（材料加工工程专业论文）多楔轮旋压成形工艺及旋轮失效分析.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 主席： 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 伽砰 委员： 教授合肥工业大学 教授 高级工程师 新：房搬 安徽建筑工业学院 合肥工业大学 七广 j 勿沙， 嘭杉 i ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂 或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： z 物签字日期：纠犀髟月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。 本人授权 金罡工些太堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：弥之彬 签字日期：矽年砂月彳日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：矽年矽 电话： 邮编： 月 多楔轮旋压成形工艺及旋轮失效分析 摘要 旋压是一种无切削加工的先进成形工艺，具有节材、节能、效率高和强度好的优 点；广泛应用于机械、航空、电子、家用电器等金属精密加工技术领域。本文针对 实际生产过程中存在的问题，以多楔轮产品和成形轮为研究对象，基于有限元 模拟技术，实现工艺参数的优化和成形轮加工工艺的改进，提高了产品的成形 质量，延长了成形轮的使用寿命。 针对多楔轮的结构特征，提出其成形工艺方案。采用d e f o r m 软件建立 多楔轮旋压成形有限元模型，毛坯定义为塑性体，模具和旋轮定义为刚性体， 并在旋轮上定义公转和径向进给运动，将毛坯的自转转化为旋轮的公转，使模 型更符合实际生产过程。 研究工艺参数对多楔轮增厚成形的成形载荷和成形质量的影响，综合正交 试验、神经网络、遗传算法等方法优化工艺参数，最大限度地降低成形载荷， 提高多楔轮的成形质量，并对模拟结果进行试验验证。研究表明，较大的旋轮 转速、较小的进给速度以及合理的旋轮直径和r 弧半径有利于降低成形载荷， 保证产品的成形质量，提高旋轮的使用寿命。 研究旋轮进给速度对压平、预成形、终成形等的影响，并提取金属流动规 律和应力应变场进行分析。研究表明，不同进给速度下，多楔轮的成形质量相 差不大，随着进给速度的增加，材料流动速度也变大，变形程度也越剧烈，应 力应变值也越大。考虑到生产效率的因素，可以适当提高进给速度。 分析多楔轮在成形过程中出现的主要缺陷和产生的原因，并提出相应的改 进措施，提高了产品的成形质量。 分析成形轮在成形过程中出现的主要失效形式和产生的原因，结合理化检 验和有限元分析，提出成形轮改进的加工工艺，提高了成形轮的使用寿命。 设计旋压模具，根据有限元分析结果改进并设计旋轮结构，选用优化后的 工艺参数在立式多工位数控旋压机c d c $ 6 0 上进行试验研究，并与模拟结果进 行对比分析。结果表明所建立的多楔轮旋压有限元模型是正确的，对企业的实 际生产具有一定的指导作用。 关键词：多楔轮；有限元模拟；工艺参数优化；成形缺陷；旋轮失效；试验研 究 s f g f c g t e c h n o l oo fm u l t i - - w e d beltspinningo r m l n gl e c h n o l o g y 0 1 n i u l t lw e a g ee l t _ - p u l l e ya n da n a l y s i so nt h ef a i l u r eo f s p i n n i n gr o l l e r a b s t r a c t s p i n n i n gt e c h n o l o g y i sa na d v a n c e dn o n - c u t t i n gf o r m i n gp r o c e s s ，w i t hs e c t i o no f m a t e r i a la n de n e r g ys a v i n g ，h i g he f f i c i e n c ya sw e l la sh i g hs t r e n g t hw h i c hi sw i d e l yu s e di n m e c h a n i c a l ，a e r o s p a c e ，e l e c t r o n i c s ，h o u s e h o l da p p l i a n c e si n d u s t r i e se t c b a s e do nt h ef