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当旋压成形技术和设备的应用与发展

发布时间:2021-09-10 04:39:32 阅读: 来源:滴灌带厂家

旋压成形技术和设备的应用与发展

(中国航天科技集团公司第四研究院7414厂,西安,710025)

摘要:本文阐述了金属旋压成形技术和设备的在各个主要领域的应用与发展,详细介绍了旋压工艺技术、典型旋压件的工艺技术方案、旋压设备及关键装置、典型旋压设备的应用,提出了旋压技术中值得探讨的表面粗糙度等问题,并对今后旋压技术和设备的发展进行了展望。

关键词:旋压成形技术 旋压设备

The Application and Development of Metal Spinning Technology and Equipment

Zhao Linyu Han dun Wang beiping Yang yantao

(The 7414th Factory of the Fourth Academy of CASC, Xi’an 710025, China)

Abstract:Introduce the application and development of metal spinning te1支不起眼的中性笔也是白色污染源的首恶之1chnology and equipment in all sorts of main fields, detailedly account for spinning process technology, typical spinning part’s process projects,spinning Equipment and pivotal devices, typical spinning equipment’s application, bring forward worthy discuss ible questions,such as roughness,and in expectation of the development of metal spinning technology and equipment in the future.

Keywords: Metal Spinning Technology; Metal Spinning Equipment

1 前言

旋压技术是一项具有悠久历史的传统技术,据文献记载最早起源于我国唐代,由制陶工艺发展出了金属的旋压工艺。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[]。

强力旋压是上世纪五十年代在普通旋压的基础上发展起来的,最早是在瑞典、德国被用于民间工业(例如,加工锅皿等容器)。由于旋压工艺的先进性、经济性和实用性,且该工艺具有变形力小,节约原材料等特点,在近四十年中,旋压技术得到了长足的发展,不仅在航空航天领域,而且在化工、机械、轻工等民用工业中都得到了广泛应用。目前,旋压技术已日趋成熟,已经成为金属压力加工中的一个新的领域。

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[19]。

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。

2 旋压技术

2.1 旋压技术介绍

2.1.1 旋压技术定义与分类

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,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塑性变形,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图。

根据旋压加工过程中毛坯厚度的变化情况,一般将旋压工艺分为普通旋压和强力旋压两种。

普通旋压简称普旋。传统观点认为,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。

普通旋压的基本方式有:拉深旋压(拉旋)、缩径旋压(缩旋这说明材料由韧性状态过渡到脆性状态)和扩径旋压(扩旋)等三种。

拉深旋压是指毛坯拉深过程中的旋压成型方法。如图-a示。它是由普通旋压中最主要和应用最广泛的成型方法。毛坯弯曲塑性变形是它的主要的变形方式。拉深旋压又可分为简单拉深旋压和多道次拉深旋压。

缩径旋压是指使用旋轮(或摩擦块)将回转体空心件或管状毛坯进行径向局部旋转压缩以减小其直径的成型方法。如图-b示。缩径旋压过程中,将毛坯同心地适当装夹在适当的芯模中,将需要成型的那部分从中露出外面,当主轴带动毛坯旋转后,由手工操作或自动控制旋轮,按规定的形状轨迹作往复运动,当每次改变方向时给以一定大小的横向进给,逐步地使毛坯外周缩径,得到带有喉径形状或封闭球形的零件。为了避免工件产生起皱和破裂,应根据缩径前后直径之比,将过程分为若干道次或工序进行,即旋轮要作多次往复运动,且每次之前均给以一定的进给量,有时还需更换几次芯模和进行中间热处理等。根据材料和工件尺寸,有时要在加热条件下缩旋。如有可能通过支承容器边缘以减少生产起皱的趋势,从而可增大进给并减少生产周期。

扩径旋压是利用旋压工具使空心回转体容器或管状毛坯进行局部(中部或端部)直径增大的旋压成型方法,如图-c示,这种工艺方法的限制主要是工件的材料性能,如抗拉强度、屈服极限、沿伸率、断面收缩率等。根据工件扩径程度的大小,往往分为若干道次进行。其道次数的确定原则是:使材料在扩径过程中不致产生过度的应变(应力),也就是说,在成型过程中的应力不能超过材料的抗拉强度,否则会导致破裂。如果材料有较大的加工硬化趋向,则道次数要少,且每道次扩径量尽可能大,否则由于硬化严重,需更早时进行中间热处理,否则就无法进行。

