1 前言

旋壓技術(shù)是一項具有悠久歷史的傳統(tǒng)技術(shù)，據(jù)文獻記載最早起源于我國唐代，由制陶工藝發(fā)展出了金屬的旋壓工藝。到20世紀中葉以后，隨著工業(yè)的發(fā)展和宇航事業(yè)的開拓，普旋工藝大規(guī)模應(yīng)用于金屬板料成形領(lǐng)域，從而促進了該工藝的研究與發(fā)展。在二十世紀中葉以后，普通旋壓有了以下三個方面的重大進展：一是，普通旋壓設(shè)備逐漸機械化與自動化，在20世紀50年代出現(xiàn)了模擬手工旋壓的設(shè)備，即采用液壓助力器等驅(qū)動旋輪往復移動，以實現(xiàn)進給和回程，因而減輕了勞動強度。二是，在20世紀60~70年代出現(xiàn)了能單向多道次進給的、電器液壓程序控制的半自動旋壓機。三是，由于電子技術(shù)的發(fā)展，于20世紀60年代后期，國外在半自動旋壓機的基礎(chǔ)上，發(fā)展了數(shù)控和錄返式旋壓機。這些設(shè)備的快速發(fā)展將旋壓工藝帶進了中、大批量化的生產(chǎn)中[1-11]。

強力旋壓是上世紀五十年代在普通旋壓的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，最早是在瑞典、德國被用于民間工業(yè)(例如，加工鍋皿等容器)。由于旋壓工藝的先進性、經(jīng)濟性和實用性，且該工藝具有變形力小，節(jié)約原材料等特點，在近四十年中，旋壓技術(shù)得到了長足的發(fā)展，不僅在航空航天領(lǐng)域，而且在化工、機械、輕工等民用工業(yè)中都得到了廣泛應(yīng)用。目前，旋壓技術(shù)已日趨成熟，已經(jīng)成為金屬壓力加工中的一個新的領(lǐng)域。

近20年來，旋壓成形技術(shù)突飛猛進，高精度數(shù)控和錄返旋壓機不斷出現(xiàn)并迅速推廣應(yīng)用，目前正向著系列化和標準化方向發(fā)展。在許多國家，如美國、俄羅斯、德國、日本和加拿大等國己生產(chǎn)出先進的標準化程度很高的旋壓設(shè)備，這些旋壓設(shè)備己基本定型，旋壓工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品多種多樣，應(yīng)用范圍日益廣泛[19]。

我國旋壓技術(shù)的發(fā)展狀況與國外先進水平相比有較大差距。但近年來取得了較大發(fā)展，許多產(chǎn)品精度和性能都接近或達到了國外較先進水平。國內(nèi)許多研究所(如北航現(xiàn)代技術(shù)研究所、黑龍江省旋壓技術(shù)研究所、長春55所等)已經(jīng)研制出了性能較好的旋壓機。

2 旋壓技術(shù)

2．1 旋壓技術(shù)介紹

2.1.1 旋壓技術(shù)定義與分類

旋壓是一種綜合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環(huán)軋、橫軋和滾擠等工藝特點的少無切削加工的先進工藝，將金屬筒坯、平板毛坯或預制坯用尾頂頂緊在旋壓機芯模上，由主軸帶動芯棒和坯料旋轉(zhuǎn)，同時旋壓輪從毛坯一側(cè)將材料擠壓在旋轉(zhuǎn)的芯模上，使材料產(chǎn)生逐點連續(xù)的塑性變形，從而獲得各種母線形狀的空心旋轉(zhuǎn)體零件。旋壓工藝的加工原理如圖2-1。

根據(jù)旋壓加工過程中毛坯厚度的變化情況，一般將旋壓工藝分為普通旋壓和強力旋壓兩種。

普通旋壓簡稱普旋。傳統(tǒng)觀點認為，普旋過程中毛坯的厚度基本保持不變，成型主要依靠坯料沿圓周的收縮及沿半徑方向上的伸長變形來實現(xiàn)，其重要特征是在成型過程中可以明顯看到坯料外徑的變化。

普通旋壓的基本方式有：拉深旋壓(拉旋)、縮徑旋壓(縮旋)和擴徑旋壓(擴旋)等三種。

拉深旋壓是指毛坯拉深過程中的旋壓成型方法。如圖2-2-a示。它是由普通旋壓中最主要和應(yīng)用最廣泛的成型方法。毛坯彎曲塑性變形是它的主要的變形方式。拉深旋壓又可分為簡單拉深旋壓和多道次拉深旋壓。

根據(jù)旋壓加工過程中毛坯厚度的變化情況，一般將旋壓工藝分為普通旋壓和強力旋壓兩種。

普通旋壓簡稱普旋。傳統(tǒng)觀點認為，普旋過程中毛坯的厚度基本保持不變，成型主要依靠坯料沿圓周的收縮及沿半徑方向上的伸長變形來實現(xiàn)，其重要特征是在成型過程中可以明顯看到坯料外徑的變化。

普通旋壓的基本方式有：拉深旋壓(拉旋)、縮徑旋壓(縮旋)和擴徑旋壓(擴旋)等三種。

拉深旋壓是指毛坯拉深過程中的旋壓成型方法。如圖2-2-a示。它是由普通旋壓中最主要和應(yīng)用最廣泛的成型方法。毛坯彎曲塑性變形是它的主要的變形方式。拉深旋壓又可分為簡單拉深旋壓和多道次拉深旋壓。

