我国旋压技术的机遇和挑战

文/李继贞·中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所

我国旋压技术的机遇和挑战

文/李继贞·中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所

李继贞，中航工业特级专家，中航工业基础院首席专家。主要从事旋压工艺和设备的研究研发。参加工作三十年来，累计研发旋压工艺装机件40多项，开发专用旋压设备30余台。获省部级科技进步一等奖1项，二等奖4项，三等奖4项，国防科技进步奖二等奖2项，三等奖3项。

旋压技术作为一种特种制造技术，在航空航天兵器等领域的应用越来越广泛，但我国旋压技术无论设备和工艺都存在大而不强的问题。我国国防事业持续的跨越式发展，为旋压技术的发展提供了契机。

在金属塑性成形领域，旋压技术在航空航天、兵器中应用最广，和国防工业结合的最为紧密，旋压制造在军工事业中不可或缺。制造业是国民经济的主体，是科技创新的主战场，是立国之本、兴国之路、强国之基。当前，全球制造业发展格局和我国经济发展环境发生了重大变化，长期以来，我国的旋压技术和西方发达国家一直存在差距。近几年，需求的推动，我国的旋压工艺和设备也取得了长足的进步，“中国制造2025”全面提高我国制造业的地位，也为旋压技术的发展提供了契机。

旋压成形技术是我国航空航天领域的重要制造手段

旋压技术，旋压制造和航空航天的发展密切相关。在航空领域，发动机上一些难变形高温高强材料回转体零件的成形都可以用旋压技术制造，如发动机机匣、喷管、进气锥、进气唇口；在飞机上，一些套筒类、拉杆类、气瓶类零件也离不开旋压技术，旋压技术能够节省材料，节省模具及工装费用，降低制造成本和周期，旋压后零件的强度、硬度和组织性能都得到提高。在航天领域，旋压成形更为广泛应用于鼻锥、舱段、发动机壳体、整流罩、中心体、收扩段、喷管等。旋压制造能做到整体成形，对零件的一体化设计，减少零件焊缝，提高零部件的可靠性具有重要意义。由于旋压后强度的提高，可以减少设计壁厚，降低零部件重量，大大增加飞行器射程。旋压尤其是强力旋压，成形精度堪比机械加工，对于某些大型薄壁筒形零件其制造精度高于机械加工，制造成本却远远低于机加。对于大型薄壁回转体零件，如直径200～3000mm，高度从1000～4000mm，壁厚在0.3～15mm，如果做到无焊缝制造，旋压成形是唯一的手段。

旋压属于回转成形，制约工艺成败的因素多，主要有主轴转速、径向轴向进给速度、旋轮轴向和径向压力、旋轮成形圆角半径、旋轮和芯模间隙、乃至旋压成形温度、材料热处理状态、工序安排、工序间工艺参数的协调等，以上诸多工艺参数之一往往就决定了工艺的成败，所以其工艺复杂性远高于锻造和冲压。长期以来，旋压工艺技术人员在军工生产一线，兢兢业业、默默无闻地辛勤工作，条件简陋，环境艰苦，不计名利，经常加班加点，为国防事业做出了突出贡献，有时候，为了解决一个工艺难题彻夜难眠。对于容易出现的工艺问题，如失稳、开裂、壁厚、直线度、圆度超差等问题，每一个问题处理起来都不容易，需要综合考虑多方面因素。由于热旋压的发展，旋压的材料几乎涵盖了所有的有色金属和绝大部分黑色金属，近几年，钛合金、高温合金、超高强度钢、金属间化合物在旋压领域也得到了广泛应用。在特殊材料的热旋压领域，我国走在世界的前列，探索出了高温高强材料的热旋压工艺规范，为我国的航空航天低成本可靠性制造提供了一种全新的工艺手段。

