我國旋壓技術的機遇和挑戰(zhàn)

文/李繼貞·中國航空工業(yè)集團公司北京航空制造工程研究所

我國旋壓技術的機遇和挑戰(zhàn)

文/李繼貞·中國航空工業(yè)集團公司北京航空制造工程研究所

李繼貞，中航工業(yè)特級專家，中航工業(yè)基礎院首席專家。主要從事旋壓工藝和設備的研究研發(fā)。參加工作三十年來，累計研發(fā)旋壓工藝裝機件40多項，開發(fā)專用旋壓設備30余臺。獲省部級科技進步一等獎1項，二等獎4項，三等獎4項，國防科技進步獎二等獎2項，三等獎3項。

旋壓技術作為一種特種制造技術，在航空航天兵器等領域的應用越來越廣泛，但我國旋壓技術無論設備和工藝都存在大而不強的問題。我國國防事業(yè)持續(xù)的跨越式發(fā)展，為旋壓技術的發(fā)展提供了契機。

在金屬塑性成形領域，旋壓技術在航空航天、兵器中應用最廣，和國防工業(yè)結合的最為緊密，旋壓制造在軍工事業(yè)中不可或缺。制造業(yè)是國民經濟的主體，是科技創(chuàng)新的主戰(zhàn)場，是立國之本、興國之路、強國之基。當前，全球制造業(yè)發(fā)展格局和我國經濟發(fā)展環(huán)境發(fā)生了重大變化，長期以來，我國的旋壓技術和西方發(fā)達國家一直存在差距。近幾年，需求的推動，我國的旋壓工藝和設備也取得了長足的進步，“中國制造2025”全面提高我國制造業(yè)的地位，也為旋壓技術的發(fā)展提供了契機。

旋壓成形技術是我國航空航天領域的重要制造手段

旋壓技術，旋壓制造和航空航天的發(fā)展密切相關。在航空領域，發(fā)動機上一些難變形高溫高強材料回轉體零件的成形都可以用旋壓技術制造，如發(fā)動機機匣、噴管、進氣錐、進氣唇口；在飛機上，一些套筒類、拉桿類、氣瓶類零件也離不開旋壓技術，旋壓技術能夠節(jié)省材料，節(jié)省模具及工裝費用，降低制造成本和周期，旋壓后零件的強度、硬度和組織性能都得到提高。在航天領域，旋壓成形更為廣泛應用于鼻錐、艙段、發(fā)動機殼體、整流罩、中心體、收擴段、噴管等。旋壓制造能做到整體成形，對零件的一體化設計，減少零件焊縫，提高零部件的可靠性具有重要意義。由于旋壓后強度的提高，可以減少設計壁厚，降低零部件重量，大大增加飛行器射程。旋壓尤其是強力旋壓，成形精度堪比機械加工，對于某些大型薄壁筒形零件其制造精度高于機械加工，制造成本卻遠遠低于機加。對于大型薄壁回轉體零件，如直徑200～3000mm，高度從1000～4000mm，壁厚在0.3～15mm，如果做到無焊縫制造，旋壓成形是唯一的手段。

旋壓屬于回轉成形，制約工藝成敗的因素多，主要有主軸轉速、徑向軸向進給速度、旋輪軸向和徑向壓力、旋輪成形圓角半徑、旋輪和芯模間隙、乃至旋壓成形溫度、材料熱處理狀態(tài)、工序安排、工序間工藝參數的協(xié)調等，以上諸多工藝參數之一往往就決定了工藝的成敗，所以其工藝復雜性遠高于鍛造和沖壓。長期以來，旋壓工藝技術人員在軍工生產一線，兢兢業(yè)業(yè)、默默無聞地辛勤工作，條件簡陋，環(huán)境艱苦，不計名利，經常加班加點，為國防事業(yè)做出了突出貢獻，有時候，為了解決一個工藝難題徹夜難眠。對于容易出現(xiàn)的工藝問題，如失穩(wěn)、開裂、壁厚、直線度、圓度超差等問題，每一個問題處理起來都不容易，需要綜合考慮多方面因素。由于熱旋壓的發(fā)展，旋壓的材料幾乎涵蓋了所有的有色金屬和絕大部分黑色金屬，近幾年，鈦合金、高溫合金、超高強度鋼、金屬間化合物在旋壓領域也得到了廣泛應用。在特殊材料的熱旋壓領域，我國走在世界的前列，探索出了高溫高強材料的熱旋壓工藝規(guī)范，為我國的航空航天低成本可靠性制造提供了一種全新的工藝手段。

