旋壓技術特點及其發展

孫 松，陳 慶，楊純梅，張玉春

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

1 旋壓技術簡介

近年來，隨著我國制造業水平的提高以及航空航天和國防軍工方面的迫切需求，我國的旋壓設備及旋壓技術得到飛速發展，旋壓設備的機械化、自動化水平及加工精度越來越高[1]。目前，旋壓已成為精密塑性成形的主要方法，特別是在加工各種復雜薄壁零件時的優勢明顯。基于旋壓技術高效的多道次復合旋壓的工藝特點，該技術解決了不少其他加工技術難以解決的加工難題[2-6]。

旋壓是一種比較先進的塑性加工方法，它綜合了鍛造、擠壓、軋制、拉伸、彎曲、平整等工藝特點，是回轉體類零件塑性成形的主要加工方式。旋壓成形時，旋輪與坯料呈點接觸狀態，強度大、復雜、難變形的金屬也能輕松成形，極大地降低了設備功率和能耗[2]。旋壓技術具有工序簡單、產品尺寸精度高、材料利用率高、無屑、易操作、易組裝等優點，在航空、航天、軍工和民用產品等領域中應用廣泛[1，7]。為了充分發揮旋壓技術的優勢，本文基于旋壓工藝的歷史發展與研究現狀，對比分析了旋壓工藝與鍛造、擠壓、軋制等工藝的優劣勢，并指出旋壓工藝當前亟待深入研究的問題，以期為旋壓工藝的充分應用及進一步研究提供參考。

1.1 旋壓工藝及分類

旋壓是將金屬板形或筒形坯料用頂桿固定于旋壓機模具尾部，并與主軸共同轉動，然后，讓旋輪從端頭開始擠壓坯料，使坯料逐點連續發生塑性變形，最終全部成形為空心零件的一種加工工藝，如圖1所示。

圖1 旋壓工藝

旋壓工藝種類較多，按照坯料塑性變形程度分為強力旋壓和普通旋壓；按照旋輪數量分為單旋輪、雙旋輪和三旋輪旋壓；按照金屬流向分為正向和反向選壓；按照旋壓零件的形狀可分為對稱和非對稱旋壓等[8]。強力旋壓使坯料的形狀及厚度均發生了明顯的改變，是比較成熟和普遍的旋壓技術。強力旋壓可分為筒形及錐形方式旋壓，錐形方式旋壓不僅能加工等壁厚、變壁厚的錐形零件，而且可以加工半球形的零件[9]。

1.2 變形機理

旋壓技術的優越性主要體現在坯料的加工方式及組織變形機理上。旋壓是通過旋輪沿徑向逐點多道次對坯料進行加工變形，單位變形區域非常小，變形效果較均勻。強力旋壓時，坯料主要受到旋輪的剪切應力、流向應力及摩擦力作用，晶粒沿著切向和流向即金屬變形方向產生大量滑移。由于旋輪沿徑向逐點多道次進給的特點，組織變形產生大量的位錯進行滑移和攀移運動，滑移面之間則進行交互纏繞，從而有效地提高產品的強度和硬度極限等。

1.3 歷史與現狀

旋壓技術的雛形起源于我國，后傳入歐洲等國。但我國旋壓技術的發展速度相對國外的慢。近年來，美國、德國、西班牙、俄羅斯、意大利等的旋壓水平已領先于世界，其旋壓設備精度好、種類齊全、易操作，產品尺寸精度好、組織性能穩定、表面質量高[10]。

我國自主研發旋壓設備始于上世紀60年代，由于受到復雜的國際環境及國內工業技術水平的限制，發展一直很緩慢。近20年來，由于對國外先進旋壓設備和技術的引進，以及國內專家學者不斷深入的研究，我國在旋壓方面取得了很大的進步。目前，我國已基本具備生產高質量旋壓機的能力和旋壓技術，但距國外先進水平尚有小量差距[11]。

2 旋壓技術的先進性

2.1 基礎特點

除鍛造、擠壓、軋制、拉拔、拉伸、沖壓、彎曲等常見的金屬塑性成形工藝外，旋壓、帶楔軋制、輥式鍛造、擺輾等金屬局部成形工藝的應用也越來越廣泛。相比于其它塑性加工技術，旋壓設備靈活、方便、易組裝和操作簡單；旋壓產品的尺寸精度高、表面粗糙度低；旋壓工序簡單、成本低、材料利用率高、加工過程不產生鋁屑[11，12]。