旋压成形技术在航空、航天、兵器、核工业、船舶等领域的应用越来越广泛，地位越来越重要。从20世纪60年代开始，旋压制造的产品陆续装机，到目前为止，每年有数十种新型产品装机应用，为我国武器装备的发展作出了突出贡献。我国从“八五”到已经开始的“十三五”，国家通过不同的渠道，投入大量的经费，每个五年计划都有大量的预研课题、基础科研课题以及基金项目等支持旋压技术和设备的研发，有关高校、各集团公司、行业团体也对旋压技术的研发从政策、资金上提供越来越多的支持。国民经济的快速发展使得旋压技术在民用领域的应用也越来越广泛、越来越重要，大批量、低成本的旋压产品广泛应用，推动了新产品的开发，提升了人民的生活品质。

从人员和设备上讲，我国可谓是旋压大国，从业人员数量绝对高于美国和其他欧盟国家，旋压设备数量也多于这些国家。但是，我国旋压人员的结构层次差异很大，旋压设备仍以进口高端和国产低中端为主，我国的高端旋压设备大多是进口，国产旋压设备在生产效率、精度和可靠性等方面和世界上发达国家还有差距。设备的差距直接导致旋压产品在总体质量方面和先进水平存在不足，在旋压产品尺寸规格、旋压产品精度和表面质量、特种设备旋压、特种材料旋压以及旋压产品总体数量方面差距还比较大，从这方面来说我们还算不上旋压强国。旋压工艺和设备大都在国企央企，旋压行业劳动强度大，工作环境艰苦甚至恶劣，各级领导对旋压的重视程度远远没有达到应有的高度，作为基层技术人员和工人，长期以来人员待遇偏低，层次地位和影响力偏弱，旋压技术人员的积极性远远没有发挥出来。以上问题限制了旋压技术的发展，长期以来没有得到改善。

旋压成形技术是国防制造领域的关键技术。以1000kN大型立式强力旋压机床的研制成功为标志，近年来我国的旋压技术整体能力取得了巨大的进步，与国外差距明显缩小，但在旋压设备外观工业设计、整体精度、可靠性等方面与发达国家还有差距；在旋压工艺方面，旋压产品的壁厚精度、直线度以及表面粗糙度等方面与先进国家相比较尚有一定距离。在民用旋压领域，企业的管理能力、技术能力也有明显差距，特别是近两年制造行业整体放缓，产能过剩，低端产品价格竞争激烈。提升管理水平，改进技术装备，降低制造成本，提高产品整体质量是民用旋压领域面临的迫切问题。

“中国制造2025”提升了我国制造业的总体地位，过去重设计、轻制造，重材料、轻工艺的问题有望从根本上得到解决。在我国的航空制造领域，制造技术研究院的成立标志着制造技术在航空中的地位得到了提高，此举必将提升航空工艺及装备人员的士气，为航空领域工艺技术和特种装备的跨越式发展奠定基础。

旋压工艺和设备面临的主要问题

智能制造是实施“中国制造2025”的主攻方向，是落实工业化和信息化深度融合、打造制造强国的战略举措，更是我国制造业紧跟世界发展趋势实现转型升级的关键所在。在旋压设备自动化、智能化的基础上将旋压技术引入信息化智能制造，把工艺细节和信息采集后变成大数据用于指导批量生产和新产品的研发，从而保证旋压产品质量、提高效率、保证旋压产品质量的稳定性和一致性、降低废品率是旋压成形乃至整个压力加工行业的必经之路。

