的旋压成形称为温旋。热旋成形是将金属加热到再结晶温度或锻造温度以上某个温度下进行的，随着温度的升高，金属的塑性也随之增强。而变形速度对塑性的影响是一个比较复杂的问题，随着变形速度的增加，既有使金属塑性降低的一面，又有作用相反的一面，而且不同温度下变形速度的影响也不同[22]。
2.3.4车轮辋旋压
车轮辋旋压技术是近几年才发展起来的轮辋成形新工艺方法，主要针对镁铝合金材料的轮毂（图2-8），也有部分轮毂采用钢质。国外17英寸以下轿车铝轮的生产以锻坯或环坯经旋压成型已成为主流。近几年国外用锻造、旋压工艺制造了22.5英寸载重汽车无内胎车轮，以其造型美观、重量轻、强度高成为钢轮的强劲竞争点。（图片）
图2-8 铝合金车轮传统的轮毂制造工艺方法是在较低压力(一般在20～60KPa)下浇注（铸造）—热处理—机械加工—最后表面处理，该方法适合大批量生产、生产率高、合格率较高、铝液利用率较高，但表面质量欠佳、成本稍高，而采用锻造—退火—旋压—热处理—机械加工—表面处理（喷涂或电镀）工艺方法生产的轮毂，大大提高了制造精度，有较致密的金相组织和较好的机械性能，较易达到轮毂等强度要求，重量轻、表面光洁，机械加工余量大大减少。此工艺在德国等较发达国家已发展成为成熟技术，目前国内已有较少企业在使用该工艺研究试制。
车轮旋压工艺一般可采用板材劈开式旋压（图2-9-a）或用铸（锻）件毛坯进行强力旋压（图2-9-b）成型两种工艺方式。劈开式旋压工艺是将圆盘状板坯用劈开轮通过分层工艺，使毛坯在厚度方向中部被劈成两份，再用成型轮渐进普旋成型即可；强旋工艺是将铸（锻）铝毛坯进行若干道次的强旋，从而达到轮辋型面尺寸要求。（图片）
图2-9 车轮旋压2.3.5 无缝整体气瓶旋压
旋压无缝整体气瓶是近几年才发展起来的新的工艺方法和产品，共有四种类型：钢制无缝气瓶、铝合金气瓶、复合材料钢内胆气瓶、复合材料铝内胆气瓶。主要应用于呼吸气瓶、CNG天然气气瓶、中大型高压气体运输气瓶等领域。
传统的气瓶制造方法为冲压瓶肩和瓶底，再与管件或卷焊瓶体焊接而成，制造工序复杂、成本较高，产品密封性及承压能力不理想。而旋压气瓶以其独有的整体无缝式已占有极广阔的市场，并有完全取代传统工艺方法所制造的气瓶的局势。
无缝整体式气瓶旋压最常用的工艺方法根据材料的不同有两种工艺路线，铝合金气瓶材料多为6061铝板或铝棒料，其工艺路线为板材冲压/铝锭热（350℃~450℃）反挤压成杯状－强旋直壁部分－热收口（400℃~450℃）普旋成形瓶肩及瓶颈，钢质（多为30CrMo）气瓶为管形件热旋压（900℃~1000℃）封底－强旋直壁部分/或不旋－热收口（900℃~1000℃）普旋成形瓶肩及瓶颈。图2-10-a为气瓶热收口普旋工艺过程，图2-10-b为收口后的部分产品截面。
收口旋压中应该注意的是旋压设备、热旋温度、普旋道次及轨迹，另外还应防止瓶肩内壁起邹。（图片）
图2-10 气瓶收口旋压2.3.6 带轮旋压
按照皮带轮的槽型和加工工艺可其分成三大类：劈开轮、折叠轮和多楔轮（多V带轮）。这些旋压皮带轮做为一种新工艺产品，已经广泛用于汽车、拖拉机等用内燃机驱动的辅助设备，如冷却风扇、发电机、水泵、空调机、压缩机、动力转向泵等，以及机床、农业机械、家用电器、家用机械等设备。由于此三大类旋压皮带轮的结构特点不同（图2-11），其加工工艺也不相同。板材旋压V带轮的基本结构型式为单槽、双槽和多槽。板材旋压多楔带轮的基本结构型式为折叠式，按楔槽数分为三楔、四楔、六楔、七楔和八楔。
