旋壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀

吳磊，劉彬

（1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，裝備制造系，廣東中山528437；2.華南理工大學(xué)，機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510641）

旋壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀

吳磊1，劉彬2

（1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，裝備制造系，廣東中山528437；2.華南理工大學(xué)，機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510641）

旋壓技術(shù)作為無(wú)屑型金屬成形工藝，具有節(jié)省材料、加工設(shè)備易組裝、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用于軍用和民用工業(yè)。對(duì)旋壓工藝與其他塑性加工方法做了詳細(xì)的比較；詳述了旋壓技術(shù)的發(fā)展歷史、理論研究和仿真研究現(xiàn)狀；對(duì)旋壓技術(shù)在今后可能的發(fā)展研究方向做了建議總結(jié)。

旋壓技術(shù)；錯(cuò)距縮徑旋壓；正交試驗(yàn)

旋壓作為一種金屬壓力加工方法廣泛地用于薄壁空心回轉(zhuǎn)體零件的加工[1-2]，該加工工藝由于旋輪與管坯之間的接觸面積小，因而可以有效降低旋壓縮口成形力，大大提高縮口成形效率。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的旋壓工藝往往采用單輪旋壓，旋壓效率相對(duì)較低，因而需要采用其他方式提高旋壓效率。兩輪或多輪錯(cuò)距旋壓工藝可以在一道工序完成相當(dāng)于原來單輪旋壓的兩倍旋輪壓下量，因而旋壓效率大大提高。

1 旋壓技術(shù)與其他塑性加工方法的不同

相對(duì)于其它塑性加工方法，旋壓工藝有如下的成形優(yōu)越性：

（1）在成形過程中，旋輪對(duì)金屬毛坯是多道次逐點(diǎn)徑向進(jìn)給的，兩者之間的接觸面微乎其微，致使毛坯所受到的單位壓力高，非常適用于加工強(qiáng)度高、變形難的材料，而且，由于接觸面積小，旋輪所受到的旋壓阻力也小，小功率設(shè)備即可完成加工。

（2）在旋輪旋壓力的作用下，毛坯金屬晶粒沿著變形區(qū)的滑移面產(chǎn)生錯(cuò)位移動(dòng)。隨著毛坯變形程度的加大，晶粒的伸長(zhǎng)量也會(huì)加大，由于晶?；贫a(chǎn)生的滑移層及相鄰層之間形成的滑移面的方向與毛坯局部的變形方向基本一致，從而保證了金屬纖維的連續(xù)完整性。由于金屬晶粒的晶格產(chǎn)生了變形，因而成品件相對(duì)于原材料的硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服極限也會(huì)得到提高。

2 旋壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

2.1 旋壓技術(shù)的發(fā)展

旋壓技術(shù)作為無(wú)屑型金屬成形工藝，具有節(jié)省材料、加工設(shè)備易組裝、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用于軍用和民用工業(yè)。據(jù)文獻(xiàn)介紹[3]，旋壓工藝的雛形是我國(guó)在殷商時(shí)期就出現(xiàn)的陶瓷制坯方法，在十世紀(jì)初，我國(guó)又出現(xiàn)了金屬旋壓工藝，可以將金屬薄板制成空心件。到十三世紀(jì)，該技術(shù)開始傳入歐洲各國(guó)，18世紀(jì)中期，第一個(gè)金屬旋壓專利出現(xiàn)。剛開始的旋壓機(jī)一直采用人力或水力驅(qū)動(dòng)，使用棒形工具加工坯料，直到第一次工業(yè)革命，開始使用蒸汽動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，繼而電機(jī)的出現(xiàn)更大大提高了生產(chǎn)效率。

到二十世紀(jì)中期，旋壓技術(shù)出現(xiàn)了兩個(gè)重大突破：第一個(gè)是普通旋壓設(shè)備實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動(dòng)化。第二個(gè)突破出現(xiàn)在六十年代后期，西德Leifeld公司成功研制了使用NC或CNC數(shù)控系統(tǒng)及PNC系統(tǒng)的旋壓機(jī)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。經(jīng)過近60年的發(fā)展，國(guó)外的金屬旋壓技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，該技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于國(guó)外軍工或者民用行業(yè)。美國(guó)、德國(guó)、西班牙等都擁有世界一流的旋壓技術(shù)，這些國(guó)家的旋壓機(jī)已實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、系列化且性能穩(wěn)定、操作方便，有單輪、雙輪、三輪等多種形式。