剪切旋壓指的是不改變毛坯的外徑而改變其厚度，以制造圓錐等各種軸對稱薄壁件的旋壓方式(錐形變薄旋壓)。這種成型方法的特點是旋輪受力較小，半錐角和壁厚互相影響，材料流動流暢，表面光潔和成型精度高，并且能較容易地成型拉深旋壓難于成型的材料。旋壓過程中遵循的理論計算公式為：。根據(jù)旋后工件實際壁厚T1¹與理論值T1比較分為過旋壓(T1¹> T1)和欠旋壓(T1¹< T1)兩種旋壓方式。

筒形變薄旋壓是指旋輪緊壓在與芯模同時旋轉(zhuǎn)的管狀毛坯上并沿管坯軸向運動而制出薄壁長筒件。這種旋壓過程始終遵循金屬材料體積不變的原則，有如圖2-4示兩種旋壓方式，即材料的流動方向與旋輪的移動方向一致的正旋（b）以及材料的流動方向與旋輪的移動方向相反的反旋（a）。

根據(jù)旋壓輪是否在同一截面上還可將強力旋壓分為錯距旋壓（圖2-5）和同步旋壓。

2.1.2 旋壓技術(shù)工藝要素

普通旋壓主要是改變毛坯的形狀，而壁厚改變很小或不改變，其毛坯形狀及尺寸的設(shè)計計算是關(guān)鍵技術(shù)。其工藝要素為旋壓輪運動軌跡、旋輪直徑、旋壓間隙、進給率、主軸轉(zhuǎn)速、旋壓線速度、旋輪圓角半徑、旋輪前側(cè)面與模具母線夾角等。

強力旋壓主要是改變工件的壁厚和直徑尺寸，工件長度會相應(yīng)作以改變，其工藝要素為旋輪直徑、旋輪圓角半徑、旋輪前角、旋輪后角、旋壓攻角、主軸轉(zhuǎn)速、進給率、旋壓間隙、旋壓道次、減薄率、工件半錐角、旋壓線速度等。

當然對于材料要求要具有較高的延伸率、斷面收縮率，抗拉及屈服強度也要適當。

金屬材料的熱處理也是旋壓工藝中主要的因素，在旋壓過程中由于受到強大的壓、拉應(yīng)力，致使材料硬化嚴重，必須采取熱處理手段加以軟化，為了改變最終工件的機械性能也需要進行必要的熱處理。

2.2 旋壓技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

旋壓產(chǎn)品形狀各式各樣（如圖2-6示），通過旋壓可完成成形、縮徑、收口、封底、翻邊、卷邊、壓筋等各種工作，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)（表2-1）。

圖2-6 旋壓成型的工件形狀

表2-1 各種旋壓制件

2.3 典型旋壓產(chǎn)品的工藝技術(shù)

2.3.1 圓筒形件強力旋壓

圖2-3-b為圓筒形件強力旋壓工藝過程，其材料變形過程始終遵循體積不變原則，工件形狀的改變?yōu)樾龎呵昂髨A筒壁厚的減薄、直徑的變小、長度的增加，同時產(chǎn)品內(nèi)徑也會因工藝參數(shù)的不同而有不同程度的改變，最終產(chǎn)品要素為圓筒外（內(nèi)）徑、壁厚、長度、直線度、圓度等，產(chǎn)品長度可用式2-1計算。

其中：

L1--工件長度

L0--毛坯長度

S0--毛坯厚度

S1--工件厚度

di--內(nèi)徑

在圓筒形件強力旋壓中有一種特殊的旋壓方式就是分層錯距旋壓，是指多個旋輪在周向相互錯開而在徑向又依次使毛坯厚度減薄的旋壓過程（圖2-2）。這種旋壓方式可以在一道次旋壓過程中完成多道次旋壓，提高了生產(chǎn)效率，同時由于對材料變形區(qū)增加了約束致使工件直徑精度得到了提高[2]。

工藝方案及參數(shù)的制定主要考慮毛坯材料的延伸率、斷面收縮率 、抗拉強度、屈服強度等因素。旋壓單道次材料減薄率不能大于極限減薄率

可通過在多道次旋壓中間增加熱處理軟化工序成形最終產(chǎn)品，主要的工藝參數(shù)為道次減薄率、旋壓間隙、旋輪進給比、旋輪成形角、旋輪圓角半徑以及錯距量等，旋輪成形角、旋壓間隙要合理匹配，負責旋輪前沿材料極易產(chǎn)生局部隆起、堆積以至失穩(wěn)開裂。

毛坯的設(shè)計主要依據(jù)體積不變的原則（式2-1），按道次安排同時考慮旋壓效率等因素，旋壓前后直徑的變化也應(yīng)該考慮，一般遵循旋輪進給比大有利于縮徑，進給比小有利于擴徑的規(guī)律。

