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2.3.1圆筒形件强力旋压9
2.3.2锥筒形件剪切旋压10
2.3.3封头普旋成形11
2.3.4车轮辋旋压12
2.3.5无缝整体气瓶旋压13
2.3.6带轮旋压13
2.3.7带内外纵向齿筒体旋压14
2.3.8波纹管旋压15
2.3.9异型件旋压16
3旋压设备17
3.1旋压设备的不同类型17
3.2旋压设备的关键装置18
3.2.1控制系统18
3.2.2动力系统18
3.2.3主轴箱和导轨18
3.2.4旋轮座和旋轮头19
3.2.5旋压工装19
3.3专用旋压设备20
3.3.1轮毂旋压机20
3.3.2带轮旋压机20
3.3.3气瓶热收口旋压机21
3.3.4其它专用旋压机21
4国内外旋压技术和设备的差距及各自的特点22
5对旋压成形技术中几个问题的探讨22
5.1工件表面粗糙度问题22
5.2高速旋压24
6旋压设备和技术展望24
7参考文献24
1前言
旋压技术是一项具有悠久历史的传统技术,据文献记载最早起源于我国唐代,由制陶工艺发展出了金属的旋压工艺。
到20世纪中叶以后,随着工业的发展和宇航事业的开拓,普旋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。
在二十世纪中叶以后,普通旋压有了以下三个方面的重大进展:
一是,普通旋压设备逐渐机械化与自动化,在20世纪50年代出现了模拟手工旋压的设备,即采用液压助力器等驱动旋轮往复移动,以实现进给和回程,因而减轻了劳动强度。
二是,在20世纪60~70年代出现了能单向多道次进给的、电器液压程序控制的半自动旋压机。
三是,由于电子技术的发展,于20世纪60年代后期,国外在半自动旋压机的基础上,发展了数控和录返式旋压机。
这些设备的快速发展将旋压工艺带进了中、大批量化的生产中[1-11]。
强力旋压是上世纪五十年代在普通旋压的基础上发展起来的,最早是在瑞典、德国被用于民间工业(例如,加工锅皿等容器)。
由于旋压工艺的先进性、经济性和实用性,且该工艺具有变形力小,节约原材料等特点,在近四十年中,旋压技术得到了长足的发展,不仅在航空航天领域,而且在化工、机械、轻工等民用工业中都得到了广泛应用。
目前,旋压技术已日趋成熟,已经成为金属压力加工中的一个新的领域。
近20年来,旋压成形技术突飞猛进,高精度数控和录返旋压机不断出现并迅速推广应用,目前正向着系列化和标准化方向发展。
在许多国家,如美国、俄罗斯、德国、日本和加拿大等国己生产出先进的标准化程度很高的旋压设备,这些旋压设备己基本定型,旋压工艺稳定,产品多种多样,应用范围日益广泛[19]。
我国旋压技术的发展状况与国外先进水平相比有较大差距。
但近年来取得了较大发展,许多产品精度和性能都接近或达到了国外较先进水平。
国内许多研究所(如北航现代技术研究所、黑龙江省旋压技术研究所、长春55所等)已经研制出了性能较好的旋压机。
2旋压技术
2.1旋压技术介绍
2.1.1旋压技术定义与分类
旋压是一种综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚挤等工艺特点的少无切削加工的先进工艺,将金属筒坯、平板毛坯或预制坯用尾顶顶紧在旋压机芯模上,由主轴带动芯棒和坯料旋转,同时旋压轮从毛坯一侧将材料挤压在旋转的芯模上,使材料产生逐点连续的塑性变形,从而获得各种母线形状的空心旋转体零件。
