旋压成型技术研究进展

旋压成型技术研究进展

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摘要：主要介绍了旋压成型工艺的概念、特点、分类以及发展。同时，着重介绍了普通旋压成型技术和强力旋压成型技术。最后介绍了国内外旋压成型技术的现状以及展望。

关键词：旋压成型；概念；分类；进展

前言

旋压技术是一项传统技术, 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[1]。到20世纪中叶以后，随着工业的发展和航空航天技术的开拓，旋压工艺开始大规模应用于金属板料成型领域，从而促进了该工艺的研究和发展[2]。

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, 在近年中, 又得到了长足的发展,并已经成为金属压力加工中的一个新的领域[3]。随着旋压成形技术的突飞猛进, 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。在许多工业发达国家,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[4]。

1. 旋压成型

1.1 旋压成型的概念

旋压是综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚压等工艺特点的少、无切削的先进加工工艺，广泛地应用于回转体零件的加工成形中。是根据材料的塑性特点，将毛坯装卡在芯模上并随之旋转，选用合理的旋压工艺参数，旋压工具(旋轮或其他异形件)与芯模相对连续地进给，依次对工件的极小部分施加变形压力，使毛坯受压，并产生连续逐点变形而逐渐成形工件的一种先进的塑性加工方法[5]。

1.2 旋压成型的特点

1)在旋压过程中，旋轮(或钢球)对坯料逐点施压，接触面积小，单位压力可达250～350kgf/mm2以上，对于加工高强度难变形材料，所需总变形力较小，从而使功率消耗大大降低。

2)坯料的金属晶粒在三向变形力的作用下，沿变形区滑移面错移，滑移面各滑移层的方向与变形方向一致，因此，金属纤维保持连续完整。

3)强力旋压可使制品达到较高的尺寸精度和表面光洁度。在旋压过程中，旋轮不仅对被旋压的金属有压延的作用，还有平整的作用，因此制品表面光洁度高。

4)制品范围很广。根据旋压机的能力可以制作大直径薄壁管材、特殊管材、变截面管材以及球形、半球形、椭圆形、曲母线形以及带有阶梯和变化壁厚的几乎所有回转体制件，如火箭、导弹和卫星的鼻锥和壳体潜水艇渗透密封环和鱼雷外壳；雷达反射镜和探照灯外壳；喷气发动机整流罩和原动机零件；液压缸、压气机外壳和圆筒涡轮轴、喷管、电视锥、燃烧室锥体以及波纹管。

5)同一台旋压设备可进行旋压、接缝、卷边、缩颈、精整等加工，因而可生产多种产品。同时产品规格范围大。

6)坯料来源广，可采用空心的冲压件、挤压件、铸件、焊接件、机加工的锻件和轧制件以及圆板作坯料，能旋压有色金属、黑色金属以及含钛、钼、钨、钽、铌一类难变形的合金金属，

7)在旋压过程中，由于被旋压坯料近似逐点变形，因此，其中任何夹渣、夹层、裂纹、砂眼等缺陷很容易暴露出来，这样旋压过程也附带起到了对制品的自动检验的作用。

8)金属旋压与板材冲压相比较，金属旋压能大大简化工艺所使用的装备，一些需要多次冲压的制件，旋压一次即可制造出来。

1.3 旋压成型技术的分类

1)按照旋压的变形特点，旋压工艺可分为普通旋压和强力旋压(变薄旋压)，简称普旋和强旋，普通旋压属材料形状改变，强力旋压属于材料厚度变化。

2)按照旋压的变形条件，旋压工艺可分为热旋压和冷旋压两类。冷旋压在室温状态下进行，热旋压则是将工件加热到一定温度下进行。热旋压主要是用于塑性差的难成形材料及旋压变形量大的场合。

3)按照旋压件的形状特点，旋压工艺可分为简形件旋压和异形件旋压两类。由于旋压件都是在其自身的旋转运动中成形的，因此所有的旋压件都是旋转体零件，例外的只是旋出母线的形状及其与旋转轴线的相互位置关系不同而已。

4)由于旋压设备的自动化程度的不断提高，旋压工艺技术的不断改进，使得旋压技术在原有基础上又派生出了多种旋压成型方法，例如超旋压法、通用芯模旋压法、斜花式旋压法、多旋轮的错距旋压法、劈开旋压法、射流旋压法等。

1.4 旋压成型技术的发展

最古老旋压设备主要是由人力驱动，使用棒形工具使坯料成形。后来又借助于水利和蒸汽动力驱动。初级阶段，主要用于薄壳零件的批量生产因受限于操作者技术的熟练程度和体力，发展受到制约。我国早期的工艺品制胎和铜铝制品曾采用手工旋压成型。电动机的出现，使得旋压机的主轴可以采用电机驱动，进而旋压工具也由原来的木质擀棒逐渐改用金属旋轮，使得旋压技术有了重大的突破，其应用范围和加工能力大大地扩大和提高。在18世纪60年代末期，德国出现了第一个金属旋压技术的专利。

