旋壓技術的研究現狀

吳磊，劉彬

（1.中山火炬職業技術學院，裝備制造系，廣東中山528437；2.華南理工大學，機械與汽車工程學院，廣東廣州510641）

旋壓技術的研究現狀

吳磊1，劉彬2

（1.中山火炬職業技術學院，裝備制造系，廣東中山528437；2.華南理工大學，機械與汽車工程學院，廣東廣州510641）

旋壓技術作為無屑型金屬成形工藝，具有節省材料、加工設備易組裝、加工成本低等優點，因而被廣泛地應用于軍用和民用工業。對旋壓工藝與其他塑性加工方法做了詳細的比較；詳述了旋壓技術的發展歷史、理論研究和仿真研究現狀；對旋壓技術在今后可能的發展研究方向做了建議總結。

旋壓技術；錯距縮徑旋壓；正交試驗

旋壓作為一種金屬壓力加工方法廣泛地用于薄壁空心回轉體零件的加工[1-2]，該加工工藝由于旋輪與管坯之間的接觸面積小，因而可以有效降低旋壓縮口成形力，大大提高縮口成形效率。經過調研發現，當前的旋壓工藝往往采用單輪旋壓，旋壓效率相對較低，因而需要采用其他方式提高旋壓效率。兩輪或多輪錯距旋壓工藝可以在一道工序完成相當于原來單輪旋壓的兩倍旋輪壓下量，因而旋壓效率大大提高。

1 旋壓技術與其他塑性加工方法的不同

相對于其它塑性加工方法，旋壓工藝有如下的成形優越性：

（1）在成形過程中，旋輪對金屬毛坯是多道次逐點徑向進給的，兩者之間的接觸面微乎其微，致使毛坯所受到的單位壓力高，非常適用于加工強度高、變形難的材料，而且，由于接觸面積小，旋輪所受到的旋壓阻力也小，小功率設備即可完成加工。

（2）在旋輪旋壓力的作用下，毛坯金屬晶粒沿著變形區的滑移面產生錯位移動。隨著毛坯變形程度的加大，晶粒的伸長量也會加大，由于晶?；贫a生的滑移層及相鄰層之間形成的滑移面的方向與毛坯局部的變形方向基本一致，從而保證了金屬纖維的連續完整性。由于金屬晶粒的晶格產生了變形，因而成品件相對于原材料的硬度、抗拉強度和屈服極限也會得到提高。

2 旋壓技術的研究現狀及發展

2.1 旋壓技術的發展

旋壓技術作為無屑型金屬成形工藝，具有節省材料、加工設備易組裝、加工成本低等優點，因而被廣泛地應用于軍用和民用工業。據文獻介紹[3]，旋壓工藝的雛形是我國在殷商時期就出現的陶瓷制坯方法，在十世紀初，我國又出現了金屬旋壓工藝，可以將金屬薄板制成空心件。到十三世紀，該技術開始傳入歐洲各國，18世紀中期，第一個金屬旋壓專利出現。剛開始的旋壓機一直采用人力或水力驅動，使用棒形工具加工坯料，直到第一次工業革命，開始使用蒸汽動力驅動，繼而電機的出現更大大提高了生產效率。

到二十世紀中期，旋壓技術出現了兩個重大突破：第一個是普通旋壓設備實現了機械化、自動化。第二個突破出現在六十年代后期，西德Leifeld公司成功研制了使用NC或CNC數控系統及PNC系統的旋壓機，實現了自動化。經過近60年的發展，國外的金屬旋壓技術已經日趨成熟，該技術已經廣泛地應用于國外軍工或者民用行業。美國、德國、西班牙等都擁有世界一流的旋壓技術，這些國家的旋壓機已實現專業化、系列化且性能穩定、操作方便，有單輪、雙輪、三輪等多種形式。

我國從上世紀60年代開始自主研發旋壓設備，但是由于當時的制造水平有限，機床存在穩定性差、操作系統落后等問題。到80年代，我國開始引進歐美國家制造的旋壓機，在消化和吸收的基礎上，我國的旋壓技術水平有了較大的提升，80年代末，哈爾濱工業大學在車床的基礎上研制了首臺具有錄返功能旋壓設備。近年來，科研院所、高校在旋壓機研發與制造方面取得了較大進展[4]。如廣州有色金屬研究院研制的XPD型數控旋壓機床采用雙CPU控制，用于生產不銹鋼真空保溫容器和汽車后視鏡支架等零件；北京航空制造工程研究所研制的1 000 kN大型立式數控強力旋壓機[5]。

