金属旋压加工工艺的研究

2012-10-24王浩林董瑞刚杨家荣

上海电气技术 2012年1期

周吉，程松，王浩林，董瑞刚，杨家荣

（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海200070）

旋压成形作为一种典型的连续局部塑性成形技术，以其静压成形（无冲击、振动和环境危害）、产品精度高、工艺柔性好、易于实现机械化与自动化、节约材料等诸多优点而成为精密塑性成形技术的重要发展方向，是实现薄壁回转体零件的少无切削加工的先进制造技术［1］。到20世纪中叶以后，随着工业的发展，旋压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。许多欧美国家已经生产出先进的标准化程度很高的旋压设备，这些旋压设备已基本定型，旋压工艺稳定，产品多种多样。我国旋压技术的发展现况与国外先进水平相比还有一段差距，但近年来已取得了较大发展，许多旋压产品精度和性能都已接近或达到了国外先进水平。

1 旋压技术

1.1 旋压的特点

金属旋压工艺具有节省原材料、成本低廉、设备简单和产品质量高等优点；因此，旋压工艺在国防、化工、冶金、电子、机械等诸方面起到了越来越大的作用，特别在火箭、导弹、核电、宇航等有关零件的制造方面得到了很好的应用，不仅用于工业上的锅炉封头、压力容器、储油罐的生产上，而且还用于千家万户的水壶、锅子、餐杯、洗衣机鼓桶、灯罩等的制造之中。

1.2 旋压的原理

金属旋压工艺的原理是将被加工的金属毛坯（管坯）套在芯模上，板坯则通过尾顶压在芯模的端部，并与芯模一起随主轴旋转，旋轮沿芯模移动，在旋轮的压力下，利用金属的可塑性，逐点将金属件加工成所需要的空心回转体制件。

1.3 旋压的分类

针对不同毛坯件的变形特点，旋压一般可以分为普通旋压和强力旋压两种。在旋压过程中，改变毛坯的形状而基本不改变其壁厚者称为普通旋压；既改变毛坯件的形状又改变壁厚者称为强力旋压。

普通旋压的基本方式主要有拉深旋压（拉旋）、缩径旋压（缩旋）和扩径旋压（扩旋）3种。

强力旋压的基本方式主要有剪切旋压和筒形变薄旋压2种。

按形状分类，旋压件可分为锥形件（见图1（a））、筒形件（见图1（b））、曲母线形件（见图1（c））、复合形件（见图1（d））［2］。

图1 按形状分类的旋压件

1.4 旋压的优缺点

旋压的优点如下：

（1）加工范围广。根据旋压机的能力可以制作大直径薄壁管材、变断面管材、球形、椭圆形、半球形以及带有阶梯和变化壁厚的几乎所有回转体制件。

（2）材料利用率高，生产成本低。

（3）制品性能显著提高。旋压之后材料的组织结构与力学性能均发生变化，抗拉强度、屈服强度和硬度都有提高。

（4）制品表面粗糙度低，尺寸公差小。旋压加工制品的表面粗糙度为3.2～1.6μm。

（5）金属旋压与板材冲压相比较，金属旋压能大大简化工艺所使用的设备，一些需要6～7次冲压的制件，旋压1次即可制造出来。

（6）在旋压过程中，由于制品坯料近似逐点变形；因此，其中任何夹渣、裂纹、砂眼等缺陷很容易暴露出来。这样，旋压过程也附带起到对制品的检验作用。

（7）金属旋压材料适用种类广，如钢、铝、黄铜、白铜，并且能旋压钛、钼、钨、钽、铌等难变形的金属及其合金。

旋压的缺点如下：

（1）旋压的坯料厚度不能太大。根据制品材质和直径不同，厚度一般为0.1～100mm不等。

（2）金属旋压件生产的批量有一定限制，过多过少都不合算。以中小批量生产较为有利，大批量生产时，旋压件成本比冲压件贵。

2 旋压工艺参数的选择与计算

2.1 旋压工艺参数的选择

2.1.1 旋轮安装角

芯模轴线和旋轮轴线构成的角称为旋轮安装角。安装角不能过大，安装角过大会使加工金属流向旋轮前面，从而导致极粗糙的锉齿形表面。根据加工要求和加工轨迹路线，灯罩旋压工艺选取了45°安装角。

2.1.2 主轴转速

提高转速，可以改变零件表面的光洁度，并提高生产效率，但主轴转速的提高也有限制。① 受主轴最高转速和额定转速的限制，批量生产时主轴转速保持在额定转速以内为宜。② 由于主轴转速的提高会使零件表面的温度升高，从而改变零件表面的物理特性，所以在提高主轴转速的同时也要兼顾温升的变化，例如铝制品加工时，主轴转速过高而产生的高温会加大产品表面的粗糙度。灯罩旋压加工中，根据主轴性能和工艺要求选择了2 500r／min。

