旋壓技術(shù)特點(diǎn)及其發(fā)展

孫 松，陳 慶，楊純梅，張玉春

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

1 旋壓技術(shù)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，隨著我國(guó)制造業(yè)水平的提高以及航空航天和國(guó)防軍工方面的迫切需求，我國(guó)的旋壓設(shè)備及旋壓技術(shù)得到飛速發(fā)展，旋壓設(shè)備的機(jī)械化、自動(dòng)化水平及加工精度越來(lái)越高[1]。目前，旋壓已成為精密塑性成形的主要方法，特別是在加工各種復(fù)雜薄壁零件時(shí)的優(yōu)勢(shì)明顯。基于旋壓技術(shù)高效的多道次復(fù)合旋壓的工藝特點(diǎn)，該技術(shù)解決了不少其他加工技術(shù)難以解決的加工難題[2-6]。

旋壓是一種比較先進(jìn)的塑性加工方法，它綜合了鍛造、擠壓、軋制、拉伸、彎曲、平整等工藝特點(diǎn)，是回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件塑性成形的主要加工方式。旋壓成形時(shí)，旋輪與坯料呈點(diǎn)接觸狀態(tài)，強(qiáng)度大、復(fù)雜、難變形的金屬也能輕松成形，極大地降低了設(shè)備功率和能耗[2]。旋壓技術(shù)具有工序簡(jiǎn)單、產(chǎn)品尺寸精度高、材料利用率高、無(wú)屑、易操作、易組裝等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、軍工和民用產(chǎn)品等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1，7]。為了充分發(fā)揮旋壓技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本文基于旋壓工藝的歷史發(fā)展與研究現(xiàn)狀，對(duì)比分析了旋壓工藝與鍛造、擠壓、軋制等工藝的優(yōu)劣勢(shì)，并指出旋壓工藝當(dāng)前亟待深入研究的問(wèn)題，以期為旋壓工藝的充分應(yīng)用及進(jìn)一步研究提供參考。

1.1 旋壓工藝及分類(lèi)

旋壓是將金屬板形或筒形坯料用頂桿固定于旋壓機(jī)模具尾部，并與主軸共同轉(zhuǎn)動(dòng)，然后，讓旋輪從端頭開(kāi)始擠壓坯料，使坯料逐點(diǎn)連續(xù)發(fā)生塑性變形，最終全部成形為空心零件的一種加工工藝，如圖1所示。

圖1 旋壓工藝

旋壓工藝種類(lèi)較多，按照坯料塑性變形程度分為強(qiáng)力旋壓和普通旋壓；按照旋輪數(shù)量分為單旋輪、雙旋輪和三旋輪旋壓；按照金屬流向分為正向和反向選壓；按照旋壓零件的形狀可分為對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)旋壓等[8]。強(qiáng)力旋壓使坯料的形狀及厚度均發(fā)生了明顯的改變，是比較成熟和普遍的旋壓技術(shù)。強(qiáng)力旋壓可分為筒形及錐形方式旋壓，錐形方式旋壓不僅能加工等壁厚、變壁厚的錐形零件，而且可以加工半球形的零件[9]。

1.2 變形機(jī)理

旋壓技術(shù)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在坯料的加工方式及組織變形機(jī)理上。旋壓是通過(guò)旋輪沿徑向逐點(diǎn)多道次對(duì)坯料進(jìn)行加工變形，單位變形區(qū)域非常小，變形效果較均勻。強(qiáng)力旋壓時(shí)，坯料主要受到旋輪的剪切應(yīng)力、流向應(yīng)力及摩擦力作用，晶粒沿著切向和流向即金屬變形方向產(chǎn)生大量滑移。由于旋輪沿徑向逐點(diǎn)多道次進(jìn)給的特點(diǎn)，組織變形產(chǎn)生大量的位錯(cuò)進(jìn)行滑移和攀移運(yùn)動(dòng)，滑移面之間則進(jìn)行交互纏繞，從而有效地提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和硬度極限等。