旋壓成形技術在航空、航天、兵器、核工業(yè)、船舶等領域的應用越來越廣泛，地位越來越重要。從20世紀60年代開始，旋壓制造的產品陸續(xù)裝機，到目前為止，每年有數十種新型產品裝機應用，為我國武器裝備的發(fā)展作出了突出貢獻。我國從“八五”到已經開始的“十三五”，國家通過不同的渠道，投入大量的經費，每個五年計劃都有大量的預研課題、基礎科研課題以及基金項目等支持旋壓技術和設備的研發(fā)，有關高校、各集團公司、行業(yè)團體也對旋壓技術的研發(fā)從政策、資金上提供越來越多的支持。國民經濟的快速發(fā)展使得旋壓技術在民用領域的應用也越來越廣泛、越來越重要，大批量、低成本的旋壓產品廣泛應用，推動了新產品的開發(fā)，提升了人民的生活品質。

從人員和設備上講，我國可謂是旋壓大國，從業(yè)人員數量絕對高于美國和其他歐盟國家，旋壓設備數量也多于這些國家。但是，我國旋壓人員的結構層次差異很大，旋壓設備仍以進口高端和國產低中端為主，我國的高端旋壓設備大多是進口，國產旋壓設備在生產效率、精度和可靠性等方面和世界上發(fā)達國家還有差距。設備的差距直接導致旋壓產品在總體質量方面和先進水平存在不足，在旋壓產品尺寸規(guī)格、旋壓產品精度和表面質量、特種設備旋壓、特種材料旋壓以及旋壓產品總體數量方面差距還比較大，從這方面來說我們還算不上旋壓強國。旋壓工藝和設備大都在國企央企，旋壓行業(yè)勞動強度大，工作環(huán)境艱苦甚至惡劣，各級領導對旋壓的重視程度遠遠沒有達到應有的高度，作為基層技術人員和工人，長期以來人員待遇偏低，層次地位和影響力偏弱，旋壓技術人員的積極性遠遠沒有發(fā)揮出來。以上問題限制了旋壓技術的發(fā)展，長期以來沒有得到改善。

旋壓成形技術是國防制造領域的關鍵技術。以1000kN大型立式強力旋壓機床的研制成功為標志，近年來我國的旋壓技術整體能力取得了巨大的進步，與國外差距明顯縮小，但在旋壓設備外觀工業(yè)設計、整體精度、可靠性等方面與發(fā)達國家還有差距；在旋壓工藝方面，旋壓產品的壁厚精度、直線度以及表面粗糙度等方面與先進國家相比較尚有一定距離。在民用旋壓領域，企業(yè)的管理能力、技術能力也有明顯差距，特別是近兩年制造行業(yè)整體放緩，產能過剩，低端產品價格競爭激烈。提升管理水平，改進技術裝備，降低制造成本，提高產品整體質量是民用旋壓領域面臨的迫切問題。

“中國制造2025”提升了我國制造業(yè)的總體地位，過去重設計、輕制造，重材料、輕工藝的問題有望從根本上得到解決。在我國的航空制造領域，制造技術研究院的成立標志著制造技術在航空中的地位得到了提高，此舉必將提升航空工藝及裝備人員的士氣，為航空領域工藝技術和特種裝備的跨越式發(fā)展奠定基礎。

旋壓工藝和設備面臨的主要問題

智能制造是實施“中國制造2025”的主攻方向，是落實工業(yè)化和信息化深度融合、打造制造強國的戰(zhàn)略舉措，更是我國制造業(yè)緊跟世界發(fā)展趨勢實現(xiàn)轉型升級的關鍵所在。在旋壓設備自動化、智能化的基礎上將旋壓技術引入信息化智能制造，把工藝細節(jié)和信息采集后變成大數據用于指導批量生產和新產品的研發(fā)，從而保證旋壓產品質量、提高效率、保證旋壓產品質量的穩(wěn)定性和一致性、降低廢品率是旋壓成形乃至整個壓力加工行業(yè)的必經之路。

旋壓設備自動化、智能化是旋壓成形高效率、高精度的前提。旋壓設備、旋壓工藝的高度自動化、智能化應重點考慮以下幾個方面：

多個旋壓力自適應、自平衡系統(tǒng)

