金屬旋壓加工工藝的研究

周 吉， 程 松， 王浩林， 董瑞剛， 楊家榮

（上海電氣集團股份有限公司 中央研究院，上海200070）

旋壓成形作為一種典型的連續局部塑性成形技術，以其靜壓成形（無沖擊、振動和環境危害）、產品精度高、工藝柔性好、易于實現機械化與自動化、節約材料等諸多優點而成為精密塑性成形技術的重要發展方向，是實現薄壁回轉體零件的少無切削加工的先進制造技術［1］。到20世紀中葉以后，隨著工業的發展，旋壓工藝大規模應用于金屬板料成形領域，從而促進了該工藝的研究與發展。許多歐美國家已經生產出先進的標準化程度很高的旋壓設備，這些旋壓設備已基本定型，旋壓工藝穩定，產品多種多樣。我國旋壓技術的發展現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發展，許多旋壓產品精度和性能都已接近或達到了國外先進水平。

1 旋壓技術

1.1 旋壓的特點

金屬旋壓工藝具有節省原材料、成本低廉、設備簡單和產品質量高等優點；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、導彈、核電、宇航等有關零件的制造方面得到了很好的應用，不僅用于工業上的鍋爐封頭、壓力容器、儲油罐的生產上，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，板坯則通過尾頂壓在芯模的端部，并與芯模一起隨主軸旋轉，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，改變毛坯的形狀而基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。

普通旋壓的基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。

強力旋壓的基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 旋壓的優缺點

旋壓的優點如下：

（1）加工范圍廣。根據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體制件。

（2）材料利用率高，生產成本低。

（3）制品性能顯著提高。旋壓之后材料的組織結構與力學性能均發生變化，抗拉強度、屈服強度和硬度都有提高。

（4）制品表面粗糙度低，尺寸公差小。旋壓加工制品的表面粗糙度為3.2～1.6μm。

（5）金屬旋壓與板材沖壓相比較，金屬旋壓能大大簡化工藝所使用的設備，一些需要6～7次沖壓的制件，旋壓1次即可制造出來。

（6）在旋壓過程中，由于制品坯料近似逐點變形；因此，其中任何夾渣、裂紋、砂眼等缺陷很容易暴露出來。這樣，旋壓過程也附帶起到對制品的檢驗作用。

（7）金屬旋壓材料適用種類廣，如鋼、鋁、黃銅、白銅，并且能旋壓鈦、鉬、鎢、鉭、鈮等難變形的金屬及其合金。

旋壓的缺點如下：

（1）旋壓的坯料厚度不能太大。根據制品材質和直徑不同，厚度一般為0.1～100mm不等。

（2）金屬旋壓件生產的批量有一定限制，過多過少都不合算。以中小批量生產較為有利，大批量生產時，旋壓件成本比沖壓件貴。

2 旋壓工藝參數的選擇與計算

2.1 旋壓工藝參數的選擇

2.1.1 旋輪安裝角

芯模軸線和旋輪軸線構成的角稱為旋輪安裝角。安裝角不能過大，安裝角過大會使加工金屬流向旋輪前面，從而導致極粗糙的銼齒形表面。根據加工要求和加工軌跡路線，燈罩旋壓工藝選取了45°安裝角。

2.1.2 主軸轉速

提高轉速，可以改變零件表面的光潔度，并提高生產效率，但主軸轉速的提高也有限制。① 受主軸最高轉速和額定轉速的限制，批量生產時主軸轉速保持在額定轉速以內為宜。② 由于主軸轉速的提高會使零件表面的溫度升高，從而改變零件表面的物理特性，所以在提高主軸轉速的同時也要兼顧溫升的變化，例如鋁制品加工時，主軸轉速過高而產生的高溫會加大產品表面的粗糙度。燈罩旋壓加工中，根據主軸性能和工藝要求選擇了2 500r／min。

2.1.3 減薄率

在強力旋壓過程中，減薄率φt是變形區的一個主要工藝參數，因為它直接影響到旋壓力的大小和旋壓精度的好壞。筒形件旋壓時，減薄率取決于旋壓道次、旋輪設計和旋壓機功率等因素。筒形件一次旋壓能達到的減薄率比旋壓錐形件時要高一些。金屬減薄率中，鋁合金可達70%～75%；鋼60%～75%；鈦合金（加熱旋壓）60%～75%。許多材料在一次旋壓中減薄率φt＝30%～40%，就可以保證零件的尺寸精度要求。

式中，t0為毛坯的壁厚；tmin為零件的最小壁厚。

2.1.4 進給速度

旋輪沿芯模母線移動的進給速度是旋壓中最重要的參數。其數值的大小對旋壓過程影響很大，與零件的尺寸精度、旋壓力的大小和毛坯的減薄率都有密切關系。旋輪的進給速度過大易引起褶皺，進給速度過小會使工件壁厚減薄，在不起皺的前提下盡量選用大的旋輪進給速度。

2.2 筒形件強旋時旋壓力的計算［3］

旋壓力計算是金屬旋壓技術十分重要的部分，旋壓力計算是旋壓工藝、工裝設計、電機配置、液壓部件選擇的依據。保哥亞子列斯基提出了針對反旋筒形件的情況下旋壓力的分析計算。基本假設條件為：變形區為平面應變狀態；作用在垂直芯模軸線平面上的應力假定為不變，取其平均值；作用垂直于芯模軸線平面內切應力引起的切向力相互平衡。計算公式為