旋壓技術的局限性是只適用于回轉體類型零件的加工，易產生起皺、裂紋、局部拉裂、鼓包、粘結及波紋等缺陷，且在大型復雜薄壁帶筋殼體成形時易在筋部出現缺陷，生產變形簡單、生產量大的零件的效率不如整體形變技術的高[13，14]。但這些不足可通過工藝的優化而得到有效的改善。

2.2 坯料的多樣性

旋壓坯料的種類及加工方式具有多樣性。幾乎所有的金屬均能進行不同程度的旋壓加工，例如，旋壓坯料可以用優質鋼、碳素鋼、不銹鋼、耐熱合金、難容金屬、稀有金屬、有色金屬及其合金等等，但是在熱塑性較好的材料中應用更為廣泛。旋壓坯料的加工方式可選擇空心擠壓、沖壓、鑄型、焊接、鍛造及軋制，所加工的工件可經機加工處理后使用或直接使用。

2.3 應用的廣泛性

旋壓等局部成形技術是比較先進的塑性成形技術，近年來，旋壓工件使用范圍越來越廣泛，某些高質量的重點旋壓產品幾乎供不應求。旋壓產品常被用于飛機的頭罩及油箱罩、導彈的殼體及鼻錐、魚雷外殼、炮管、雷達屏以及各種管材、汽車車輪等等，其應用涉及到國防軍工及民用工業的方方面面。國內目前的旋壓技術水平已完全能滿足輕工業及民用工業、農業等技術要求不高的領域中的需求，但對于航空航天及國防軍工等高標準要求領域的需求還不能完全滿足[7，15，16]。

2.4 組織與性能

圖2 是旋壓及其它成形工藝示意圖。圖2（a）中所示的旋壓變形接近于點變形，其晶粒的細化、組織的均勻性及強塑性等在理論上比整體變形工藝的要好。組織變形是點微區變形的疊加效果，點微區主要受到壓應力、剪切應力及摩擦力的作用，在微區組織內發生晶界滑移、晶粒轉動及位錯堆積，整個旋壓零件的變形較均勻。均勻變形使組織中的晶粒均勻細化，產生較好的加工硬化效果，使旋壓產品的強塑性等得到較大提高。

圖2（b）～（d）均屬于整體變形工藝，其最主要的特點是局部變形量不均勻，變形組織及產品性能具有明顯的方向性差異。圖2（b）是擠壓成形示意圖。擠壓是利用擠壓軸對擠壓筒內鑄錠的一端施加作用力，使金屬從模孔流出的過程。擠壓的成形性好，擠壓產品具有形式多樣等的特點，但在擠壓過程中金屬流動的方向性較明顯，產品的組織及性能在擠壓方向及徑向上存在較大差異。鑄錠與擠壓針、擠壓筒及模具之間的摩擦力會影響產品在徑向及周向上的組織和性能，擠壓產品的擠壓前端和后端的質量也存在微量差異。擠壓產品常見缺陷有：擦劃傷、粘傷、波浪、氣泡、粗糙、擠壓痕及粗晶環等。

圖2（c）是鍛造成形示意圖。鍛造是通過鍛錘或鍛壓機使鍛坯隨模具或自由壓縮變形的過程。鍛造可以有效細化晶粒尺寸和改善第二相的分布，但在鍛造過程中金屬流動的方向性較明顯。在自由鍛造過程中，坯料芯部與表面及壓縮方向上的組織變形差異非常明顯；在模鍛過程中，金屬隨模腔流動，與垂直于金屬流動方向的組織變形差異大。鍛坯和模具的形狀是決定金屬流動的主要因素，且不同的著力面也會影響鍛件組織及晶粒的均勻性。鍛件常見缺陷有：穿流、折疊、裂紋、龜裂、填充不足或缺料、錯位、冷硬、晶粒粗大及晶粒不均勻等。

