旋压技术的研究现状

吴磊，刘彬

（1.中山火炬职业技术学院，装备制造系，广东中山528437；2.华南理工大学，机械与汽车工程学院，广东广州510641）

旋压技术的研究现状

吴磊1，刘彬2

（1.中山火炬职业技术学院，装备制造系，广东中山528437；2.华南理工大学，机械与汽车工程学院，广东广州510641）

旋压技术作为无屑型金属成形工艺，具有节省材料、加工设备易组装、加工成本低等优点，因而被广泛地应用于军用和民用工业。对旋压工艺与其他塑性加工方法做了详细的比较；详述了旋压技术的发展历史、理论研究和仿真研究现状；对旋压技术在今后可能的发展研究方向做了建议总结。

旋压技术；错距缩径旋压；正交试验

旋压作为一种金属压力加工方法广泛地用于薄壁空心回转体零件的加工[1-2]，该加工工艺由于旋轮与管坯之间的接触面积小，因而可以有效降低旋压缩口成形力，大大提高缩口成形效率。经过调研发现，当前的旋压工艺往往采用单轮旋压，旋压效率相对较低，因而需要采用其他方式提高旋压效率。两轮或多轮错距旋压工艺可以在一道工序完成相当于原来单轮旋压的两倍旋轮压下量，因而旋压效率大大提高。

1 旋压技术与其他塑性加工方法的不同

相对于其它塑性加工方法，旋压工艺有如下的成形优越性：

（1）在成形过程中，旋轮对金属毛坯是多道次逐点径向进给的，两者之间的接触面微乎其微，致使毛坯所受到的单位压力高，非常适用于加工强度高、变形难的材料，而且，由于接触面积小，旋轮所受到的旋压阻力也小，小功率设备即可完成加工。

（2）在旋轮旋压力的作用下，毛坯金属晶粒沿着变形区的滑移面产生错位移动。随着毛坯变形程度的加大，晶粒的伸长量也会加大，由于晶粒滑移而产生的滑移层及相邻层之间形成的滑移面的方向与毛坯局部的变形方向基本一致，从而保证了金属纤维的连续完整性。由于金属晶粒的晶格产生了变形，因而成品件相对于原材料的硬度、抗拉强度和屈服极限也会得到提高。

2 旋压技术的研究现状及发展

2.1 旋压技术的发展

旋压技术作为无屑型金属成形工艺，具有节省材料、加工设备易组装、加工成本低等优点，因而被广泛地应用于军用和民用工业。据文献介绍[3]，旋压工艺的雏形是我国在殷商时期就出现的陶瓷制坯方法，在十世纪初，我国又出现了金属旋压工艺，可以将金属薄板制成空心件。到十三世纪，该技术开始传入欧洲各国，18世纪中期，第一个金属旋压专利出现。刚开始的旋压机一直采用人力或水力驱动，使用棒形工具加工坯料，直到第一次工业革命，开始使用蒸汽动力驱动，继而电机的出现更大大提高了生产效率。

到二十世纪中期，旋压技术出现了两个重大突破：第一个是普通旋压设备实现了机械化、自动化。第二个突破出现在六十年代后期，西德Leifeld公司成功研制了使用NC或CNC数控系统及PNC系统的旋压机，实现了自动化。经过近60年的发展，国外的金属旋压技术已经日趋成熟，该技术已经广泛地应用于国外军工或者民用行业。美国、德国、西班牙等都拥有世界一流的旋压技术，这些国家的旋压机已实现专业化、系列化且性能稳定、操作方便，有单轮、双轮、三轮等多种形式。

我国从上世纪60年代开始自主研发旋压设备，但是由于当时的制造水平有限，机床存在稳定性差、操作系统落后等问题。到80年代，我国开始引进欧美国家制造的旋压机，在消化和吸收的基础上，我国的旋压技术水平有了较大的提升，80年代末，哈尔滨工业大学在车床的基础上研制了首台具有录返功能旋压设备。近年来，科研院所、高校在旋压机研发与制造方面取得了较大进展[4]。如广州有色金属研究院研制的XPD型数控旋压机床采用双CPU控制，用于生产不锈钢真空保温容器和汽车后视镜支架等零件；北京航空制造工程研究所研制的1 000 kN大型立式数控强力旋压机[5]。