旋压工艺的加工原理如图2-1。
根据旋压加工过程中毛坯厚度的变化情况,一般将旋压工艺分为普通旋压和强力旋压两种。
普通旋压简称普旋。
传统观点认为,普旋过程中毛坯的厚度基本保持不变,成型主要依靠坯料沿圆周的收缩及沿半径方向上的伸长变形来实现,其重要特征是在成型过程中可以明显看到坯料外径的变化。
普通旋压的基本方式有:
拉深旋压(拉旋)、缩径旋压(缩旋)和扩径旋压(扩旋)等三种。
拉深旋压是指毛坯拉深过程中的旋压成型方法。
如图2-2-a示。
它是由普通旋压中最主要和应用最广泛的成型方法。
毛坯弯曲塑性变形是它的主要的变形方式。
拉深旋压又可分为简单拉深旋压和多道次拉深旋压。
剪切旋压指的是不改变毛坯的外径而改变其厚度,以制造圆锥等各种轴对称薄壁件的旋压方式(锥形变薄旋压)。
这种成型方法的特点是旋轮受力较小,半锥角和壁厚互相影响,材料流动流畅,表面光洁和成型精度高,并且能较容易地成型拉深旋压难于成型的材料。
旋压过程中遵循的理论计算公式为:
。
根据旋后工件实际壁厚T11与理论值T1比较分为过旋压(T11>
T1)和欠旋压(T11<
T1)两种旋压方式。
筒形变薄旋压是指旋轮紧压在与芯模同时旋转的管状毛坯上并沿管坯轴向运动而制出薄壁长筒件。
这种旋压过程始终遵循金属材料体积不变的原则,有如图2-4示两种旋压方式,即材料的流动方向与旋轮的移动方向一致的正旋(b)以及材料的流动方向与旋轮的移动方向相反的反旋(a)。
根据旋压轮是否在同一截面上还可将强力旋压分为错距旋压(图2-5)和同步旋压。
2.1.2旋压技术工艺要素
普通旋压主要是改变毛坯的形状,而壁厚改变很小或不改变,其毛坯形状及尺寸的设计计算是关键技术。
其工艺要素为旋压轮运动轨迹、旋轮直径、旋压间隙、进给率、主轴转速、旋压线速度、旋轮圆角半径、旋轮前侧面与模具母线夹角等。
强力旋压主要是改变工件的壁厚和直径尺寸,工件长度会相应作以改变,其工艺要素为旋轮直径、旋轮圆角半径、旋轮前角、旋轮后角、旋压攻角、主轴转速、进给率、旋压间隙、旋压道次、减薄率、工件半锥角、旋压线速度等。
当然对于材料要求要具有较高的延伸率、断面收缩率,抗拉及屈服强度也要适当。
金属材料的热处理也是旋压工艺中主要的因素,在旋压过程中由于受到强大的压、拉应力,致使材料硬化严重,必须采取热处理手段加以软化,为了改变最终工件的机械性能也需要进行必要的热处理。
2.2旋压技术在不同领域的应用
旋压产品形状各式各样(如图2-6示),通过旋压可完成成形、缩径、收口、封底、翻边、卷边、压筋等各种工作,其产品广泛应用于各行各业(表2-1)。
图2-6旋压成型的工件形状
表2-1各种旋压制件
2.3典型旋压产品的工艺技术
2.3.1圆筒形件强力旋压
图2-3-b为圆筒形件强力旋压工艺过程,其材料变形过程始终遵循体积不变原则,工件形状的改变为旋压前后圆筒壁厚的减薄、直径的变小、长度的增加,同时产品内径也会因工艺参数的不同而有不同程度的改变,最终产品要素为圆筒外(内)径、壁厚、长度、直线度、圆度等,产品长度可用式2-1计算。
其中:
L1--工件长度
L0--毛坯长度
S0--毛坯厚度
S1--工件厚度
di--内径
在圆筒形件强力旋压中有一种特殊的旋压方式就是分层错距旋压,是指多个旋轮在周向相互错开而在径向又依次使毛坯厚度减薄的旋压过程(图2-2)。