圖2（d）是軋制成形示意圖。軋制是將坯料多次滾入兩個相反旋轉的軋輥預留的間隙中，使坯料厚度減薄而長度或寬度增加的過程。軋制可以有效細化晶粒尺寸和減小坯料厚度，最薄可壓延至雙零箔。但在軋制過程中坯料的變形不均勻，沿厚度方向，軋制力的大小隨厚度變化，接觸軋輥的坯料表面承受較大的軋制力，其變形程度大，組織細化效果好，且表面摩擦力會影響表層金屬的流動性，進而牽制內部金屬的流動；而芯部則相反，粗晶較明顯；沿長度方向，長條針狀組織較明顯。軋制零件常見缺陷有：表面夾雜、表面氣泡、輥印、壓印、金屬或非金屬壓入、折皺、結疤、耳子、裂變及塔形等。

圖2 旋壓、擠壓、鍛造及軋制成形的示意圖

3 旋壓技術的研究和發展方向

隨著國家工業的快速發展，國防軍工領域對旋壓產品質量的要求越來越嚴，原因在于難變形材料的復雜薄壁殼體是航空、航天、核工業和武器等國防軍工領域中常用的關鍵零件，且其服役環境非常惡劣[3]。因此，加快對旋壓設備及旋壓技術的研究是適應國防軍工領域追求構件的輕量化、高性能、可靠性發展的主要方向。著重從以下幾個方面研究將有助于旋壓技術的發展和旋壓產品的應用推廣。

（1）增加工藝參數合理配合方面的實驗研究。旋壓是多因素耦合作用下比較復雜的連續塑性成形的過程。旋壓件的尺寸精度、成形效果、組織及性能等質量因素不僅與旋輪運動軌跡、旋壓速度、減薄率、進給速度、進給量、旋壓溫度、旋輪與芯模的間隙和旋輪角度等工藝參數關系密切，而且受坯料變形抗力、回彈力和金屬流動性等因素的影響。特別是在旋壓加工難變形材料的大型帶筋復雜薄壁殼體的多道次復合旋壓成形時，殼體易出現開裂、隆起、鼓包、褶皺、翻邊以及壁厚不均等缺陷。近年來，我國的旋壓技術與國外先進水平的差距越來越小，但在難變形材料的帶筋復雜薄壁殼體工件的旋壓技術方面還存在很大差距。因此，增加工藝參數合理配合方面的實驗研究并對成形機理的深度分析是未來研究的重點。

（2）深化復雜工件旋壓工藝的計算機模擬仿真技術方面的研究。大型復雜薄壁殼體是多道次復合旋壓成型的過程，其旋壓工藝過程較復雜，影響旋壓件質量的因素較多，采用有限元模擬仿真技術能夠快速有效地發現坯料變形過程中存在的問題及產生原因。試驗結果與理論分析的結合有助于成形工藝參數的優化、旋壓成形機理的發展，且可減少因大量試驗研究造成的資源浪費。因此深化復雜工件旋壓工藝的計算機模擬仿真技術方面的研究，有助于我國在制造高性能大型復雜薄壁旋壓零件方面的快速發展。

（3）加快更高精度和更加先進旋壓機的研發。為進一步提高旋壓設備性能，滿足航空航天快速發展對高性能旋壓件的需求，未來旋壓設備將朝著系列化、專業化、大型化、高精度、高靈活、多功能、多綜合、自動化的方向發展。雖然我國在旋壓設備制造水平上已接近世界前列，但加快更高精度和更加先進旋壓機的研發與生產，對于提升我國的國防力量和國際競爭力都很有幫助。

4 結論

旋壓技術的先進性主要體現在經旋壓加工的零件經過回復、再結晶及加工硬化等作用后材料的組織較均勻，第二相及晶粒的細化效果好，晶粒尺寸相當，零件整體的強塑性得到穩定提高。目前，國內的旋壓設備及旋壓技術已接近世界先進水平，但基于其在加工回轉體類的高精尖材料中表現出來的獨特優勢，我們還需投入大量的時間和精力進一步研究旋壓設備和旋壓技術，特別是在高精尖零件旋壓工藝參數的合理配合和旋壓工藝的模擬仿真方面需進行深入研究，以期能充分發揮出旋壓技術的先進性，滿足航空航天及國防軍工等領域的更高要求。