强力旋压简称为强旋。强旋工艺主要依靠坯料厚度的减薄来实现成形,坯料外径基本保持不变。在进行强力旋压时,旋轮加于坯料上的压力要比普通旋压时大得多,坯料的变形情况和普通旋压时也不大相同,在普旋过程中,坯料厚度变化不大但直径变化很大—由大变小或由小变大,而在强旋过程中,坯料直径基本保持不变,但厚度变化很大—由厚变薄。因此强力旋压又称为变薄旋压。从工艺过程分析看,强力旋压属轴向拉延,变形区材料处于二向或三向压应力状态,因而可产生较高的变形程度。根据旋压件的类型和金属变形机理的差异,强力旋压可分为锥形件强力旋压一剪切旋压(如图-a示)和筒形件强力旋压一挤出强旋(如图-b示)两种。前者用于加工锥形、抛物线形、和半球形等异形件,而后者用于筒形件件和管形件的加工。有时这两种方法联合运用,加工各种复合形零件。强力旋压工艺利用旋轮对连同芯模一起转动的管状或平板毛坯施加压力,并沿毛坯经线方向进给,使得金属沿经线方向流动,相当于金属在旋压过程中得到了轧制,从而使制件性能提高,因此,该工艺在某些生产领域内比一般的机加工更具有应用前途[19][20]。

剪切旋压指的是不改变毛坯的外径而改变其厚度,以制造圆锥等各种轴对称薄壁件的旋压方式(锥形变薄旋压)。这种成型方法的特点是旋轮受力较小,半锥角和壁厚互相影响,材料流动流畅,表面光洁和成型精度高,并且能较容易地成型拉深旋压难于成型的材料。旋压过程中遵循的理论计算公式为:。根据旋后工件实际壁厚T11与理论值T1比较分为过旋压(T11> T1)和欠旋压(T110时为“正偏离”或称“欠旋”,此时实际壁厚大于理论壁厚;当△t3 旋压设备

3.1 旋压设备的不同类型

旋压机按其运动方式、主轴方位、旋轮个数等可分为多种类型,而按其功用大致可分为强力旋压机、普旋机和专用旋压机。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。而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 旋压设备的关键装置

3.2.1 控制系统

最早的旋压机主要依靠手动控制旋轮运动轨迹,对工人的操作技术要求较高,工件一致性差,效率低。后来采用模拟电信号、PLC等控制旋压机各开关参量,使得旋压机的自动化程度大为提高,能实现批量化的生产。随着电子电力微电子等领域专业技术的飞速发展,出现了录返式控制旋压机和数字化控制旋压机,这是旋压机控制方式的较大进步,录返式旋压机只需要将工件手动旋压过程示教给旋压机控制系统,录返系统将通过“记忆”功能以同样的路径自动加工后续同种产品,实现自动批量生产的目的。目前的CNC旋压机已具有较多的辅助功能,象自动上下料、自动换旋轮、恒线速等,装机较多的控制系统是SINUMERIK 840D、FAGOR等,840D已具有6通道6主轴、每通道可实现各直线轴独立运动的功能。

3.2.2 动力系统

主轴模拟、数字变频实现无级变速及恒线速,主轴直流、交流变频电机可提供较大的扭矩。旋轮头直线轴依靠伺服电机通过高精度滚珠丝杠提供动力,用旋转编码器以半闭环控制方式确定位置,或通过直线及圆光栅尺以全闭环控制方式控制;旋轮头直线轴也可采用液压马达、液压缸以比例-伺服阀控制,以满足较大的旋压力需求。为提高生产效率,象较为先进的直线电机,电主轴等先进技术将不断的应用于旋压设备,从而为高速、超高速旋压材料塑性变形理论研究提供条件。

3.2.3 主轴箱和导轨

由于无极变速范围较小,往往增加机械齿轮变速机构来扩展主轴变速范围,其典型的传动方案是变频电机-变速箱-主轴箱,通过变速机构的调整,达到变速范围的调整,而在每个变速范围内又可实现无极变速。由于有数控系统的支持,有的旋压机也带有主轴定向旋转功能,在一些特殊的旋压中也能起到一定的作用,同时能容易的实现旋压中材料变形恒线速功能。

滑动导轨由于结构简单、使用方便等原因,目前实际应用较多,但由于存在动静摩擦突变,易导致“爬行”现象,影响了设备的稳定性。而静压导轨由于有极薄的一层油膜,其摩擦系数极小,对旋压过程中的爬行现象能起到较好的克服作用,但由于旋轮座受较大的倾转力矩,导轨较难平衡,容易导致工件几何精度变差,目前在一些大型旋压设备上有使用。滚动导轨由于受力较小、设备刚度要求较高等原因,实际应用不多。

3.2.4 旋轮座和旋轮头

旋轮座有整体式和开式结构,整体式通常是将各旋轮装在同一个框架机构上,各旋轮轴向运动采用同一信号控制、同一动力驱动,排除了同步误差,可在大旋压力状态下稳定工作。开式结构具有较高的灵活性,可实现多轮多路径同步旋压,在普旋和专用设备中较多采用开式结构,缺点是刚性较差,旋压力不能太大,旋轮头较易震动。