旋壓設備按照旋輪數量來說分單旋輪、雙旋輪、三旋輪和多旋輪，在單旋輪旋壓過程中如何優(yōu)化徑向、軸向旋壓力；在雙旋輪、多旋輪旋壓過程中如何做到在旋壓成形過程中多個徑向旋壓力、軸向旋壓力的自適應、自調整、自平衡，最大限度地降低旋壓過程中的偏載力至關重要。這不僅僅和旋壓零件的精度有關，還和旋壓設備主軸軸承壽命、旋壓機床主軸精度有密切的關系。徑向多個旋壓力差異大，其壓下量各不相同，旋壓成形后零件的壁厚精度、直線度、圓度都受影響，產品合格率降低；徑向力不平衡還會使得旋壓芯模徑向跳動量增大，不但給旋壓產品質量帶來嚴重問題，還會導致機床主軸系統(tǒng)受到很大的傾覆力矩，給機床主軸軸承和主軸系統(tǒng)帶來問題，嚴重破壞主軸精度，降低軸承系統(tǒng)壽命。在目前的數控系統(tǒng)中二次開發(fā)控制軟件，結合壓力傳感器、位移傳感器，可以做到旋壓力的自適應自調節(jié)。在1000kN大型立式旋壓設備上的應用證明，三個旋輪徑向力誤差可以控制在±2%以內，三個軸向力可以控制在±2.5%以內。這個徑向、軸向力的控制、力差的控制可以做到實時調整，其原理就是設定某個旋輪力為基準，其他兩個旋輪的力實時跟進、實時調整，可以人工設定調整的頻率。

同步和錯距旋壓加工的智能補償控制

強力旋壓尤其是筒形件強力旋壓大量采用錯距旋壓，但在個別情況下也需要同步旋壓，甚至在一個零件的旋壓過程中需要錯距、同步旋壓交替進行。隨著軟件與計算機技術的發(fā)展，這項技術實現(xiàn)并不困難。對于整體框架結構的旋壓設備，可以將三個或者多個旋輪協(xié)調布置，讓旋輪在軸向可以小距離調整，這個工作一般可以借助液壓馬達輔以位移傳感器、光柵尺實現(xiàn)。對于分體框架結構可以利用軸向主油缸、主絲杠輔以位移傳感器和光柵尺實現(xiàn)。同步和錯距的位置誤差可以控制在0.03mm以內。

旋壓加工中斷后智能繼續(xù)控制

旋壓加工具有極大的不確定性。材料、工藝本身牽扯面廣，工藝參數多，在旋壓過程中需要人工中斷程序進行壁厚直徑的測量，設備故障和電網不穩(wěn)定也可能導致加工暫停。旋壓成形尤其是大型筒形旋壓毛坯貴重，在程序中斷后，如何在保證零件質量的前提下重新開始程序顯得非常重要。在旋輪退出乃至旋壓設備因故暫停后，旋壓工藝需要繼續(xù)進行，為了保證進刀與退刀的旋輪位置嚴格一致，需要對旋壓控制軟件進行二次開發(fā)，結合光柵尺或者位移傳感器可以將中斷程序前后定位精度控制在0.03mm以內，從而確保該零件不至于報廢，最大限度地降低或者消除接刀痕跡。

多旋輪在線自動快速更換系統(tǒng)

強力旋壓過程中在起旋、終旋以及需要收徑、擴徑的過程中經常需要不同成形圓角的旋輪，在普通旋壓過程中，翻邊、壓筋、卷邊、收口、切邊等不同工序都需要不同的旋輪甚至車刀，旋輪的自動快速更換對提高生產效率、提高旋壓產品質量、降低工人勞動強度具有非常重要的意義。旋輪的自動更換在臥式、小型、普旋設備上應用多年，但可更換旋輪的數量、可更換旋輪的品種都還不多，在大型強旋設備上旋輪的自動更換還不多見。由于旋壓力比機械加工力大的多，旋輪尺寸規(guī)格乃至重量較機械加工刀具龐大，旋輪在裝卡方式、定位方式上和普通的加工中心各種刀具的裝卡固定有原則性的差異，筆者在國外見到的強力旋壓設備更換旋輪采用的方式是轉塔式，一側最多只能更換四種不同形式的旋輪，這就限制了更換旋輪的數量。在保證定位精度的前提下，如何快速更換旋輪、可更換的旋輪數量多是旋壓設備研發(fā)人員面臨的難題。在保證精度、保證傳遞扭矩的前提下徹底改變旋輪的裝卡方式是這一議題能夠實現(xiàn)的基礎?？梢越梃b機械加工中心刀庫的形式，輔以機械臂和自動傳輸系統(tǒng)，在旋輪裝卡上可以借助旋輪圓錐定位軸、鍵以及將螺栓機械固定力改為電磁力等方式來實現(xiàn)。