i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ep r a c t i c a lp r o b l e m so ft h em u l t i - w e d g eb e l tp u l l e y p r o d u c t sa n df o r m i n gr o l l e rd u r i n gt h ea c t u a ls p i n n i n gp r o c e s sw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h ef o r m i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d ，t h ef o r m i n gp r o c e s s i n go ff o r m i n gr o l l e r i sa m e l i o r a t e da n dt h ef o r m i n gq u a l i t yo fp r o d u c t si si m p r o v e d t h el i f eo ft h ef o r m i n g r o l l e ri se x t e n d e d t h ef o r m i n gp r o c e s so ft h em u l t i - w e d g eb e l tp u l l e yw a sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r e am u l t i - w e d g eb e l tp u l l e ys p i n n i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e db yt h e s o f t w a r e ，d e f o r m t h eb l a n kw a sd e f i n e da sp l a s t i ca n dt h em o l da n dt h er o l l e rw e r e d e f i n e d 觞r i g i d t h er e v o l u t i o na n dt h er a d i a lf e e dm o t i o no ft h er o l l e rw e r ed e f i n e da n d t h er o t a t i o no ft h eb l a n kw a st u r n e di n t ot h er o t a t i n gr e v o l u t i o no ft h er o l l e rw h i c hm a d et h e m o d e lm o r er e l i a b l ew i mt h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s s t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r se f f e c t i n go nt h ef o r m i n g l o a da n dt h ef o r m i n gq u a l i t yd u r i n g t h ef o r m i n gp r o c e s so ft h i c k e n i n gt h em u l t i - w e d g eb e l tp u l l e yw e r ea n a l y z e d t h e p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e db yc o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t ，n e u r a ln e t w o r k sa n d g e n e t i ca l g o r i t h m s t h ef o r m i n g l o a dw a sm i n i m i z e d ，t h ef o r m i n gq u a l i t yo ft h e m u l t i w e d g eb e l tp u l l e yw a si m p r o v e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r et e s t e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ef o r m i n gl o a di sr e d