劈开轮一般采用一次冲裁制坯，在旋压机上用旋轮从材料厚度的二分之一处劈开后整形旋压而成形（图2-11-e）。由于其加工工艺比较简单，影响产品质量的主要因素是毛坯本身的平面度精度，因此对冲裁的冲压模具要求较高。（图片）
图2-11 旋压皮带轮的结构特点折叠轮是采用冲压和拉深方法制坯，并在旋压机上旋压，同时适当加以轴向压力而成形，通常最后一道次用固定齿间距的模具和旋压轮进行精整旋压，达到产品精度要求。由于折叠轮在成形过程中没有发生金属流动，只是形状的变化，所以工艺上也比较简单，影响质量的因素不多。
多楔轮同样采用冲压和拉深方法制坯，然后在旋压机上旋压成形。由于齿形是在材料壁厚上用挤压方式使之产生金属流动和塑性变形而形成的，所以影响产品最终质量的因素就较多，包括上下模、旋轮形状、旋压道次、材料等（图2-11-f）。（图片）
图2-12 复合带轮旋压2.3.7 带内外纵向齿筒体旋压
强力旋压技术可用来制造带纵齿形的薄壁类零件（汽车离合器壳体）、滑动套筒、传动轴的“驱动内形”以及传动轮的呐合齿形等。该技术的开发与推广应用，为加工该类型的零件减少了较大的成本，同时对工件的成形结构有较大的改变。带纵齿筒形件强旋成形是一个复杂的材料塑性成形过程。目前，由于该加工过程本身的复杂性，利用现有的塑性成形理论尚不足以推导出其实际的计算公式，工艺参数的最佳选择途径还主要是依据经验而定。
带纵齿工件多种多样，主要的齿形如图2-13示。（图片）
图2-13 带纵齿工件齿形带纵齿工件的旋压成形主要应考虑的工艺因素有工件材料、模具材料、内外齿形、模具齿形、摩擦状况、工艺过程和热处理等。
制造带纵齿薄壁零件的毛坯一般采用平板坯料，先进行拉深、模锻或管截面成形等方式的预成形加工，然后再将筒形件安装于专用成形模具而旋压成形。零件的成形在通常情况下仅需要一个旋压道次就可以完成，只有在特殊的工件几何形状时或较长工件时才需要采用多道次工序先对材料预成形加工，然后再进行终旋精加工成形。
外纵齿形也可以通过旋压工艺高精度地加工制造，借助于旋轮和带有内齿的空心模具采用内旋压法来成形，这种方法受到直径的限制。另外一种方法是借助于一个或多个相适应的带齿旋轮通过唯一的径向进给运动来旋压成形工件的外形齿形。（图片）
图2-14 板材成形内外齿工件2.3.8 波纹管旋压
波纹管式节能换热器具有换热效率高、体积小、重量轻、能够自身吸收热变形等特点，深受用户的欢迎。目前，生产各种换热波纹管的工艺方法有焊接、液压、模压、轧制等，这些工艺方法尚存在设备复杂、适用范围窄、成本过高等问题，旋压成型换热波纹管是一种新的加工技术。九十年代初发明成功以来，其产品已得到了广泛的应用。
旋压工艺过程如图2-15所示，工艺要素为旋轮形面形状、旋轮进给速度、主轴转速、加热温度及热影响范围、单波轴向压缩量△l（指每成形一个波形，管坯沿轴向的压缩长度，它是影响波纹形状和局部壁厚减薄量的关健参数。△l太大，会造成管坯弯曲，破坏已成型的波形，△l太小，局部壁厚减薄量增大）。旋压中易产生缩径效应，导致局部壁厚超差。主要产品因素为直线度、波距精度和波深精度等（图2-16）。（图片）
1 主轴 2 波纹管 3 旋压轮 4 加热机构 5 压力机构
图2-15 波纹管旋压原理（图片）
图2-16 波纹管2.3.9 异型件旋压（图片）
图2-17 旋压异型件钛合金气囊内胆属航天飞行器配件，工件图如下。（图片）