2.3.2 錐筒形件剪切旋壓

圖2-3-a為錐形工件剪切旋壓工藝過程，除了遵循體積不變原則外，正弦理論是該工藝過程中必須依據(jù)的主要理論（式2-3/2-4）。

板料成形錐形件：

S1=S0*sinα               （式2-3）

預成形件成形錐形件（兩次或多次剪切旋壓）：

工件形狀的改變主要是壁厚的減薄、錐度減小和高度的增加，最終產(chǎn)品要素為錐筒段高度、半錐角、壁厚、已知位置的直徑、錐筒段母線直線度、圓度等。

在實際剪切旋壓中常有三種偏離狀態(tài)，即“零偏離”、“正偏離”和“負偏離”，用偏離率 △t（式2-5）來表示。

當△t=0 時為“零偏離”，即實際壁厚等于理論壁厚；當△t>0時為“正偏離”或稱“欠旋”，此時實際壁厚大于理論壁厚；當△t<0 時為“負偏離”或稱“過旋”，此時實際壁厚小于理論壁厚。此三種狀態(tài)可根據(jù)工藝需要適當調(diào)整。只有在“零偏離”時工件貼模性良好、精度較高。

工藝方案及參數(shù)的制定也因考慮所旋材料的延伸率、斷面收縮率等因素。根據(jù)變形程度的大小，可適當增加剪切旋壓道次，在道次中間增加熱處理工序以軟化材料，增加可旋性。在鋁合金材料的剪切旋壓中由于變形程度較大，可通過熱旋壓的方式成形工件，具體是將毛坯均勻預熱到再結(jié)晶溫度以上，同時將旋壓模具加熱到200~300℃，在旋壓過程中可用乙炔焰直接加熱毛坯，以保證溫度不會過快降低，使材料處于軟化狀態(tài)，有利于旋壓成形。其主要工藝參數(shù)除無錯距量外，其余同圓筒強力旋壓，為了增大材料變形區(qū)面積，防止材料所受拉應(yīng)力過大，旋輪前沿處材料局部隆起過高，旋輪大多使用大圓角的普旋旋輪。

毛坯的設(shè)計主要依據(jù)剪切旋壓正弦理論，工件壁厚與錐度成特定關(guān)系。因形狀變化較大，旋壓時應(yīng)防止局部失穩(wěn)開裂。

2.3.3 封頭普旋成形

封頭是一種廣泛應(yīng)用于鍋爐、化工容器、油罐、核反應(yīng)堆、導彈和人造衛(wèi)星等的重要零件。其規(guī)格正向大型化的方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大.采用旋壓法加工大、中型封頭具有其它加工方法無可比擬的優(yōu)越性[21]。

圖2-7為封頭旋壓工藝過程，封頭旋壓通常是采用板料成形，變形前后壁厚不變化或者變化極小，直徑變化較大，或收縮或擴大，旋壓時較易失穩(wěn)或局部拉薄，有單向前進旋壓和往復擺動多道次逐步旋壓兩種方式（圖2-7中a和b）。產(chǎn)品要素為封頭外形輪廓度、已知位置直徑、高度、壁厚等。

圖2-7 封頭旋壓

主要工藝要素為旋輪運動軌跡、旋壓道次、道次旋壓間距、旋壓速度、是否熱旋等，漸開線形旋輪運動軌跡最有利于旋壓成形，道次旋壓間距的確定極為重要，直接影響旋壓過程的成敗。

目前，國內(nèi)外在封頭冷旋壓成形中，主要采用兩種方法。一是一步法，即板坯在旋壓機上一次旋壓成形。二是二步法，即板坯是在壓鼓機上沿板坯展面逐點壓制成球冠形，然后在旋壓機上翻邊。一步法旋壓封頭，其工作效率遠遠高于采用二步法成形封頭工藝過程，產(chǎn)品質(zhì)量較好?，F(xiàn)階段一步法旋壓封頭已處于主導地位，并已發(fā)展成熟。

封頭的旋壓成形分冷旋、溫旋、熱旋。冷旋是指在常溫下對毛坯板料進行旋壓成形，由于受到材料塑性限制，能采用冷旋成形的封頭材料并不多。封頭溫旋成形技術(shù)主要用于中厚板封頭和一些難于冷變形材料的封頭成形。一般將金屬加熱到再結(jié)晶溫度或鍛造溫度以下某個溫度的旋壓成形稱為溫旋。熱旋成形是將金屬加熱到再結(jié)晶溫度或鍛造溫度以上某個溫度下進行的，隨著溫度的升高，金屬的塑性也隨之增強。而變形速度對塑性的影響是一個比較復雜的問題，隨著變形速度的增加，既有使金屬塑性降低的一面，又有作用相反的一面，而且不同溫度下變形速度的影響也不同[22]。

2.3.4車輪輞旋壓

車輪輞旋壓技術(shù)是近幾年才發(fā)展起來的輪輞成形新工藝方法，主要針對鎂鋁合金材料的輪轂（圖2-8），也有部分輪轂采用鋼質(zhì)。國外17英寸以下轎車鋁輪的生產(chǎn)以鍛坯或環(huán)坯經(jīng)旋壓成型已成為主流。近幾年國外用鍛造、旋壓工藝制造了22.5英寸載重汽車無內(nèi)胎車輪，以其造型美觀、重量輕、強度高成為鋼輪的強勁競爭點。

圖2-8 鋁合金車輪

傳統(tǒng)的輪轂制造工藝方法是在較低壓力(一般在20～60KPa)下澆注（鑄造）—熱處理—機械加工—最后表面處理，該方法適合大批量生產(chǎn)、生產(chǎn)率高、合格率較高、鋁液利用率較高，但表面質(zhì)量欠佳、成本稍高，而采用鍛造—退火—旋壓—熱處理—機械加工—表面處理（噴涂或電鍍）工藝方法生產(chǎn)的輪轂，大大提高了制造精度，有較致密的金相組織和較好的機械性能，較易達到輪轂等強度要求，重量輕、表面光潔，機械加工余量大大減少。此工藝在德國等較發(fā)達國家已發(fā)展成為成熟技術(shù)，目前國內(nèi)已有較少企業(yè)在使用該工藝研究試制。