u c e du n d e rl a r g e rr o l l e rs p e e d ，s m a l l e rf e e dr a t e ，a r e a s o n a b l er o l l e rd i a m e t e ra n dra r cr a d i u s t h eq u a l i t yo fp r o d u c t sa n dt h el i f eo ft h er o l l e r a r ei m p r o v e d t h ee f f e c to ft h ef e e dr a t eo ft h er o l l e rw a ss t u d i e dd u r i n gt h ep r o c e s so ft h ep r e s s u r e ， p r e - f o r m i n ga n df o r m i n g m e t a lf l o w i n ga n de q u i v a l e n ts t r e s s - s t r a i nf i e l dw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eq u a l i t yo ft h em u l t i w e d g eb e l tp u l l e yi ss i m i l a ri nd i f f e r e n tf e e d s p e e d s ，w i t ht h ei n c r e a s eo ff e e dr a t e ，t h ef l o w i n gs p e e do fm a t e r i a li sl a r g e r ，t h em o r e i n t e n s ed e f o r m a t i o n , t h eg r e a t e rt h es t r e s sa n ds t r a i n t a k i n gt h ep r o d u c t i v i t yf a c t o ri n t o a c c o u n ta na p p r o p r i a t ei n c r e a s i n gi nf e e dr a t ew i l lb ec h o s e nd u r i n gt h ef o r m i n gp r o c e s s t h em a j o rd e f e c t sa n dt h ec a u s eo fd e f e c t so ft h em u l t i - w e d g eb e l tp u l l e yw e r ea n a l y z e d a n dt h ef o r m i n gq u a l i t yo fp r o d u c t si si m p r o v e db yt h ei m p r o v e m e n tm e a s u r e s t h em a j o rd e f e c tf o r m sa n dt h ec a u s eo ff a i l u r ew e r ea n a l y z e dd u r i n gt h ep r o c e s so f s p i n n i n gf o r m i n g t h el i f eo f t h es p i n n i n gr o l l e ri si m p r o v e db yt h ei m p r o v e m e n tm e a s u r e s t h em o l d su s e df o rs p i n n i n gw e r ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h es t r u c t u r eo ft h e s p i n n i n gr o l l e r sw e r ei m p r o v e da n dr e d e s i g n e da c c o r d i n gt o t h er e s u l t so ff e a t h e s p i n n i n gt e s to ft h em u l t i - w e d g eb e l tp u l l e yw a sc a r r i e do u ti n t h e c d c $ 6 0v e r t i c a l m u l t i s t a t i o nc n cs p i n n i n gm a c h i n ec h o o s i n gt