有關(guān)旋壓成形技術(shù)簡介

傳統(tǒng)旋壓成形技術(shù)簡介旋壓成形是一種板材連續(xù)局部塑性成形的技術(shù)；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。傳統(tǒng)的旋壓工藝將金屬筒坯、平板毛坯或預(yù)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。如圖1.2所示為旋壓工藝的加工原理。根據(jù)不同的分類方法，可以將旋壓分為以下幾種：〔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[36-37]。普通旋壓時，在旋壓成形過程中毛坯的厚度根本不發(fā)生變化；主要有拉深旋壓、縮徑旋壓、擴徑旋壓、制梗成形等。普通旋壓是加工薄壁空心回轉(zhuǎn)體零件的無屑加工工藝過程。它借助旋輪對隨芯模轉(zhuǎn)動的金屬圓板作進給運動的同時施壓，主要改變其直徑尺寸使其成為所需工件。圖1.3為封頭旋壓工藝過程，是典型的普通旋壓。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(fù)擺動多道次逐步旋壓兩種方式。強力旋壓又稱變薄旋壓，是指在旋壓成形過程中毛坯的厚度不斷在減薄。借助旋輪對隨旋壓模轉(zhuǎn)動的金屬圓板或管坯作進給運動并施壓，加工薄壁空心回轉(zhuǎn)體零件的無屑成形工藝過程。變薄旋壓屬體積成形范疇，在成形過程中主要是壁厚減薄而直徑尺寸根本不變。〔2〕按旋壓產(chǎn)品形狀的不同，普通旋壓又可分為拉深旋壓、收頸旋壓、擴徑旋壓、翻邊旋壓、卷邊旋壓、切邊旋壓、壓筋旋壓及外表精整旋壓等;強力旋壓又可分為流動旋壓(又稱筒形件變薄旋壓)和剪切旋壓(又稱錐形件變薄旋壓)?！?〕根據(jù)旋壓過程中金屬材料的流動方向不同，流動旋壓可分為正旋和反旋。正旋是指旋壓過程中金屬材料的流動方向與旋輪的進給方向相同;反旋是指旋壓過程中金屬材料的流動方向與旋輪的進給方向相反。旋壓技術(shù)在金屬板材加工中應(yīng)用廣泛，主要具有以下優(yōu)點：〔1〕在旋壓過程中，旋輪(或鋼球)對坯料逐點壓下，近似點接觸，因此接觸面積小，單位壓力可達(dá)2500-3500N/mm2，適用于加工高強度難變形材料；而且，所需總變形力較小，從而使功率消耗也大大降低；〔2〕坯料的晶粒在三向變形力(切向變形力、徑向變形力和軸向變形力)的作用下，沿變形區(qū)滑移面錯移，晶粒的伸長量隨著變形量增加而增加，滑移面各滑移層的方向與變形方向十分一致，因此，金屬纖維保持連續(xù)完整；圖表SEQ圖表\*ARABIC1封頭旋壓工藝過程〔3〕由于在旋壓過程中，旋輪不僅對旋壓的金屬有壓延的作用，而且還有整平的作用，因此，強力旋壓可使制品到達(dá)較高的尺寸精度和較低的外表粗糙度；〔4〕制品范圍廣。能旋壓其他工藝難成形的零件。如火箭、導(dǎo)彈和衛(wèi)星的鼻錐和殼體；潛水艇滲透密封環(huán)和魚雷外殼;雷達(dá)反射鏡和探照燈外殼；噴氣發(fā)動機整流罩和原動機零件；液壓缸、壓氣機外殼和圓筒;渦輪軸、噴管、電視錐、燃燒室錐體和波紋管；枯燥機、攪拌機和洗滌機的轉(zhuǎn)筒；淺盤形、盤形、半球形封頭；牛奶罐和家庭用具等；〔5〕同一臺旋壓設(shè)備可進行旋壓、接縫、卷邊、縮徑、精整等加工，因而可生產(chǎn)多種產(chǎn)品，同時產(chǎn)品規(guī)格范圍大；〔6〕坯料范圍廣，可采用空心的沖壓件、擠壓件、鑄件、焊接件、機加工的鍛件和軋制件以及圓板作坯料;并且，能旋壓欽、鋁、鎢、泥類難變形的金屬及其合金；〔7〕在旋壓過程中，由于被旋壓坯料近似逐點變形，因此，其中任何夾雜、夾層、裂縫、砂眼等缺陷很容易暴露出來。這樣，旋壓過程也附帶起到了對制品的自動檢驗作用；〔8〕旋壓是一種少無切削工藝，材料利用率高、省工時、本錢低。但是，經(jīng)濟性與批量多少、零件結(jié)構(gòu)、設(shè)備和勞動費用有關(guān)。2、傳統(tǒng)板材旋壓成形的開展現(xiàn)狀旋壓技術(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，由制陶工藝開展出了金屬旋壓工藝。到20世紀(jì)中葉以后，隨著工業(yè)的開展和宇航事業(yè)的開拓，普通旋壓工藝大規(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(jì)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)備逐漸實現(xiàn)機械化與自動化，在20世紀(jì)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(fù)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(jì)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)的開展，于20世紀(jì)60年代后期，國外在半自動旋壓機的根底上，開展了數(shù)控和錄返式旋壓機。