車輪旋壓工藝一般可采用板材劈開式旋壓（圖2-9-a）或用鑄（鍛）件毛坯進行強力旋壓（圖2-9-b）成型兩種工藝方式。劈開式旋壓工藝是將圓盤狀板坯用劈開輪通過分層工藝，使毛坯在厚度方向中部被劈成兩份，再用成型輪漸進普旋成型即可；強旋工藝是將鑄（鍛）鋁毛坯進行若干道次的強旋，從而達到輪輞型面尺寸要求。

圖2-9 車輪旋壓

2.3.5 無縫整體氣瓶旋壓

旋壓無縫整體氣瓶是近幾年才發(fā)展起來的新的工藝方法和產(chǎn)品，共有四種類型：鋼制無縫氣瓶、鋁合金氣瓶、復合材料鋼內(nèi)膽氣瓶、復合材料鋁內(nèi)膽氣瓶。主要應(yīng)用于呼吸氣瓶、CNG天然氣氣瓶、中大型高壓氣體運輸氣瓶等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的氣瓶制造方法為沖壓瓶肩和瓶底，再與管件或卷焊瓶體焊接而成，制造工序復雜、成本較高，產(chǎn)品密封性及承壓能力不理想。而旋壓氣瓶以其獨有的整體無縫式已占有極廣闊的市場，并有完全取代傳統(tǒng)工藝方法所制造的氣瓶的局勢。

無縫整體式氣瓶旋壓最常用的工藝方法根據(jù)材料的不同有兩種工藝路線，鋁合金氣瓶材料多為6061鋁板或鋁棒料，其工藝路線為板材沖壓/鋁錠熱（350℃~450℃）反擠壓成杯狀－強旋直壁部分－熱收口（400℃~450℃）普旋成形瓶肩及瓶頸，鋼質(zhì)（多為30CrMo）氣瓶為管形件熱旋壓（900℃~1000℃）封底－強旋直壁部分/或不旋－熱收口（900℃~1000℃）普旋成形瓶肩及瓶頸。圖2-10-a為氣瓶熱收口普旋工藝過程，圖2-10-b為收口后的部分產(chǎn)品截面。

收口旋壓中應(yīng)該注意的是旋壓設(shè)備、熱旋溫度、普旋道次及軌跡，另外還應(yīng)防止瓶肩內(nèi)壁起鄒。

圖2-10 氣瓶收口旋壓

2.3.6 帶輪旋壓

按照皮帶輪的槽型和加工工藝可其分成三大類：劈開輪、折疊輪和多楔輪（多V帶輪）。這些旋壓皮帶輪做為一種新工藝產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛用于汽車、拖拉機等用內(nèi)燃機驅(qū)動的輔助設(shè)備，如冷卻風扇、發(fā)電機、水泵、空調(diào)機、壓縮機、動力轉(zhuǎn)向泵等，以及機床、農(nóng)業(yè)機械、家用電器、家用機械等設(shè)備。由于此三大類旋壓皮帶輪的結(jié)構(gòu)特點不同（圖2-11），其加工工藝也不相同。板材旋壓V帶輪的基本結(jié)構(gòu)型式為單槽、雙槽和多槽。板材旋壓多楔帶輪的基本結(jié)構(gòu)型式為折疊式，按楔槽數(shù)分為三楔、四楔、六楔、七楔和八楔。

劈開輪一般采用一次沖裁制坯，在旋壓機上用旋輪從材料厚度的二分之一處劈開后整形旋壓而成形（圖2-11-e）。由于其加工工藝比較簡單，影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素是毛坯本身的平面度精度，因此對沖裁的沖壓模具要求較高。

圖2-11 旋壓皮帶輪的結(jié)構(gòu)特點

折疊輪是采用沖壓和拉深方法制坯，并在旋壓機上旋壓，同時適當加以軸向壓力而成形，通常最后一道次用固定齒間距的模具和旋壓輪進行精整旋壓，達到產(chǎn)品精度要求。由于折疊輪在成形過程中沒有發(fā)生金屬流動，只是形狀的變化，所以工藝上也比較簡單，影響質(zhì)量的因素不多。

多楔輪同樣采用沖壓和拉深方法制坯，然后在旋壓機上旋壓成形。由于齒形是在材料壁厚上用擠壓方式使之產(chǎn)生金屬流動和塑性變形而形成的，所以影響產(chǎn)品最終質(zhì)量的因素就較多，包括上下模、旋輪形狀、旋壓道次、材料等（圖2-11-f）。

圖2-12 復合帶輪旋壓

2.3.7 帶內(nèi)外縱向齒筒體旋壓

強力旋壓技術(shù)可用來制造帶縱齒形的薄壁類零件（汽車離合器殼體）、滑動套筒、傳動軸的“驅(qū)動內(nèi)形”以及傳動輪的吶合齒形等。該技術(shù)的開發(fā)與推廣應(yīng)用，為加工該類型的零件減少了較大的成本，同時對工件的成形結(jié)構(gòu)有較大的改變。帶縱齒筒形件強旋成形是一個復雜的材料塑性成形過程。目前，由于該加工過程本身的復雜性，利用現(xiàn)有的塑性成形理論尚不足以推導出其實際的計算公式，工藝參數(shù)的最佳選擇途徑還主要是依據(jù)經(jīng)驗而定。