除了系统性的设备开发以外，一些学者对于旋压的加工工艺及其应用拓展也做了研究。程秀全[4]等设计了一种三轮错距旋压成形装置，用于杯形薄壁内啮合齿轮的加工，该装置可以减少加工道次，旋压件的加工精度和生产效率得到显著的提高；陈振[16]等研究了道次减薄率、进给率对强力流动旋压的影响，从轧制工艺学的角度分析并经试验表明大台阶薄壁圆筒内径一致性较差时，合理地布置旋压道次及减薄率能够有效地提高产品内径的一致性；文献[5]研究了错距旋压成形工艺参数，通过正交试验法获得了影响衡量成形质量的椭圆度、直线度、壁厚偏差的因素及显著性；文献[6]以旋压件椭圆度、直线度、壁厚偏差等为指标，设计正交试验并分析数据，利用遗传算法获得了筒形件错距旋压成形的最佳加工工艺参数；文献[7]提出了通过强力错距旋压工艺与热处理工艺相结合的方式制备纳米/超细晶筒形件，并给出了两种不同的加工工艺。

2.2 旋压技术的理论研究

旋压理论的研究工作，主要集中在以下两个方面：

（1）由于加工过程中，旋压容易产生褶皱、回弹和粗糙度等问题，因此有文献针对工艺参数对旋压成形质量做了研究。最早在1963年，Kobayashi[8]为了预测普旋工艺褶皱失效的条件，将普通旋压工艺与拉深工艺类比，并提出了褶皱失效与毛坯厚度及壁面旋压角度有关，其试验证明了该假设；随后，Hayama[9]等提出了不同的意见，认为拉深工艺与剪切旋压工艺不同，因为拉深工艺的周向应力分布均匀而旋压工艺只是局部会产生应力应变，同时提出褶皱是由于周期变化的曲率与压缩应变共同造成的；Xue[10]等则关注成形工件的粗糙度和回弹问题，探讨了旋轮间距、旋轮进给速度、旋轮尺寸参数等对成形质量的影响，试验表明，相对于其他工艺参数，上述三者对旋轮成形精度影响最大；GE[11]等针对由于旋轮尺寸、相对位置关系等产生的位置干涉以及加工过程的斜干涉现象进行了分析，并对由此产生的工件壁厚凹凸不平、旋轮受力过载等情况进行了分析，为了解决干涉所造成成形质量问题，提出了相应的公式来设计旋轮及位置分布；Polyblank[12]等通过激光扫描的方式精确地得到了旋压件的外形轮廓参数，并提出了采用多道次回弹补偿、最终成形回弹补偿及直接回弹补偿等三种方式控制旋压过程出现的回弹问题。

（2）旋压力的预测是设计机构时最主要的参数。目前，大部分都是通过仿真软件分析得到，几乎没有文献涉及到错距缩径旋压各旋轮旋压力的理论计算公式，仅有关于单轮旋压的旋压力计算公式可以参考：Avitzur[13]作为比较早期的研究人员，于1960年提出了剪切旋压的切向旋压力与旋轮进给速度、旋轮圆角、毛坯成形壁面角等工艺参数有关的计算公式，认为毛坯与旋轮接触时只发生纯剪切变形；Hayama[14]随后提出了剪切旋压应考虑毛坯的弯曲与剪切变形，并给出了与试验相关的切向旋压力计算公式；Chen[15]等在前人的弯曲与剪切变形理论模型的基础上，提出了关于毛坯厚度、旋轮圆角、旋轮进给速度、主轴速度的剪切旋压三向力计算公式；针对普通旋压的旋压力计算，Hayama[16]在另一篇文献中假设毛坯轴对称变形，给出了三个方向的旋压力计算公式，而摩擦系数的影响则通过试验对计算公式拟合修正体现；马泽恩[17]将旋压过程分为开始阶段、成形阶段和结束阶段，并针对成形阶段进行应力分析及接触面积计算，给出了变薄旋压旋压力的计算公式；与Hayama相反，Wang[18]等提出了一种非轴对称模型，并将旋压过程同样分为三个阶段，据此计算出的轴向旋压力与试验结果误差在10%以内；程慈龄[19]对锥形件及筒形件旋压时的受力情况进行了理论分析，利用数学解析法及上限法推导了旋压力的理论公式，通过与他人的实验结果对比发现上限法计算结果与实验曲线吻合程度高，而解析法公式的计算结果与实验值相比略微偏低。