這些設(shè)備的快速開展將旋壓工藝帶進了中、大批量化的生產(chǎn)。強力旋壓是上世紀(jì)五十年代在普通旋壓的根底上開展起來的，最早在瑞典、德國被用于民間工業(yè)(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，在近六十年中，旋壓技術(shù)得到了長足的開展，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)成為金屬壓力加工領(lǐng)域的一個重要分支。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(biāo)準(zhǔn)化方向開展。在許多國家，如美國、俄羅斯、德國、日本和加拿大等己生產(chǎn)出先進的標(biāo)準(zhǔn)化程度很高的旋壓設(shè)備，這些旋壓設(shè)備己經(jīng)根本定型，旋壓工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品多種多樣，應(yīng)用范圍日益廣泛。英國BOKO公司生產(chǎn)的Boko-ZaniCNC金屬旋壓機床TAL650型，除了可以直接通過圖形顯示器編程之外，還可以重復(fù)調(diào)用所記錄的第一次手動旋壓數(shù)據(jù)，利用具備的程序進行反復(fù)加工。日本Spindle公司生產(chǎn)的VF-T1000-NC-T6型多功能錄返數(shù)控旋壓機床具有示教功能和自動編程兩種功能。德國Leifeld公司生產(chǎn)出具有自編程功能的PNC400錄返式旋壓機床。隨著旋壓加工的零件朝幾何形狀復(fù)雜化方向開展，旋壓成形技術(shù)已經(jīng)突破傳統(tǒng)的用于加工薄壁空心回轉(zhuǎn)體零件的局限。有不少學(xué)者對非軸對稱類零件和非圓截面空心件的旋壓成形技術(shù)進行了初步的探索研究，局部研究成果已經(jīng)投入到生產(chǎn)實踐中。日本Spindle公司于1999年研制出世界上第一臺可生產(chǎn)偏心及傾斜類零件的數(shù)控旋壓機床，主要用于生產(chǎn)汽車的排氣歧管和消音器。2004年在增量金屬成形方法的會議上報道了德國THATEGmbH公司正在開發(fā)一種針對旋壓成形非圓形件的數(shù)控技術(shù)，并且首次嘗試用數(shù)控旋壓技術(shù)來生產(chǎn)橢圓形零件。美國板材制造公司生產(chǎn)的設(shè)備對非圓形的形狀也可以旋壓成形；美國MJC工程技術(shù)已經(jīng)開發(fā)了第一臺全數(shù)控旋壓機床,可加工從4570mm到150mm變直徑的非圓形截面零件。目前，隨著國外汽車工業(yè)、航空工業(yè)和電子計算機工業(yè)的開展，精密的、高效率的、高自動化的旋壓設(shè)備生產(chǎn)廠也加快了旋壓設(shè)備的改良步伐。國外旋壓設(shè)備未來開展的總趨勢是朝著大型化、系列化、高精度、多用途和自動化開展。我國雖為旋壓技術(shù)的發(fā)源地，但直到上世紀(jì)六十年代才開始旋壓技術(shù)的研究工作。四十多年來，我國旋壓技術(shù)有了迅速開展，理論、工藝和設(shè)備方面的水平均有很大的提高，旋壓加工的產(chǎn)品己開展到幾十個工業(yè)部門的數(shù)百種產(chǎn)品。旋壓新工藝更是層出不窮，如北京有色金屬總院研究開發(fā)采用離心鑄坯變薄旋壓制作大口徑薄壁無縫鋁管的工藝，為解決國內(nèi)大口徑薄壁鋁管的生產(chǎn)提供了新途徑。航空部625所開發(fā)的汽車發(fā)動機槽形皮帶輪旋壓技術(shù)已投入批量生產(chǎn)。各種旋壓設(shè)備和新產(chǎn)品相繼問世，如北京航空航天大學(xué)生產(chǎn)出了數(shù)控帶輪旋壓機；航空工藝研究所在氣瓶熱收口旋壓機設(shè)計制造方面取得了成功；兵器總公司長春五五所也生產(chǎn)出了輪輻旋壓機。中國兵器工業(yè)集團公司第五五研究所提出將法國NUM1040數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用于輪輻旋壓機床上。北京航空制造工程研究所于2000年在國內(nèi)首次使用840D液壓驅(qū)動模塊與BOSCH比例伺服閥研制出了SY-8型數(shù)控旋壓機床，此后又研制出SY-11型、SY-13型和SY-14型數(shù)控旋壓機床等用于軍工產(chǎn)品的強力旋壓。