擺動輾壓工藝及發展趨勢

王婷翌，李宣琛，呂博銘，王佳琪，林肖麗，郭良剛

(1.西北工業大學 瑪麗女王工程學院， 陜西 西安 710114；2.西北工業大學 材料學院，陜西 西安 710114；3.西安建筑科技大學 材料學院，陜西 西安 710114)

1 引言

擺動輾壓是一種成形效率高且成本低的合金盤件成形工藝，成型過程中金屬零件收到上模向下的擠壓而產生形變。因其具有沖擊力小、成型精度高等優點，該工藝受到了國內外的廣泛關注。

美國在20世紀初便開始了對該工藝的研究，是該技術最早的研究國家。英國的研究開始于20世紀20年代，是發展較早的國家之一。波蘭雖起步晚于英國，但其發展迅猛，對擺動輾壓技術的發展起了不可忽視的推動作用。日本對該技術的活躍研究時期集中在20世紀70年代左右，很大程度上改進優化了該技術。相比于其他國家，中國擺動輾壓技術起源較晚，主要興起于20世紀70年代，在此之后有不少學者致力于該工藝的研究，使得中國的相關工藝日漸成熟。

由此可見，擺動輾壓作為上世紀剛剛興起的新型塑性成形技術，發展前景廣闊，受到了國內外眾多學者的廣重視，世界各國都在積極開展相關研究。本文將著重介紹擺動輾壓工藝國內外的發展情況與未來可能的發展趨勢。

2 擺動輾壓工作原理與技術特點

擺動輾壓工藝原理如圖1所示，主體從上到下由上模、坯料與下模組成。成形期間，上模以與上模擺動軸成一定角度的上模旋轉軸(O-G)為軸線旋轉，同時自身繞上模擺動軸(O-O’)做繞軸運動，并向下按一定速度進給，進而通過對坯料進行連續局部施壓(圖2)使其產生累積塑性形變。

擺動輾壓工藝可加工外形較復雜的零件，如利用擺動輾壓技術成型的薄法蘭盤狀零件比采用普通鍛造方法成型的零件法蘭部分更薄[1]。同時該工藝具有鍛造表面光潔度高、材料經濟、設計簡單、易更換、省力等優點[2]。

現代制造要求交貨期短，生產靈活，成本效益高，擺動輾壓作為相對較新的制造工藝較符合這些要求。隨著計算技術的快速發展，三維有限元模擬已經被業界廣泛應用于預測材料流動、傳熱、成形等過程對工件、模具應力和撓度的影響的研究中。與傳統的實驗法相比，有限元數值模擬技術成本低、效率高且對模擬環境的要求低、使用較為靈活，同時還可對等效塑性形變、等效應力、材料流動等指標進行實時的監測。故現對擺動輾壓工藝的研究多采用數值模擬的形式。

圖1 擺動輾壓原理示意

圖2 擺動輾壓工藝局部變形示意

3 國內發展概述

國內關于擺動輾壓成型的研究起步較晚[3～5]，主要興起于20世紀70年代。

我國從事擺動碾壓研究最早始于上海機械制造工藝研究所引進的具有四種運動軌跡的波蘭旋壓機。1975年前后，東北重型機械學院、齊齊哈爾齒輪廠、北京工具廠、上海新華軸承廠以及上海機械制造工藝研究所等機構先后研制成功不同種類功能的擺輾機，吸取了國內外擺輾機的結構設計，成功加強了導軌與軸承的使用性能，確保了模具和機身的剛度強度。

1984年，中國兵器工業第五九研究所通過研究從波蘭引進的PXWP-100C擺輾機設計完成了6300kN 旋壓機，該擺輾機第一次實現了大型汽車同步環、大型被動螺旋錐齒輪、兵器零件及其他產品的成型， 改變了往日對加工結構大小的限制。

同年，依然在此引進旋壓機的基礎上，五九研究所胡亞民帶領的課題組在波蘭旋壓機基礎上開發生產了多種應用冷擺動旋壓技術的產品[6,7～14]，在1986年實現我國第一次應用光塑性法研究擺動輾壓成型件的金屬流動[15]，開創了我國冷擺動輾壓成型技術工程化應用的先河。

總括20世紀80年代初的發展，我國擺動輾壓技術主要側重于熱擺輾成型的應用，在以往研究的基礎上，擺輾技術被廣泛應用到具有簡單形狀的軸承、汽車半軸、空壓機閥蓋等鍛件的鍛造。其中由哈爾濱汽車齒輪廠生產的大齒輪坯即為應用HNJ-400型擺動輾壓機所獲得的，該項技術節省了大量原材料金屬，將生產率提高多于5倍多。