旋压设备自动化、智能化是旋压成形高效率、高精度的前提。旋压设备、旋压工艺的高度自动化、智能化应重点考虑以下几个方面：

多个旋压力自适应、自平衡系统

旋压设备按照旋轮数量来说分单旋轮、双旋轮、三旋轮和多旋轮，在单旋轮旋压过程中如何优化径向、轴向旋压力；在双旋轮、多旋轮旋压过程中如何做到在旋压成形过程中多个径向旋压力、轴向旋压力的自适应、自调整、自平衡，最大限度地降低旋压过程中的偏载力至关重要。这不仅仅和旋压零件的精度有关，还和旋压设备主轴轴承寿命、旋压机床主轴精度有密切的关系。径向多个旋压力差异大，其压下量各不相同，旋压成形后零件的壁厚精度、直线度、圆度都受影响，产品合格率降低；径向力不平衡还会使得旋压芯模径向跳动量增大，不但给旋压产品质量带来严重问题，还会导致机床主轴系统受到很大的倾覆力矩，给机床主轴轴承和主轴系统带来问题，严重破坏主轴精度，降低轴承系统寿命。在目前的数控系统中二次开发控制软件，结合压力传感器、位移传感器，可以做到旋压力的自适应自调节。在1000kN大型立式旋压设备上的应用证明，三个旋轮径向力误差可以控制在±2%以内，三个轴向力可以控制在±2.5%以内。这个径向、轴向力的控制、力差的控制可以做到实时调整，其原理就是设定某个旋轮力为基准，其他两个旋轮的力实时跟进、实时调整，可以人工设定调整的频率。

同步和错距旋压加工的智能补偿控制

强力旋压尤其是筒形件强力旋压大量采用错距旋压，但在个别情况下也需要同步旋压，甚至在一个零件的旋压过程中需要错距、同步旋压交替进行。随着软件与计算机技术的发展，这项技术实现并不困难。对于整体框架结构的旋压设备，可以将三个或者多个旋轮协调布置，让旋轮在轴向可以小距离调整，这个工作一般可以借助液压马达辅以位移传感器、光栅尺实现。对于分体框架结构可以利用轴向主油缸、主丝杠辅以位移传感器和光栅尺实现。同步和错距的位置误差可以控制在0.03mm以内。

旋压加工中断后智能继续控制

旋压加工具有极大的不确定性。材料、工艺本身牵扯面广，工艺参数多，在旋压过程中需要人工中断程序进行壁厚直径的测量，设备故障和电网不稳定也可能导致加工暂停。旋压成形尤其是大型筒形旋压毛坯贵重，在程序中断后，如何在保证零件质量的前提下重新开始程序显得非常重要。在旋轮退出乃至旋压设备因故暂停后，旋压工艺需要继续进行，为了保证进刀与退刀的旋轮位置严格一致，需要对旋压控制软件进行二次开发，结合光栅尺或者位移传感器可以将中断程序前后定位精度控制在0.03mm以内，从而确保该零件不至于报废，最大限度地降低或者消除接刀痕迹。

多旋轮在线自动快速更换系统

强力旋压过程中在起旋、终旋以及需要收径、扩径的过程中经常需要不同成形圆角的旋轮，在普通旋压过程中，翻边、压筋、卷边、收口、切边等不同工序都需要不同的旋轮甚至车刀，旋轮的自动快速更换对提高生产效率、提高旋压产品质量、降低工人劳动强度具有非常重要的意义。旋轮的自动更换在卧式、小型、普旋设备上应用多年，但可更换旋轮的数量、可更换旋轮的品种都还不多，在大型强旋设备上旋轮的自动更换还不多见。由于旋压力比机械加工力大的多，旋轮尺寸规格乃至重量较机械加工刀具庞大，旋轮在装卡方式、定位方式上和普通的加工中心各种刀具的装卡固定有原则性的差异，笔者在国外见到的强力旋压设备更换旋轮采用的方式是转塔式，一侧最多只能更换四种不同形式的旋轮，这就限制了更换旋轮的数量。在保证定位精度的前提下，如何快速更换旋轮、可更换的旋轮数量多是旋压设备研发人员面临的难题。在保证精度、保证传递扭矩的前提下彻底改变旋轮的装卡方式是这一议题能够实现的基础。可以借鉴机械加工中心刀库的形式，辅以机械臂和自动传输系统，在旋轮装卡上可以借助旋轮圆锥定位轴、键以及将螺栓机械固定力改为电磁力等方式来实现。

