旋压

金属旋压成型1、概述旋压技术是一项具有悠久历史的传统技术，根据文献记载，我国远在公元前4000~公元前3500年的殷商时代，就已经采用陶轮制成陶瓷制品，而这种制陶工艺发展到约10世纪初就孕育出了金属普通旋压工艺。当时人们已能将金属（如银、锡和铜等）薄板旋压成各种瓶、灌、壶和盘等容器和装饰品。直到13世纪，这种技术才传到欧洲各国。1840年前后，旋压技术由约旦传到美国。虽然旋压工艺起步很早，但很长时间以来，它的发展都滞后于如拉深和挤压等其他成型手段。到20世纪中叶以后，随着工业的发展和宇航事业的开拓，普旋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，由于电子技术的发展，于20世纪60年代后期，国外在半自动旋压机的基础上，发展了数控和录返式旋压机。这些设备的快速发展将旋压工艺带进了中、大批量化的生产中。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发展。在许多国家，如美国、俄罗斯、德国、日本和加拿大等国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。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。但近年来取得了较大发展，许多产品精度和性能都接近或达到了国外较先进水平。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。1.概述1.1旋压的原理旋压是一种综合了锻造、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，它是将金属筒坯、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局部塑性变形，在旋轮的进给运动和坯料的旋转运动共同作用下，使局部的塑性变形逐步地扩展到坯料的全部表面，并紧贴于模具，从而获得各种母线形状的空心旋转体零件。旋压工艺的加工原理如右图所示.图1.旋压简单示意图图2.旋压成型实物图1.1旋压的原理图3.旋压成型原理图4.旋压点成型路径1.2旋压的分类旋压是借助赶棒或旋轮、压头对随旋压模转动的板料或空心零件的毛坯作进给运动并旋压，使其直径尺寸改变，逐渐成形为薄壁空心回转零件的特殊成形工艺。针对不同毛坯件的变形特点，旋压一般可分为普通旋压和变薄旋压两种。在旋压过程中，改变毛坯的形状而基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。普旋过程中毛坯的厚度基本保持不变，成型主要依靠坯料沿圆周的收缩及沿半径方向上的伸长变形来实现，其重要特征是在成型过程中可以明显看到坯料外径的变化。强力旋压是在普通旋压基础上发展起来的一种近无余量加工方法，其实质为利用旋压辊子加高压于坯料，旋转坯料借助外力沿成形模具进行局部逐渐辗压产生塑性变形而变薄，从而得到高精度薄壁回转体零件。1.2.1普通旋压普通旋压主要包括缩径旋压、扩径旋压等，可以完成拉深、缩口、胀形、翻边等工序。基本加工方式有三种：拉深旋压、缩径旋压和扩径旋压。a.拉深旋压拉深旋压是指由板料旋成筒形件或锥形件，以径向拉深为主体变形，使得毛坯的直径减小。拉深旋压是普通旋压中最常用、最有代表性的一种工艺方法，也是旋轮运动轨迹形式最多、最复杂的一种旋压形式。在拉伸旋压过程中，平板毛坯被尾顶装置顶住并紧靠芯模，在旋轮力的作用下由圆弧形逐渐旋压成杯形，接着旋轮继续作轴向进给，毛坯的壁部被碾压，直至与芯模贴合。变形时，毛坯与旋轮之间的接触基本上为点接触。在旋轮的作用下，毛坯一方面产生局部的凹陷发生塑性变形，一方面沿旋压力的方向发生倒伏。b.