2.3 旋压技术的仿真研究

与旋压理论研究类似，旋压仿真的工作亦集中在以下三个方面：

（1）工艺参数对旋压成形质量的影响。文献[20]研究了柔性旋压成形的回弹控制，采用单一的有限元分析方法，对柔性旋压成形-回弹过程进行模拟，针对材质、板厚、成形曲率半径、下辊间距等参数进行分析，总结其回弹规律，从而得到回弹的控制方法；林新波[21]采用MARC仿真软件，分析了旋压工艺参数对各种旋压缺陷的原因，并提出了相应的改进措施；LI[22]等为了实现无芯模旋压，采用贝塞尔曲线的参数化控制方法控制旋轮轨迹曲线，在LS-DYNA有限元软件上构建无芯模旋压仿真的成形与回弹工艺过程。

（2）旋压成形过程中的应力应变研究。目前查阅到较早关于旋压有限元分析的文献发表于1994年，周照耀[23]等提出了一种平面变形力学模型应用于筒形件强力旋压，并利用程序代码实现了刚塑性有限元仿真，获得了应变和应变速率的分布，与网格试验的结果趋势较为吻合；文献[24]则首次利用三维弹塑性有限元计算应力应变分布，揭示了筒形件强力旋压的变形机理。随着有限元软件的快速发展，出现了专业有限元软件和大型通用有限元软件。近15年来，旋压仿真大都在有限元软件上完成，文献[25]首次利用LS-DYNA软件对薄壁筒缩径旋压变形进行数值模拟，采用动态显式有限元程序分析了毛坯的应变及壁厚的分布和变化过程；文献[26]应用有限元软件DEFORM分析了纵向内筋薄壁筒形件反向滚珠旋压成形过程及变形区的应力状态。

（3）旋压成形力与旋压工艺参数、旋压工件之间的关系。由于有限元仿真分析可以分析各种不同类型的旋压过程，可相对较快地得到分析结果，旋压力的计算都是基于旋压仿真分析。文献[27]通过编程实现有限元计算并建立三维刚塑性模型求得正旋时的强力旋压力，并针对各工艺参数对正旋旋压力的影响做了详细的研究；翟福宝则开始利用专业有限元软件研究旋压成形力。文献[28]利用MSC/MARC软件建立筒形件错距旋压三维弹塑性有限元模型并完成了错距旋压工艺的三维有限元数值模拟，得出了三个旋轮的径向旋压力。

3 结束语

通过对当前旋压技术及理论研究现状分析可见，强力旋压技术是在普通旋压基础上发展而来，不管在理论还是实践方面都得到了充足的发展，但是双轮错距缩径旋压技术在理论研究及工艺方面却有所缺失：首先，目前的缩径旋压力的理论计算公式几乎没有；其次，由于错距旋压基本应用于强力旋压，在缩径旋压方面的应用鲜有报道，对其成形规律进行研究很有必要；最后，通过分析可知，将错距旋压用于缩径旋压可以有效提高旋压效率，但是工艺参数如何选取亟待解决。

所以针对上面三个方面的问题，未来建议研究工作应围绕以下四个方面展开：（1）采用微元体法，根据受力平衡方程和几何关系，推导旋压力的计算公式；（2）由于旋压力包括径向力、轴向力和切向力三个方向的力，通过设计测力传感器，测定旋压力，以期与理论计算对比；（3）利用Abaqus仿真软件，对双轮错距旋压进行数值模拟，并与对轮缩径旋压工艺进行相应的对比，同时探究工艺参数对双轮错距旋压成形质量的影响；（4）选取合理的工艺参数及试验指标，利用正交试验的方法对工艺参数进行优化。

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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

吴磊（1979-），男，河南信阳人，硕士研究生，副教授，主要从事CAD/CAM技术、机械设计研究。