在线壁厚测量与智能补偿

旋压工艺在线壁厚测量、反馈与智能补偿是旋压工艺中应着重解决的问题。在不中断旋压工艺程序的前提下，实时进行壁厚测量反馈并进行智能补偿的优势巨大，不但可以提高生产效率、减少壁厚超差零件的产生，还可以整体提高零件精度。壁厚的测量有两种方式：测量零件外径计算壁厚和直接测量厚度。在主轴高速运转的情况下，采用超声或其他方式接触或者非接触测量旋压零件的壁厚存在一定困难，而非接触方式测量零件外径存在可能性，测量出零件外径再经过实时运算，得到零件的壁厚，反馈到控制系统，旋轮径向间隙可以做微小调整，轴向进给速度和主轴转速也可以调整，并最终达到提高壁厚精度的目的。但这种调整方式前提是旋压后零件和模具应该是零间隙，而这在旋压过程中很难做到，可以根据工艺情况考虑间隙补偿，保证反馈的外径数据更加真实可靠。随着非接触测量壁厚等手段的出现，相信这一问题会迎刃而解，从而给旋压工艺智能控制技术带来革命性的发展。

旋压工艺有限元模拟和缺陷预测

由于旋压成形工艺的高度复杂性，有限元建模需考虑复杂的建模条件，为了得到较为精准的计算效果，一般需要采用隐式非线性求解器、六面体单元及弹塑性材料模型进行仿真建模计算。目前常用的金属成形仿真软件有MARC、ABAQUS、DEFORM和SIMUFACT，虽然上述软件可以对旋压工艺进行一定程度的仿真模拟，但是建模的复杂性、材料模型的精准性及计算时间相对较长限制了软件的实际工程应用。因此如何进一步降低建模的复杂性，建立能反映实际材料力学性能的材料模型及加快运算速度成为未来旋压数值模拟技术发展的方向。可以进行仿真软件与旋压设备的接口开发，使得软件可以直接读取旋轮的运动轨迹、主轴转速、轴向进给速度等工艺参数，从而建立闭环控制；建立更加符合实际材料的力学模型，对于传统旋压材料和航空航天专用材料，如钛合金、镁合金、超高强度钢等考虑相变及组织变化对材料总体性能的影响；另外在不降低计算精准的前提下进一步提高旋压数值模拟的计算速度。

旋压工艺属于回转成形，牵扯面广，影响成败的工艺参数多，数值模拟不同于简单的锻造和冲压。利用软件对旋压工艺过程中可能出现的问题进行预测，包括失稳、开裂和零件直径壁厚超差等在技术上还存在一定的误差，在实际操作过程中这个误差甚至较大。随着旋压设备的自动化程度和精度的提高，随着计算机软件技术的革新，相信这个误差会不断地减小，数值模拟对旋压工艺的指导作用将会越来越大。

结束语

科技发展日新月异，国民经济和国防工业对旋压产品的需求不断增加，旋压设备向着自动化程度更高、精度更高、智能控制的方向发展；在旋压工艺领域让数值模拟技术对旋压工艺真正起到指导作用，加大对新材料的旋压成形研究，加大对复杂型面、大尺寸高精度旋压工件的开发，满足航空航天的需求是每一个旋压从业者的责任。

“中国制造2025”从政策角度大幅度提高了我国制造业的地位，是打造我国制造强国的战略举措，更是我国制造业紧跟世界发展趋势实现转型升级的关键所在，也为我国旋压技术的快速发展提供了契机。我国现代旋压技术创立五十多年来，为国民经济尤其是国防工业做出了突出贡献，旋压技术在金属成形中的地位稳步提升。抓住难得的发展机遇，缩短旋压工艺技术和设备与发达国家的距离是我们旋压领域每一个同仁的责任，为此我们要不断创新，不断探索，不断超越。