缩径旋压缩径旋压是指将回转体空心件或管状毛坯进行径向的局部旋转压缩，以使其直径缩小的工艺方法。在缩径时，将预成形毛坯置于夹紧装置中，并随着主轴的旋转而旋转。旋轮在毛坯的外部作径向进给运动，经过一次或多次的逐渐变形，直到获得所需的零件形状。缩径旋压主要包括无芯模(又称空气模)的缩旋、内芯模的缩旋和滚动模的缩旋等。C.扩径旋压扩径旋压与缩径旋压相反，是利用旋压工具使回转体空心件或管状毛坯进行局部直径增大的工艺方法。在旋压时根据工件扩径程度的大小，可以分为若干道次进行。扩径旋压主要包括外芯模扩旋和支撑滚轮扩径等。1.2.2强力旋压锥形件变薄旋压又称为剪切旋压，用于加工锥形、抛物线形和半球形以及扩张形件。筒形件变薄旋压又称为挤出旋压或流动旋压，用于筒形件和管形件的加工。变薄旋压的毛坯可用板材、预冲压成形的杯形件、经过车削的锻件或铸件、经预成形或车削的焊接件和管材，也可直接车制。采用热环轧毛坯可减少旋压前切削量，节约金属。坯料状态可为退火，调质，正火等。根据旋压方向分正旋压和反旋压。正旋压时材料的流动方向与旋轮的运动方向相同，反旋压时材料的流动方向与工作旋轮方向相反。异形件、筒形件一般采用正旋压，管形件一般采用反旋压。1.2.2强力旋压1.3旋压的特点旋压是一种特殊的成形方法。用旋压方法可以完成各种形状旋转体的拉深、翻边、缩口、胀形和卷边等工艺。金属旋压工艺具有节省原材料、成本低廉、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。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，生产成本低，旋压设备的调整简便灵活，具有很大的柔性，非常适合于多品种少批量生产。（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）制品表面粗糙度低，尺寸公差小。旋压加工制品表面粗糙度3.2～1.6μｍ（5）用很小的变形力可成形很大的工件，模具简单，材质要求低。（6）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设备，一些需要6~7次冲压的制件，旋压1次即可制造出来。（7）在旋压过程中，由于制品坯料近似逐点变形；因此，其中任何夹渣、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对制品的检验作用。（8）有一些形状复杂的零件，冲压很难甚至无法完成，但却适合旋压加工。（9）金属旋压材料适用种类广，如钢、铝、黄铜、白铜，并且能旋压钛、钼、钨、钽、铌等难变形的金属及其合金。旋压的缺点如下：（1）旋压的坯料厚度不能太大。根据制品材质和直径不同，厚度一般为0.1~100ｍｍ不等。（2）金属旋压件生产的批量有一定限制，过多过少都不合算。以中小批量生产较为有利，大批量生产时，旋压件成本比冲压件贵。（3）生产效率较低，劳动强度较大。（4）旋压只适合于轴对称的回转体零件，这是一条很致命的限制。（5）旋压件塑性指标下降，韧性较差、存在残余应力等。2.1旋压工艺要素普通旋压主要是改变毛坯的形状，而壁厚改变很小或不改变，其毛坯形状及尺寸的设计计算是关键技术。其工艺要素为旋压轮运动轨迹、旋轮直径、旋压间隙、进给率、主轴转速、旋压线速度、旋轮圆角半径、旋轮前侧面与模具母线夹角等。强力旋压主要是改变工件的壁厚和直径尺寸，工件长度会相应作以改变。其工艺要素为旋轮直径、旋轮圆角半径、旋轮前角、旋轮后角、旋压攻角、主轴转速、进给率、旋压间隙、旋压道次、减薄率、工件半锥角、旋压线速度等。当然对于材料要求要具有较高的延伸率、断面收缩率，抗拉及屈服强度也要适当。金属材料的热处理也是旋压工艺中主要的因素，在旋压过程中由于受到强大的压、拉应力，致使材料硬化严重，必须采取热处理手段加以软化，为了改变最终工件的机械性能也需要进行必要的热处理。