3、高效旋壓成形現(xiàn)狀回轉(zhuǎn)曲面高效旋壓成形技術(shù)是基于多點成形時將模具離散化的思想，將傳統(tǒng)旋壓成形中的旋輪轉(zhuǎn)化成柔性輥，利用在柔性輥上設(shè)置的多個控制點調(diào)節(jié)柔性輥的上、下移動，使柔性輥形成一定曲率的曲線，加工預(yù)定的回轉(zhuǎn)曲面。吉林大學(xué)李明哲教授結(jié)合多點成形技術(shù)和旋壓成形技術(shù)，提出了板材高效旋壓成形的新概念，其目的就是要開發(fā)出低價、高效、柔性的加工回轉(zhuǎn)曲面零部件的新型成形設(shè)備；還根據(jù)這一思想進行了高效旋壓成形的根本過程和根本形式的探討。其根本過程可歸納為：首先，根據(jù)工件的根本形狀調(diào)整柔性輥上調(diào)形單元的高度，使其組成所需要的曲率的曲線；其次，給上輥一定的下壓量，同時驅(qū)動柔性輥轉(zhuǎn)動，使板材通過摩擦力的作用實現(xiàn)連續(xù)局部塑性成形。從高效旋壓成形的根本過程和根本形式可以看出，高效旋壓是一種線成形技術(shù)，也是一種連續(xù)局部成形技術(shù)，與傳統(tǒng)的旋壓成形的點成形方式相比，具有高效、連續(xù)、柔性的特點。另外，還對高效旋壓成形樣機的開發(fā)以及樣機關(guān)鍵零部件的有限元分析、工作單元的運動仿真等作了進一步的研究。金屬旋壓加工工藝的研究旋壓成形作為一種典型的連續(xù)局部塑性成形技術(shù)，以其靜壓成形〔無沖擊、振動和環(huán)境危害〕、產(chǎn)品精度高、工藝柔性好、易于實現(xiàn)機械化與自動化、節(jié)約材料等諸多優(yōu)點而成為精密塑性成形技術(shù)的重要開展方向，是實現(xiàn)薄壁回轉(zhuǎn)體零件的少無切削加工的先進制造技術(shù)［１］。到２０世紀(jì)中葉以后，隨著工業(yè)的開展，旋壓工藝大規(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開展。許多歐美國家已經(jīng)生產(chǎn)出先進的標(biāo)準(zhǔn)化程度很高的旋壓設(shè)備，這些旋壓設(shè)備已根本定型，旋壓工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品多種多樣。我國旋壓技術(shù)的開展現(xiàn)況與國外先進水平相比還有一段差距，但近年來已取得了較大開展，許多旋壓產(chǎn)品精度和性能都已接近或到達(dá)了國外先進水平。１旋壓技術(shù)１．１旋壓的特點金屬旋壓工藝具有節(jié)省原材料、本錢低廉、設(shè)備簡單和產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點；因此，旋壓工藝在國防、化工、冶金、電子、機械等諸方面起到了越來越大的作用，特別在火箭、導(dǎo)彈、核電、宇航等有關(guān)零件的制造方面得到了很好的應(yīng)用，不僅用于工業(yè)上的鍋爐封頭、壓力容器、儲油罐的生產(chǎn)上，而且還用于千家萬戶的水壺、鍋子、餐杯、洗衣機鼓桶、燈罩等的制造之中。１．２旋壓的原理金屬旋壓工藝的原理是將被加工的金屬毛坯〔管坯〕套在芯模上，板坯那么通過尾頂壓在芯模的端部，并與芯模一起隨主軸旋轉(zhuǎn)，旋輪沿芯模移動，在旋輪的壓力下，利用金屬的可塑性，逐點將金屬件加工成所需要的空心回轉(zhuǎn)體制件。１．３旋壓的分類針對不同毛坯件的變形特點，旋壓一般可以分為普通旋壓和強力旋壓兩種。在旋壓過程中，改變毛坯的形狀而根本不改變其壁厚者稱為普通旋壓；既改變毛坯件的形狀又改變壁厚者稱為強力旋壓。普通旋壓的根本方式主要有拉深旋壓〔拉旋〕、縮徑旋壓〔縮旋〕和擴徑旋壓〔擴旋〕３種。強力旋壓的根本方式主要有剪切旋壓和筒形變薄旋壓２種。按形狀分類，旋壓件可分為錐形件〔見圖１〔ａ〕〕、筒形件〔見圖１〔ｂ〕〕、曲母線形件〔見圖１〔ｃ〕〕、復(fù)合形件〔見圖１〔ｄ〕〕［２］。圖１按形狀分類的旋壓件１．４旋壓的優(yōu)缺點旋壓的優(yōu)點如下：〔１〕加工范圍廣。根據(jù)旋壓機的能力可以制作大直徑薄壁管材、變斷面管材、球形、橢圓形、半球形以及帶有階梯和變化壁厚的幾乎所有回轉(zhuǎn)體制件。〔２〕材料利用率高，生產(chǎn)本錢低?！玻场持破沸阅茱@著提高。旋壓之后材料的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能均發(fā)生變化，抗拉強度、屈服強度和硬度都有提高?！玻础持破吠獗泶植诙鹊?，尺寸公差小。旋壓加工制品的外表粗糙度為３．２～１．６μｍ?！玻怠辰饘傩龎号c板材沖壓相比擬，金屬旋壓能大大簡化工藝所使用的設(shè)備，一些需要