帶縱齒工件多種多樣，主要的齒形如圖2-13示。

圖2-13 帶縱齒工件齒形

帶縱齒工件的旋壓成形主要應(yīng)考慮的工藝因素有工件材料、模具材料、內(nèi)外齒形、模具齒形、摩擦狀況、工藝過程和熱處理等。

制造帶縱齒薄壁零件的毛坯一般采用平板坯料，先進行拉深、模鍛或管截面成形等方式的預成形加工，然后再將筒形件安裝于專用成形模具而旋壓成形。零件的成形在通常情況下僅需要一個旋壓道次就可以完成，只有在特殊的工件幾何形狀時或較長工件時才需要采用多道次工序先對材料預成形加工，然后再進行終旋精加工成形。

外縱齒形也可以通過旋壓工藝高精度地加工制造，借助于旋輪和帶有內(nèi)齒的空心模具采用內(nèi)旋壓法來成形，這種方法受到直徑的限制。另外一種方法是借助于一個或多個相適應(yīng)的帶齒旋輪通過唯一的徑向進給運動來旋壓成形工件的外形齒形。

圖2-14 板材成形內(nèi)外齒工件

2.3.8 波紋管旋壓

波紋管式節(jié)能換熱器具有換熱效率高、體積小、重量輕、能夠自身吸收熱變形等特點，深受用戶的歡迎。目前，生產(chǎn)各種換熱波紋管的工藝方法有焊接、液壓、模壓、軋制等，這些工藝方法尚存在設(shè)備復雜、適用范圍窄、成本過高等問題，旋壓成型換熱波紋管是一種新的加工技術(shù)。九十年代初發(fā)明成功以來，其產(chǎn)品已得到了廣泛的應(yīng)用。

旋壓工藝過程如圖2-15所示，工藝要素為旋輪形面形狀、旋輪進給速度、主軸轉(zhuǎn)速、加熱溫度及熱影響范圍、單波軸向壓縮量△l（指每成形一個波形，管坯沿軸向的壓縮長度，它是影響波紋形狀和局部壁厚減薄量的關(guān)健參數(shù)?！?/span>l太大，會造成管坯彎曲，破壞已成型的波形，△l太小，局部壁厚減薄量增大）。旋壓中易產(chǎn)生縮徑效應(yīng)，導致局部壁厚超差。主要產(chǎn)品因素為直線度、波距精度和波深精度等（圖2-16）。

1 主軸 2 波紋管 3 旋壓輪 4 加熱機構(gòu) 5 壓力機構(gòu)
圖2-15 波紋管旋壓原理

圖2-16 波紋管

2.3.9 異型件旋壓

圖2-17 旋壓異型件

鈦合金氣囊內(nèi)膽屬航天飛行器配件，工件圖如下。

圖2-18 鈦合金氣囊內(nèi)膽

該氣囊所用材料為TA7，這種材料的機械性能σb=785Mpa，ψ=25%，板材壁厚為1.5，要求普旋時壁厚減薄率不大于8%。由于材料強度高，斷面收縮率小，形面復雜，在成形時存在較大的困難。

分析該工件結(jié)構(gòu)為兩片完全相同的半環(huán)型薄壁件焊接而成，因此，如果能旋壓出半環(huán)薄壁件再焊接即可，考慮到形狀的復雜性，采用分模旋壓方案，先旋出半環(huán)內(nèi)形面（圖2-19-a為內(nèi)形面旋壓模具），再換裝外形面旋壓模具（圖2-19-b為外形面旋壓模具），旋出外型面。

a內(nèi)形面旋壓模具圖 b 外形面旋壓模具
圖2-19 鈦合金氣囊內(nèi)膽旋壓模具

導彈鼻錐件所用材料為6061鋁合金，工件及工序如圖2-20示。

圖2-20 導彈鼻錐件

該工件主要工序為下料Ⅰ-板料沖壓Ⅱ-剪切旋壓Ⅲ-剪切旋壓Ⅳ-剪切旋壓Ⅴ，由于板料供應(yīng)狀態(tài)為T6態(tài)，材料延伸率較低，不利于承受較大壓力加工，所以旋壓前對材料進行完全退火處理，以降低旋壓變形抗力、提高材料塑性，同時在旋壓道次間也可適當加以中間退火工序。

3 旋壓設(shè)備

3.1 旋壓設(shè)備的不同類型

旋壓機按其運動方式、主軸方位、旋輪個數(shù)等可分為多種類型，而按其功用大致可分為強力旋壓機、普旋機和專用旋壓機。強力旋壓機主要以流動旋壓和剪切旋壓成形為主，設(shè)備要求有較高的動靜態(tài)剛度，所受旋壓力及主軸扭矩較大。而普旋機主要成形有色金屬復雜曲母線形面工件，設(shè)備旋輪頭所受旋壓力較小。專用旋壓機主要承擔一種或較少種類似結(jié)構(gòu)的工件加工任務(wù)，象氣瓶收口機、輪轂旋壓機、帶輪旋壓機等。

3.2 旋壓設(shè)備的關(guān)鍵裝置

3.2.1 控制系統(tǒng)