我國(guó)從上世紀(jì)60年代開始自主研發(fā)旋壓設(shè)備，但是由于當(dāng)時(shí)的制造水平有限，機(jī)床存在穩(wěn)定性差、操作系統(tǒng)落后等問題。到80年代，我國(guó)開始引進(jìn)歐美國(guó)家制造的旋壓機(jī)，在消化和吸收的基礎(chǔ)上，我國(guó)的旋壓技術(shù)水平有了較大的提升，80年代末，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在車床的基礎(chǔ)上研制了首臺(tái)具有錄返功能旋壓設(shè)備。近年來，科研院所、高校在旋壓機(jī)研發(fā)與制造方面取得了較大進(jìn)展[4]。如廣州有色金屬研究院研制的XPD型數(shù)控旋壓機(jī)床采用雙CPU控制，用于生產(chǎn)不銹鋼真空保溫容器和汽車后視鏡支架等零件；北京航空制造工程研究所研制的1 000 kN大型立式數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)[5]。

除了系統(tǒng)性的設(shè)備開發(fā)以外，一些學(xué)者對(duì)于旋壓的加工工藝及其應(yīng)用拓展也做了研究。程秀全[4]等設(shè)計(jì)了一種三輪錯(cuò)距旋壓成形裝置，用于杯形薄壁內(nèi)嚙合齒輪的加工，該裝置可以減少加工道次，旋壓件的加工精度和生產(chǎn)效率得到顯著的提高；陳振[16]等研究了道次減薄率、進(jìn)給率對(duì)強(qiáng)力流動(dòng)旋壓的影響，從軋制工藝學(xué)的角度分析并經(jīng)試驗(yàn)表明大臺(tái)階薄壁圓筒內(nèi)徑一致性較差時(shí)，合理地布置旋壓道次及減薄率能夠有效地提高產(chǎn)品內(nèi)徑的一致性；文獻(xiàn)[5]研究了錯(cuò)距旋壓成形工藝參數(shù)，通過正交試驗(yàn)法獲得了影響衡量成形質(zhì)量的橢圓度、直線度、壁厚偏差的因素及顯著性；文獻(xiàn)[6]以旋壓件橢圓度、直線度、壁厚偏差等為指標(biāo)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)并分析數(shù)據(jù)，利用遺傳算法獲得了筒形件錯(cuò)距旋壓成形的最佳加工工藝參數(shù)；文獻(xiàn)[7]提出了通過強(qiáng)力錯(cuò)距旋壓工藝與熱處理工藝相結(jié)合的方式制備納米/超細(xì)晶筒形件，并給出了兩種不同的加工工藝。

2.2 旋壓技術(shù)的理論研究

旋壓理論的研究工作，主要集中在以下兩個(gè)方面：

（1）由于加工過程中，旋壓容易產(chǎn)生褶皺、回彈和粗糙度等問題，因此有文獻(xiàn)針對(duì)工藝參數(shù)對(duì)旋壓成形質(zhì)量做了研究。最早在1963年，Kobayashi[8]為了預(yù)測(cè)普旋工藝褶皺失效的條件，將普通旋壓工藝與拉深工藝類比，并提出了褶皺失效與毛坯厚度及壁面旋壓角度有關(guān)，其試驗(yàn)證明了該假設(shè)；隨后，Hayama[9]等提出了不同的意見，認(rèn)為拉深工藝與剪切旋壓工藝不同，因?yàn)槔罟に嚨闹芟驊?yīng)力分布均勻而旋壓工藝只是局部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，同時(shí)提出褶皺是由于周期變化的曲率與壓縮應(yīng)變共同造成的；Xue[10]等則關(guān)注成形工件的粗糙度和回彈問題，探討了旋輪間距、旋輪進(jìn)給速度、旋輪尺寸參數(shù)等對(duì)成形質(zhì)量的影響，試驗(yàn)表明，相對(duì)于其他工藝參數(shù)，上述三者對(duì)旋輪成形精度影響最大；GE[11]等針對(duì)由于旋輪尺寸、相對(duì)位置關(guān)系等產(chǎn)生的位置干涉以及加工過程的斜干涉現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并對(duì)由此產(chǎn)生的工件壁厚凹凸不平、旋輪受力過載等情況進(jìn)行了分析，為了解決干涉所造成成形質(zhì)量問題，提出了相應(yīng)的公式來設(shè)計(jì)旋輪及位置分布；Polyblank[12]等通過激光掃描的方式精確地得到了旋壓件的外形輪廓參數(shù)，并提出了采用多道次回彈補(bǔ)償、最終成形回彈補(bǔ)償及直接回彈補(bǔ)償?shù)热N方式控制旋壓過程出現(xiàn)的回彈問題。

