旋压技术

旋压技术基本概念

金属旋压技术的基本原理相似于古代的制陶生产技术。旋压

成型的零件一般为回转体筒形件或碟形件，旋压件毛坯通常

为厚壁筒形件或圆形板料。旋压机的原理与结构类似于金属

切削车床。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，固定在旋轮架上的旋轮可作径向移动；与主轴

同轴联接的是一芯模(轴)，旋压毛坯套在芯模(轴)上；旋轮

通过与套在芯模(轴)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缸，液压缸对套在芯模(轴)上的坯料端面施加轴向推力。

旋压成型有普通旋压和强力旋压成型两种。不

改变坯料厚度，只改变坯料形状的旋压叫普通旋压

成型；即改变坯料厚度,又改变坯料形状的旋压叫

强力旋压成型。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。强力旋压成型又依旋

轮移动的方向与金属流动的方向，分为正旋和反

旋。旋轮移动的方向与金属流动的方向相同，叫正

旋；反之，称为反旋。同一种材料，反旋成型所需

的旋压力较大。采用哪种旋压方式成型,要依据零

件的形状和工艺要求确定。

旋压机的选型由旋压工艺及多种成型工艺条件要求确定。旋压机分强力旋压机和普通旋压机二大类型。强力旋压机又分双旋轮和三旋轮。还有

用于特殊零件旋压的旋压机，如热旋压机、钢球

旋压机等。

我国金属旋压成型技术的发展历史近四十

年，而在国防工业的应用研究尤为广泛，研究应

用水平很高，特别是在旋压成型工艺及装备方

面，已经处于国内领先地位。旋压机的设计和制

造能力也很强。

旋压技术简介

什么叫旋压技术，也叫金属旋压成形技术，通过旋转使之受力点由点到线由线到面，同时在某个方向给予一定的压力使金属材料沿着这一方向变形和流动而成型某一形状的技术。这里，金属材料必须具有塑性变形或流动性能，旋压成形不等同塑性变形，它是集塑性变形和流动变形的复杂过程，特别需要指出的是，我们所说的旋压成形技术不是单一的强力旋压和普通旋压，它是两者的结合；强力旋压用于各种筒、锥体异形体的旋压成型壳体的加工技术，是一种比较老的成熟的方法和工艺，也叫滚压法。

在机械产品中如何节约原材料却能提高产品质量，减轻产品的重量却能延长使用寿命，降低产品的制造成本及能源消耗却能减少加工工时一直是人们关注的。

例如"V"型皮带轮(通称"V"型带轮)是用途十分广泛的机械传动零件之一，如果能由钢板成型具有重要意义。钣制皮带轮同传统的铸铁皮带轮相比，可节约原材料70％以上。由金属钣材经拉伸--旋压成形的钣制旋压皮带轮是最新最佳的带轮结构形式。这种带轮不仅具备上叙优点，而且无环境无污染，尤其在汽车、拖拉机、收割机、空压机等多种机械产品中应用广泛。采用钢钣毛坯在专用的皮带轮旋压机床上使毛坯产生由点到线、由线到面的塑性变形而制成。旋压带轮一般有三种基本形式：折叠式带轮、劈开式带轮和滚压式多V型带轮(也称多楔带轮)。

旋压带轮与铸铁皮带轮相比的优点是采用旋压工艺制成的(无屑加工)，结构轻、省材料，因

而转动惯量小，是一种节料、节能的新产品。生产效率高(每分钟加工2～4件)，平衡性能好，一般无需平衡处理。由于材料流线不被切断，表面生产冷作硬化，组织密度提高，使轮槽表面的强度和硬度提高，并且尺寸精度高，三角带与轮槽的滑差小，皮带寿命长。

CDC-S60立式数控旋压机床

带轮旋压成形式工艺与设备是一项先进的技术，带轮旋压工艺上取得了折叠式带轮、劈开式带轮、滚压式多V型带轮和组合式带轮一系列科研成果，在理论与实践两个方面解决了旋压成形中的各种技术难题，并成功地用于生产。但与德国的旋压技术相比，我国还需要努力追敢，因为，我国许多产品还需要进口，尤其是汽车中的某些零部件。