h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r s t h ee x p e r i m e n t a l f o r m i n gq u a l i 够o fp r o d u c tw a sc o m p a r e dw i t l lt h es i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e e s t a b l i s h m e n ts p i n n i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h em u l t i - w e d g eb e l tp u l l e yi sr e l i a b l ea n d h a sag u i d i n gr o l et ot h ea c t u a lp r o d u c t i o no ft h ee n t e r p r i s e k e yw o r d s ：m u l t i - w e d g eb e l tp u l l e y ；f e ms i m u l a t i o n ；p r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z e d ； f o r m i n gd e f e c t ；s p i n n i n gr o l l e rf a i l u r e ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 致谢 本文是在我导师刘全坤教授的悉心指导下完成的。在两年半的研究生学习 期间，从选题、开题、课题研究、学术论文发表到最后的论文定稿，都倾注了 刘老师大量的心血。恩师渊博的专业知识、严谨的治学态度、非凡卓越的敬业 精神和朴实的生活作风深深教育、激励和鞭策了我，使我受益匪浅，并将对我 今后的学习、生活和工作产生深远的影响。恩师对我的教诲和关怀令我终生难 忘，在此，特向我的恩师表示由衷的谢意和诚挚的祝福! 特别感谢芜湖诗宾科技有限公司，在课题的开展和研究的过程中得到了王 其善总经理及公司其他技术人员的帮助，使我对课题中涉及到的实际生产问题 有了更加深入的理解和认识，在此表示感谢! 特别感谢在学习上和课题研究中给予我指导和帮助的陈文琳教授、陈忠家 教授、王成勇老师等，在他们的指导和帮助下，我收获了许多教科书以外的知 识及技能，这对我毕业论文的完稿帮助很大。感谢王强高工和雷声教授，他们 为我的课题提供了相关的实验条件，并在学习上给予了建议。 衷心地感谢实验室的胡龙飞、王可胜、陈从升、刘俊松、刘克素、李亨、 韩豫、唐凯、张金宝、赵雅丽、桂中祥、李奋强、侯磊、马灿、李恩、郑金星、 王磊、朱汝城、赵磊、王琬璐、林标华、陈晨、王鸿基、钱凌云等在学习和生 活上给予我的帮助和关心。 ： 深深地感谢我的家人，感谢他们在我的求学生涯中，在精神上和经济上给 予我巨大的支持和鼓励，是他们无私的奉献精神，让我a h 匕b 顺利地完成学业。深 深地感谢他们对我养育与栽培之恩，我所取得的每一个进步都将与他们分享! 最后，衷心地感谢在百忙之中抽出时间对本文进行审阅、评议和参加本人答辩的 各位老师。 谢谢所有关心我的人! 作者：梁卫抗 2 0 1 1 年0 4 月 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 旋压的定义和分类1 1 2 1 普通旋压2 1 2 2 强力旋压2 1 2 3 特种旋压一3 1 3 旋压技术的发展概况4 1 3 1 旋压技术的国内外发展概况一j 4 1 3 2 皮带轮旋压成形技术的研究现状6 1 4c a e 技术在旋压成形中的应用：6 1 5 国内外旋轮失效的研究现状一8 1 6 课题来源及研究内容8 1 6 1 课题来源及研究目标8 1 6 2 课题主要研究内容8 第二章刚塑性有限元法的理论基础1 0 2 1 刚塑性有限元法基本方程1 0 2 2 刚塑性有限元法变分原理1 0 2 2 1 理想刚塑性材料变分原理1 1 2 2 2 刚塑性材料广义变分原理。1 1 2 2 2 1 罚函数法。1 1 2 2 2 2 拉格朗日乘子法：11 2 3d e f o r m 软件简介。1 1 2 4 本章小结一1 2 第三章多楔轮旋压成形工艺研究。