这种旋压方式可以在一道次旋压过程中完成多道次旋压,提高了生产效率,同时由于对材料变形区增加了约束致使工件直径精度得到了提高[2]。
工艺方案及参数的制定主要考虑毛坯材料的延伸率、断面收缩率、抗拉强度、屈服强度等因素。
旋压单道次材料减薄率不能大于极限减薄率
可通过在多道次旋压中间增加热处理软化工序成形最终产品,主要的工艺参数为道次减薄率、旋压间隙、旋轮进给比、旋轮成形角、旋轮圆角半径以及错距量等,旋轮成形角、旋压间隙要合理匹配,负责旋轮前沿材料极易产生局部隆起、堆积以至失稳开裂。
毛坯的设计主要依据体积不变的原则(式2-1),按道次安排同时考虑旋压效率等因素,旋压前后直径的变化也应该考虑,一般遵循旋轮进给比大有利于缩径,进给比小有利于扩径的规律。
2.3.2锥筒形件剪切旋压
图2-3-a为锥形工件剪切旋压工艺过程,除了遵循体积不变原则外,正弦理论是该工艺过程中必须依据的主要理论(式2-3/2-4)。
板料成形锥形件:
S1=S0*sinα(式2-3)
预成形件成形锥形件(两次或多次剪切旋压):
工件形状的改变主要是壁厚的减薄、锥度减小和高度的增加,最终产品要素为锥筒段高度、半锥角、壁厚、已知位置的直径、锥筒段母线直线度、圆度等。
在实际剪切旋压中常有三种偏离状态,即“零偏离”、“正偏离”和“负偏离”,用偏离率△t(式2-5)来表示。
当△t=0时为“零偏离”,即实际壁厚等于理论壁厚;
当△t>
0时为“正偏离”或称“欠旋”,此时实际壁厚大于理论壁厚;
当△t<
0时为“负偏离”或称“过旋”,此时实际壁厚小于理论壁厚。
此三种状态可根据工艺需要适当调整。
只有在“零偏离”时工件贴模性良好、精度较高。
工艺方案及参数的制定也因考虑所旋材料的延伸率、断面收缩率等因素。
根据变形程度的大小,可适当增加剪切旋压道次,在道次中间增加热处理工序以软化材料,增加可旋性。
在铝合金材料的剪切旋压中由于变形程度较大,可通过热旋压的方式成形工件,具体是将毛坯均匀预热到再结晶温度以上,同时将旋压模具加热到200~300℃,在旋压过程中可用乙炔焰直接加热毛坯,以保证温度不会过快降低,使材料处于软化状态,有利于旋压成形。
其主要工艺参数除无错距量外,其余同圆筒强力旋压,为了增大材料变形区面积,防止材料所受拉应力过大,旋轮前沿处材料局部隆起过高,旋轮大多使用大圆角的普旋旋轮。
毛坯的设计主要依据剪切旋压正弦理论,工件壁厚与锥度成特定关系。
因形状变化较大,旋压时应防止局部失稳开裂。
2.3.3封头普旋成形
封头是一种广泛应用于锅炉、化工容器、油罐、核反应堆、导弹和人造卫星等的重要零件。
其规格正向大型化的方向发展,应用领域也在不断扩大.采用旋压法加工大、中型封头具有其它加工方法无可比拟的优越性[21]。
图2-7为封头旋压工艺过程,封头旋压通常是采用板料成形,变形前后壁厚不变化或者变化极小,直径变化较大,或收缩或扩大,旋压时较易失稳或局部拉薄,有单向前进旋压和往复摆动多道次逐步旋压两种方式(图2-7中a和b)。
产品要素为封头外形轮廓度、已知位置直径、高度、壁厚等。
图2-7封头旋压
主要工艺要素为旋轮运动轨迹、旋压道次、道次旋压间距、旋压速度、是否热旋等,渐开线形旋轮运动轨迹最有利于旋压成形,道次旋压间距的确定极为重要,直接影响旋压过程的成败。
目前,国内外在封头冷旋压成形中,主要采用两种方法。