1.3 歷史與現(xiàn)狀

旋壓技術(shù)的雛形起源于我國(guó)，后傳入歐洲等國(guó)。但我國(guó)旋壓技術(shù)的發(fā)展速度相對(duì)國(guó)外的慢。近年來(lái)，美國(guó)、德國(guó)、西班牙、俄羅斯、意大利等的旋壓水平已領(lǐng)先于世界，其旋壓設(shè)備精度好、種類(lèi)齊全、易操作，產(chǎn)品尺寸精度好、組織性能穩(wěn)定、表面質(zhì)量高[10]。

我國(guó)自主研發(fā)旋壓設(shè)備始于上世紀(jì)60年代，由于受到復(fù)雜的國(guó)際環(huán)境及國(guó)內(nèi)工業(yè)技術(shù)水平的限制，發(fā)展一直很緩慢。近20年來(lái)，由于對(duì)國(guó)外先進(jìn)旋壓設(shè)備和技術(shù)的引進(jìn)，以及國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者不斷深入的研究，我國(guó)在旋壓方面取得了很大的進(jìn)步。目前，我國(guó)已基本具備生產(chǎn)高質(zhì)量旋壓機(jī)的能力和旋壓技術(shù)，但距國(guó)外先進(jìn)水平尚有小量差距[11]。

2 旋壓技術(shù)的先進(jìn)性

2.1 基礎(chǔ)特點(diǎn)

除鍛造、擠壓、軋制、拉拔、拉伸、沖壓、彎曲等常見(jiàn)的金屬塑性成形工藝外，旋壓、帶楔軋制、輥式鍛造、擺輾等金屬局部成形工藝的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。相比于其它塑性加工技術(shù)，旋壓設(shè)備靈活、方便、易組裝和操作簡(jiǎn)單；旋壓產(chǎn)品的尺寸精度高、表面粗糙度低；旋壓工序簡(jiǎn)單、成本低、材料利用率高、加工過(guò)程不產(chǎn)生鋁屑[11，12]。

旋壓技術(shù)的局限性是只適用于回轉(zhuǎn)體類(lèi)型零件的加工，易產(chǎn)生起皺、裂紋、局部拉裂、鼓包、粘結(jié)及波紋等缺陷，且在大型復(fù)雜薄壁帶筋殼體成形時(shí)易在筋部出現(xiàn)缺陷，生產(chǎn)變形簡(jiǎn)單、生產(chǎn)量大的零件的效率不如整體形變技術(shù)的高[13，14]。但這些不足可通過(guò)工藝的優(yōu)化而得到有效的改善。

2.2 坯料的多樣性

旋壓坯料的種類(lèi)及加工方式具有多樣性。幾乎所有的金屬均能進(jìn)行不同程度的旋壓加工，例如，旋壓坯料可以用優(yōu)質(zhì)鋼、碳素鋼、不銹鋼、耐熱合金、難容金屬、稀有金屬、有色金屬及其合金等等，但是在熱塑性較好的材料中應(yīng)用更為廣泛。旋壓坯料的加工方式可選擇空心擠壓、沖壓、鑄型、焊接、鍛造及軋制，所加工的工件可經(jīng)機(jī)加工處理后使用或直接使用。

2.3 應(yīng)用的廣泛性

旋壓等局部成形技術(shù)是比較先進(jìn)的塑性成形技術(shù)，近年來(lái)，旋壓工件使用范圍越來(lái)越廣泛，某些高質(zhì)量的重點(diǎn)旋壓產(chǎn)品幾乎供不應(yīng)求。旋壓產(chǎn)品常被用于飛機(jī)的頭罩及油箱罩、導(dǎo)彈的殼體及鼻錐、魚(yú)雷外殼、炮管、雷達(dá)屏以及各種管材、汽車(chē)車(chē)輪等等，其應(yīng)用涉及到國(guó)防軍工及民用工業(yè)的方方面面。國(guó)內(nèi)目前的旋壓技術(shù)水平已完全能滿足輕工業(yè)及民用工業(yè)、農(nóng)業(yè)等技術(shù)要求不高的領(lǐng)域中的需求，但對(duì)于航空航天及國(guó)防軍工等高標(biāo)準(zhǔn)要求領(lǐng)域的需求還不能完全滿足[7，15，16]。

