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1、 1 滚珠旋压技术的发展及应用特点1.1概述金属及合金的旋压工艺是由古老的制陶成形方法发展而来。直到公元十世纪，我国祖先开始了用旋压方法制作金属容器。后来传到欧亚各国，直到十八世纪后欧洲工业革命的发展才使旋压技术有了实质性工业生产应用。最初旋压常用操作方法是将一块金属圆板安装在类似车床上使其旋转，同时用擀棒紧压其表面，一次一次地加以擀压，使其一点一点变形，直到板坯贴紧芯模成形出圆筒或圆锥之类形状的零件。在漫长岁月中，旋压技术一直局限于普通旋压这种变形方式。后来发展在 车 床 大 拖 板 的 位 置 ， 设 计 成 带 有 有 轴 向 运 动 动 力 的 旋 轮 架 ， 固 定 在 旋 轮 架
2、上 的 旋 轮 可作 径 向 移 动 ； 与 主 轴 同 轴 联 接 的 是 一 芯 模 ， 旋 压 毛 坯 套 在 芯 模 上 ； 旋 轮 通 过 与 套 在 芯 模上 的 毛 坯 接 触 产 生 的 摩 擦 力 反 向 被 动 旋 转 ； 与 此 同 时 ， 旋 轮 架 在 轴 向 大 推 力 油 缸 的 作 用下 ， 作 轴 向 运 动 。 旋 轮 架 在 轴 向 、 旋 轮 在 径 向 力 的 共 同 作 用 下 ， 对 坯 料 表 面 实 施 逐 点 连续 塑 性 变 形 。 在 车 床 尾 顶 支 架 的 位 置 上 ， 设 计 成 与 主 轴 同 一 轴 线 的 尾 顶 液 压
3、缸 ， 液 压 缸对 套 在 芯 模 上 的 坯 料 端 面 施 加 轴 向 推 力 。 图 1-1 所 示 为 液 压 传 动 普 旋 机 外 形 图 ， 图1-2 所 示 为 普 旋 机 旋 轮 架 局 部 工 作 图 。直到上世纪二次世界大战前后旋压技术才由普通旋压发展到强力旋压，并迅速扩大了应用范围。首先应用于民用器皿,后发展到军事工业和航空零件的制造。普通旋压属于扳材成形技术，变形过程中壁厚变化不大。而强力旋压属于体积成形,形状和壁厚均发生改变。强力 旋 压 成 型 所 需 要 的 旋 压 力 较 大 ,旋 压 机 的 结 构 一 般 也 较 复 杂 。图 1-2 普旋机旋轮架及旋轮
4、图 1-1 典型液压普旋机外形实体照图 1-3 数控三旋轮强力旋压机应用旋轮变薄旋压管形件就是强力旋压的主要应用实例。图 1-3 所示即为山西恒亚公司制图 1-4 车床滚珠旋压示意图17进给方向卡盘 管坯旋压模具调整支架旋后管件芯杆 尾顶尖造的三旋轮数控强力旋压机床。而滚珠变薄旋压管形件是强力旋压中的一亇分支。它的变形工具用滾珠代替旋轮。滾珠旋压工艺通常适用于直径较小的管筒类零件变形加工。通常直径小于 150mm。它的推广应用是在上个世纪五十年代后期在欧洲和前苏联得以应用。而我国滾珠旋压工艺也在六十年代初期作为新技术新工艺在工业展览中得以展示。当时该工艺在我国南方上诲和东北沈阳的应用多限于仪器
5、仪表中波纹管弹性元件的薄壁筒的加工。直到七十年代初，滾珠旋压工艺才逐渐推广到军工、宇航、航空、电子器件、医疗器械和民用空调等行业，用以生产各部门所需的高精度、薄壁、小直径管筒类零件。据报导当前在欧洲有应用 80mm 滚珠旋薄直径一米以上管材加工实例，这类应用是特例。如电真空器件中所应用的行波管管壳、对中管、外套筒、内外导体、阳极支持筒、屏蔽筒、栅极筒、排气管等诸多管筒类零件，过去多采用切削、冲压加工，不但费时费料，往往精度也不能保证使用要求。在医疗微创手术器械制造所需的高精度薄壁不锈钢管，低温超冷研制所需管类零件都有滚珠旋压的实际应用。除机械仪器仪表中弹性元件的应用外，在民用铜管乐器中高精度、