一是一步法,即板坯在旋压机上一次旋压成形。
二是二步法,即板坯是在压鼓机上沿板坯展面逐点压制成球冠形,然后在旋压机上翻边。
一步法旋压封头,其工作效率远远高于采用二步法成形封头工艺过程,产品质量较好。
现阶段一步法旋压封头已处于主导地位,并已发展成熟。
封头的旋压成形分冷旋、温旋、热旋。
冷旋是指在常温下对毛坯板料进行旋压成形,由于受到材料塑性限制,能采用冷旋成形的封头材料并不多。
封头温旋成形技术主要用于中厚板封头和一些难于冷变形材料的封头成形。
一般将金属加热到再结晶温度或锻造温度以下某个温度的旋压成形称为温旋。
热旋成形是将金属加热到再结晶温度或锻造温度以上某个温度下进行的,随着温度的升高,金属的塑性也随之增强。
而变形速度对塑性的影响是一个比较复杂的问题,随着变形速度的增加,既有使金属塑性降低的一面,又有作用相反的一面,而且不同温度下变形速度的影响也不同[22]。
2.3.4车轮辋旋压
车轮辋旋压技术是近几年才发展起来的轮辋成形新工艺方法,主要针对镁铝合金材料的轮毂(图2-8),也有部分轮毂采用钢质。
国外17英寸以下轿车铝轮的生产以锻坯或环坯经旋压成型已成为主流。
近几年国外用锻造、旋压工艺制造了22.5英寸载重汽车无内胎车轮,以其造型美观、重量轻、强度高成为钢轮的强劲竞争点。
图2-8铝合金车轮
传统的轮毂制造工艺方法是在较低压力(一般在20~60KPa)下浇注(铸造)—热处理—机械加工—最后表面处理,该方法适合大批量生产、生产率高、合格率较高、铝液利用率较高,但表面质量欠佳、成本稍高,而采用锻造—退火—旋压—热处理—机械加工—表面处理(喷涂或电镀)工艺方法生产的轮毂,大大提高了制造精度,有较致密的金相组织和较好的机械性能,较易达到轮毂等强度要求,重量轻、表面光洁,机械加工余量大大减少。
此工艺在德国等较发达国家已发展成为成熟技术,目前国内已有较少企业在使用该工艺研究试制。
车轮旋压工艺一般可采用板材劈开式旋压(图2-9-a)或用铸(锻)件毛坯进行强力旋压(图2-9-b)成型两种工艺方式。
劈开式旋压工艺是将圆盘状板坯用劈开轮通过分层工艺,使毛坯在厚度方向中部被劈成两份,再用成型轮渐进普旋成型即可;
强旋工艺是将铸(锻)铝毛坯进行若干道次的强旋,从而达到轮辋型面尺寸要求。
图2-9车轮旋压
2.3.5无缝整体气瓶旋压
旋压无缝整体气瓶是近几年才发展起来的新的工艺方法和产品,共有四种类型:
钢制无缝气瓶、铝合金气瓶、复合材料钢内胆气瓶、复合材料铝内胆气瓶。
主要应用于呼吸气瓶、CNG天然气气瓶、中大型高压气体运输气瓶等领域。
传统的气瓶制造方法为冲压瓶肩和瓶底,再与管件或卷焊瓶体焊接而成,制造工序复杂、成本较高,产品密封性及承压能力不理想。
而旋压气瓶以其独有的整体无缝式已占有极广阔的市场,并有完全取代传统工艺方法所制造的气瓶的局势。
无缝整体式气瓶旋压最常用的工艺方法根据材料的不同有两种工艺路线,铝合金气瓶材料多为6061铝板或铝棒料,其工艺路线为板材冲压/铝锭热(350℃~450℃)反挤压成杯状-强旋直壁部分-热收口(400℃~450℃)普旋成形瓶肩及瓶颈,钢质(多为30CrMo)气瓶为管形件热旋压(900℃~1000℃)封底-强旋直壁部分/或不旋-热收口(900℃~1000℃)普旋成形瓶肩及瓶颈。
图2-10-a为气瓶热收口普旋工艺过程,图2-10-b为收口后的部分产品截面。
收口旋压中应该注意的是旋压设备、热旋温度、普旋道次及轨迹,另外还应防止瓶肩内壁起邹。