1 3 3 1 多楔轮的结构特征及三维造型1 3 3 2 多楔轮成形工艺分析1 3 3 3 增厚成形有限元模拟15 3 3 1 有限元模型的建立_ 1 5 3 3 2 增厚有限元分析一1 6 3 4 增厚成形参数的正交优化18 3 4 1 优化参数的确定1 8 3 4 2 正交表的建立与结果分析1 8 3 4 3 极差分析18 3 4 4 正交优化前后的对比分析2 0 3 4 4 1 成形效果对比分析2 0 3 4 4 2 速度场对比分析2 0 3 4 4 3 应力应变场对比分析2 l 3 4 4 4 成形载荷对比分析2 1 3 5 神经网络模型的建立：灌2 2 3 5 1 优化目标确立和b p 网络设计：一2 2 3 5 2 样本的获取和b p 网络学习2 2 3 6 遗传算法模型的建立2 4 3 6 1 神经网络与遗传算法的结合2 5 3 6 2 遗传算法模型的建立2 5 3 6 3 遗传算法编程2 6 3 7 优化结果的模拟验证及分析2 7 3 7 1 优化结果的模拟验证2 7 3 7 2 优化结果的对比与分析一2 9 3 8 压平成形有限元模拟2 9 3 9 预成形有限元模拟31 3 1 0 终成形有限元模拟3 3 3 1 1 本章小结3 4 第四章多楔轮产品成形缺陷和c r l 2 m o v 钢成形轮失效原因的分析。3 6 4 1 多楔轮成形缺陷分析3 6 4 1 1 飞边一3 6 4 1 2 齿形充填不满一3 7 4 1 3 齿形表面质量差3 7 4 1 4 凸缘起皱3 8 4 1 5 径向开裂。3 8 4 2 成形轮的失效形式分析- 。3 9 4 2 1 轮齿齿尖崩裂3 9 4 2 2 轮齿断裂。3 9 4 2 3 齿根和齿面开裂4 0 4 3 理化检验及失效分析4 1 4 3 1c r l 2 m o v 钢化学成分检测分析4 1 4 3 2 硬度检测分析k 4 1 4 3 3 力学性能测试：4 1 4 3 4 断口检验4 1 4 3 5 表面粗糙度检测分析。4 1 4 3 6 微观形貌及失效分析4 1 4 4 失效成形轮的有限元分析4 3 4 5 成形轮加工方案的改进措施和效果4 3 4 6 硝、结二4 4 第五章多楔轮旋压成形试验研究4 5 5 1 试验条件4 5 5 1 1 上下模具的结构设计4 5 5 1 2 旋轮的设计4 5 5 1 3 设备的选择4 7 5 2 多楔轮的旋压成形4 7 5 3 本章小结4 8 第六章结论与展望4 9 6 1 全文总结_ 4 9 6 2 研究展望4 9 参考文献i 5 1 攻读硕士学位期间发表的论文 。5 6 。5 6 。5 6 参加的科研项目。 攻读硕士期间申请的专利。 i i i 插图清单 旋压成形原理示意图2 普通旋压- 2 强力旋压3 流动旋压示意图一3 皮带轮形式3 多楔轮结构特征图1 3 多楔轮三维实体造型图1 3 增厚轮结构特征图1 4 增厚轮三维实体造型图1 4 多楔轮旋压成形工艺流程图。1 4 多楔轮旋压成形工装图15 多楔轮旋压成形三维几何模型。1 5 模具和旋轮与毛坯之间接触和摩擦情况一1 6 增厚有限元模型16 增厚不同阶段的成形效果图1 6 增厚成形效果图1 7 增厚不同阶段的速度场分布图1 7 增厚不同阶段的等效应变场分布图一1 7 试验因素对成形载荷的影响趋势图1 9 增厚正交优化前后成形效果图2 0 增厚正交优化前后速度场分布图2 0 增厚正交优化前后等效应变场分布图2 1 增厚正交优化前后等效应力场分布图2 1 正交优化前后成形载荷曲线2 2 训练迭代误差曲线- 2 4 增厚优化前后成形效果图2 8 增厚优化前后速度场分布图2 8 增厚优化前后等效应变场分布图2 8 增厚优化前后等效应力场分布图2 8 压平成形有限元模型3 0 不同进给速度下的成形效果图3 0 不同进给速度下的速度场分布图3 0 不同进给速度下的应变场分布图3 0 不同进给速度下的应力场分布图3l 预成形有限元模型31 不同进给速度下的成形效果图3 2 不同进给速度下的速度场分布图3 2 不同进给速度下的应变场分布图3 2 不同进给速度下的应力场分布图3 2 终成形有限元模型3 3 o 乏o 4 巧j 乏o 4巧石刁名母加川m彤“彤舶邯舶棚珈纠也仍埘彩刃璐珊瑚引现彤拼!至 1 l 1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 不同进给速度下的成形效果图3 3 不同进给速度下的速度场分布图3 3 不同进给速度下的应变场分布图3 4 不同进给速度下的应力场分布图3 4 成形轮结构特征图3 6 1 ：i i 左3 6 齿形充填不满3 7 齿形表面质量差3 7 旋轮结构特征图3 8 凸缘起皱3 8 增厚轮r 弧结构特征图3 8 径向开裂3 9 轮齿齿尖崩裂3 9 轮齿断裂形貌4 0 齿根开裂4 0 齿面开裂4 0 呈网状分布的共晶碳化物4 2 条状分布的粗大块状共晶碳化物4 2 成形轮断面微观形貌( s e m ) 4 3 成形轮内部裂纹( s e m ) 4 3 等效应力4 3 径向应力4 3 模具结构特征图4 5 模具实物图4 5 旋轮结构特征图4 6 旋轮实物图4 6 立式多工位数控旋压机4 7 多楔轮实物图4 7 h 6 7 8 9 0 l 2 3 4 5 6 7 8 o o o o 4 乏o 4巧石刁培母j o j j 0 0 0 o j j 乏o 4 5 石 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 表3 1a i s i 1 0 0 8 的力学性能参数1 5 表3 2因素水平表j 18 表3 3正交试验表1 9 表3 4样本数据2 3 表3 5优化结果一2 9 表4 1c r l 2 m o v 化学成分( 质量分数) 。