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(tuán)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(xù)局部塑性成形技術(shù)，以其靜壓成形（無沖擊、振動(dòng)和環(huán)境危害）、產(chǎn)品精度高、工藝柔性好、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化、節(jié)約材料等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為精密塑性成形技術(shù)的重要發(fā)展方向，是實(shí)現(xiàn)薄壁回轉(zhuǎn)體零件的少無切削加工的先進(jìn)制造技術(shù)［1］。到20世紀(jì)中葉以后，隨著工業(yè)的發(fā)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(jìn)了該工藝的研究與發(fā)展。許多歐美國(guó)家已經(jīng)生產(chǎn)出先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化程度很高的旋壓設(shè)備，這些旋壓設(shè)備已基本定型，旋壓工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品多種多樣。我國(guó)旋壓技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)況與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有一段差距，但近年來已取得了較大發(fā)展，許多旋壓產(chǎn)品精度和性能都已接近或達(dá)到了國(guó)外先進(jìn)水平。

1 旋壓技術(shù)

1.1 旋壓的特點(diǎn)

金屬旋壓工藝具有節(jié)省原材料、成本低廉、設(shè)備簡(jiǎn)單和產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)；因此，旋壓工藝在國(guó)防、化工、冶金、電子、機(jī)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(chǔ)油罐的生產(chǎn)上，而且還用于千家萬戶的水壺、鍋?zhàn)?、餐杯、洗衣機(jī)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(zhuǎn)，旋輪沿芯模移動(dòng)，在旋輪的壓力下，利用金屬的可塑性，逐點(diǎn)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(duì)不同毛坯件的變形特點(diǎn)，旋壓一般可以分為普通旋壓和強(qiáng)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(qiáng)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(kuò)徑旋壓（擴(kuò)旋）3種。

強(qiáng)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(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(diǎn)

旋壓的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）加工范圍廣。根據(jù)旋壓機(jī)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)成本低。

（3）制品性能顯著提高。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(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(jiǎn)化工藝所使用的設(shè)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(diǎn)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(duì)制品的檢驗(yàn)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(diǎn)如下：

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

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

2 旋壓工藝參數(shù)的選擇與計(jì)算

2.1 旋壓工藝參數(shù)的選擇

2.1.1 旋輪安裝角

芯模軸線和旋輪軸線構(gòu)成的角稱為旋輪安裝角。安裝角不能過大，安裝角過大會(huì)使加工金屬流向旋輪前面，從而導(dǎo)致極粗糙的銼齒形表面。根據(jù)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(zhuǎn)速

提高轉(zhuǎn)速，可以改變零件表面的光潔度，并提高生產(chǎn)效率，但主軸轉(zhuǎn)速的提高也有限制。① 受主軸最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的限制，批量生產(chǎn)時(shí)主軸轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)為宜。② 由于主軸轉(zhuǎn)速的提高會(huì)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(zhuǎn)速的同時(shí)也要兼顧溫升的變化，例如鋁制品加工時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速過高而產(chǎn)生的高溫會(huì)加大產(chǎn)品表面的粗糙度。燈罩旋壓加工中，根據(jù)主軸性能和工藝要求選擇了2 500r／min。

2.1.3 減薄率

在強(qiáng)力旋壓過程中，減薄率φt是變形區(qū)的一個(gè)主要工藝參數(shù)，因?yàn)樗苯佑绊懙叫龎毫Φ拇笮『托龎壕鹊暮脡摹Ｍ残渭龎簳r(shí)，減薄率取決于旋壓道次、旋輪設(shè)計(jì)和旋壓機(jī)功率等因素。筒形件一次旋壓能達(dá)到的減薄率比旋壓錐形件時(shí)要高一些。金屬減薄率中，鋁合金可達(dá)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(jìn)給速度

旋輪沿芯模母線移動(dòng)的進(jìn)給速度是旋壓中最重要的參數(shù)。其數(shù)值的大小對(duì)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(guān)系。旋輪的進(jìn)給速度過大易引起褶皺，進(jìn)給速度過小會(huì)使工件壁厚減薄，在不起皺的前提下盡量選用大的旋輪進(jìn)給速度。

2.2 筒形件強(qiáng)旋時(shí)旋壓力的計(jì)算［3］

旋壓力計(jì)算是金屬旋壓技術(shù)十分重要的部分，旋壓力計(jì)算是旋壓工藝、工裝設(shè)計(jì)、電機(jī)配置、液壓部件選擇的依據(jù)。保哥亞子列斯基提出了針對(duì)反旋筒形件的情況下旋壓力的分析計(jì)算?；炯僭O(shè)條件為：變形區(qū)為平面應(yīng)變狀態(tài)；作用在垂直芯模軸線平面上的應(yīng)力假定為不變，取其平均值；作用垂直于芯模軸線平面內(nèi)切應(yīng)力引起的切向力相互平衡。計(jì)算公式為