在冷擺動輾壓成型技術開始應用后，胡亞民、車路長等學者于1992～1993年依次研制具有枝丫端面齒輪的冷擺輾成形技術以及將其應用到摩托車扇形飛塊的相關技術[7～14]，進一步促進了冷擺動輾壓成型技術的發展。

到20世紀90年代末期，我國制造的可以實際用于生產的擺碾機有20臺左右，主要都為用于生產汽車半軸的臥式擺碾機，這種生產方法屬我國首創。此外，我國也從國外進口了約20臺擺碾機[16]。與此同時，自1992年來，胡亞民教授被聘為江蘇太平洋精密鍛造有限公司的技術顧問，參與了擺輾復合精密成形汽車車輪和新技術的開發與推廣，促使該公司取得了許多重大的技術突破。目前，該公司已實現大批量生產汽車冷、熱等多種溫度條件下的精鍛齒輪零件，因其產品質量與國外進口件相抗衡，大大減少了零件的進口，為國家節約了大量支出。

實踐加工技術的成熟推動同時模擬方法的發展，對于擺動碾壓技術的研究不再僅限于實際操作。從20世紀90年代開始，研究擺動碾壓相關規律并找尋最符合工業效率的實驗方案逐漸成為我國學者的研究重點。與此同時，中國學者也愈來愈多地將有限元模擬方法運用于擺動碾壓工藝研究當中。山東大學的王廣春等人從90年代開始，就將有限元模擬軟件用擺動碾壓研究當中，該團隊于90年代末年發表論文，討論了在運用有限元方法分析擺動碾壓過程中出現的一些問題，并開發了一個用于環形件生產工藝分析的有限元程序[17，18]。之后，該團隊一直致力于利用擺動碾壓生產環形件的研究[19]。

武漢理工大學的韓星會、華林等近10年來一直專注于擺動碾壓在汽車工程領域的應用，報道了多項研究成果。該團隊利用有限元法，研究了汽車工程領域的齒輪、鋁板等工件的擺動碾壓制造工藝，并提出了很多工藝優化和改進的方案[20～24]。相關模擬研究日漸豐富，成為研究擺動輾壓成型技術的有力技術。

4 國外發展概述

4.1 美國

美國是擺動碾壓技術最早的研究地。在20世紀初期，美國賓夕法尼亞州維斯特蒙特區Midvole&Ordnace公司的Edwin. E. Slick就制成了以他的名字命名的第一臺Slick擺碾機。Slick在其1918年發表的論文《The Slick Wheel Mill》中提到這架機器被用于加工經過加熱后的鑄塊來制造鐵路車輪，兩個鑄塊被平行地放在磨具里以與軸成10.7°的夾角旋轉[25]。1920年，E.E Slick 的《用于制造軸的方法和機器》獲得了第一個關于擺動碾壓機器的發明專利。此機器用于制造用于各種機械的等軸，包括發動機軸，船舶螺旋槳軸。這個機器由一個靜止模和一個旋轉模組成。待加工的軸被固定在靜止模上，旋轉模由液壓系統帶動向靜止模運動。事實上，任何截面為圓形且需要末端增大的軸或由金屬組成的縱向構件都可以用此機器實現制造[26]。其后的幾十年里，美國在擺動碾壓上的研究和制造基本未見發展。1980年，Bethlehem鋼鐵公司重新設計和制造了Slick擺碾機，使其可以加工的零件種類更多，模具的更換也更為簡便[27]。

從1973年開始，波蘭向美國密歇根州的VSI公司出口了一定數量的擺動碾壓機，之后美國的研究工作大部分基于波蘭機器。 VSI公司認為擺動碾壓技術適合用于薄盤狀零件，該公司用擺碾機為福特汽車公司生產汽車零件且試制了反坦克彈的藥形罩，最大厚度可達9.5 mm。1979年，密歇根大學迪爾伯恩分校的Little和Beyer利用實驗方法，成功地繪制出了擺動碾壓過程中工件材料的軸向真實應變-應力曲線，該曲線與材料軸向的真實應變-應力曲線吻合[28]。1983年，賓夕法尼亞州的Dyna East公司在美國國家科學基金的支持下制造了一臺用于生產高精度錐形件的機器，并在之后對這種機器進行了改進，加入了計算機數控系統。這臺機器之后被用于國防工業[29]。