旋压产品简介

CDC-S系列数控旋压机是生产旋压皮带轮的专用设备。旋压皮带轮做为一种新工艺产品，已经广泛用于汽车发动机中，如电机轮、水泵轮、空调轮和风扇轮等。按照皮带轮的槽型和加工工艺可分成三大类：劈开轮、折叠轮和多楔轮。由于此三大类旋压皮带轮的结构特点不同，其加工工艺也不相同。

多楔轮所选用的材料厚度为2～6mm，一般均为3mm。采用拉深和冲压方法制坯，在旋压机上加工成形。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很多，包括上下模、旋轮、工艺参数、材料材质等。在以后的工艺分析和模具设计中会详细介绍。

折叠轮所选用的材料厚度为1.5～2.5mm，也是采用拉深和冲压方法制坯，并在旋压机上加工成形。由于折叠轮在成形过程中没有发生金属流动，所以工艺上就比较简单，影响质量的因素不多。

劈开轮的材料厚度为2～4mm，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而成形。由于其加工工艺也比较简单，影响质量的因素也不多，最主要的是受毛坯本身的平面度影响。因此对冲裁的冲压模具要求较高。

浅谈旋压机的数控改造

由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。目前购置一台大型数控旋压机价格非常昂贵，所以为旧设备的数控改造提供了一定的市场。

1．旋压机床数控改造的必要性：

我国旋压机总量几百台，而其中数控机床非常少。大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且多数以上是役龄在10年以上的旧机床，生产装备和技术陈旧而落后。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场，军品和民品市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高旋压机的数控化率。

旧旋压机由于使用时间长久，分立电子元件均已严重老化，故障频繁，且各种机械与电子元件根本无处购买，造成维修困难，有的已经无法正常使用。目前很多旋压机用手工进行仿型加工，一是劳动强度大，时间长，二是控制水平比较落后，精度比较低。因此用传统的手动操作方式加工一致性差，功效低，加工质量得不到保证，采用数控技术加工已成为必然的趋势

改造的数控旋压机投入使用后，由于系统操作灵活，使用方便，加工功能增强，适合于较为复杂型面工件的加工，提高了生产效率，保证了加工精度。

2．旋压机数控化改造主要内容：

其一是恢复原功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是NC化，在普通旋压机上加数控系统，改造成CNC机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC 进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。

3．改造方案

结合生产实际，依据工艺要求和被改机床的完好程度，可采用不同的改造方案。

3．1机械改造

一台新的数控旋压机，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动

无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。

3.1.1滑动导轨副

对数控旋压机来说，导轨除应具有普通旋压机导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。

3.1.2滚珠丝杠

丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。

3.2主轴驱动改造选型

根据旋压工艺的要求，主轴一般都设计成无级调速。

对于交流主轴电机，采用变频调速控制。如西门子6SE70矢量控制三相交流电压源型变频调速系统，其调速和起制动性能好，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

对于直流主轴电机，如采用西门子6RA70全数字直流调速装置代替原有的调速系统。6RA70是三相交流电源直接供电的全数字控制装置，体积小、结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电完成调速任务。这一装置的优点在于：本身带有参数设定单元，不需要其它的任何附加设备即可完成参数的设定，并且所有的控制、调节、监视及附加功能都由微处理器来实现。

3.3数控及进给驱动系统

当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国SIEMENS公司、法国NUM公司、日本FANUC公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。

选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求等具体情况进行选择

3.3.1交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环控制系统

半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。比如西门子的1FT5、1FT6交流伺服电机，稳定可靠，伺服性能好。

3.3.2异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环控制系统

该系统与开环系统的区别是：由光栅等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，驱动功率更大的特性指标。