6、高直线度黄铜管及白铜管通过滚珠旋压成形的薄壁管的使用提高了乐器音响质量。近些年来，随着家用空调器使用飞速发展，一种新型传热管得以开发。这种铜管内壁具有螺纹槽的薄壁管也是采用滚珠拉旋工艺得以实现。由于滚珠旋压成形压力低，滚珠抗磨损又易更换，生产成本低，生产效率高，故而在市场的生产中广泛应用。该工艺方法在制造小锥度细长管件在民用行业也有应用报导。随着科学技术飞速发展，宇航、火箭、导弹、原子能等部门对难熔金属钨钼、钽铌等合金需求日益增长，在七十年代后上诲钢铁研究所、宝鸡稀有研究所、北京、广州有色金属研究院及电子器件行业科研单位都采用滚珠旋压加工出不同材质、不同规格难熔金属管件，为当时我国国防和民用工
7、业发展作出了贡献。由于滚珠旋压工艺方法简单、操作方便。在该工艺方法应用初期，使用车床、钻床、镗床、液压机等通用设备稍加改进，即可实现旋压加工。其加工示意原理如图 1-4 所示。后来随着滚珠旋压技术的推广应用，专用的液压传动滾珠旋压机床在六十年代中期相继设计制造。机床的形式多为立式三柱、四柱结构，顶部油缸控制轴向进给，工作台面上的模座带动滚珠模具旋转。当时该类旋薄机外型样式如图 1-5 实物照片所示。图 1-5 立式滚珠旋压机主机外形图这类旋薄机加工范围直径在 60mm，旋压壁厚在 0.052.0mm，旋压成品长度在5001000mm 不等。近年来随着机器制造业和各工业部门对新产品的需求促进了旋
8、压技术的发展。滚珠旋压机应用了程序控制、数控等新技术。促进了滾珠旋压的高效、高质量自动化生产。如兵器工业第五十五所为航天所需高温合金薄壁管所研制的 XYG15-110 立式滚珠旋压机 的控制系统采用高可靠的 PLC 控制、主轴转速数显、滑板运动速度光栅尺反馈，数显表指示等新技术。旋压直径最大可达 110mm，是我国目前较大的薄壁管专用旋压机。图 1-6 展示了应用滚珠旋压加工的薄壁圆管实物样件。随着滚珠旋压工艺推广应用，也可以旋压加工出如图 1-7 与 1-10 所示的异形断面薄壁管，图 1-9 所示的热旋难熔钼筒及图 1-8 所示用于电真空器件的蒙乃尔合金与无氧铜复合管壳断面图。同时，应用滚
9、珠旋压和拉拔、焊接等综合工艺方法还能加工出像图 1-11 所示用于电子器件的翼片管壳。图滚珠旋薄筒形件实体图图滚珠旋薄异形管断面实体图滚珠旋薄复合管断面实体图滚珠旋薄电子器件栅极钼筒零件图滚珠旋薄有内筋管形件51图滚珠旋拉组合成形电子器件翼片管壳实体照片44滚珠旋压工艺技术特点滚珠旋压是强力变薄旋压的一个分支。除了具有其它旋压方法的特点之外，还具有该工艺方法的独有特点。这也就使该工艺方法在近三十年来在民用、军工等领域生产加工高精度小直径薄壁管获得了日渐广泛的应用。滚珠旋压的技术经济特点如下：管件表面粗糙度好，尺寸精度高。由于作为变形工具的滾珠具有高的表面光洁度和尺寸精度，变形区的变形方式又是逐