21世紀以來，有限元模擬軟件被廣泛地運用于擺動碾壓研究。2004年，北卡羅萊納州立大學的Taylan Altan等人利用DEFORM軟件，通過將模擬數據與實驗數據相比較的方法，驗證了有限元模擬的精確性[30]。

4.2 英國

英國對于擺動碾壓技術的研究和機器制造開始于20世紀20年代，是最早研究理論和制作機器的國家之一。20世紀20年代 M.F Massey開始對擺動碾壓技術展開研究，并于1929年獲專利《improvements in forging and upsetting machines》。在此專利中上模和下模都不發生轉動，而是上模以恒定的角度繞模具的中心點做圓周擺動，且頂模的運動局限于單方向運動[31]。由于模具壽命, 生產率和經濟效益等幾方面的原因，在之后的幾十年中，擺動碾壓機器發展幾乎停滯。

直到1964年，英國B&S Massey公司才開始重新研究和發展擺動碾壓技術。1966年此公司制造了一臺公稱壓力為700kN， 能加工圓盤直徑達100mm的擺動碾壓原型機，并將其命名為“Rotaform”。B&S Massey公司與英國國家研究發展公司(NRDG)合作，在1972年成功將“Rotaform”運用于實際生產。該設備是第一臺全自動的擺碾機，其可以在1 h內生產600個鍛件。在19世紀70年代后期，B&S Massey公司停止了相關設備的研發和制造[32]。

20世紀70年代之后英國學者對于擺動碾壓的研究主要在于工藝理論方面，而對于實際的生產應用較少，這使得英國的擺碾機設計制造技術漸漸落后于其他國家。英國研究者在擺動碾壓學術領域較有建樹。1988年，曼徹斯特大學的Hawkyard J B研究分析了在擺動碾壓中模具彈性變形的問題[33]。20世紀90年代，諾丁漢大學的E. R. Leheup, J. R. Moon等針對擺動碾壓在金屬粉末成形中的應用進行了系統的研究[34,35]。

4.3 波蘭

波蘭對擺動碾壓機器的研究比英國晚，但是其發展卻十分迅速。華沙科技大學的Z. Marciniak教授解決了之前擺動碾壓機器中模具只能做繞軸的圓周運動的問題。他提出可以通過安裝一個或兩個偏心套筒來驅動上模的外殼，兩個相互獨立的套筒以不同的速度轉動以實現不同的擺動軌跡。這種模具運動方式能更好的適應塑性流動行為以加工形狀復雜的零件。4種不同的擺頭運動軌跡分別為：圓形、螺旋狀、行星狀和直線形，每種運動軌跡適應于不同形狀的工件。此種四軌跡擺動碾壓機器在1967年制造，且在1968年獲得專利[36]。基于Z. Marciniak教授的研究，華沙第一自動壓力機廠將PXWl00A型擺碾機銷往世界各地。該廠也是波蘭最主要的擺碾機生產廠家。許多國家，例如前蘇聯、日本、英國以及中國等都購買過波蘭的擺碾機。該型號機器被運用于許多工業化國家的工件制造當中并被廣泛地仿制和改進[37]。之后的幾十年中，波蘭的擺動碾壓研究主要集中在粉末及燒結材料的冷加工方面。相比于傳統鍛造工藝，擺動碾壓可以顯著提升材料的密實度。

近年來，波蘭學者對于此項技術的研究主要集中在特定條件下的成型研究、對參數的研究、理論模型的構建等，并對傳統的擺動碾壓工藝進行改進。從2008年開始，波蘭克拉科夫AGH科技大學的J. Nowak、L. Madej等人利用計算機模擬方法，對傳統的Marciniak擺碾機進行了改進。該研究團隊通過在模具與工件間加入砧以避免模具與工件的直接接觸，并以此降低了工件承受的載荷，解決了工件在加工過程中出現裂紋的問題[38,39]。波蘭盧布林工業大學的Samoyk G.針對ALMgSi、Ti6Al4V、AlCu4MgSi等合金的異形件體積旋壓成型進行了研究。他利用有限元分析軟件，在不同材料、不同坯料的條件下研究了體積旋壓成形技術的機理、應力應變狀態、前期后期材料處理工藝的影響等課題。并通過實際實驗，驗證模擬結果[40,42]。2018年，華沙科技大學的Wojciech Presz教授將擺動碾壓中利用機械的旋轉運動進行加工的原理用于金屬微成型領域，首次報道了超聲波軌道成型技術(Ultrasonic Orbital Microforming)[43]。