图2-18 钛合金气囊内胆该气囊所用材料为TA7，这种材料的机械性能σb=785Mpa，ψ=25%，板材壁厚为1.5，要求普旋时壁厚减薄率不大于8%。由于材料强度高，断面收缩率小，形面复杂，在成形时存在较大的困难。
分析该工件结构为两片完全相同的半环型薄壁件焊接而成，因此，如果能旋压出半环薄壁件再焊接即可，考虑到形状的复杂性，采用分模旋压方案，先旋出半环内形面（图2-19-a为内形面旋压模具），再换装外形面旋压模具（图2-19-b为外形面旋压模具），旋出外型面。（图片）
a内形面旋压模具图 b 外形面旋压模具
图2-19 钛合金气囊内胆旋压模具导弹鼻锥件所用材料为6061铝合金，工件及工序如图2-20示。（图片）
图2-20 导弹鼻锥件该工件主要工序为下料Ⅰ-板料冲压Ⅱ-剪切旋压Ⅲ-剪切旋压Ⅳ-剪切旋压Ⅴ，由于板料供应状态为T6态，材料延伸率较低，不利于承受较大压力加工，所以旋压前对材料进行完全退火处理，以降低旋压变形抗力、提高材料塑性，同时在旋压道次间也可适当加以中间退火工序。
3 旋压设备
3．1 旋压设备的不同类型
旋压机按其运动方式、主轴方位、旋轮个数等可分为多种类型，而按其功用大致可分为强力旋压机、普旋机和专用旋压机。强力旋压机主要以流动旋压和剪切旋压成形为主，设备要求有较高的动静态刚度，所受旋压力及主轴扭矩较大。而普旋机主要成形有色金属复杂曲母线形面工件，设备旋轮头所受旋压力较小。专用旋压机主要承担一种或较少种类似结构的工件加工任务，象气瓶收口机、轮毂旋压机、带轮旋压机等。
3．2 旋压设备的关键装置
3.2.1 控制系统
最早的旋压机主要依靠手动控制旋轮运动轨迹，对工人的操作技术要求较高，工件一致性差，效率低。后来采用模拟电信号、PLC等控制旋压机各开关参量，使得旋压机的自动化程度大为提高，能实现批量化的生产。随着电子电力微电子等领域专业技术的飞速发展，出现了录返式控制旋压机和数字化控制旋压机，这是旋压机控制方式的较大进步，录返式旋压机只需要将工件手动旋压过程示教给旋压机控制系统，录返系统将通过“记忆”功能以同样的路径自动加工后续同种产品，实现自动批量生产的目的。目前的CNC旋压机已具有较多的辅助功能，象自动上下料、自动换旋轮、恒线速等，装机较多的控制系统是SINUMERIK 840D、FAGOR等，840D已具有6通道6主轴、每通道可实现各直线轴独立运动的功能。
3.2.2 动力系统
主轴模拟、数字变频实现无级变速及恒线速，主轴直流、交流变频电机可提供较大的扭矩。旋轮头直线轴依靠伺服电机通过高精度滚珠丝杠提供动力，用旋转编码器以半闭环控制方式确定位置，或通过直线及圆光栅尺以全闭环控制方式控制；旋轮头直线轴也可采用液压马达、液压缸以比例-伺服阀控制，以满足较大的旋压力需求。为提高生产效率，象较为先进的直线电机，电主轴等先进技术将不断的应用于旋压设备，从而为高速、超高速旋压材料塑性变形理论研究提供条件。
3.2.3 主轴箱和导轨
由于无极变速范围较小，往往增加机械齿轮变速机构来扩展主轴变速范围，其典型的传动方案是变频电机-变速箱-主轴箱，通过变速机构的调整，达到变速范围的调整，而在每个变速范围内又可实现无极变速。由于有数控系统的支持，有的旋压机也带有主轴定向旋转功能，在一些特殊的旋压中也能起到一定的作用，同时能容易的实现旋压中材料变形恒线速功能。