在線壁厚測量與智能補償

旋壓工藝在線壁厚測量、反饋與智能補償是旋壓工藝中應著重解決的問題。在不中斷旋壓工藝程序的前提下，實時進行壁厚測量反饋并進行智能補償的優(yōu)勢巨大，不但可以提高生產效率、減少壁厚超差零件的產生，還可以整體提高零件精度。壁厚的測量有兩種方式：測量零件外徑計算壁厚和直接測量厚度。在主軸高速運轉的情況下，采用超聲或其他方式接觸或者非接觸測量旋壓零件的壁厚存在一定困難，而非接觸方式測量零件外徑存在可能性，測量出零件外徑再經過實時運算，得到零件的壁厚，反饋到控制系統(tǒng)，旋輪徑向間隙可以做微小調整，軸向進給速度和主軸轉速也可以調整，并最終達到提高壁厚精度的目的。但這種調整方式前提是旋壓后零件和模具應該是零間隙，而這在旋壓過程中很難做到，可以根據工藝情況考慮間隙補償，保證反饋的外徑數據更加真實可靠。隨著非接觸測量壁厚等手段的出現(xiàn)，相信這一問題會迎刃而解，從而給旋壓工藝智能控制技術帶來革命性的發(fā)展。

旋壓工藝有限元模擬和缺陷預測

由于旋壓成形工藝的高度復雜性，有限元建模需考慮復雜的建模條件，為了得到較為精準的計算效果，一般需要采用隱式非線性求解器、六面體單元及彈塑性材料模型進行仿真建模計算。目前常用的金屬成形仿真軟件有MARC、ABAQUS、DEFORM和SIMUFACT，雖然上述軟件可以對旋壓工藝進行一定程度的仿真模擬，但是建模的復雜性、材料模型的精準性及計算時間相對較長限制了軟件的實際工程應用。因此如何進一步降低建模的復雜性，建立能反映實際材料力學性能的材料模型及加快運算速度成為未來旋壓數值模擬技術發(fā)展的方向。可以進行仿真軟件與旋壓設備的接口開發(fā)，使得軟件可以直接讀取旋輪的運動軌跡、主軸轉速、軸向進給速度等工藝參數，從而建立閉環(huán)控制；建立更加符合實際材料的力學模型，對于傳統(tǒng)旋壓材料和航空航天專用材料，如鈦合金、鎂合金、超高強度鋼等考慮相變及組織變化對材料總體性能的影響；另外在不降低計算精準的前提下進一步提高旋壓數值模擬的計算速度。

旋壓工藝屬于回轉成形，牽扯面廣，影響成敗的工藝參數多，數值模擬不同于簡單的鍛造和沖壓。利用軟件對旋壓工藝過程中可能出現(xiàn)的問題進行預測，包括失穩(wěn)、開裂和零件直徑壁厚超差等在技術上還存在一定的誤差，在實際操作過程中這個誤差甚至較大。隨著旋壓設備的自動化程度和精度的提高，隨著計算機軟件技術的革新，相信這個誤差會不斷地減小，數值模擬對旋壓工藝的指導作用將會越來越大。

結束語

科技發(fā)展日新月異，國民經濟和國防工業(yè)對旋壓產品的需求不斷增加，旋壓設備向著自動化程度更高、精度更高、智能控制的方向發(fā)展；在旋壓工藝領域讓數值模擬技術對旋壓工藝真正起到指導作用，加大對新材料的旋壓成形研究，加大對復雜型面、大尺寸高精度旋壓工件的開發(fā)，滿足航空航天的需求是每一個旋壓從業(yè)者的責任。

“中國制造2025”從政策角度大幅度提高了我國制造業(yè)的地位，是打造我國制造強國的戰(zhàn)略舉措，更是我國制造業(yè)緊跟世界發(fā)展趨勢實現(xiàn)轉型升級的關鍵所在，也為我國旋壓技術的快速發(fā)展提供了契機。我國現(xiàn)代旋壓技術創(chuàng)立五十多年來，為國民經濟尤其是國防工業(yè)做出了突出貢獻，旋壓技術在金屬成形中的地位穩(wěn)步提升。抓住難得的發(fā)展機遇，縮短旋壓工藝技術和設備與發(fā)達國家的距離是我們旋壓領域每一個同仁的責任，為此我們要不斷創(chuàng)新，不斷探索，不斷超越。