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1、旋压成形技术和设备的应用与发展作者：航天 7414 厂 赵琳瑜 韩冬 王北平 杨延涛（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
2、 Han dun Wang beiping Yang yantao (The 7414th Factory of the Fourth Academy of CASC, Xian 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 par
3、ts process projects,spinning Equipment and pivotal devices, typical spinning equipments 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; Meta
4、l 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 6070 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
5、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
6、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 21 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
7、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。 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
8、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。 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
9、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
10、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
11、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1920。 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
12、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： 。根据旋后工件实际壁厚 T11 与理论值 T1 比较分为过旋压(T1 1 T1)和欠旋压(T1 10 时为“正偏离”或称“欠旋” ，此时实际壁厚大于理论壁厚；当t0 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
13、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 200300，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
14、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 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
15、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
16、。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 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 2060KPa)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，