滑动导轨由于结构简单、使用方便等原因，目前实际应用较多，但由于存在动静摩擦突变，易导致“爬行”现象，影响了设备的稳定性。而静压导轨由于有极薄的一层油膜，其摩擦系数极小，对旋压过程中的爬行现象能起到较好的克服作用，但由于旋轮座受较大的倾转力矩，导轨较难平衡，容易导致工件几何精度变差，目前在一些大型旋压设备上有使用。滚动导轨由于受力较小、设备刚度要求较高等原因，实际应用不多。
3.2.4 旋轮座和旋轮头
旋轮座有整体式和开式结构，整体式通常是将各旋轮装在同一个框架机构上，各旋轮轴向运动采用同一信号控制、同一动力驱动，排除了同步误差，可在大旋压力状态下稳定工作。开式结构具有较高的灵活性，可实现多轮多路径同步旋压，在普旋和专用设备中较多采用开式结构，缺点是刚性较差，旋压力不能太大，旋轮头较易震动。
旋轮头根据安装旋轮个数有单轮、双轮、三轮、多轮几种，在较先进的旋压机上可实现自动换旋轮。单轮机构简单、使用灵活方便，双轮、三轮及多轮可在一道次旋压中通过错距旋压实现多次变薄，提高生产效率。
3.2.5 旋压工装
芯模在有模旋压中是不可或缺的工艺装备，主要承受旋压时的强大旋压力，对工件变形起到支撑作用，保证了工件的内壁形面，在旋轮的共同作用下迫使材料屈服变形，变形过程中受到较大的摩擦力，因此要求芯模具有较高的强度、刚度和硬度，热旋芯模还应具有较高的耐热性。材料应采用淬火硬度在HRC50~60之间的各种工具钢等。在结构上均为简单回转体，有内冷式、自动卸料式、组合分体式及较简单的整体式结构。芯模直径的确定主要应考虑工件旋压后的材料回弹及胀缩径量。
旋轮与工件外表面直接接触，承受极大的磨擦，要求旋轮具有较高的硬度（HRC55~65）、光洁度、及圆角尺寸精度。旋轮可分为圆弧式、双锥面式、台阶式等形式（图3-1），圆弧旋轮的圆角半径rρ是影响旋压质量的重要因素，常用范围是
rρ ≈ (1~3)t0（图片）
图3-1 旋轮形式双锥面和台阶面旋轮有带光整段和不带光整段两种形式，双锥面旋轮结构简单、通用性大，，一般较多应用于筒形件旋压，主要成形参数为成形角αρ和圆角半径rρ，成形角一般取15°~45°，成形角过大使旋轮前材料隆起和堆积倾向增大，容易失稳拉裂，过小又容易扩径。旋轮光整段的作用是利用材料弹性回复效应来减少工件表面不平度，光整段的存在使得旋轮圆角半径得以减少，也起到了提高工件成形准确度的作用。台阶旋轮是在双锥面旋轮成形段前增加一引导段，防止材料隆起、堆积、有时也可起到预成形的作用。
靠模样板应用于无数控及仿形装置的液压设备中，在传统的液压设备中起到了极好的作用，增大了设备的旋压范围。
3．3 专用旋压设备
3.3.1 轮毂旋压机
具有较高的自动化程度，是规模化生产线中的关键设备，能达到每分钟生产2~4件的生产节拍。具有立式和卧式两种结构，旋轮头可正负向较高速工作进给，在一个工步可完成粗旋和精整过程，辅助工序少，产品质量及效率较高（图3-2）。（图片）
图3-2 轮毂旋压机3.3.2 带轮旋压机
多为立式旋压机，旋压带轮直径从40~450mm均可生产，结构有单轮、双轮及三轮形式。以前我国主要靠进口专用带轮旋压设备（立式结构），现在已基本实现了国产化，并已形成多种规格的数条全自动生产线，以提供国内上千万件的需求量。设备性能已基本达到国外先进水平，已具有刚性好、精度高、可靠性好、控制系统先进、调试方便、生产效率高、外形美观等特点。
3.3.3 气瓶热收口旋压机