除了系統性的設備開發以外，一些學者對于旋壓的加工工藝及其應用拓展也做了研究。程秀全[4]等設計了一種三輪錯距旋壓成形裝置，用于杯形薄壁內嚙合齒輪的加工，該裝置可以減少加工道次，旋壓件的加工精度和生產效率得到顯著的提高；陳振[16]等研究了道次減薄率、進給率對強力流動旋壓的影響，從軋制工藝學的角度分析并經試驗表明大臺階薄壁圓筒內徑一致性較差時，合理地布置旋壓道次及減薄率能夠有效地提高產品內徑的一致性；文獻[5]研究了錯距旋壓成形工藝參數，通過正交試驗法獲得了影響衡量成形質量的橢圓度、直線度、壁厚偏差的因素及顯著性；文獻[6]以旋壓件橢圓度、直線度、壁厚偏差等為指標，設計正交試驗并分析數據，利用遺傳算法獲得了筒形件錯距旋壓成形的最佳加工工藝參數；文獻[7]提出了通過強力錯距旋壓工藝與熱處理工藝相結合的方式制備納米/超細晶筒形件，并給出了兩種不同的加工工藝。

2.2 旋壓技術的理論研究

旋壓理論的研究工作，主要集中在以下兩個方面：

（1）由于加工過程中，旋壓容易產生褶皺、回彈和粗糙度等問題，因此有文獻針對工藝參數對旋壓成形質量做了研究。最早在1963年，Kobayashi[8]為了預測普旋工藝褶皺失效的條件，將普通旋壓工藝與拉深工藝類比，并提出了褶皺失效與毛坯厚度及壁面旋壓角度有關，其試驗證明了該假設；隨后，Hayama[9]等提出了不同的意見，認為拉深工藝與剪切旋壓工藝不同，因為拉深工藝的周向應力分布均勻而旋壓工藝只是局部會產生應力應變，同時提出褶皺是由于周期變化的曲率與壓縮應變共同造成的；Xue[10]等則關注成形工件的粗糙度和回彈問題，探討了旋輪間距、旋輪進給速度、旋輪尺寸參數等對成形質量的影響，試驗表明，相對于其他工藝參數，上述三者對旋輪成形精度影響最大；GE[11]等針對由于旋輪尺寸、相對位置關系等產生的位置干涉以及加工過程的斜干涉現象進行了分析，并對由此產生的工件壁厚凹凸不平、旋輪受力過載等情況進行了分析，為了解決干涉所造成成形質量問題，提出了相應的公式來設計旋輪及位置分布；Polyblank[12]等通過激光掃描的方式精確地得到了旋壓件的外形輪廓參數，并提出了采用多道次回彈補償、最終成形回彈補償及直接回彈補償等三種方式控制旋壓過程出現的回彈問題。

（2）旋壓力的預測是設計機構時最主要的參數。目前，大部分都是通過仿真軟件分析得到，幾乎沒有文獻涉及到錯距縮徑旋壓各旋輪旋壓力的理論計算公式，僅有關于單輪旋壓的旋壓力計算公式可以參考：Avitzur[13]作為比較早期的研究人員，于1960年提出了剪切旋壓的切向旋壓力與旋輪進給速度、旋輪圓角、毛坯成形壁面角等工藝參數有關的計算公式，認為毛坯與旋輪接觸時只發生純剪切變形；Hayama[14]隨后提出了剪切旋壓應考慮毛坯的彎曲與剪切變形，并給出了與試驗相關的切向旋壓力計算公式；Chen[15]等在前人的彎曲與剪切變形理論模型的基礎上，提出了關于毛坯厚度、旋輪圓角、旋輪進給速度、主軸速度的剪切旋壓三向力計算公式；針對普通旋壓的旋壓力計算，Hayama[16]在另一篇文獻中假設毛坯軸對稱變形，給出了三個方向的旋壓力計算公式，而摩擦系數的影響則通過試驗對計算公式擬合修正體現；馬澤恩[17]將旋壓過程分為開始階段、成形階段和結束階段，并針對成形階段進行應力分析及接觸面積計算，給出了變薄旋壓旋壓力的計算公式；與Hayama相反，Wang[18]等提出了一種非軸對稱模型，并將旋壓過程同樣分為三個階段，據此計算出的軸向旋壓力與試驗結果誤差在10%以內；程慈齡[19]對錐形件及筒形件旋壓時的受力情況進行了理論分析，利用數學解析法及上限法推導了旋壓力的理論公式，通過與他人的實驗結果對比發現上限法計算結果與實驗曲線吻合程度高，而解析法公式的計算結果與實驗值相比略微偏低。