2.旋压工艺参数的选择2.旋压工艺参数的选择2.2旋轮安装角芯模轴线和旋轮轴线构成的角称为旋轮安装角。安装角不能过大，安装角过大会使加工金属流向旋轮前面，从而导致极粗糙的锉齿形表面。根据加工要求和加工轨迹路线，灯罩旋压工艺选取了４５°安装角。2.3主轴转速提高转速，可以改变零件表面的光洁度，并提高生产效率，但主轴转速的提高也有限制。①受主轴最高转速和额定转速的限制，批量生产时主轴转速保持在额定转速以内为宜。②由于主轴转速的提高会使零件表面的温度升高，从而改变零件表面的物理特性，所以在提高主轴转速的同时也要兼顾温升的变化，例如铝制品加工时，主轴转速过高而产生的高温会加大产品表面的粗糙度。灯罩旋压加工中，根据主轴性能和工艺要求选择了2500r/min。2.4进给速度旋轮沿芯模母线移动的进给速度是旋压中最重要的参数。其数值的大小对旋压过程影响很大，与零件的尺寸精度、旋压力的大小和毛坯的减薄率都有密切关系。旋轮的进给速度过大易引起褶皱，进给速度过小会使工件壁厚减薄，在不起皱的前提下尽量选用大的旋轮进给速度。2.5减薄率在强力旋压过程中，减薄率t是变形区的一个主要工艺参数，因为它直接影响到旋压力的大小和旋压精度的好坏。筒形件旋压时，减薄率取决于旋压道次、旋轮设计和旋压机功率等因素。筒形件一次旋压能达到的减薄率比旋压锥形件时要高一些。金属减薄率中，铝合金可达70%~75%；钢60%~75%；钛合金（加热旋压）60%~75%。许多材料在一次旋压中减薄率ｔ＝３０％～４０％，就可以保证零件的尺寸精度要求。Φt＝（ｔ０－ｔmin）/ｔ０式中，ｔ０为毛坯的壁厚；ｔmin为零件的最小壁厚。3.旋压设备按变形原理普通旋压机、强力旋压机按主轴位置卧式旋压机：主轴为水平方向的叫卧式旋压机立式旋压机：主轴为垂直方向的叫立式旋压机按旋轮个数单旋轮旋压机：只有一个旋轮的旋压机称为单轮旋压机双旋轮旋压机：有两个旋轮的旋压机称为双轮旋压机三旋轮旋压机：有三个旋轮的称为三轮旋压机多旋轮：有三个以上旋轮的称为多轮旋压机3.1旋压设备分类3.旋压设备芯模相对位置外旋压机：旋轮从外部对工件进行旋压的旋压机内旋压机：旋轮从内部对工件进行旋压的旋压机按金属流动方向正旋：金属流动方向与旋轮运动方向相同的旋压机反旋：金属流动方向与旋轮运动方向相反的旋压机正反旋：金属在旋压过程中向两个方向流动的旋压机按旋压温度热旋压机：能够对工件进行加热旋压的旋压机冷旋压机：在常温下进行旋压的旋压机3.旋压设备旋压设备的关键装置有控制系统、动力系统、主轴箱、导轨、旋轮座、旋轮头和施压工装组成。强力旋压机主要以流动旋压和剪切旋压成形为主，设备要求有较高的动静态刚度，所受旋压力及主轴扭矩较大。普旋机主要成形有色金属复杂曲母线形面工件，设备旋轮头所受旋压力较小。专用旋压机主要承担一种或较少种类似结构的工件加工任务，象气瓶收口机、轮毂旋压机、带轮旋压机等。3.2专用旋压设备a.轮毂旋压机具有较高的自动化程度，是规模化生产线中的关键设备，能达到每分钟生产2~4件的生产节拍。具有立式和卧式两种结构，旋轮头可正负向较高速工作进给，在一个工步可完成粗旋和精整过程，辅助工序少，产品质量及效率较高3.2专用旋压设备b.气瓶热收口旋压机热收口旋压机主要特点为可实现两个直线轴（x、z轴）与一个旋转轴（B轴）的三轴联动工作，同时还具备了加热功能，并配有自动上下料装置。可用于封底、缩径及曲母线弧段收口加工，在主轴、尾顶、选轮座、旋轮柄均采用强制冷却方式，可自动控制点火、熄火及毛坯温度保持，有的设备配有光学温度监测计，以很好的控制温度，加热一般采用火焰或中频感应加热。目前国产该设备应用逐渐增多，已在东北、北京、上海等多个地区形成了数种气瓶生产线，满足国内甚至国外压力容器市场的需求。3.2专用旋压设备c.封头旋压机大型封头旋压机主要有