热收口旋压机主要特点为可实现两个直线轴（x、z轴）与一个旋转轴（B轴）的三轴联动工作，同时还具备了加热功能，并配有自动上下料装置。可用于封底、缩径及曲母线弧段收口加工，在主轴、尾顶、选轮座、旋轮柄均采用强制冷却方式，可自动控制点火、熄火及毛坯温度保持，有的设备配有光学温度监测计，以很好的控制温度，加热一般采用火焰或中频感应加热。目前国产该设备应用逐渐增多，已在东北、北京、上海等多个地区形成了数种气瓶生产线，满足国内甚至国外压力容器市场的需求。图3-3示为气瓶热收口旋压机。（图片）
图3-3 气瓶热收口旋压机3.3.4 其它专用旋压机
大型封头旋压机主要有两种形式，即“二步法”成形（压鼓+旋压翻边）旋压机，“一步法”成形（多道次普旋成形）旋压机。主要由机身、旋压辊、成形棍、顶紧、动力机构、控制系统等构成。其核心为旋压辊、成形辊的组合运动轨迹。图3-4示为封头旋压机。（图片）
图3-4 封头旋压机翻、卷边旋压机通过转台的转动来加工不同形状的工件，压力轮机构是其中的关键核心技术，其运动轨迹的计算较为复杂，而旋压臂所受旋压力相对较小，但要求旋轮机构运动灵敏迅速，成形简单快捷，产品性能得到改善，提高了生产效率，降低了成本。
近年来，我国对大型封头的需求日益增多，国内封头旋压设备研制也已基本能满足国内市场发展需求，在国家政策的支持下，通过近几十年的研究改善，大型封头旋压设备已基本实现了国产化。
4 国内外旋压技术和设备的差距及各自的特点
我国旋压技术的发展状况与国外先进水平相比，无论是在产品种类、尺寸精度、设备能力和自动化程度等方面，还是在工艺理论研究方面还都有一定的差距。诸多科技工作者正在致力于该项研究工作，近20年来取得了较大发展，许多产品精度和性能都接近或达到了国外先进水平。国内少数高等院校，如哈尔滨工业大学、北航、西工大等，以及一些有实力的研究所已在研制CNC旋压机、并进行理论探讨和开发新工艺。尤其在近几年中，我国一些工厂从国外引进了先进的数控旋压机，使我国的旋压技术日趋成熟。国内许多研究所(如北航现代技术研究所、黑龙江旋压技术研究所、长春55所等)已经研制出了较稳定可靠的多种类型的旋压机，在国内市场已有一定份额，但部分机种仍依赖于进口。
国外在旋压领域不但拥有先进的设备而且掌握了成熟系统的旋压技术。如德国LEIFELD公司的ST56-75NC三轮强力旋压机可完成各种高精度薄壁筒形件多种曲母线的旋压。美国最大400T双轮立式旋压机可对任意合金筒形件进行加工，对某些精密件收口壁厚公差可达士0. 38mm，表面粗糙度Ra3.2。日本东芝机械公司的高效率旋压机将液压仿形与数控相结合来热旋各种形状的高压气瓶。
另外，国外特别是美国、日本、德国等许多发达国家的旋压技术日臻完善，不论在设备设计与制造、理论与工艺研究、旋压技术的应用等方面都有很大的发展。我国的旋压技术始于六十年代初期，经过几十年的努力，我国在旋压技术设备和旋压工艺理论基础研究方面（如旋压过程的应力-应变有限元分析、新工艺新方法及理论的探索研究）取得了很多的进展，使得旋压技术应用日益广泛，但仍不能适应我国国民经济发展的需要，特别是在理论研究方面至今仍然是一个薄弱环节，这已成为影响我国高档设备使用效率和旋压工艺进一步推广应用的制约因素。因此，加强旋压成形技术的理论研究，建立系统的基础性资料，是我国旋压技术发展中的一项重要内容。
5 对旋压成形技术中几个问题的探讨
5.1 工件表面粗糙度问题