2.3 旋壓技術的仿真研究

與旋壓理論研究類似，旋壓仿真的工作亦集中在以下三個方面：

（1）工藝參數對旋壓成形質量的影響。文獻[20]研究了柔性旋壓成形的回彈控制，采用單一的有限元分析方法，對柔性旋壓成形-回彈過程進行模擬，針對材質、板厚、成形曲率半徑、下輥間距等參數進行分析，總結其回彈規律，從而得到回彈的控制方法；林新波[21]采用MARC仿真軟件，分析了旋壓工藝參數對各種旋壓缺陷的原因，并提出了相應的改進措施；LI[22]等為了實現無芯模旋壓，采用貝塞爾曲線的參數化控制方法控制旋輪軌跡曲線，在LS-DYNA有限元軟件上構建無芯模旋壓仿真的成形與回彈工藝過程。

（2）旋壓成形過程中的應力應變研究。目前查閱到較早關于旋壓有限元分析的文獻發表于1994年，周照耀[23]等提出了一種平面變形力學模型應用于筒形件強力旋壓，并利用程序代碼實現了剛塑性有限元仿真，獲得了應變和應變速率的分布，與網格試驗的結果趨勢較為吻合；文獻[24]則首次利用三維彈塑性有限元計算應力應變分布，揭示了筒形件強力旋壓的變形機理。隨著有限元軟件的快速發展，出現了專業有限元軟件和大型通用有限元軟件。近15年來，旋壓仿真大都在有限元軟件上完成，文獻[25]首次利用LS-DYNA軟件對薄壁筒縮徑旋壓變形進行數值模擬，采用動態顯式有限元程序分析了毛坯的應變及壁厚的分布和變化過程；文獻[26]應用有限元軟件DEFORM分析了縱向內筋薄壁筒形件反向滾珠旋壓成形過程及變形區的應力狀態。

（3）旋壓成形力與旋壓工藝參數、旋壓工件之間的關系。由于有限元仿真分析可以分析各種不同類型的旋壓過程，可相對較快地得到分析結果，旋壓力的計算都是基于旋壓仿真分析。文獻[27]通過編程實現有限元計算并建立三維剛塑性模型求得正旋時的強力旋壓力，并針對各工藝參數對正旋旋壓力的影響做了詳細的研究；翟福寶則開始利用專業有限元軟件研究旋壓成形力。文獻[28]利用MSC/MARC軟件建立筒形件錯距旋壓三維彈塑性有限元模型并完成了錯距旋壓工藝的三維有限元數值模擬，得出了三個旋輪的徑向旋壓力。

3 結束語

通過對當前旋壓技術及理論研究現狀分析可見，強力旋壓技術是在普通旋壓基礎上發展而來，不管在理論還是實踐方面都得到了充足的發展，但是雙輪錯距縮徑旋壓技術在理論研究及工藝方面卻有所缺失：首先，目前的縮徑旋壓力的理論計算公式幾乎沒有；其次，由于錯距旋壓基本應用于強力旋壓，在縮徑旋壓方面的應用鮮有報道，對其成形規律進行研究很有必要；最后，通過分析可知，將錯距旋壓用于縮徑旋壓可以有效提高旋壓效率，但是工藝參數如何選取亟待解決。

所以針對上面三個方面的問題，未來建議研究工作應圍繞以下四個方面展開：（1）采用微元體法，根據受力平衡方程和幾何關系，推導旋壓力的計算公式；（2）由于旋壓力包括徑向力、軸向力和切向力三個方向的力，通過設計測力傳感器，測定旋壓力，以期與理論計算對比；（3）利用Abaqus仿真軟件，對雙輪錯距旋壓進行數值模擬，并與對輪縮徑旋壓工藝進行相應的對比，同時探究工藝參數對雙輪錯距旋壓成形質量的影響；（4）選取合理的工藝參數及試驗指標，利用正交試驗的方法對工藝參數進行優化。

[1]陳適先，賈文鐸.強力旋壓工藝與設備[M].北京：國防工業出版社，1986.

[2]王成和，劉克璋.旋壓技術[M].北京：機械工業出版社，1986.