最早的旋壓機主要依靠手動控制旋輪運動軌跡，對工人的操作技術(shù)要求較高，工件一致性差，效率低。后來采用模擬電信號、PLC等控制旋壓機各開關(guān)參量，使得旋壓機的自動化程度大為提高，能實現(xiàn)批量化的生產(chǎn)。隨著電子電力微電子等領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了錄返式控制旋壓機和數(shù)字化控制旋壓機，這是旋壓機控制方式的較大進步，錄返式旋壓機只需要將工件手動旋壓過程示教給旋壓機控制系統(tǒng)，錄返系統(tǒng)將通過“記憶”功能以同樣的路徑自動加工后續(xù)同種產(chǎn)品，實現(xiàn)自動批量生產(chǎn)的目的。目前的CNC旋壓機已具有較多的輔助功能，象自動上下料、自動換旋輪、恒線速等，裝機較多的控制系統(tǒng)是SINUMERIK 840D、FAGOR等，840D已具有6通道6主軸、每通道可實現(xiàn)各直線軸獨立運動的功能。

3.2.2 動力系統(tǒng)

主軸模擬、數(shù)字變頻實現(xiàn)無級變速及恒線速，主軸直流、交流變頻電機可提供較大的扭矩。旋輪頭直線軸依靠伺服電機通過高精度滾珠絲杠提供動力，用旋轉(zhuǎn)編碼器以半閉環(huán)控制方式確定位置，或通過直線及圓光柵尺以全閉環(huán)控制方式控制；旋輪頭直線軸也可采用液壓馬達、液壓缸以比例-伺服閥控制，以滿足較大的旋壓力需求。為提高生產(chǎn)效率，象較為先進的直線電機，電主軸等先進技術(shù)將不斷的應(yīng)用于旋壓設(shè)備，從而為高速、超高速旋壓材料塑性變形理論研究提供條件。

3.2.3 主軸箱和導軌

由于無極變速范圍較小，往往增加機械齒輪變速機構(gòu)來擴展主軸變速范圍，其典型的傳動方案是變頻電機-變速箱-主軸箱，通過變速機構(gòu)的調(diào)整，達到變速范圍的調(diào)整，而在每個變速范圍內(nèi)又可實現(xiàn)無極變速。由于有數(shù)控系統(tǒng)的支持，有的旋壓機也帶有主軸定向旋轉(zhuǎn)功能，在一些特殊的旋壓中也能起到一定的作用，同時能容易的實現(xiàn)旋壓中材料變形恒線速功能。

滑動導軌由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等原因，目前實際應(yīng)用較多，但由于存在動靜摩擦突變，易導致“爬行”現(xiàn)象，影響了設(shè)備的穩(wěn)定性。而靜壓導軌由于有極薄的一層油膜，其摩擦系數(shù)極小，對旋壓過程中的爬行現(xiàn)象能起到較好的克服作用，但由于旋輪座受較大的傾轉(zhuǎn)力矩，導軌較難平衡，容易導致工件幾何精度變差，目前在一些大型旋壓設(shè)備上有使用。滾動導軌由于受力較小、設(shè)備剛度要求較高等原因，實際應(yīng)用不多。

3.2.4 旋輪座和旋輪頭

旋輪座有整體式和開式結(jié)構(gòu)，整體式通常是將各旋輪裝在同一個框架機構(gòu)上，各旋輪軸向運動采用同一信號控制、同一動力驅(qū)動，排除了同步誤差，可在大旋壓力狀態(tài)下穩(wěn)定工作。開式結(jié)構(gòu)具有較高的靈活性，可實現(xiàn)多輪多路徑同步旋壓，在普旋和專用設(shè)備中較多采用開式結(jié)構(gòu)，缺點是剛性較差，旋壓力不能太大，旋輪頭較易震動。

旋輪頭根據(jù)安裝旋輪個數(shù)有單輪、雙輪、三輪、多輪幾種，在較先進的旋壓機上可實現(xiàn)自動換旋輪。單輪機構(gòu)簡單、使用靈活方便，雙輪、三輪及多輪可在一道次旋壓中通過錯距旋壓實現(xiàn)多次變薄，提高生產(chǎn)效率。

3.2.5 旋壓工裝

芯模在有模旋壓中是不可或缺的工藝裝備，主要承受旋壓時的強大旋壓力，對工件變形起到支撐作用，保證了工件的內(nèi)壁形面，在旋輪的共同作用下迫使材料屈服變形，變形過程中受到較大的摩擦力，因此要求芯模具有較高的強度、剛度和硬度，熱旋芯模還應(yīng)具有較高的耐熱性。材料應(yīng)采用淬火硬度在HRC50~60之間的各種工具鋼等。在結(jié)構(gòu)上均為簡單回轉(zhuǎn)體，有內(nèi)冷式、自動卸料式、組合分體式及較簡單的整體式結(jié)構(gòu)。芯模直徑的確定主要應(yīng)考慮工件旋壓后的材料回彈及脹縮徑量。

旋輪與工件外表面直接接觸，承受極大的磨擦，要求旋輪具有較高的硬度（HRC55~65）、光潔度、及圓角尺寸精度。旋輪可分為圓弧式、雙錐面式、臺階式等形式（圖3-1），圓弧旋輪的圓角半徑rρ是影響旋壓質(zhì)量的重要因素，常用范圍是

rρ ≈ (1~3)t0

圖3-1 旋輪形式

雙錐面和臺階面旋輪有帶光整段和不帶光整段兩種形式，雙錐面旋輪結(jié)構(gòu)簡單、通用性大，，一般較多應(yīng)用于筒形件旋壓，主要成形參數(shù)為成形角αρ和圓角半徑rρ，成形角一般取15°~45°，成形角過大使旋輪前材料隆起和堆積傾向增大，容易失穩(wěn)拉裂，過小又容易擴徑。旋輪光整段的作用是利用材料彈性回復效應(yīng)來減少工件表面不平度，光整段的存在使得旋輪圓角半徑得以減少，也起到了提高工件成形準確度的作用。臺階旋輪是在雙錐面旋輪成形段前增加一引導段，防止材料隆起、堆積、有時也可起到預成形的作用。