图2-10气瓶收口旋压
2.3.6带轮旋压
按照皮带轮的槽型和加工工艺可其分成三大类:
劈开轮、折叠轮和多楔轮(多V带轮)。
这些旋压皮带轮做为一种新工艺产品,已经广泛用于汽车、拖拉机等用内燃机驱动的辅助设备,如冷却风扇、发电机、水泵、空调机、压缩机、动力转向泵等,以及机床、农业机械、家用电器、家用机械等设备。
由于此三大类旋压皮带轮的结构特点不同(图2-11),其加工工艺也不相同。
板材旋压V带轮的基本结构型式为单槽、双槽和多槽。
板材旋压多楔带轮的基本结构型式为折叠式,按楔槽数分为三楔、四楔、六楔、七楔和八楔。
劈开轮一般采用一次冲裁制坯,在旋压机上用旋轮从材料厚度的二分之一处劈开后整形旋压而成形(图2-11-e)。
由于其加工工艺比较简单,影响产品质量的主要因素是毛坯本身的平面度精度,因此对冲裁的冲压模具要求较高。
图2-11旋压皮带轮的结构特点
折叠轮是采用冲压和拉深方法制坯,并在旋压机上旋压,同时适当加以轴向压力而成形,通常最后一道次用固定齿间距的模具和旋压轮进行精整旋压,达到产品精度要求。
由于折叠轮在成形过程中没有发生金属流动,只是形状的变化,所以工艺上也比较简单,影响质量的因素不多。
多楔轮同样采用冲压和拉深方法制坯,然后在旋压机上旋压成形。
由于齿形是在材料壁厚上用挤压方式使之产生金属流动和塑性变形而形成的,所以影响产品最终质量的因素就较多,包括上下模、旋轮形状、旋压道次、材料等(图2-11-f)。
图2-12复合带轮旋压
2.3.7带内外纵向齿筒体旋压
强力旋压技术可用来制造带纵齿形的薄壁类零件(汽车离合器壳体)、滑动套筒、传动轴的“驱动内形”以及传动轮的呐合齿形等。
该技术的开发与推广应用,为加工该类型的零件减少了较大的成本,同时对工件的成形结构有较大的改变。
带纵齿筒形件强旋成形是一个复杂的材料塑性成形过程。
目前,由于该加工过程本身的复杂性,利用现有的塑性成形理论尚不足以推导出其实际的计算公式,工艺参数的最佳选择途径还主要是依据经验而定。
带纵齿工件多种多样,主要的齿形如图2-13示。
图2-13带纵齿工件齿形
带纵齿工件的旋压成形主要应考虑的工艺因素有工件材料、模具材料、内外齿形、模具齿形、摩擦状况、工艺过程和热处理等。
制造带纵齿薄壁零件的毛坯一般采用平板坯料,先进行拉深、模锻或管截面成形等方式的预成形加工,然后再将筒形件安装于专用成形模具而旋压成形。
零件的成形在通常情况下仅需要一个旋压道次就可以完成,只有在特殊的工件几何形状时或较长工件时才需要采用多道次工序先对材料预成形加工,然后再进行终旋精加工成形。
外纵齿形也可以通过旋压工艺高精度地加工制造,借助于旋轮和带有内齿的空心模具采用内旋压法来成形,这种方法受到直径的限制。
另外一种方法是借助于一个或多个相适应的带齿旋轮通过唯一的径向进给运动来旋压成形工件的外形齿形。
图2-14板材成形内外齿工件
2.3.8波纹管旋压
波纹管式节能换热器具有换热效率高、体积小、重量轻、能够自身吸收热变形等特点,深受用户的欢迎。
目前,生产各种换热波纹管的工艺方法有焊接、液压、模压、轧制等,这些工艺方法尚存在设备复杂、适用范围窄、成本过高等问题,旋压成型换热波纹管是一种新的加工技术。
九十年代初发明成功以来,其产品已得到了广泛的应用。