3.3.3 伺服阀/伺服油缸，光栅测量反馈的闭环控制系统

在行程较短，旋压力要求大的场合，由伺服阀，伺服油缸组成的闭环控制系统是一个很好的选择。

4．机床数控改造主要步骤

4．1改造方案的确定

改造的可行性分析通过以后，就可以针对工艺和机床现况确定改造方案，一般包括：

4.1.1 机械修理与电气改造相结合

一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械修理。机械性能的完好是电气改造成功的基础。

4.1.2先局部后整体

确定改造步骤时，应把整个电气部分改造先分成若干个子系统进行，如数控系统、测量系统、主轴、进给系统、面板控制与强电部分等，待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。

4.1.3 根据使用条件选择系统

针对使用环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线，甚至有否鼠害等外界使用条件，这对选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等可提供正确的依据，使改造后的电

气系统有了可靠的使用保证。

4.1.4 改造范围确定

有时数控机床电气系统改造，并不一定包含该机床全部电气系统，应根据科学的测定和分析决定其改造范围。

4.2 改造的技术准备

改造前的技术准备充分与否，很大程度上决定着改造能否取得成功。技术准备包括：

4.2.1机械部分准备

为配合电气改造而需进行的机械大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。

4.2.2旧系统电气资料消化

只有对旧系统电气资料进行充分的消化，才能了解以前的设计思想，才能更好完成新旧系统的衔接与转换。

4.2.3新系统电气资料消化

新系统有许多新功能、新技术，因此改造前应熟悉技术资料，包括系统原理说明、线路图、PLC梯形图及文本、安装调试说明、使用手册、编程手册等。

4.2.4 新旧系统接口的转换设计

全局改造的，应设计机电转换接口、操作面板控制与配置、互联部分接点等，要求操作与维修方便、合理，线路走向通顺、连接点少，强弱电干扰小，备有适当裕量等。局部改造的，还需要考虑新旧系统的性能匹配、电压极性与大小变换、安装位置、数模转换等。

4.2.5 调试步骤的确定

调试工作涉及机械、液压、电气,调试步骤可从简到繁，从小到大，从外到里进行，也可先局部后全局，先子系统后整系统进行。

4.2.6验收标准的确定

验收标准是对新系统的考核，制定时必须实事求是。

4.3 改造的实施

准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。实施阶段内容按时间顺序分为：

4.3.1 原机床的全面保养

机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在问题，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析用。

4.3.2保留的电气部分最佳化调整

若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。如强电部分的零件更换，电机的保养，变压器的烘干绝缘，污染的清洁，通风冷却装置的清洗，伺服驱动装置的最佳化调整，老化电线电缆的更新，连接件的紧固等等。

4.3.2 原系统拆除

原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及时在图纸上作出标记，防止遗漏或过拆(局部改造情况下)。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处，应及时补充与修正.

4.3.3合理安排新系统位置及布线

根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元器件位置、密封及必要装饰等。应确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。

4.3.4 调试

调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员随时记录，以便发现和解决问题。调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生；各运动坐标拖板处于全行程中心位置；能空载试验的，先空载后加载；能模拟试验的，先模拟后实动；能手动的，先手动后自动。

4.4验收工作及培训

验收工作应聘请有关的人员共同参加，并按已制定的验收标准进行，内容包括：

4.4.1机床机械性能验收

经过机械修理和改造以及全面保养，机床的各项机械性能应达到要求，几何精度应在规定的范围内。

4.4.2 电气控制功能和控制精度验收

电气控制的各项功能必须达到动作正常，灵敏可靠。控制精度应用标准计量器具(如激光干涉

仪、坐标测量仪等)对照检查，达到精度范围之内。同时还应与改造前机床的各项功能和精度作出对比，获得量化的指标差。

4.4.3试件验收

试件可验收机床刚度、力、运动轨迹、关联动作等。

4.4.4 图纸、资料验收

机床改造完后，应及时将图纸(包括原理图、配置图、接线图、梯形图等)、资料(包括各类说明书)、改造档案(包括改造前、后的各种记录)汇总、整理、归档。保持资料的完整、有效、连续，这对该设备的今后稳定运行是十分重要的。