（2）旋壓力的預(yù)測(cè)是設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)最主要的參數(shù)。目前，大部分都是通過仿真軟件分析得到，幾乎沒有文獻(xiàn)涉及到錯(cuò)距縮徑旋壓各旋輪旋壓力的理論計(jì)算公式，僅有關(guān)于單輪旋壓的旋壓力計(jì)算公式可以參考：Avitzur[13]作為比較早期的研究人員，于1960年提出了剪切旋壓的切向旋壓力與旋輪進(jìn)給速度、旋輪圓角、毛坯成形壁面角等工藝參數(shù)有關(guān)的計(jì)算公式，認(rèn)為毛坯與旋輪接觸時(shí)只發(fā)生純剪切變形；Hayama[14]隨后提出了剪切旋壓應(yīng)考慮毛坯的彎曲與剪切變形，并給出了與試驗(yàn)相關(guān)的切向旋壓力計(jì)算公式；Chen[15]等在前人的彎曲與剪切變形理論模型的基礎(chǔ)上，提出了關(guān)于毛坯厚度、旋輪圓角、旋輪進(jìn)給速度、主軸速度的剪切旋壓三向力計(jì)算公式；針對(duì)普通旋壓的旋壓力計(jì)算，Hayama[16]在另一篇文獻(xiàn)中假設(shè)毛坯軸對(duì)稱變形，給出了三個(gè)方向的旋壓力計(jì)算公式，而摩擦系數(shù)的影響則通過試驗(yàn)對(duì)計(jì)算公式擬合修正體現(xiàn)；馬澤恩[17]將旋壓過程分為開始階段、成形階段和結(jié)束階段，并針對(duì)成形階段進(jìn)行應(yīng)力分析及接觸面積計(jì)算，給出了變薄旋壓旋壓力的計(jì)算公式；與Hayama相反，Wang[18]等提出了一種非軸對(duì)稱模型，并將旋壓過程同樣分為三個(gè)階段，據(jù)此計(jì)算出的軸向旋壓力與試驗(yàn)結(jié)果誤差在10%以內(nèi)；程慈齡[19]對(duì)錐形件及筒形件旋壓時(shí)的受力情況進(jìn)行了理論分析，利用數(shù)學(xué)解析法及上限法推導(dǎo)了旋壓力的理論公式，通過與他人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)上限法計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)曲線吻合程度高，而解析法公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相比略微偏低。

2.3 旋壓技術(shù)的仿真研究

與旋壓理論研究類似，旋壓仿真的工作亦集中在以下三個(gè)方面：

（1）工藝參數(shù)對(duì)旋壓成形質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)[20]研究了柔性旋壓成形的回彈控制，采用單一的有限元分析方法，對(duì)柔性旋壓成形-回彈過程進(jìn)行模擬，針對(duì)材質(zhì)、板厚、成形曲率半徑、下輥間距等參數(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)其回彈規(guī)律，從而得到回彈的控制方法；林新波[21]采用MARC仿真軟件，分析了旋壓工藝參數(shù)對(duì)各種旋壓缺陷的原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施；LI[22]等為了實(shí)現(xiàn)無(wú)芯模旋壓，采用貝塞爾曲線的參數(shù)化控制方法控制旋輪軌跡曲線，在LS-DYNA有限元軟件上構(gòu)建無(wú)芯模旋壓仿真的成形與回彈工藝過程。

