有关旋压成形技术简介

传统旋压成形技术简介旋压成形是一种板材连续局部塑性成形的技术；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。传统的旋压工艺将金属筒坯、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。如图1.2所示为旋压工艺的加工原理。根据不同的分类方法，可以将旋压分为以下几种：〔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[36-37]。普通旋压时，在旋压成形过程中毛坯的厚度根本不发生变化；主要有拉深旋压、缩径旋压、扩径旋压、制梗成形等。普通旋压是加工薄壁空心回转体零件的无屑加工工艺过程。它借助旋轮对随芯模转动的金属圆板作进给运动的同时施压，主要改变其直径尺寸使其成为所需工件。图1.3为封头旋压工艺过程，是典型的普通旋压。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。强力旋压又称变薄旋压，是指在旋压成形过程中毛坯的厚度不断在减薄。借助旋轮对随旋压模转动的金属圆板或管坯作进给运动并施压，加工薄壁空心回转体零件的无屑成形工艺过程。变薄旋压属体积成形范畴，在成形过程中主要是壁厚减薄而直径尺寸根本不变。〔2〕按旋压产品形状的不同，普通旋压又可分为拉深旋压、收颈旋压、扩径旋压、翻边旋压、卷边旋压、切边旋压、压筋旋压及外表精整旋压等;强力旋压又可分为流动旋压(又称筒形件变薄旋压)和剪切旋压(又称锥形件变薄旋压)。〔3〕根据旋压过程中金属材料的流动方向不同，流动旋压可分为正旋和反旋。正旋是指旋压过程中金属材料的流动方向与旋轮的进给方向相同;反旋是指旋压过程中金属材料的流动方向与旋轮的进给方向相反。旋压技术在金属板材加工中应用广泛，主要具有以下优点：〔1〕在旋压过程中，旋轮(或钢球)对坯料逐点压下，近似点接触，因此接触面积小，单位压力可达2500-3500N/mm2，适用于加工高强度难变形材料；而且，所需总变形力较小，从而使功率消耗也大大降低；〔2〕坯料的晶粒在三向变形力(切向变形力、径向变形力和轴向变形力)的作用下，沿变形区滑移面错移，晶粒的伸长量随着变形量增加而增加，滑移面各滑移层的方向与变形方向十分一致，因此，金属纤维保持连续完整；图表SEQ图表\*ARABIC1封头旋压工艺过程〔3〕由于在旋压过程中，旋轮不仅对旋压的金属有压延的作用，而且还有整平的作用，因此，强力旋压可使制品到达较高的尺寸精度和较低的外表粗糙度；〔4〕制品范围广。能旋压其他工艺难成形的零件。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、燃烧室锥体和波纹管；枯燥机、搅拌机和洗涤机的转筒；浅盘形、盘形、半球形封头；牛奶罐和家庭用具等；〔5〕同一台旋压设备可进行旋压、接缝、卷边、缩径、精整等加工，因而可生产多种产品，同时产品规格范围大；〔6〕坯料范围广，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;并且，能旋压钦、铝、钨、泥类难变形的金属及其合金；〔7〕在旋压过程中，由于被旋压坯料近似逐点变形，因此，其中任何夹杂、夹层、裂缝、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作用；〔8〕旋压是一种少无切削工艺，材料利用率高、省工时、本钱低。但是，经济性与批量多少、零件结构、设备和劳动费用有关。2、传统板材旋压成形的开展现状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，由制陶工艺开展出了金属旋压工艺。到20世纪中叶以后，随着工业的开展和宇航事业的开拓，普通旋压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实现机械化与自动化，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60~70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开展，于20世纪60年代后期，国外在半自动旋压机的根底上，开展了数控和录返式旋压机。这些设备的快速开展将旋压工艺带进了中、大批量化的生产。强力旋压是上世纪五十年代在普通旋压的根底上开展起来的，最早在瑞典、德国被用于民间工业(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，在近六十年中，旋压技术得到了长足的开展，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领域的一个重要分支。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开展。在许多国家，如美国、俄罗斯、德国、日本和加拿大等己生产出先进的标准化程度很高的旋压设备，这些旋压设备己经根本定型，旋压工艺稳定，产品多种多样，应用范围日益广泛。英国BOKO公司生产的Boko-ZaniCNC金属旋压机床TAL650型，除了可以直接通过图形显示器编程之外，还可以重复调用所记录的第一次手动旋压数据，利用具备的程序进行反复加工。日本Spindle公司生产的VF-T1000-NC-T6型多功能录返数控旋压机床具有示教功能和自动编程两种功能。德国Leifeld公司生产出具有自编程功能的PNC400录返式旋压机床。