一4 1 表5 1 优化后的工艺参数4 7 i i i 第一章绪论 1 1 引言 塑性加工是金属加工方法之一，指利用金属材料的塑性，通过施加一定的 外力，使其成形为具有所要求的尺寸、形状和力学性能的产品的加工方法【l 】。 塑性加工不仅具有高效和省材的特点，而且有效地改善金属材料的内部组织和 力学性能。塑性加工己成为当今先进制造技术的重要发展方向，广泛应用于航 天航空、机械、冶金等工业行业，据统计，全世界7 5 的钢材采用塑性加工来 完成，在汽车行业6 0 以上的零件都是采用锻件和冲压件【2 j 。随着计算机技术 在塑性加工行业的推广应用，数字化技术、反求工程、k b e 工程、人工智能、 材料科学等一系列与塑性成形相关的技术得到快速发展，越来越多的塑性成形 新设备和新技术不断涌现p ，4 j 。 旋压是一种无切屑连续局部回转成形的先进成形工艺，是塑性加工的一个 重要分支，具有变形条件好、尺寸公差小、材料利用率高、加工产品性能优、 加工类别广泛、可旋制整体无缝空心回转体等优点，可以用于加工多种金属材 料，是一种经济、快速成形薄壁回转体零件和钣制皮带轮的方法。与其它塑性 成形方法相比，由于它能加工出形状和尺寸较为特殊的产品，特别是结合高效、 精密的数控技术后，其优越性更加明显。因此，在航空航天、机械制造、兵器、 化工、电子、轻工业等领域得到了广泛应用 5 - 7 。 皮带轮是一种通用的机械传动零件，主要用于远距离传送动力的场合。钣 制旋压皮带轮具有精度高、转动惯量小、动平衡好、无污染、节能、使用寿命 长等优点，广泛应用于汽车行业【引。汽车行业的特殊性对皮带轮的制造精度要 求高，由于设计理论依据不足和加工工艺的不成熟，许多旋压企业在成形皮带 轮时，容易出现齿形充不满、轮齿表面质量差、飞边、径向开裂和凸缘起皱等 缺陷，而且旋轮易发生疲劳失效，使用寿命较短，增加了企业的生产成本1 9 】。 因而旋压技术界急需解决的问题是如何提高皮带轮的加工精度和延长旋轮的使 用寿命，运用有限元技术改进现有工艺，同时改进设计旋轮结构对提高皮带轮 的加工精度具有重要意义。 1 2 旋压的定义和分类 旋压是利用旋轮连续地依次对工件的极小部分施加压力而使之产生连续的 局部塑性变形，从而获得各种母线形状的空心回转体零件的塑性加工方法【l 引。 旋压可以完成拉深、缩径、翻边、卷边、收口等多种不同的成形工序，是生产 薄壁回转体零件的成形工艺。在成形过程中根据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。随着旋压技术的发展，在旋压工艺应用中 又派生出特种旋压。旋压成形原理如图1 1 所示。 l 一芯模2 一毛坯3 一尾顶4 _ 旋轮 图1 1 旋压成形原理示意图 1 2 1 普通旋压 普通旋压是指成形过程中毛坯形状改变，而厚度基本不变或者改变较少的 成形过程，成形主要通过改变毛坯的直径尺寸来实现，其变形特征是在直径上 产生扩张或者收缩，一般用来加工薄壁回转体。普旋主要有以下三种成形工艺： 拉深旋压、扩径旋压和缩径旋压，如图1 2 所示。拉深旋压的成形特征与冲压 加工的拉深变形相类似，能成形复杂的回转壳体，在成形过程中，毛坯主要发 生弯曲塑性变形。扩径旋压是利用旋轮使管状毛坯或空心回转体容器进行中部 或端部直径增大的成形方法。缩径旋压是利用旋轮( 或摩擦块) 在径向对管状 毛坯或空心回转体进行局部压缩以减小其直径的成形方法。 ( a ) 拉深旋压 ( b ) 扩径旋压 ( c ) 缩径旋压 图l - 2 普通旋压 1 2 2 强力旋压 强力旋压是指毛坯的形状和壁厚同时改变的成形过程。根据变形规律和 成形工件形状的差异，强力旋压又可分为两类：筒形件变薄旋压和锥形件剪切 旋压，如图1 3 所示。前者一般用于成形管形件和筒形件，而后者一般用于成 形锥形、半球形和抛物线形等异型件，联合两种加工方法可以成形各种复合形 零件。按旋轮与材料流动方向的差异，强力旋压可以分为正向旋压和反向旋压， 如图1 4 所示。正旋时材料的流动方向与旋轮的进给方向相同，正旋是依靠尾 顶的压力传递扭转力矩；反旋时材料的流动方向与旋轮的进给方向相反，反旋 2 是依靠轴向旋压力传递扭转力矩。 。 ( a ) 变薄旋压 图1 - 3 强力旋压 c o ) 剪切旋压 ( a ) 正旋 图1 4 流动旋压示意图 ( b ) 反旋 1 2 3 特种旋压 特种旋压区别于普通旋压和强力旋压，没有明确的界定意义。