[3]趙升噸，趙承偉，王君峰，等.現代旋壓設備發展趨勢的探討[J].中國機械工程，2012，23（10）：1251-5.

[4]陳振，張軍，蔣幫宏.大臺階薄壁旋壓圓筒內徑一致性工藝研究[J].航天制造技術，2015，33（01）：44-7.

[5]夏琴香，張鵬，程秀全，等.筒形件錯距旋壓成形工藝參數的正交試驗研究[J].鍛壓技術，2012，37（06）：42-6.

[6]程秀全，吳萬敏，張鵬，等.筒形件錯距旋壓成形工藝參數優化[J].塑性工程學報，2012，19（05）：104-8.

[7]Xia Q，Xiao G，Long H，et al.A study of manufacturing tubes with nano/ultrafine grain structure by stagger spinning [J].Materials&Design，2014，（59）：516-23.

[8]Kobayashi S.Instability in conventional spinning of cones[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering，1963，85（1）：44-8.

[9]Hayama M，Murota T，Kudo H.Deformation modes and wrink ling of flange on shear spinning[J].Bulletin of JSME，1966，9（34）：423-33.

[10]Kemin X，Zhen W，Yan L，et al.Elasto-plastic FEM anal ysis and experimental study of diametral growth in tube spin ning[J].Journal of Materials Processing Technology，1997，69（1-3）：172-5.

[11]Ge T，Wang J，Lu G-D，et al.A study of influence of in terference phenomenon on stagger spinning of thin-walled tube [J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B：Journal of Engineering Manufacture，2014，0954405414543487.

[12]Polyblank J A，Allwood JM.Support Roller Control and Springback Compensation in Flexible Spinning[J].Procedia Engineering，2014，（81）：2499-504.

[13]Avitzur B，Yang C.Analysis of power spinning of cones[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering，1960，82（3）：231-44.

[14]Hayama M，Murota T.Theoretical study of shear spinning [J].Bulletin of JSME，1965，8（31）：460-7.

[15]Chen M-D，Hsu R-Q，Fuh K-H.An analysis of force distribution in shear spinning of cone[J].Inter national journal of mechanical sciences，2005，47（6）：902-21.

[16]Hayama M，Murota T.On the study of metal spinning[J].橫浜國立大學工學部紀要，1963，（12）：53-88.

[17]馬澤恩.筒形件強力旋壓的變形分析與旋壓力計算[J].西北工業大學學報，1978，（02）：159-80.

[18]Wang Q，Wang T，Wang Z.A study of the working force in conventional spinning;proceedings of the Proceedings of the fourth international conference of rotary forming，F，1989.//

[19]程慈齡.變簿旋壓的變形力分析[J].金屬科學與工藝，1985，（04）：83-94.

[20]張文儒.柔性旋壓成形回彈控制的數值模擬研究[D].長春：吉林大學，2012.

[21]林新波，翟福寶，張質良，等.筒形件錯距旋壓缺陷的有限元仿真研究[J].鍛壓技術，2002，（04）：40-3.

[22]Li Y，Wang J，Lu G-D，et al.A numerical study of the effects of roller paths on dimensional precision in die-less spinning of sheet metal[J].Journal of Zhejiang University SCIENCE A，2014，15（6）：432-46.

[23]周照耀，王真，趙憲明，等.筒形件強力旋壓的剛塑性有限元分析[J].塑性工程學報，1994，1（01）：37-42.

[24]趙憲明，吳迪，呂炎.筒形件強力旋壓變形機理的有限元分析[J].塑性工程學報，1998，5（03）：64-8.

[25]高西成，康達昌，孟曉峰.薄壁筒收口旋壓過程的數值模擬[J].塑性工程學報，1999，6（04）：54-7.

[26]江樹勇，孫金鳳，趙立紅，等.縱向內筋薄壁筒反向滾珠旋壓有限元分析[J].鍛壓技術，2009，34（04）：35-8.

[27]翟福寶，儲燦東，張質良，等.筒形件錯距旋壓的三維有限元模擬[J].模具技術，2001，19（04）：4-7.

[28]翟福寶，李帆，張質良，等.筒形件錯距旋壓的有限元分析及其工藝優化系統[J].上海交通大學學報，2002，47（04）：445-8.

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

吳磊（1979-），男，河南信陽人，碩士研究生，副教授，主要從事CAD/CAM技術、機械設計研究。