旋轮头根据安装旋轮个数有单轮、双轮、三轮、多轮几种,在较先进的旋压机上可实现自动换旋轮。单轮机构简单、使用灵活方便,双轮、三轮及多轮可在一道次旋压中通过错距旋压实现多次变薄,提高生产效率。

3.2.5 旋压工装

芯模在有模旋压中是不可或缺的工艺装备,主要承受旋压时的强大旋压力,对工件变形起到支撑作用,保证了工件的内壁形面,在旋轮的共同作用下迫使材料屈服变形,变形过程中受到较大的摩擦力,因此要求芯模具有较高的强度、刚度和硬度,热旋芯模还应具有较高的耐热性。材料应采用淬火硬度在HRC50~60之间的各种工具钢等。在结构上均为简单回转体,有内冷式、自动卸料式、组合分体式及较简单的整体式结构。芯模直径的确定主要应考虑工件旋压后的材料回弹及胀缩径量。

旋轮与工件外表面直接接触,承受极大的磨擦,要求旋轮具有较高的硬度(HRC55~65)、光洁度、及圆角尺寸精度。旋轮可分为圆弧式、双锥面式、台阶式等形式(图),圆弧旋轮的圆角半径rρ是影响旋压质量的重要因素,常用范围是

rρ ≈ (1~3)t0

图 旋轮形式

双锥面和台阶面旋轮有带光整段和不带光整段两种形式,双锥面旋轮结构简单、通用性大,,一般较多应用于筒形件旋压,主要成形参数为成形角αρ和圆角半径rρ,成形角一般取15°~45°,成形角过大使旋轮前材料隆起和堆积倾向增大,容易失稳拉裂,过小又容易扩径。旋轮光整段的作用是利用材料弹性回复效应来减少工件表面不平度,光整段的存在使得旋轮圆角半径得以减少,也起到了提高工件成形准确度的作用。台阶旋轮是在双锥面旋轮成形段前增加一引导段,防止材料隆起、堆积、有时也可起到预成形的作用。

靠模样板应用于无数控及仿形装置的液压设备中,在传统的液压设备中起到了极好的作用,增大了设备的旋压范围。

3.3 专用旋压设备

3.3.1 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。具有立式该资料有较高的伸长率和卧式两种结构,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(图)。

图 轮毂旋压机

3.3.2 带轮旋压机

多为立式旋压机,旋压带轮直径从40~450mm均可生产,结构有单轮、双轮及三轮形式。以前我国主要靠进口专用带轮旋压设备(立式结构),现在已基本实现了国产化,并已形成多种规格的数条全自动生产线,以提供国内上千万件的需求量。设备性能已基本达到国外先进水平,已具有刚性好、精度高、可靠性好、控制系统先进、调试方便、生产效率高、外形美观等特点。

3.3.3 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。图示为气瓶热收口旋压机。

图 气瓶热收口旋压机

3.3.4 其它专用旋压机

大型封头旋压机主要有两种形式,即“二步法”成形(压鼓+旋压翻边)旋压机,“一步法”成形(多道次普旋成形)旋压机。主要由机身、旋压辊、成形棍、顶紧、动力机构、控制系统等构成。其核心为旋压辊、成形辊的组合运动轨迹。图示为封头旋压机。

图 封头旋压机

翻、卷边旋压机通过转台的转动来加工不同形状的工件,压力轮机构是其中的关键核心技术,其运动轨迹的计算较为复杂,而旋压臂所受旋压力相对较小,但要求旋轮机构运动灵敏迅速,成形简单快捷,产品性能得到改善,提高了生产效率,降低了成本。

近年来,我国对大型封头的需求日益增多,国内封头旋压设备研制也已基本能满足国内市场发展需求,在国家政策的支持下,通过近几十年的研究改善,大型封头旋压设备已基本实现了国产化。

4 国内外旋压技术和设备的差距及各自的特点

我国旋压技术的发展状况与国外先进水平相比,无论是在产品种类、尺寸精度、设备能力和自动化程度等方面,还是在工艺理论研究方面还都有一定的差距。诸多科技工作者正在致力于该项研究工作,近20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先进水平。国内少数高等院校,如哈尔滨工业大学、北航、西工大等,以及一些有实力的研究所已在研制CNC旋压机、并进行理论探讨和开发新工艺。尤其在近几年中,我国一些工厂从国外引进了先进的数控旋压机,使我国的旋压技术日趋成熟。国内许多研究所(如北航现代技术研究所、黑龙江旋压技术研究所、长春55所等)已经研制出了较稳定可靠的多种类型的旋压机,在国内市场已有一定份额,但部分机种仍依赖于进口。