是随着新型 旋压设备的研制成功和旋压工艺的深入发展，根据工件形状特征而派生出来的 新型成形方法【1 2 】。皮带轮旋压是旋轮沿径向进给并加压使坯料沿轴向和径向进 行局部转移的成形过程，属于特种旋压的范畴，根据成形工艺和齿形的不同可 将其分为三类：折叠轮、劈开轮、多楔轮。如图1 5 所示。 ( a ) 折叠轮( b ) 劈开轮( c ) 多楔轮 图1 5 皮带轮形式 折叠轮是通过冲压、拉深和成形工序制坯，并在旋压机上旋压成形，成形 过程中金属的塑性流动较少，主要是制品的形状发生变化，成形工艺较简单。 劈开轮先通过冲压预制毛坯，然后在旋压机上用旋轮从材料厚度1 2 处劈开后 经整形旋压成形，包括劈开与成形两个过程。劈开轮分为挤入、劈裂及劈开三 个旋压阶段。影响产品质量的因素有原材料性能、毛坯平面度、旋轮几何参数、 芯模转速和润滑冷却条件等。多楔轮先通过冲压、拉深和成形工序制坯，然后 在立式数控多工位旋压机上通过增厚、压平、预成形和终成形工序完成加工。 其成形过程为先预旋成形腰鼓形壁，然后成形凸缘，最后成形齿形。旋轮径向 逐步挤入时，坯料产生局部连续的塑性变形，旋出齿形带轮。影响多楔轮成形 质量的因素有原材料性能、芯模和旋轮几何参数、成形工艺参数以及润滑冷却 条件等。 1 3 旋压技术的发展概况 1 3 1 旋压技术的国内外发展概况 旋压技术起源于埃及，随后传入欧洲和美国。旋压技术最早用于陶瓷制坯 业，随着冶金技术的发展，逐步推广到金属旋压行业。德国在18 世纪6 0 年代成 功申请了第一个金属旋压专利，其旋压技术在世界上一直处于领先水平。最初 的旋压设备结构较为简单，是靠人力驱动的木制旋压机，对操作者的要求很高。 在2 0 世纪4 0 年代末期，模板仿形控制系统用于旋压设备，标志着旋压机开始走 向自动化。随着液压技术的发展，19 4 5 年，出现了第一台液压旋压机。二十世 纪七十年代初，结合数控技术后，出现了数控旋压机，扩大了产品的加工范围， 提高了自动化程度。目前旋压设备向标准化、系列化、自动化、专业化、大型 化、柔性化、高精度和多用途等方向发展。西班牙d e n n 公司生产的双旋轮、 三旋轮和高效旋压机，采用了d e n n c o n t r o l v 5 1 ，西门子s i n u m e r i k 8 4 0 d 和 s i m o d r i v e 6 1 l 驱动系统，具有d e n n c a d c a m 绘图编程、芯模保护和录返功能， 能实现普旋、强旋和特种旋压。德国l e i f e l d 公司生产普通旋压机、三旋轮强 力旋压机、收口机和车轮旋压机等设备，能实现多种旋压产品的加工。日本的 s p i n d l e 公司生产的v f t 10 0 0 n c t 6 旋压机采用转盘式旋轮快换装置，转盘安装 在旋轮座上，根据加工工序的需要可以在转盘上安装多个不同的旋轮【l3 。1 8 】。 新型旋压设备的研制成功，推动旋压工艺的发展，特别是强旋和特种旋压 工艺。在实际生产中，出现了复合旋压、钢珠旋压、内径旋压、错距旋压和精 整抛光等强旋工艺；带轮旋压、曲母段旋压、环形轮旋压、张力旋压、齿肋旋 压、螺纹旋轧、车轮旋压、多轮旋压、无模旋压等特殊旋压工艺随着新的需求 而不断应用于实际生产，新的旋压工艺提高旋压件的精度和加工范围 1 9 - 2 1 】。 金属材料的旋压范围随着旋压设备和旋压工艺的发展而不断扩大，从传统 的铝合金、铜及铜合金、低碳钢等旋压材料已经发展到钛合金、高温合金、马 氏体时效钢、高强度钢、超高强度钢等强度高的旋压材料。 新型旋压设备的研制成功、新型旋压工艺和强度高旋压材料的出现推动了 旋压成形理论的发展，这是旋压行业研究的重点和未来的发展方向。目前，一 4 般应用坐标网格法、金属物理分析法和填孔法来分析金属旋压成形原理。 s k a l p a k c i o g l u 和b a v i t z u r 等做了一些模型试验和解析，试图从变形的几何关 系、物理现象和性能等方面来揭示旋压成形过程中材料的变形机理，以此来摆 脱传统工艺中尝试法的盲目性，建立对变形机理的理性认识，为变形力学、工 艺和设备设计提供依据。许多学者基于一定的假定提出了强力旋压锥形件和筒 形件的旋压力计算方法。卡尔巴克赛格路、柯巴耶希、叶山益次郎、阿维佐、 叶林和巴罗卡娅以及包尔登等基于一定的假定和塑性变形机理提出了强力旋压 锥形件的旋压力计算方法。舍瓦金、柯巴耶希和汤姆森等基于一定的假定，就 筒形件强力旋压过程中旋轮与毛坯的接触面积提出了计算方法。保哥亚子列斯 基、t h a m a s e t t 、柯巴耶希、叶山益次郎和马泽恩等都基于一定的假定，提出了 强力旋压筒形件的旋压力计算方法1 2 2 , 2 3 】。 钣制旋压皮带轮具有材料省、结构轻和转动惯量小的优点，已逐步取代了 传统方法加工的皮带轮