2.4 組織與性能

圖2 是旋壓及其它成形工藝示意圖。圖2（a）中所示的旋壓變形接近于點(diǎn)變形，其晶粒的細(xì)化、組織的均勻性及強(qiáng)塑性等在理論上比整體變形工藝的要好。組織變形是點(diǎn)微區(qū)變形的疊加效果，點(diǎn)微區(qū)主要受到壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力及摩擦力的作用，在微區(qū)組織內(nèi)發(fā)生晶界滑移、晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)及位錯(cuò)堆積，整個(gè)旋壓零件的變形較均勻。均勻變形使組織中的晶粒均勻細(xì)化，產(chǎn)生較好的加工硬化效果，使旋壓產(chǎn)品的強(qiáng)塑性等得到較大提高。

圖2（b）～（d）均屬于整體變形工藝，其最主要的特點(diǎn)是局部變形量不均勻，變形組織及產(chǎn)品性能具有明顯的方向性差異。圖2（b）是擠壓成形示意圖。擠壓是利用擠壓軸對(duì)擠壓筒內(nèi)鑄錠的一端施加作用力，使金屬?gòu)哪？琢鞒龅倪^(guò)程。擠壓的成形性好，擠壓產(chǎn)品具有形式多樣等的特點(diǎn)，但在擠壓過(guò)程中金屬流動(dòng)的方向性較明顯，產(chǎn)品的組織及性能在擠壓方向及徑向上存在較大差異。鑄錠與擠壓針、擠壓筒及模具之間的摩擦力會(huì)影響產(chǎn)品在徑向及周向上的組織和性能，擠壓產(chǎn)品的擠壓前端和后端的質(zhì)量也存在微量差異。擠壓產(chǎn)品常見(jiàn)缺陷有：擦劃傷、粘傷、波浪、氣泡、粗糙、擠壓痕及粗晶環(huán)等。

圖2（c）是鍛造成形示意圖。鍛造是通過(guò)鍛錘或鍛壓機(jī)使鍛坯隨模具或自由壓縮變形的過(guò)程。鍛造可以有效細(xì)化晶粒尺寸和改善第二相的分布，但在鍛造過(guò)程中金屬流動(dòng)的方向性較明顯。在自由鍛造過(guò)程中，坯料芯部與表面及壓縮方向上的組織變形差異非常明顯；在模鍛過(guò)程中，金屬隨模腔流動(dòng)，與垂直于金屬流動(dòng)方向的組織變形差異大。鍛坯和模具的形狀是決定金屬流動(dòng)的主要因素，且不同的著力面也會(huì)影響鍛件組織及晶粒的均勻性。鍛件常見(jiàn)缺陷有：穿流、折疊、裂紋、龜裂、填充不足或缺料、錯(cuò)位、冷硬、晶粒粗大及晶粒不均勻等。

圖2（d）是軋制成形示意圖。軋制是將坯料多次滾入兩個(gè)相反旋轉(zhuǎn)的軋輥預(yù)留的間隙中，使坯料厚度減薄而長(zhǎng)度或?qū)挾仍黾拥倪^(guò)程。軋制可以有效細(xì)化晶粒尺寸和減小坯料厚度，最薄可壓延至雙零箔。但在軋制過(guò)程中坯料的變形不均勻，沿厚度方向，軋制力的大小隨厚度變化，接觸軋輥的坯料表面承受較大的軋制力，其變形程度大，組織細(xì)化效果好，且表面摩擦力會(huì)影響表層金屬的流動(dòng)性，進(jìn)而牽制內(nèi)部金屬的流動(dòng)；而芯部則相反，粗晶較明顯；沿長(zhǎng)度方向，長(zhǎng)條針狀組織較明顯。軋制零件常見(jiàn)缺陷有：表面夾雜、表面氣泡、輥印、壓印、金屬或非金屬壓入、折皺、結(jié)疤、耳子、裂變及塔形等。

圖2 旋壓、擠壓、鍛造及軋制成形的示意圖

3 旋壓技術(shù)的研究和發(fā)展方向

隨著國(guó)家工業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)防軍工領(lǐng)域?qū)π龎寒a(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越嚴(yán)，原因在于難變形材料的復(fù)雜薄壁殼體是航空、航天、核工業(yè)和武器等國(guó)防軍工領(lǐng)域中常用的關(guān)鍵零件，且其服役環(huán)境非常惡劣[3]。因此，加快對(duì)旋壓設(shè)備及旋壓技術(shù)的研究是適應(yīng)國(guó)防軍工領(lǐng)域追求構(gòu)件的輕量化、高性能、可靠性發(fā)展的主要方向。著重從以下幾個(gè)方面研究將有助于旋壓技術(shù)的發(fā)展和旋壓產(chǎn)品的應(yīng)用推廣。