2.3 旋壓軌跡中切點計算

為了獲得良好的加工精度和表面粗糙度，在設計旋壓軌跡時，需要考慮旋輪進刀方式，切線方向進刀可以有效改善旋壓表面粗糙度。在旋壓軌跡設計中，如果采用手動編程，則需要計算進刀切點的坐標，直線與圓相切如圖2所示。

圖2 直線L與圓相切

直線與圓相切的切點坐標計算公式為

計算β時，α2為有向角。由于過已知點（x1，z1）與已知圓相切的直線實際上有兩條，必須根據實際問題來選擇是哪一條切線，這里是用α2前面“±”號的選取來決定要求的是哪一個切點［4］。

3 燈罩旋壓工藝試驗結果分析

3.1 燈罩旋壓刀路軌跡對比分析

實驗對象：燈罩旋壓試驗的毛坯為φ170mm圓形薄片，厚度1mm，材質為鋁。燈罩旋壓共采用4把不同的旋輪完成加工工序，旋壓輪完成燈罩的成型加工；尼龍輪完成燈罩的壓花；壓腳輪完成燈罩的根部壓角整形；切割刀完成燈罩多余毛坯的切除。燈罩旋壓刀路軌跡的難點以旋壓輪加工為主，由于毛坯較薄，燈罩彎曲角度大（最大處折彎達90°），很容易產生破裂、褶皺、表面缺陷等，為了形成更好的零件外形和加工精度，做了大量的旋壓刀路軌跡試驗和工藝方面的改進，下面將一些典型的試驗結果作對比分析。

3.1.1 實驗方式與條件

試驗一 圓弧進刀、快速退刀方式。刀路軌跡如圖3所示，現場加工產品如圖4所示。圓弧進刀、快速退刀方式是以圓弧形式進刀，并快速回退到起刀點，再以圓弧形式進刀，依次循環加工。經過試驗，該方式在加工過程中有明顯的振動，加工噪音較大，加工到55s時，燈罩頂部斷裂。原因分析：由于燈罩頂部呈90°直角，加工過程中軸向力過大，燈罩頂部材料受多次擠壓后變薄，導致燈罩頂部材料被拉斷，改變主軸轉速、旋輪進給速度和旋壓量以改善材料變薄情況。

圖3 試驗一刀路軌跡

圖4 試驗一現場加工產品

試驗二 3次擠壓進給方式。刀路軌跡如圖5所示，現場加工產品如圖6所示。3次擠壓進給方式是以較平滑的圓弧進刀，再以一定的角度回退擠壓，每進給一段都分3次進刀退刀。經過試驗，該方式在燈罩頂部成型較好，加工到中部拐角處噪音加大，隨后出現斷裂。原因分析：由于拐角處材料經過多道次旋拉，此處材料變的非常薄，需要改變加工軌跡控制材料的減薄率φt，并改變旋壓軌跡以切點方式進刀。

圖5 試驗二刀路軌跡

圖6 試驗二現場加工產品

試驗三 3次擠壓進給3次回退擠壓方式。刀路軌跡如圖7所示，現場加工產品如圖8所示。3次擠壓進給3次回退擠壓方式是以相切方式圓弧進刀，再以相切方式回退擠壓，每進給一段都分3次進刀和3次退刀。經過試驗，該方式在加工過程中聲音較柔和，整個燈罩成型較好，加工精度較高。

圖7 試驗三刀路軌跡

圖8 試驗三現場加工產品

3.1.2 實驗結果

經過多次試驗，實驗結果見表1，總結出燈罩旋壓刀路軌跡的規劃要遵循以下幾點：① 在保證產品質量的情況下，旋壓道次不宜過多，以1～3次為宜；② 切線方向進刀、退刀有助于提高產品精度和表面光潔度；③ 加工薄壁零件時，要充分考慮零件的減薄率，避免旋壓件斷裂；④ 在允許范圍內增加主軸轉速和進給速度，可以提高產品精度與生產效率。

3.2 旋壓件缺陷產生的原因和預防措施

生產實踐表明，旋壓件產生缺陷的原因和影響精度的因素有：毛坯材料的選擇、熱處理情況、旋輪的形狀、旋輪的進給比、壁厚減薄率、旋壓道次、潤滑條件、成形方式等。這些現象和缺陷產生的原因、預防措施見表2。

表1 燈罩旋壓工藝記錄表

表2 旋壓件缺陷產生原因和預防措施［5］

4 結 語

經過對金屬燈罩旋壓工藝的多次試驗對比分析，通過改進各項工藝參數，優化加工軌跡路線，最終得到優化的加工工藝，燈罩旋壓成品率達到99%。本文研發的加工工藝已經成功應用于生產廠燈罩旋壓加工生產中，市場前景廣闊。

［1］侯紅亮，余肖放，王耀奇.國內旋壓設備及其相關技術的發展與現狀［J］.鍛壓裝備與制造技術，2009（4）：13－15.

［2］趙云豪，張順福.旋壓件設計規范［S］.北京：機械工業出版社，2005：1－2.

［3］彭子明.強力旋壓工藝分析軟件及旋壓力和偏載力研究［D］.秦皇島：燕山大學材料加工工程系，2004：6－7.

［4］韓鴻鸞，張秀玲.數控加工技師手冊［M］.北京：機械工業出版社，2007：43－45.

［5］張 濤.旋壓成形工藝［M］.北京：化學工業出版社，2009：60－62.