（2）旋壓成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變研究。目前查閱到較早關(guān)于旋壓有限元分析的文獻(xiàn)發(fā)表于1994年，周照耀[23]等提出了一種平面變形力學(xué)模型應(yīng)用于筒形件強(qiáng)力旋壓，并利用程序代碼實(shí)現(xiàn)了剛塑性有限元仿真，獲得了應(yīng)變和應(yīng)變速率的分布，與網(wǎng)格試驗(yàn)的結(jié)果趨勢(shì)較為吻合；文獻(xiàn)[24]則首次利用三維彈塑性有限元計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變分布，揭示了筒形件強(qiáng)力旋壓的變形機(jī)理。隨著有限元軟件的快速發(fā)展，出現(xiàn)了專業(yè)有限元軟件和大型通用有限元軟件。近15年來，旋壓仿真大都在有限元軟件上完成，文獻(xiàn)[25]首次利用LS-DYNA軟件對(duì)薄壁筒縮徑旋壓變形進(jìn)行數(shù)值模擬，采用動(dòng)態(tài)顯式有限元程序分析了毛坯的應(yīng)變及壁厚的分布和變化過程；文獻(xiàn)[26]應(yīng)用有限元軟件DEFORM分析了縱向內(nèi)筋薄壁筒形件反向滾珠旋壓成形過程及變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。

（3）旋壓成形力與旋壓工藝參數(shù)、旋壓工件之間的關(guān)系。由于有限元仿真分析可以分析各種不同類型的旋壓過程，可相對(duì)較快地得到分析結(jié)果，旋壓力的計(jì)算都是基于旋壓仿真分析。文獻(xiàn)[27]通過編程實(shí)現(xiàn)有限元計(jì)算并建立三維剛塑性模型求得正旋時(shí)的強(qiáng)力旋壓力，并針對(duì)各工藝參數(shù)對(duì)正旋旋壓力的影響做了詳細(xì)的研究；翟福寶則開始利用專業(yè)有限元軟件研究旋壓成形力。文獻(xiàn)[28]利用MSC/MARC軟件建立筒形件錯(cuò)距旋壓三維彈塑性有限元模型并完成了錯(cuò)距旋壓工藝的三維有限元數(shù)值模擬，得出了三個(gè)旋輪的徑向旋壓力。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)當(dāng)前旋壓技術(shù)及理論研究現(xiàn)狀分析可見，強(qiáng)力旋壓技術(shù)是在普通旋壓基礎(chǔ)上發(fā)展而來，不管在理論還是實(shí)踐方面都得到了充足的發(fā)展，但是雙輪錯(cuò)距縮徑旋壓技術(shù)在理論研究及工藝方面卻有所缺失：首先，目前的縮徑旋壓力的理論計(jì)算公式幾乎沒有；其次，由于錯(cuò)距旋壓基本應(yīng)用于強(qiáng)力旋壓，在縮徑旋壓方面的應(yīng)用鮮有報(bào)道，對(duì)其成形規(guī)律進(jìn)行研究很有必要；最后，通過分析可知，將錯(cuò)距旋壓用于縮徑旋壓可以有效提高旋壓效率，但是工藝參數(shù)如何選取亟待解決。

所以針對(duì)上面三個(gè)方面的問題，未來建議研究工作應(yīng)圍繞以下四個(gè)方面展開：（1）采用微元體法，根據(jù)受力平衡方程和幾何關(guān)系，推導(dǎo)旋壓力的計(jì)算公式；（2）由于旋壓力包括徑向力、軸向力和切向力三個(gè)方向的力，通過設(shè)計(jì)測(cè)力傳感器，測(cè)定旋壓力，以期與理論計(jì)算對(duì)比；（3）利用Abaqus仿真軟件，對(duì)雙輪錯(cuò)距旋壓進(jìn)行數(shù)值模擬，并與對(duì)輪縮徑旋壓工藝進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比，同時(shí)探究工藝參數(shù)對(duì)雙輪錯(cuò)距旋壓成形質(zhì)量的影響；（4）選取合理的工藝參數(shù)及試驗(yàn)指標(biāo)，利用正交試驗(yàn)的方法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

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Research Status of Spinning Technology

WU Lei1，LIU Bin2
（1.School of Equipment Manufacturing，Zhongshan Torch Polytechnic，Zhongshan Guangdong 528437，China；2.Institute of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510641，China）

For metal forming technology，spinning technology can save material，assemble the processing equipment easily，and cost low ，which is widely used in military and civilian industry.Firstly，a comparison is made between spinning technology and other methods of plastic processing.Then it describes the development history of spinning technology，theoretical research and simulation research status.Finally，an overview on future directions to relevant researches is presented.

spinning technology；stagger neck-spinning；orthogonal test

T G 306

A

1672-545X（2016）09-0070-04

2016-06-05

吳磊（1979-），男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，副教授，主要從事CAD/CAM技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)研究。