表面粗糙度是衡量工件表面质量的主要参数，通常指的是轮廓算术平均偏差Ra，即在取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值：（图片） 所有旋压件是采用不去除材料方法加工，原始外表面粗糙度均有要求，通常其值被取为Ra3.2~12.3不等，这在旋压界已成惯例，但详细分析该参数项，并不能较合理地反映旋压件外表面的质量状况。如图5-1所示。（图片）
图5-1 旋压件表面微观粗糙度分析a为旋压进给率为f（mm/n）时相邻旋压凹痕间的距离，h为凹痕与凹痕间的凸痕高度，在同一旋压过程中h值不变。根据粗糙度定义计算旋压件粗糙度为（图片） 根据实际假如f=1.0mm/n，即a=1mm，旋轮攻角为30°，由实际作图知h=0.042mm，那么Ra=0.042mm=42μm，即粗糙度为Ra42，这显然不合理，因此传统的粗糙度计算方法在此并不能有效地反映旋压件的表面质量状况，所以需要一个能确切的反映旋压件表面质量的专用参数。
分析工件表面纹理特征，提出旋压工件旋纹度的概念。对于旋压工件外表面粗糙度用旋纹度表示（图片） 其中5L为标准评定长度，一般L=2.5mm，1%为优化系数。用旋纹度能较为准确的表示旋压工件外表面质量状况，能将旋纹高度、宽度和疏密程度综合程度表达清楚。比如上面的例子，（图片） 即旋纹度为5.25。这是一个综合评定参数，值越大旋纹越粗糙，表面质量越差。
5.2 高速旋压
目前几乎所有可旋材料的旋压塑性变形速度都处于相对较低的状态，芯模转速一般在50~300 n/min之间、旋轮进给比率小于2mm/n，建议研制开发新型高速旋压设备，在有色金属的旋压（有模和无模）中将主轴转速调高到500n/min以上，甚至高过1000n/min的速度，对有色金属的高速旋压状态变形规律进行分析研究，为以后民用有色金属的普旋成形精度控制开辟新的研究方向。
6 旋压设备和技术展望
为了适应我国工业生产发展的需求，在设备方面应不断提高整机系统的稳定性、控制检测系统的先进性，朝着大型化、系列化、高精度、多用途、多功能和自动化方向发展，并不断开发新的旋压产品，扩展旋压技术的应用领域，开发新的旋压设备，增加设备及产业化生产线的自动化程度，工艺技术方面应不断改善产品的成形质量(如尺寸精度、形状精度、表面质量及性能等)，着力开发复杂曲母线、不同心及组合型新产品，在多种材料复合旋压、以旋压为主的多种制造方法复合制造及不同材料焊后旋压变形机理理论及试验研究方面加大力度，尽快形成较为全面、系统、可靠的旋压基础理论及质量控制体系，并逐步向综合智能化旋压方向发展，将机、电、液、微电子、光、检测、传感技术、人工智能等先进技术运用于旋压技术，建立通用旋压件制造专家系统，做到能自动识别产品图纸和状态，自动设计旋压毛坯、规划制造方案，工艺过程智能化编制、自动优化调整工艺参数。
参考文献：
[1] 陈适先. 强力旋压及其应用. 北京：国防工业出版社，1966
[2] 王成和，刘克璋. 旋压技术. 北京：机械工业出版社，1986
[3] 王裕清，武良臣. 旋压工艺与无心轴托辊. 煤炭科学技术，1997.2；49-51
[4] 吴坚，赵东福，约翰·迪特里希. 参数控制的数控旋压成形工艺，1999.2；4-6
[5] 张方晓. 旋压成形变壁厚双锥角锥形件的方法. 锻压技术，2000.4；39-42
[6] 马泽恩. 筒形件强力旋压的变形分析与力计算.第一界全国旋压会议论文集.北京：国防工业出版社，1980