旋压工艺过程如图2-15所示,工艺要素为旋轮形面形状、旋轮进给速度、主轴转速、加热温度及热影响范围、单波轴向压缩量△l(指每成形一个波形,管坯沿轴向的压缩长度,它是影响波纹形状和局部壁厚减薄量的关健参数。
△l太大,会造成管坯弯曲,破坏已成型的波形,△l太小,局部壁厚减薄量增大)。
旋压中易产生缩径效应,导致局部壁厚超差。
主要产品因素为直线度、波距精度和波深精度等(图2-16)。
1主轴2波纹管3旋压轮4加热机构5压力机构
图2-15波纹管旋压原理
图2-16波纹管
2.3.9异型件旋压
图2-17旋压异型件
钛合金气囊内胆属航天飞行器配件,工件图如下。
图2-18钛合金气囊内胆
该气囊所用材料为TA7,这种材料的机械性能σb=785Mpa,ψ=25%,板材壁厚为1.5,要求普旋时壁厚减薄率不大于8%。
由于材料强度高,断面收缩率小,形面复杂,在成形时存在较大的困难。
分析该工件结构为两片完全相同的半环型薄壁件焊接而成,因此,如果能旋压出半环薄壁件再焊接即可,考虑到形状的复杂性,采用分模旋压方案,先旋出半环内形面(图2-19-a为内形面旋压模具),再换装外形面旋压模具(图2-19-b为外形面旋压模具),旋出外型面。
a内形面旋压模具图b外形面旋压模具
图2-19钛合金气囊内胆旋压模具
导弹鼻锥件所用材料为6061铝合金,工件及工序如图2-20示。
图2-20导弹鼻锥件
该工件主要工序为下料Ⅰ-板料冲压Ⅱ-剪切旋压Ⅲ-剪切旋压Ⅳ-剪切旋压Ⅴ,由于板料供应状态为T6态,材料延伸率较低,不利于承受较大压力加工,所以旋压前对材料进行完全退火处理,以降低旋压变形抗力、提高材料塑性,同时在旋压道次间也可适当加以中间退火工序。
3旋压设备
3.1旋压设备的不同类型
旋压机按其运动方式、主轴方位、旋轮个数等可分为多种类型,而按其功用大致可分为强力旋压机、普旋机和专用旋压机。
强力旋压机主要以流动旋压和剪切旋压成形为主,设备要求有较高的动静态刚度,所受旋压力及主轴扭矩较大。
而普旋机主要成形有色金属复杂曲母线形面工件,设备旋轮头所受旋压力较小。
专用旋压机主要承担一种或较少种类似结构的工件加工任务,象气瓶收口机、轮毂旋压机、带轮旋压机等。
3.2旋压设备的关键装置
3.2.1控制系统
最早的旋压机主要依靠手动控制旋轮运动轨迹,对工人的操作技术要求较高,工件一致性差,效率低。
后来采用模拟电信号、PLC等控制旋压机各开关参量,使得旋压机的自动化程度大为提高,能实现批量化的生产。
随着电子电力微电子等领域专业技术的飞速发展,出现了录返式控制旋压机和数字化控制旋压机,这是旋压机控制方式的较大进步,录返式旋压机只需要将工件手动旋压过程示教给旋压机控制系统,录返系统将通过“记忆”功能以同样的路径自动加工后续同种产品,实现自动批量生产的目的。
目前的CNC旋压机已具有较多的辅助功能,象自动上下料、自动换旋轮、恒线速等,装机较多的控制系统是SINUMERIK840D、FAGOR等,840D已具有6通道6主轴、每通道可实现各直线轴独立运动的功能。
3.2.2动力系统
主轴模拟、数字变频实现无级变速及恒线速,主轴直流、交流变频电机可提供较大的扭矩。
旋轮头直线轴依靠伺服电机通过高精度滚珠丝杠提供动力,用旋转编码器以半闭环控制方式确定位置,或通过直线及圆光栅尺以全闭环控制方式控制;
旋轮头直线轴也可采用液压马达、液压缸以比
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