国外在旋压领域不但拥有先进的设备而且掌握了成熟系统的旋压技术。如德国LEIFELD公司的STNC三轮强力旋压机可完成各种高精度薄壁筒形件多种曲母线的旋压。美国最大400T双轮立式旋压机可对任意合金筒形件进行加工,对某些精密件收口壁厚公差可达士0. 38mm,表面粗糙度Ra3.2。日本东芝机械公司的高效率旋压机将液压仿形与数控相结合来热旋各种形状的高压气瓶。

另外,国外特别是美国、日本、德国等许多发达国家的旋压技术日臻完善,不论在设备设计与制造、理论与工艺研究、旋压技术的应用等方面都有很大的发展。我国的旋压技术始于六十年代初期,经过几十年的努力,我国在旋压技术设备和旋压工艺理论基础研究方面(如旋压过程的应力-应变有限元分析、新工艺新方法及理论的探ISRI表示还有1项正式公告将于7月公布索研究)取得了很多的进展,使得旋压技术应用日益广泛,但仍不能适应我国国民经济发展的需要,特别是在理论研究方面至今仍然是一个薄弱环节,这已成为影响我国高档设备使用效率和旋压工艺进一步推广应用的制约因素。因此,加强旋压成形技术的理论研究,建立系统的基础性资料,是我国旋压技术发展中的一项重要内容。

5 对旋压成形技术中几个问题的探讨

5.1 工件表面粗糙度问题

表面粗糙度是衡量工件表面质量的主要参数,通常指的是轮廓算术平均偏差Ra,即在取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值:

所有旋压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,通常其值被取为Ra3.2~12.3不等,这在旋压界已成惯例,但详细分析该参数项,并不能较合理地反映旋压件外表面的质量状况。如图所示。

图 旋压件表面微观粗糙度分析

a为旋压进给率为f(mm/n)时相邻旋压凹痕间的距离,h为凹痕与凹痕间的凸痕高度,在同一旋压过程中h值不变。根据粗糙度定义计算旋压件粗糙度为

根据实际假如f=1.0mm/n,即a=1mm,旋轮攻角为30°,由实际作图知h=0.042mm,那么Ra=0.042mm=42μm,即粗糙度为Ra42,这显然不合理,因此传统的粗糙度计算方法在此并不能有效地反映旋压件的表面质量状况,所以需要一个能确切的反映旋压件表面质量的专用参数。

分析工件表面纹理特征,提出旋压工件旋纹度的概念。对于旋压工件外表面粗糙度用旋纹度表示

其中5L为标准评定长度,一般L=2.5mm,1%为优化系数。用旋纹度能较为准确的表示旋压工件外表面质量状况,能将旋纹高度、宽度和疏密程度综合程度表达清楚。比如上面的例子,

即旋纹度为5.25。这是一个综合评定参数,值越大旋纹越粗糙,表面质量越差。

5.2 高速旋压

目前几乎所有可旋材料的旋压塑性变形速度都处于相对较低的状态,芯模转速一般在50~300 n/min之间、旋轮进给比率小于2mm/n,建议研制开发新型高速旋压设备,在有色金属的旋压(有模和无模)中将主轴转速调高到500n/min以上,甚至高过1000n/min的速度,对有色金属的高速旋压状态变形规律进行分析研究,为以后民用有色金属的普旋成形精度控制开辟新的研究方向。

6 旋压设备和技术展望

为了适应我国工业生产发展的需求,在设备方面应不断提高整机系统的稳定性、控制检测系统的先进性,朝着大型化、系列化、高精度、多用途、多功能和自动化方向发展,并不断开发新的旋压产品,扩展旋压技术的应用领域,开发新的旋压设备,增加设备及产业化生产线的自动化程度,工艺技术方面应不断改善产品的成形质量(如尺寸精度、形状精度、表面质量及性能等),着力开发复杂曲母线、不同心及组合型新产品,在多种材料复合旋压、以旋压为主的多种制造方法复合制造及不同材料焊后旋压变形机理理论及试验研究方面加大力度,尽快形成较为全面、系统、可靠的旋压基础理论及质量控制体系,并逐步向综合智能化旋压方向发展,将机、电、液、微电子、光、检测、传感技术、人工智能等先进技术运用于旋压技术,建立通用旋压件制造专家系统,做到能自动识别产品图纸和状态,自动设计旋压毛坯、规划制造方案,工艺过程智能化编制、自动优化调整工艺参数。

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作者介绍:赵琳瑜,男(1976~),工程师,长期从事旋压工艺及设备的应用研究与开发,专长于超高强度钢小锥度变壁厚旋压、各直径钢铝圆筒旋压、异型曲母线工件旋压、钢质轮毂旋压、铝镁合金轮毂旋压、钢质气瓶旋压、铝合金气瓶内胆旋压、钛合金旋压。(end)

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