靠模樣板應(yīng)用于無數(shù)控及仿形裝置的液壓設(shè)備中，在傳統(tǒng)的液壓設(shè)備中起到了極好的作用，增大了設(shè)備的旋壓范圍。

3.3 專用旋壓設(shè)備

3.3.1 輪轂旋壓機

具有較高的自動化程度，是規(guī)?；a(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備，能達到每分鐘生產(chǎn)2~4件的生產(chǎn)節(jié)拍。具有立式和臥式兩種結(jié)構(gòu)，旋輪頭可正負向較高速工作進給，在一個工步可完成粗旋和精整過程，輔助工序少，產(chǎn)品質(zhì)量及效率較高（圖3-2）。

圖3-2 輪轂旋壓機

3.3.2 帶輪旋壓機

多為立式旋壓機，旋壓帶輪直徑從40~450mm均可生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)有單輪、雙輪及三輪形式。以前我國主要靠進口專用帶輪旋壓設(shè)備（立式結(jié)構(gòu)），現(xiàn)在已基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化，并已形成多種規(guī)格的數(shù)條全自動生產(chǎn)線，以提供國內(nèi)上千萬件的需求量。設(shè)備性能已基本達到國外先進水平，已具有剛性好、精度高、可靠性好、控制系統(tǒng)先進、調(diào)試方便、生產(chǎn)效率高、外形美觀等特點。

3.3.3 氣瓶熱收口旋壓機

熱收口旋壓機主要特點為可實現(xiàn)兩個直線軸（x、z軸）與一個旋轉(zhuǎn)軸（B軸）的三軸聯(lián)動工作，同時還具備了加熱功能，并配有自動上下料裝置。可用于封底、縮徑及曲母線弧段收口加工，在主軸、尾頂、選輪座、旋輪柄均采用強制冷卻方式，可自動控制點火、熄火及毛坯溫度保持，有的設(shè)備配有光學溫度監(jiān)測計，以很好的控制溫度，加熱一般采用火焰或中頻感應(yīng)加熱。目前國產(chǎn)該設(shè)備應(yīng)用逐漸增多，已在東北、北京、上海等多個地區(qū)形成了數(shù)種氣瓶生產(chǎn)線，滿足國內(nèi)甚至國外壓力容器市場的需求。圖3-3示為氣瓶熱收口旋壓機。

圖3-3 氣瓶熱收口旋壓機

3.3.4 其它專用旋壓機

大型封頭旋壓機主要有兩種形式，即“二步法”成形（壓鼓+旋壓翻邊）旋壓機，“一步法”成形（多道次普旋成形）旋壓機。主要由機身、旋壓輥、成形棍、頂緊、動力機構(gòu)、控制系統(tǒng)等構(gòu)成。其核心為旋壓輥、成形輥的組合運動軌跡。圖3-4示為封頭旋壓機。

圖3-4 封頭旋壓機

翻、卷邊旋壓機通過轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動來加工不同形狀的工件，壓力輪機構(gòu)是其中的關(guān)鍵核心技術(shù)，其運動軌跡的計算較為復雜，而旋壓臂所受旋壓力相對較小，但要求旋輪機構(gòu)運動靈敏迅速，成形簡單快捷，產(chǎn)品性能得到改善，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。

近年來，我國對大型封頭的需求日益增多，國內(nèi)封頭旋壓設(shè)備研制也已基本能滿足國內(nèi)市場發(fā)展需求，在國家政策的支持下，通過近幾十年的研究改善，大型封頭旋壓設(shè)備已基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

4 國內(nèi)外旋壓技術(shù)和設(shè)備的差距及各自的特點

我國旋壓技術(shù)的發(fā)展狀況與國外先進水平相比，無論是在產(chǎn)品種類、尺寸精度、設(shè)備能力和自動化程度等方面，還是在工藝理論研究方面還都有一定的差距。諸多科技工作者正在致力于該項研究工作，近20年來取得了較大發(fā)展，許多產(chǎn)品精度和性能都接近或達到了國外先進水平。國內(nèi)少數(shù)高等院校，如哈爾濱工業(yè)大學、北航、西工大等，以及一些有實力的研究所已在研制CNC旋壓機、并進行理論探討和開發(fā)新工藝。尤其在近幾年中，我國一些工廠從國外引進了先進的數(shù)控旋壓機，使我國的旋壓技術(shù)日趨成熟。國內(nèi)許多研究所(如北航現(xiàn)代技術(shù)研究所、黑龍江旋壓技術(shù)研究所、長春55所等)已經(jīng)研制出了較穩(wěn)定可靠的多種類型的旋壓機，在國內(nèi)市場已有一定份額，但部分機種仍依賴于進口。