我国旋压技术发展始于20世纪60年代初期，先后有北京有色金属研究总院、北京航空工程研究所、中国兵器工业第五五研究所等单位率先开展旋压技术工艺和设备的研究。随后，兵器、航空、航天、核工业、汽车等行业也陆续开展了旋压技术研究与开发。据不完全统计，当前全国从事旋压技术的单位、拥有的旋压设备数量、从事旋压技术的人员正在不断增加。

国外技术先进的国家，其旋压技术已日臻成熟。国内旋压技术近年来发展迅速，随着对外引进和自主创新能力的提高，与国外先进国家旋压技术的差距正在缩短。

2. 主要旋压成型技术的介绍

2.1 普通旋压成型技术

普通旋压成形作为发展较早的一项旋压成形技术，具有悠久的历史。工艺装备技术发展经历了由手工到机械、由靠模仿型到录返、数控的全过程。由于零件种类繁多，所以普旋的成形设备也较为复杂多样。随着数控技术的发展，数控设备在普旋设备中的比例明显增加。

普通旋压主要是改变坯料的形状，壁厚基本不变或改变较少的一种旋压成形过程[6]。普通旋压主要通过改变板料直径尺寸来成形工件，是加工薄壁回转体的无切削成形工艺过程，通过旋轮对转动的金属圆板或预成型坯料作进给运动而旋压成形。

普通旋压的工艺具有以下优点：

1)模具制造周期较短，模具费用低于整套冲压模具50 %～80%左右。

2)近似为点变形，旋压力比冲压力低。

3)可在一次装卡中完成成形、切边、制梗、咬接等多道工序。

4)可以成形其他成形方法难以成形或不能成形的钛、钨等稀有金属，并且旋压时实现加热较其它工艺加热成形方便。

5)制品范围广。普通旋压可以成形出球形、椭球形、曲母线形、杯形、锥形及变截面带台阶的异形薄壁回转体零件。

2.2 强力旋压成型技术

强力旋压源于普通旋压，在旋压过程中，不但改变毛坯的形状而且显著地改变(减薄)其壁厚的旋压方式称为强力旋压(又称变薄旋压)[7]。变薄旋压与普通旋压的区别是变薄旋压属于体积变形范畴，在变形过程中主要是壁厚减薄而坯料体积基本不变，成品形状完全由芯模尺寸决定，成品尺寸精度取决于工艺参数的合理匹配。筒形件强力旋压时，只减小外径而不改变内径(内旋时则相反)。由于强力旋压减小毛坯的壁厚，因而在一次旋压中允许较大的变形量，这就使强力旋压的生产效率大大高于普通旋压，其适用范围也大为扩大，但是相应的强力旋压需要较大的设备功率。

强力旋压成型技术可分为如下两类：

1)根据旋压类型和金属变形机理的差异，强力旋压可分为异形件强力旋压——剪切旋压；筒形件强力旋压——流动(挤出)旋压。

2)筒形件强力旋压——流动(挤出)，按旋轮与坯料流动方向分为正向旋压与反向旋压；按旋轮和坯料相对位置分为内径旋压与外径旋压；按旋压工具分为旋轮旋压与钢球(滚珠)旋压。

3. 旋压成型技术现状及展望

3.1 国内现状

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。但近年来取得了较快发展,许多产品的精度和性能都接近或达到了国外较先进水平[8]。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，在国内市场已有一定份额，但部分机种仍依赖于进

口[9]。

我国的旋压技术始于20世纪60年代初期, 经过几十年的努力, 在旋压设备和旋压工艺理论基础研究方面( 如旋压过程的应力一应变有限元分析、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[10]。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。

3.2 国外现状

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[11]。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。美国最大的4000kN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到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。

3.3 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(如齿轮等),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。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

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[8] 郭靖, 詹梅, 杨合. 钛合金筒形件轧-旋成形研究进展[J]. 中国材料进展, 2016, 35(4): 275-283.

[9] 李继贞, 刘德贵, 王健飞. 强力旋压成形技术在航空领域的新进展[J]. 航空制造技术, 2014, 454(10): 40-44.

[10] 韩秀全, 杜立华, 邵杰. 先进金属成形技术在民用工业领域的应用现状和发展潜力[J]. 航空制造技术, 2013, 438(18): 74-77.

[11] 赖鹏. 旋压成形设备设计关键技术研究及应用[D]. 浙江大学, 2014.