2.1.3 减薄率

在强力旋压过程中，减薄率φt是变形区的一个主要工艺参数，因为它直接影响到旋压力的大小和旋压精度的好坏。筒形件旋压时，减薄率取决于旋压道次、旋轮设计和旋压机功率等因素。筒形件一次旋压能达到的减薄率比旋压锥形件时要高一些。金属减薄率中，铝合金可达70%～75%；钢60%～75%；钛合金（加热旋压）60%～75%。许多材料在一次旋压中减薄率φt＝30%～40%，就可以保证零件的尺寸精度要求。

式中，t0为毛坯的壁厚；tmin为零件的最小壁厚。

2.1.4 进给速度

旋轮沿芯模母线移动的进给速度是旋压中最重要的参数。其数值的大小对旋压过程影响很大，与零件的尺寸精度、旋压力的大小和毛坯的减薄率都有密切关系。旋轮的进给速度过大易引起褶皱，进给速度过小会使工件壁厚减薄，在不起皱的前提下尽量选用大的旋轮进给速度。

2.2 筒形件强旋时旋压力的计算［3］

旋压力计算是金属旋压技术十分重要的部分，旋压力计算是旋压工艺、工装设计、电机配置、液压部件选择的依据。保哥亚子列斯基提出了针对反旋筒形件的情况下旋压力的分析计算。基本假设条件为：变形区为平面应变状态；作用在垂直芯模轴线平面上的应力假定为不变，取其平均值；作用垂直于芯模轴线平面内切应力引起的切向力相互平衡。计算公式为

2.3 旋压轨迹中切点计算

为了获得良好的加工精度和表面粗糙度，在设计旋压轨迹时，需要考虑旋轮进刀方式，切线方向进刀可以有效改善旋压表面粗糙度。在旋压轨迹设计中，如果采用手动编程，则需要计算进刀切点的坐标，直线与圆相切如图2所示。

图2 直线L与圆相切

直线与圆相切的切点坐标计算公式为

计算β时，α2为有向角。由于过已知点（x1，z1）与已知圆相切的直线实际上有两条，必须根据实际问题来选择是哪一条切线，这里是用α2前面“±”号的选取来决定要求的是哪一个切点［4］。

3 灯罩旋压工艺试验结果分析

3.1 灯罩旋压刀路轨迹对比分析

实验对象：灯罩旋压试验的毛坯为φ170mm圆形薄片，厚度1mm，材质为铝。灯罩旋压共采用4把不同的旋轮完成加工工序，旋压轮完成灯罩的成型加工；尼龙轮完成灯罩的压花；压脚轮完成灯罩的根部压角整形；切割刀完成灯罩多余毛坯的切除。灯罩旋压刀路轨迹的难点以旋压轮加工为主，由于毛坯较薄，灯罩弯曲角度大（最大处折弯达90°），很容易产生破裂、褶皱、表面缺陷等，为了形成更好的零件外形和加工精度，做了大量的旋压刀路轨迹试验和工艺方面的改进，下面将一些典型的试验结果作对比分析。

3.1.1 实验方式与条件

试验一圆弧进刀、快速退刀方式。刀路轨迹如图3所示，现场加工产品如图4所示。圆弧进刀、快速退刀方式是以圆弧形式进刀，并快速回退到起刀点，再以圆弧形式进刀，依次循环加工。经过试验，该方式在加工过程中有明显的振动，加工噪音较大，加工到55s时，灯罩顶部断裂。原因分析：由于灯罩顶部呈90°直角，加工过程中轴向力过大，灯罩顶部材料受多次挤压后变薄，导致灯罩顶部材料被拉断，改变主轴转速、旋轮进给速度和旋压量以改善材料变薄情况。

图3 试验一刀路轨迹

图4 试验一现场加工产品

试验二 3次挤压进给方式。刀路轨迹如图5所示，现场加工产品如图6所示。3次挤压进给方式是以较平滑的圆弧进刀，再以一定的角度回退挤压，每进给一段都分3次进刀退刀。经过试验，该方式在灯罩顶部成型较好，加工到中部拐角处噪音加大，随后出现断裂。原因分析：由于拐角处材料经过多道次旋拉，此处材料变的非常薄，需要改变加工轨迹控制材料的减薄率φt，并改变旋压轨迹以切点方式进刀。

图5 试验二刀路轨迹

图6 试验二现场加工产品

试验三 3次挤压进给3次回退挤压方式。刀路轨迹如图7所示，现场加工产品如图8所示。3次挤压进给3次回退挤压方式是以相切方式圆弧进刀，再以相切方式回退挤压，每进给一段都分3次进刀和3次退刀。经过试验，该方式在加工过程中声音较柔和，整个灯罩成型较好，加工精度较高。

图7 试验三刀路轨迹

图8 试验三现场加工产品

3.1.2 实验结果

经过多次试验，实验结果见表1，总结出灯罩旋压刀路轨迹的规划要遵循以下几点：① 在保证产品质量的情况下，旋压道次不宜过多，以1～3次为宜；② 切线方向进刀、退刀有助于提高产品精度和表面光洁度；③ 加工薄壁零件时，要充分考虑零件的减薄率，避免旋压件断裂；④ 在允许范围内增加主轴转速和进给速度，可以提高产品精度与生产效率。