5．改造效果

同其他机床的改造相比，旋压机的数控改造还比较少。考核数控化改造的一般标准是投入少，回收期短，投资回报率高；尤其军品的某些旋压机根本无法从外国购置，如果有，也是供货时间与价格都无法接受，所以对现有的旋压机数控化改造，将取得巨大的社会和经济效益。

列如1995年，鞍山高压容器厂改造两条旋压器收口机生产线。已运行7年，至今仍正常运转，深受用户好评。

6．数控化改造的利弊

1 减少投资额、交货期短

同购置一台新旋压机相比，一般可以节省60％～80％的费用。特别是大型旋压机节省费用尤其明显。

2机械性能稳定可靠，结构受限

所利用的现有床身等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床钢性好，性能稳定。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。

3熟悉了解设备、便于操作维修

购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地知道床子的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。

4可充分利用现有的条件

可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。同时芯模及外围工装也能再利用。一般旋压工装费用要占整个机床造价的10％左右。

5可以采用最新的控制技术

可根据技术革新的发展速度，及时地提高旋压机的自动化水平和效率，提高设备质量和档次。

7．结论

1) 对旋压机床进行技术改造，系统在设计安装调试后，能达到规定的主要技术指标，运行能够稳定可靠。

2) 系统软件增加了许多特殊功能，方便了用户编程，扩展了旋压机的加工工艺范围。

3) 对旋压机床进行CNC技术改造，进给系统精度可比原来有所提高；对于用交流伺服技术改造的旋压机，其进给驱动系统采用交流伺服电机，性能可靠，精度更加稳定。

4) 对旋压机床进行CNC技术改造，社会效益和经济效益明显。

北航现代技术研究所

北航现代技术研究所是一家专业生产立式数控皮带轮旋压机的高新技术企业。研究所自1988年成立以来，一直从事带轮旋压机床的设计与制造和带轮旋压工艺的研究工作，该研究所是国内唯一一家从事带轮旋压工艺和带轮机床设计与制造的研究机构，也是全国旋压协会咨询中心总部所在地。

北航现代技术研究所的前身为北京航空航天大学旋压工艺与设备教研室，该研究室自二十世纪六十年代初就开展金属旋压工艺方面的研究，几十年来完成旋压技术系列科研成果，从理论与实践上推进了旋压技术的进步，并在航空、航天、兵器等领域中得到推广应用。改革开放后，本着科技面向社会、面向市场的精神，80年代初该研究室旋压出中国第一个旋压皮带轮，从85年起开展了带轮旋压成形工艺的研究，经过十多年的研究与实践，研究所已全面掌握各种带轮的旋压成形原理，塑性变形规律与变形控制，工艺参数优化以及专用工艺装备的设计原则等，在此基础上，研究所研制成功用于批量生产的系列数控带轮旋压机床，为我国旋压带轮产品全部国产化创造了必要而

充分条件。

自1988年成立北航现代技术研究所以来，研究所成功的研制了20吨立式带轮旋压机床（VPS-20），30吨立式数控旋压机床（VPS-30、VPS-30A、VPS-30B、VPS-30C、VPS-30D、VPS-30J）和60吨立式数控旋压机床（VPS-60）。目前研究所正在进行摩托车轮毂、汽车轮辐及其他复杂工艺专用旋压机床的研制工作。

我所设计生产的各类立式数控旋压机结构合理，整体刚度好，自动化程度高，加工范围广，加工效率高，经专家组的鉴定该机床工作稳定可靠，整体技术性能达到同类设备二十一世纪初国际先进水平。我所生产的立式数控旋压机填补国内空白，多次被评为国家级新产品，国家级科研成果重点推广项目。研究所目前拥有一批多年从事金属冷压成形工艺、机床设计和计算机控制方面的专家、教授。有很强的产品开发能力，在同行业中一直保持着领先的地位。