（1）增加工藝參數(shù)合理配合方面的實(shí)驗(yàn)研究。旋壓是多因素耦合作用下比較復(fù)雜的連續(xù)塑性成形的過(guò)程。旋壓件的尺寸精度、成形效果、組織及性能等質(zhì)量因素不僅與旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡、旋壓速度、減薄率、進(jìn)給速度、進(jìn)給量、旋壓溫度、旋輪與芯模的間隙和旋輪角度等工藝參數(shù)關(guān)系密切，而且受坯料變形抗力、回彈力和金屬流動(dòng)性等因素的影響。特別是在旋壓加工難變形材料的大型帶筋復(fù)雜薄壁殼體的多道次復(fù)合旋壓成形時(shí)，殼體易出現(xiàn)開(kāi)裂、隆起、鼓包、褶皺、翻邊以及壁厚不均等缺陷。近年來(lái)，我國(guó)的旋壓技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)水平的差距越來(lái)越小，但在難變形材料的帶筋復(fù)雜薄壁殼體工件的旋壓技術(shù)方面還存在很大差距。因此，增加工藝參數(shù)合理配合方面的實(shí)驗(yàn)研究并對(duì)成形機(jī)理的深度分析是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

（2）深化復(fù)雜工件旋壓工藝的計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)方面的研究。大型復(fù)雜薄壁殼體是多道次復(fù)合旋壓成型的過(guò)程，其旋壓工藝過(guò)程較復(fù)雜，影響旋壓件質(zhì)量的因素較多，采用有限元模擬仿真技術(shù)能夠快速有效地發(fā)現(xiàn)坯料變形過(guò)程中存在的問(wèn)題及產(chǎn)生原因。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析的結(jié)合有助于成形工藝參數(shù)的優(yōu)化、旋壓成形機(jī)理的發(fā)展，且可減少因大量試驗(yàn)研究造成的資源浪費(fèi)。因此深化復(fù)雜工件旋壓工藝的計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)方面的研究，有助于我國(guó)在制造高性能大型復(fù)雜薄壁旋壓零件方面的快速發(fā)展。

（3）加快更高精度和更加先進(jìn)旋壓機(jī)的研發(fā)。為進(jìn)一步提高旋壓設(shè)備性能，滿足航空航天快速發(fā)展對(duì)高性能旋壓件的需求，未來(lái)旋壓設(shè)備將朝著系列化、專(zhuān)業(yè)化、大型化、高精度、高靈活、多功能、多綜合、自動(dòng)化的方向發(fā)展。雖然我國(guó)在旋壓設(shè)備制造水平上已接近世界前列，但加快更高精度和更加先進(jìn)旋壓機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)，對(duì)于提升我國(guó)的國(guó)防力量和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力都很有幫助。

4 結(jié)論

旋壓技術(shù)的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在經(jīng)旋壓加工的零件經(jīng)過(guò)回復(fù)、再結(jié)晶及加工硬化等作用后材料的組織較均勻，第二相及晶粒的細(xì)化效果好，晶粒尺寸相當(dāng)，零件整體的強(qiáng)塑性得到穩(wěn)定提高。目前，國(guó)內(nèi)的旋壓設(shè)備及旋壓技術(shù)已接近世界先進(jìn)水平，但基于其在加工回轉(zhuǎn)體類(lèi)的高精尖材料中表現(xiàn)出來(lái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，我們還需投入大量的時(shí)間和精力進(jìn)一步研究旋壓設(shè)備和旋壓技術(shù)，特別是在高精尖零件旋壓工藝參數(shù)的合理配合和旋壓工藝的模擬仿真方面需進(jìn)行深入研究，以期能充分發(fā)揮出旋壓技術(shù)的先進(jìn)性，滿足航空航天及國(guó)防軍工等領(lǐng)域的更高要求。