[7] 叶山益次郎，工藤洋明. 回转体加工实验的解析. 日本机械学会论文集，1978；44
[8] 任洁，赵文珍，吴洪新. 旋压成形波纹管的内表面裂纹生成机理与对策. 1998.4；35-36
[9] 洪慎章，曾振鹏. 锥形件衬套强力旋压力的工程计算. 模具技术，1999.5；68-73
[10] 韩冬，陈辉. 温度梯度对Tal旋压圆筒件质量的影响. 固体火箭技术，1999.1
[11] 李超玲. 筒形件强力旋压过程的有限元数值模拟. 西北工业大学硕士学位论文，2004
[12] Xu,Y.Zhang S.H.;Li P.et al.3D rigid-plastic FEM numerical simulation on tube spinning. Journal of Materials Processing Technology,2001,(113);710-713
[13] LiKezhi,Hao Nanhai. Research on the distribution of displacement in backward tube spinning. Journal of Materials Processing Technology.1998,(78);185-188
[14] 陈适先，贾文铎等.强力旋压工艺与设备.国防工业出版社，1986
[l5] 刘建华，杨合，李玉强.旋压技术基本原理的研究现状与发展趋势.重型机械，2002，(3):l-4
[l6] 赵云豪，张顺福.国内旋压技术发展的回顾与展望.第七届全国旋压学术年会论文集，1999:419一421
[l7] Rajnish Prakash，R.RSinghal.Shear SPinning Technology for Manufacture of Long ThinW 11 Tubes of Small Bore.1 995，54:1 86一192
[l8] 薛克敏，江树勇，康达昌.带纵向内筋薄壁筒形件强旋成形.材料科学与工艺，2002.9
[l9] 张敏聪，钛合金高压容器成形过程的有限元模拟.西北工业大学硕士学位论文，2003
[20] M.I.Rotarescu.A Theoretical Analysis ofTube SPinningUsingBalls.J.Mater.
Process.Technol.，1995，54:224一229
[21] 刘兴家，封头普旋道次间距序列确定方法的研究. 哈尔滨电工学院学报，1995.12
[22] 苏畅，厚壁封头无胎温旋压成形的数值模拟. 燕山大学工学硕士学位论文，2001
[23] 宋志俭，樊兆虎，车轮旋压技术新发展，第九界全国旋压会议论文集
[24] Bernhard Rolf，强力旋压工艺实现带齿工件的制造，制造技术
[25] 张利鹏，刘智冲，周宏宇，带内筋筒形件强力旋压成形试验研究，锻压装备与制造技术，2005.4
[26] 李继贞，祝听，带内齿工件的旋压成形，锻压技术，1997.2
[27] 赵文珍，任洁，吴洪新，厚壁换热波纹管加工新工艺方法，沈阳工业大学学报，1996.12
作者介绍：赵琳瑜，男（1976~），工程师，长期从事旋压工艺及设备的应用研究与开发，专长于超高强度钢小锥度变壁厚旋压、各直径钢铝圆筒旋压、异型曲母线工件旋压、钢质轮毂旋压、铝镁合金轮毂旋压、钢质气瓶旋压、铝合金气瓶内胆旋压、钛合金旋压。
2/1/2007
|