随着旋压加工的零件朝几何形状复杂化方向开展，旋压成形技术已经突破传统的用于加工薄壁空心回转体零件的局限。有不少学者对非轴对称类零件和非圆截面空心件的旋压成形技术进行了初步的探索研究，局部研究成果已经投入到生产实践中。日本Spindle公司于1999年研制出世界上第一台可生产偏心及倾斜类零件的数控旋压机床，主要用于生产汽车的排气歧管和消音器。2004年在增量金属成形方法的会议上报道了德国THATEGmbH公司正在开发一种针对旋压成形非圆形件的数控技术，并且首次尝试用数控旋压技术来生产椭圆形零件。美国板材制造公司生产的设备对非圆形的形状也可以旋压成形；美国MJC工程技术已经开发了第一台全数控旋压机床,可加工从4570mm到150mm变直径的非圆形截面零件。目前，随着国外汽车工业、航空工业和电子计算机工业的开展，精密的、高效率的、高自动化的旋压设备生产厂也加快了旋压设备的改良步伐。国外旋压设备未来开展的总趋势是朝着大型化、系列化、高精度、多用途和自动化开展。我国虽为旋压技术的发源地，但直到上世纪六十年代才开始旋压技术的研究工作。四十多年来，我国旋压技术有了迅速开展，理论、工艺和设备方面的水平均有很大的提高，旋压加工的产品己开展到几十个工业部门的数百种产品。旋压新工艺更是层出不穷，如北京有色金属总院研究开发采用离心铸坯变薄旋压制作大口径薄壁无缝铝管的工艺，为解决国内大口径薄壁铝管的生产提供了新途径。航空部625所开发的汽车发动机槽形皮带轮旋压技术已投入批量生产。各种旋压设备和新产品相继问世，如北京航空航天大学生产出了数控带轮旋压机；航空工艺研究所在气瓶热收口旋压机设计制造方面取得了成功；兵器总公司长春五五所也生产出了轮辐旋压机。中国兵器工业集团公司第五五研究所提出将法国NUM1040数控系统应用于轮辐旋压机床上。北京航空制造工程研究所于2000年在国内首次使用840D液压驱动模块与BOSCH比例伺服阀研制出了SY-8型数控旋压机床，此后又研制出SY-11型、SY-13型和SY-14型数控旋压机床等用于军工产品的强力旋压。3、高效旋压成形现状回转曲面高效旋压成形技术是基于多点成形时将模具离散化的思想，将传统旋压成形中的旋轮转化成柔性辊，利用在柔性辊上设置的多个控制点调节柔性辊的上、下移动，使柔性辊形成一定曲率的曲线，加工预定的回转曲面。吉林大学李明哲教授结合多点成形技术和旋压成形技术，提出了板材高效旋压成形的新概念，其目的就是要开发出低价、高效、柔性的加工回转曲面零部件的新型成形设备；还根据这一思想进行了高效旋压成形的根本过程和根本形式的探讨。其根本过程可归纳为：首先，根据工件的根本形状调整柔性辊上调形单元的高度，使其组成所需要的曲率的曲线；其次，给上辊一定的下压量，同时驱动柔性辊转动，使板材通过摩擦力的作用实现连续局部塑性成形。从高效旋压成形的根本过程和根本形式可以看出，高效旋压是一种线成形技术，也是一种连续局部成形技术，与传统的旋压成形的点成形方式相比，具有高效、连续、柔性的特点。另外，还对高效旋压成形样机的开发以及样机关键零部件的有限元分析、工作单元的运动仿真等作了进一步的研究。金属旋压加工工艺的研究旋压成形作为一种典型的连续局部塑性成形技术，以其静压成形〔无冲击、振动和环境危害〕、产品精度高、工艺柔性好、易于实现机械化与自动化、节约材料等诸多优点而成为精密塑性成形技术的重要开展方向，是实现薄壁回转体零件的少无切削加工的先进制造技术［１］。到２０世纪中叶以后，随着工业的开展，旋压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开展。许多欧美国家已经生产出先进的标准化程度很高的旋压设备，这些旋压设备已根本定型，旋压工艺稳定，产品多种多样。我国旋压技术的开展现况与国外先进水平相比还有一段差距，但近年来已取得了较大开展，许多旋压产品精度和性能都已接近或到达了国外先进水平。１旋压技术１．１旋压的特点金属旋压工艺具有节省原材料、本钱低廉、设备简单和产品质量高等优点；因此，旋压工艺在国防、化工、冶金、电子、机械等诸方面起到了越来越大的作用，特别在火箭、导弹、核电、宇航等有关零件的制造方面得到了很好的应用，不仅用于工业上的锅炉封头、压力容器、储油罐的生产上，而且还用于千家万户的水壶、锅子、餐杯、洗衣机鼓桶、灯罩等的制造之中。１．２旋压的原理金属旋压工艺的原理是将被加工的金属毛坯〔管坯〕套在芯模上，板坯那么通过尾顶压在芯模的端部，并与芯模一起随主轴旋转，旋轮沿芯模移动，在旋轮的压力下，利用金属的可塑性，逐点将金属件加工成所需要的空心回转体制件。１．３旋压的分类针对不同毛坯件的变形特点，旋压一般可以分为普通旋压和强力旋压两种。在旋压过程中，改变毛坯的形状而根本不改变其壁厚者称为普通旋压；既改变毛坯件的形状又改变壁厚者称为强力旋压。普通旋压的根本方式主要有拉深旋压〔拉旋〕、缩径旋压〔缩旋〕和扩径旋压〔扩旋〕３种。强力旋压的根本方式主要有剪切旋压和筒形变薄旋压２种。按形状分类，旋压件可分为锥形件〔见图１〔ａ〕〕、筒形件〔见图１〔ｂ〕〕、曲母线形件〔见图１〔ｃ〕〕、复合形件〔见图１〔ｄ〕〕［２］。图１按形状分类的旋压件１．４旋压的优缺点旋压的优点如下：〔１〕加工范围广。根据旋压机的能力可以制作大直径薄壁管材、变断面管材、球形、椭圆形、半球形以及带有阶梯和变化壁厚的几乎所有回转体制件。〔２〕材料利用率高，生产本钱低。〔３〕制品性能显著提高。旋压之后材料的组织结构与力学性能均发生变化，抗拉强度、屈服强度和硬度都有提高。〔４〕制品外表粗糙度低，尺寸公差小。旋压加工制品的外表粗糙度为３．２～１．６μｍ。〔５〕金属旋压与板材冲压相比拟，金属旋压能大大简化工艺所使用的设备，一些需要