10、点变形，弹性变形很小，保证了旋后管件外径尺寸可控制在0.005mm 以内。表面粗糙度通常可达 0.2m。良好的工艺配置，产品的表面光洁度几乎可以与经过表面研磨的产品相媲美。管件的管壁最薄可达 0.04mm。滚珠旋压的这些特质，通常的滾轮变薄旋压是很难达到的。1.2.2 金属管件机械性能得到提高。金属管件在变形区处于压应力状态，变形后使材质晶粒延长和组织细化，具有连续纤维结构，提高了金属的屈服强度，管件硬度也有所提高，延伸率相应下降。图 1-12 所示为不锈钢管旋薄后性能变化图。同时，管形件旋薄前后相比较金相组织也有明显变化，旋薄后显示了晶粒细化拉长。金相图见图 1-13 所示。a b图 1-1
11、3 15Cr3 钢旋压前后金相组织变化图 1-13 a 为钢管在再结晶退火后晶粒大小尚属均匀。而图 1-13 b则是减薄率 =18% 时金相组织图谱。随着变形程度的增加，从图中可以看到：晶粒变形拉长，而且由于在切线方向材料流动呈现出偏斜的晶粒层。随后随着变形程度增加，晶粒拉长畸变更为严重，滑移带密集且方向性也越加明显。最后变为密集的条带状纤维组织。又如电子器件形波管管壳材质多为 NCu40-2-1 和 1Cr18Ni9Ti，旧的加工方法为切削车制。而采用滚珠旋压的薄壁细长管壳强度极限分别提高了 70%和 85%，硬度也提高了 20%以上。管壳性能的改善使行波管抗击性能、参数稳定和使甪寿命都得到
12、了提高。1.2.3 工艺方法简便，容易掌握。旋压过程不需要过多依赖操作人员的技术干预，技术装备简单。通常的切削机床稍加改进，就能甪于滚珠旋压加工。由于变形力小，可以用吨位较小的设备加工较大尺寸产品。1.2.4 工模具消耗低。滚珠旋压与深冲拉伸相比，由于旋压变形力小，且滚动摩擦代替滑动摩擦，滚珠旋压模具多为通用可调整尺寸范围，致使工模具消耗仅为冲压引伸模具的 1/51/8 左右。1.2.5 变形效率高。对于通用塑性好的金属及合金，单道次的断面收缩率可达 7085%。而拉拔管材时也仅仅为 30%左右。若与切削加工相比，可提高生产效率 3050 倍。更便于小批量多品种、多规格管长与管径比大的薄壁管筒
13、零件加工。1.2.6 材料利用率高，产品成本低。滚珠旋压是无切削或少切削加工，通常可使加工零件内外径已达到成品尺寸。或者剩余机械加工余量也很小，所以管坯利用率很高。与切削机械加工相比，一般可节省材料5080%。管件的整体成本可降低三分之一以上。如某电真空器件行波管管壳，材料为NCu40-2-1。尺寸为 10.19.3315mm（外径内径长度） 。若用棒材切削成形，管壳材料利用率不到 15%。而当今镍铜蒙耐尔合金管材每公斤需近千元，可见利用滚珠旋压所带来的经济效益。1.2.7 材质自检效果。旋压过程中，是滚珠逐点挤压变形。因此，管坯中任何夹杂、夹层、隐性裂纹、砂眼等缺限很容易暴露出来。旋压过程也
14、附带起到了对管坯质量自检作用。1.3 滚珠旋压工艺的缺点:1.3.1 零件外形和尺寸有局限性由于滚珠旋压只适于加工轴对称迴转体壁厚薄的中小尺寸管件（通常壁厚4mm） ，因此它的加工应用受到一定局限。不像旋轮强旋和普旋那样具有众多类型的产品。易引起不均匀变形滚珠旋压的压力直接作用在管件外表面，并沿壁厚方向由外层向内层传递。外层变形量大于内层，这种变形不均匀性引起管件外层产生轴向附加压应力，内层产生轴向附加拉应力。加工后附加应力仍然存在材料内部成为残余应力。长时间自然时效会导致管件形状、尺寸和性能变化。所以对有明显不均匀变形管件需作进一步的消除残余应力的低温处理。工艺因素影响产品质量的工艺因素较为复杂，对旋压设备和操作技术比冲压引伸要求高。成本核算对一些简单筒形零件，批量大于件以上时，冲压引伸加工更为经济合理。
