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1、（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 EquipmentZhao Linyu Han dun Wang beiping Yang yantao(The 7414th Fac
2、tory 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 parts process projects,spinning Equipment and pivotal
3、 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; 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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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：
12、。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）。 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。 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
13、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。22 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
14、），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2-6 旋压成型的工件形状表6 各种旋压制件23 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。 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
15、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 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*sin （式2-3）预成形件成形锥形件（两次或多次剪切旋压）： 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