2.3 旋壓軌跡中切點(diǎn)計(jì)算

為了獲得良好的加工精度和表面粗糙度，在設(shè)計(jì)旋壓軌跡時(shí)，需要考慮旋輪進(jìn)刀方式，切線方向進(jìn)刀可以有效改善旋壓表面粗糙度。在旋壓軌跡設(shè)計(jì)中，如果采用手動(dòng)編程，則需要計(jì)算進(jìn)刀切點(diǎn)的坐標(biāo)，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(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式為

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

3 燈罩旋壓工藝試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 燈罩旋壓刀路軌跡對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)象：燈罩旋壓試驗(yàn)的毛坯為φ170mm圓形薄片，厚度1mm，材質(zhì)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(diǎn)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(dá)90°），很容易產(chǎn)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(yàn)和工藝方面的改進(jìn)，下面將一些典型的試驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比分析。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)方式與條件

試驗(yàn)一 圓弧進(jìn)刀、快速退刀方式。刀路軌跡如圖3所示，現(xiàn)場(chǎng)加工產(chǎn)品如圖4所示。圓弧進(jìn)刀、快速退刀方式是以圓弧形式進(jìn)刀，并快速回退到起刀點(diǎn)，再以圓弧形式進(jìn)刀，依次循環(huán)加工。經(jīng)過試驗(yàn)，該方式在加工過程中有明顯的振動(dòng)，加工噪音較大，加工到55s時(shí)，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(dǎo)致燈罩頂部材料被拉斷，改變主軸轉(zhuǎn)速、旋輪進(jìn)給速度和旋壓量以改善材料變薄情況。

圖3 試驗(yàn)一刀路軌跡

圖4 試驗(yàn)一現(xiàn)場(chǎng)加工產(chǎn)品

試驗(yàn)二 3次擠壓進(jìn)給方式。刀路軌跡如圖5所示，現(xiàn)場(chǎng)加工產(chǎn)品如圖6所示。3次擠壓進(jìn)給方式是以較平滑的圓弧進(jìn)刀，再以一定的角度回退擠壓，每進(jìn)給一段都分3次進(jìn)刀退刀。經(jīng)過試驗(yàn)，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(xiàn)斷裂。原因分析：由于拐角處材料經(jīng)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(diǎn)方式進(jìn)刀。

圖5 試驗(yàn)二刀路軌跡

圖6 試驗(yàn)二現(xiàn)場(chǎng)加工產(chǎn)品

試驗(yàn)三 3次擠壓進(jìn)給3次回退擠壓方式。刀路軌跡如圖7所示，現(xiàn)場(chǎng)加工產(chǎn)品如圖8所示。3次擠壓進(jìn)給3次回退擠壓方式是以相切方式圓弧進(jìn)刀，再以相切方式回退擠壓，每進(jìn)給一段都分3次進(jìn)刀和3次退刀。經(jīng)過試驗(yàn)，該方式在加工過程中聲音較柔和，整個(gè)燈罩成型較好，加工精度較高。

圖7 試驗(yàn)三刀路軌跡

圖8 試驗(yàn)三現(xiàn)場(chǎng)加工產(chǎn)品

3.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過多次試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，總結(jié)出燈罩旋壓刀路軌跡的規(guī)劃要遵循以下幾點(diǎn)：① 在保證產(chǎn)品質(zhì)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(jìn)刀、退刀有助于提高產(chǎn)品精度和表面光潔度；③ 加工薄壁零件時(shí)，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(nèi)增加主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，可以提高產(chǎn)品精度與生產(chǎn)效率。

3.2 旋壓件缺陷產(chǎn)生的原因和預(yù)防措施

生產(chǎn)實(shí)踐表明，旋壓件產(chǎn)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(jìn)給比、壁厚減薄率、旋壓道次、潤(rùn)滑條件、成形方式等。這些現(xiàn)象和缺陷產(chǎn)生的原因、預(yù)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(chǎn)生原因和預(yù)防措施［5］

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過對(duì)金屬燈罩旋壓工藝的多次試驗(yàn)對(duì)比分析，通過改進(jìn)各項(xiàng)工藝參數(shù)，優(yōu)化加工軌跡路線，最終得到優(yōu)化的加工工藝，燈罩旋壓成品率達(dá)到99%。本文研發(fā)的加工工藝已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)廠燈罩旋壓加工生產(chǎn)中，市場(chǎng)前景廣闊。

［1］侯紅亮，余肖放，王耀奇.國(guó)內(nèi)旋壓設(shè)備及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009（4）：13－15.

［2］趙云豪，張順福.旋壓件設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：1－2.

［3］彭子明.強(qiáng)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(xué)材料加工工程系，2004：6－7.

［4］韓鴻鸞，張秀玲.數(shù)控加工技師手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：43－45.

［5］張 濤.旋壓成形工藝［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：60－62.