4.4 日本

1972年，日本名古屋國立工業研究所制造出一種轉動角度在0～10°之間的擺動碾壓機器。此機器上模無轉動和平動，下模只能在外力作用下發生平動，工件固定在下模上[44]。1973年，此類機器得到了進一步發展，上模角度控制在0～5°且噴射器由液壓控制升降[45]。這期間日本對于擺動碾壓的研究一直非常活躍，1979年，英國諾丁漢大學的P. M. Standing和E. Appleton系統地總結了日本10年間對于擺動碾壓的研究[45，46]。1983年，日本陸續制造出7種不同公稱壓力規格的擺動碾壓機器。在1980～1990年間，日本對于擺動碾壓的研究專注于實驗研究，在實驗的基礎上對普通單軸鍛造和旋轉鍛造的變形特性和工件精度等做了比較[47,48]。1993年，日本開始向國外出售生產用擺動碾壓機器，森鐵工株式會社是制造擺碾機的主要工廠，其生產的擺碾機機架剛性和穩定性較好并有著較高的生產率[49]。近10年間，日本豐田汽車公司對擺動碾壓的工藝進行了一定的研究。該公司通過在上模上增加一個中心軸，實現了在避免對模具造成傷害的情況下對一個圓柱形工件的加工成型。他們也通過改進擺動碾壓工藝解決了產品厚度不均勻的問題[50]。

5 未來發展趨勢

擺動輾壓技術目前已成為塑性成形加工技術中最重要的方法之一隨著科學技術的進步，人們對擺碾成型工藝的研究在逐漸提高，本文認為，擺碾工藝未來的發展趨勢有如下可能。

(1)應用有限元數值模擬技術對真實物理系統進行模擬。應用CAD/CAM成型軟件及Simufact等過程模擬軟件于各類工業生產實際中。此類軟件可以以極低的成本完成對擺動輾壓工藝過程的模擬，可以直接通過計算機模擬實現對成型件的各種性能的直觀對比，最終找到合適的工藝過程參數。通過改變坯料尺寸、擺角大小、上模每轉進給量、坯料初始溫度等初始參數，實現類現實的計算機模擬過程，最終通過對比測試，找到可以最大化減少材料成型難度，增加成型材料性能的工藝參數，為之后的工藝生產提供參考。

(2)發展應用于鈦合金及高溫合金等難成型件的擺輾技術。隨著我國航空航天事業的發展，對于高性能合金如鈦合金及高溫合金的應用更多。而擺輾技術對于難成型的盤狀件和軸形件有更好的成型效果。同時擺輾技術也可以提升成型后零件的強度硬度及韌性，可以更好地應用于對性能要求較高的航空航天領域。然而鈦合金及高溫合金在室溫下塑性較差，很難實現擺輾成型，試件容易產生斷裂及各種缺陷。于是為了解決這一問題，應對于改變擺輾方式及擺輾溫度等參數做一些實驗及模擬，找到難變形材料的變形規律及可成型條件。最終實現對于難變形材料成型研究的進展，將更多擺輾成型的難變形材料零件應用于航空航天。

(3)擺輾機的噸位大型化。擺輾機可以與自身噸位相差10～20倍的鍛壓機擁有同樣的鍛壓效果。而且擺輾機可以同時擁有多種擺輾曲線，實現不同零件的分曲線旋壓。從最初英國設計的70 t擺輾機到中國59研究所設計的630 t擺輾機，隨著擺輾機噸位的提升，擺輾技術的成型能力也在提升，更多大型難成型零件都可以通過大噸位擺輾機進行成型，而擺輾機噸位的大型化可以使成型零件的范圍更大，可以推動新型一體化大型零件的擺輾成型。對推動制造業的發展有重大意義。

(4)發展擺輾技術與其他成形技術的組合應用。對于一些對精度要求高且形狀復雜的大型零件，可以先使用擺輾機這樣的大噸位設備進行預成型，之后再使用精細成型技術進行切削加工及精加工。這樣可以在解決大型零件難成型的同時保證零件具有較高的精度要求和形狀復雜度要求。

6 結語

擺動輾壓作為材料塑性加工中重要的一種成形方法，因其具有省時省力、成形精度高等優點，取得了中外的廣泛關注。同時擺動輾壓技術前景較為廣闊，有極大的探索價值，所以進一步探索并優化其工藝路徑，對促進我國在該領域的創新發展有著重要的意義。