國外在旋壓領(lǐng)域不但擁有先進的設(shè)備而且掌握了成熟系統(tǒng)的旋壓技術(shù)。如德國LEIFELD公司的ST56-75NC三輪強力旋壓機可完成各種高精度薄壁筒形件多種曲母線的旋壓。美國最大400T雙輪立式旋壓機可對任意合金筒形件進行加工，對某些精密件收口壁厚公差可達士0. 38mm，表面粗糙度Ra3.2。日本東芝機械公司的高效率旋壓機將液壓仿形與數(shù)控相結(jié)合來熱旋各種形狀的高壓氣瓶。

另外，國外特別是美國、日本、德國等許多發(fā)達國家的旋壓技術(shù)日臻完善，不論在設(shè)備設(shè)計與制造、理論與工藝研究、旋壓技術(shù)的應(yīng)用等方面都有很大的發(fā)展。我國的旋壓技術(shù)始于六十年代初期，經(jīng)過幾十年的努力，我國在旋壓技術(shù)設(shè)備和旋壓工藝理論基礎(chǔ)研究方面（如旋壓過程的應(yīng)力-應(yīng)變有限元分析、新工藝新方法及理論的探索研究）取得了很多的進展，使得旋壓技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，但仍不能適應(yīng)我國國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，特別是在理論研究方面至今仍然是一個薄弱環(huán)節(jié)，這已成為影響我國高檔設(shè)備使用效率和旋壓工藝進一步推廣應(yīng)用的制約因素。因此，加強旋壓成形技術(shù)的理論研究，建立系統(tǒng)的基礎(chǔ)性資料，是我國旋壓技術(shù)發(fā)展中的一項重要內(nèi)容。

5 對旋壓成形技術(shù)中幾個問題的探討

5.1 工件表面粗糙度問題

表面粗糙度是衡量工件表面質(zhì)量的主要參數(shù)，通常指的是輪廓算術(shù)平均偏差Ra，即在取樣長度L內(nèi)輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值：

所有旋壓件是采用不去除材料方法加工，原始外表面粗糙度均有要求，通常其值被取為Ra3.2~12.3不等，這在旋壓界已成慣例，但詳細分析該參數(shù)項，并不能較合理地反映旋壓件外表面的質(zhì)量狀況。如圖5-1所示。

圖5-1 旋壓件表面微觀粗糙度分析

a為旋壓進給率為f（mm/n）時相鄰旋壓凹痕間的距離，h為凹痕與凹痕間的凸痕高度，在同一旋壓過程中h值不變。根據(jù)粗糙度定義計算旋壓件粗糙度為

根據(jù)實際假如f=1.0mm/n，即a=1mm，旋輪攻角為30°，由實際作圖知h=0.042mm，那么Ra=0.042mm=42μm，即粗糙度為Ra42，這顯然不合理，因此傳統(tǒng)的粗糙度計算方法在此并不能有效地反映旋壓件的表面質(zhì)量狀況，所以需要一個能確切的反映旋壓件表面質(zhì)量的專用參數(shù)。

分析工件表面紋理特征，提出旋壓工件旋紋度的概念。對于旋壓工件外表面粗糙度用旋紋度表示

其中5L為標準評定長度，一般L=2.5mm，1%為優(yōu)化系數(shù)。用旋紋度能較為準確的表示旋壓工件外表面質(zhì)量狀況，能將旋紋高度、寬度和疏密程度綜合程度表達清楚。比如上面的例子，

即旋紋度為5.25。這是一個綜合評定參數(shù)，值越大旋紋越粗糙，表面質(zhì)量越差。

5.2 高速旋壓

目前幾乎所有可旋材料的旋壓塑性變形速度都處于相對較低的狀態(tài)，芯模轉(zhuǎn)速一般在50~300 n/min之間、旋輪進給比率小于2mm/n，建議研制開發(fā)新型高速旋壓設(shè)備，在有色金屬的旋壓（有模和無模）中將主軸轉(zhuǎn)速調(diào)高到500n/min以上，甚至高過1000n/min的速度，對有色金屬的高速旋壓狀態(tài)變形規(guī)律進行分析研究，為以后民用有色金屬的普旋成形精度控制開辟新的研究方向。

6 旋壓設(shè)備和技術(shù)展望

為了適應(yīng)我國工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需求，在設(shè)備方面應(yīng)不斷提高整機系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制檢測系統(tǒng)的先進性，朝著大型化、系列化、高精度、多用途、多功能和自動化方向發(fā)展，并不斷開發(fā)新的旋壓產(chǎn)品，擴展旋壓技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)新的旋壓設(shè)備，增加設(shè)備及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線的自動化程度，工藝技術(shù)方面應(yīng)不斷改善產(chǎn)品的成形質(zhì)量(如尺寸精度、形狀精度、表面質(zhì)量及性能等)，著力開發(fā)復雜曲母線、不同心及組合型新產(chǎn)品，在多種材料復合旋壓、以旋壓為主的多種制造方法復合制造及不同材料焊后旋壓變形機理理論及試驗研究方面加大力度，盡快形成較為全面、系統(tǒng)、可靠的旋壓基礎(chǔ)理論及質(zhì)量控制體系，并逐步向綜合智能化旋壓方向發(fā)展，將機、電、液、微電子、光、檢測、傳感技術(shù)、人工智能等先進技術(shù)運用于旋壓技術(shù)，建立通用旋壓件制造專家系統(tǒng)，做到能自動識別產(chǎn)品圖紙和狀態(tài)，自動設(shè)計旋壓毛坯、規(guī)劃制造方案，工藝過程智能化編制、自動優(yōu)化調(diào)整工藝參數(shù)。