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（一）簡介
旋壓技術是一項具有悠久歷史的傳統技術，據文獻記載最早起源于我國唐代，由制陶工藝發展出了金屬的旋壓工藝。到20世紀中葉以后，隨著工業的發展和宇航事業的開拓，普旋工藝大規模應用于金屬板料成形領域，從而促進了該工藝的研究與發展。在二十世紀中葉以后，普通旋壓有了以下三個方面的重大進展：一是，普通旋壓設備逐漸機械化與自動化，在20世紀50年代出現了模擬手工旋壓的設備，即采用液壓助力器等驅動旋輪往復移動，以實現進給和回程，因而減輕了勞動強度。二是，在20世紀60~70年代出現了能單向多道次進給的、電器液壓程序控制的半自動旋壓機。三是，由于電子技術的發展，于20世紀60年代后期，國外在半自動旋壓機的基礎上，發展了數控和錄返式旋壓機。這些設備的快速發展將旋壓工藝帶進了中、大批量化的生產中[1-11]。 強力旋壓是上世紀五十年代在普通旋壓的基礎上發展起來的，最早是在瑞典、德國被用于民間工業(例如，加工鍋皿等容器)。由于旋壓工藝的先進性、經濟性和實用性，且該工藝具有變形力小，節約原材料等特點，在近四十年中，旋壓技術得到了長足的發展，不僅在航空航天領域，而且在化工、機械、輕工等民用工業中都得到了廣泛應用。目前，旋壓技術已日趨成熟，已經成為金屬壓力加工中的一個新的領域。
近20年來，旋壓成形技術突飛猛進，高精度數控和錄返旋壓機不斷出現并迅速推廣應用，目前正向著系列化和標準化方向發展。在許多國家，如美國、俄羅斯、德國、日本和加拿大等國己生產出先進的標準化程度很高的旋壓設備，這些旋壓設備己基本定型，旋壓工藝穩定，產品多種多樣，應用范圍日益廣泛[19]。
我國旋壓技術的發展狀況與國外先進水平相比有較大差距。但近年來取得了較大發展，許多產品精度和性能都接近或達到了國外較先進水平。國內許多研究所(如北航現代技術研究所、黑龍江省旋壓技術研究所、長春55所等)已經研制出了性能較好的旋壓機。
（二）、旋壓技術
2．1 旋壓技術介紹
2.1.1 旋壓技術定義與分類
旋壓是一種綜合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環軋、橫軋和滾擠等工藝特點的少無切削加工的先進工藝，將金屬筒坯、平板毛坯或預制坯用尾頂頂緊在旋壓機芯模上，由主軸帶動芯棒和坯料旋轉，同時旋壓輪從毛坯一側將材料擠壓在旋轉的芯模上，使材料產生逐點連續的塑性變形，從而獲得各種母線形狀的空心旋轉體零件。旋壓工藝的加工原理如圖2-1。
根據旋壓加工過程中毛坯厚度的變化情況，一般將旋壓工藝分為普通旋壓和強力旋壓兩種。
普通旋壓簡稱普旋。傳統觀點認為，普旋過程中毛坯的厚度基本保持不變，成型主要依靠坯料沿圓周的收縮及沿半徑方向上的伸長變形來實現，其重要特征是在成型過程中可以明顯看到坯料外徑的變化。
普通旋壓的基本方式有：拉深旋壓(拉旋)、縮徑旋壓(縮旋)和擴徑旋壓(擴旋)等三種。
拉深旋壓是指毛坯拉深過程中的旋壓成型方法。如圖2-2-a示。它是由普通旋壓中最主要和應用最廣泛的成型方法。毛坯彎曲塑性變形是它的主要的變形方式。拉深旋壓又可分為簡單拉深旋壓和多道次拉深旋壓。
縮徑旋壓是指使用旋輪(或摩擦塊)將回轉體空心件或管狀毛坯進行徑向局部旋轉壓縮以減小其直徑的成型方法。如圖2-2-b示�？s徑旋壓過程中，將毛坯同心地適當裝夾在適當的芯模中，將需要成型的那部分從中露出外面，當主軸帶動毛坯旋轉后，由手工操作或自動控制旋輪，按規定的形狀軌跡作往復運動，當每次改變方向時給以一定大小的橫向進給，逐步地使毛坯外周縮徑，得到帶有喉徑形狀或封閉球形的零件。為了避免工件產生起皺和破裂，應根據縮徑前后直徑之比，將過程分為若干道次或工序進行，即旋輪要作多次往復運動，且每次之前均給以一定的進給量，有時還需更換幾次芯模和進行中間熱處理等。根據材料和工件尺寸，有時要在加熱條件下縮旋。如有可能通過支承容器邊緣以減少生產起皺的趨勢，從而可增大進給并減少生產周期。
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擴徑旋壓是利用旋壓工具使空心回轉體容器或管狀毛坯進行局部(中部或端部)直徑增大的旋壓成型方法，如圖2-2-c示，這種工藝方法的限制主要是工件的材料性能，如抗拉強度、屈服極限、沿伸率、斷面收縮率等。根據工件擴徑程度的大小，往往分為若干道次進行。其道次數的確定原則是:使材料在擴徑過程中不致產生過度的應變(應力)，也就是說，在成型過程中的應力不能超過材料的抗拉強度，否則會導致破裂。如果材料有較大的加工硬化趨向，則道次數要少，且每道次擴徑量盡可能大，否則由于硬化嚴重，需更早時進行中間熱處理，否則就無法進行。
強力旋壓簡稱為強旋。強旋工藝主要依靠坯料厚度的減薄來實現成形，坯料外徑基本保持不變。在進行強力旋壓時，旋輪加于坯料上的壓力要比普通旋壓時大得多，坯料的變形情況和普通旋壓時也不大相同，在普旋過程中，坯料厚度變化不大但直徑變化很大—由大變小或由小變大，而在強旋過程中，坯料直徑基本保持不變，但厚度變化很大—由厚變薄。因此強力旋壓又稱為變薄旋壓。從工藝過程分析看，強力旋壓屬軸向拉延，變形區材料處于二向或三向壓應力狀態，因而可產生較高的變形程度。根據旋壓件的類型和金屬變形機理的差異，強力旋壓可分為錐形件強力旋壓一剪切旋壓（如圖2-3-a示）和筒形件強力旋壓一擠出強旋（如圖2-3-b示）兩種。前者用于加工錐形、拋物線形、和半球形等異形件，而后者用于筒形件件和管形件的加工。有時這兩種方法聯合運用，加工各種復合形零件。強力旋壓工藝利用旋輪對連同芯模一起轉動的管狀或平板毛坯施加壓力，并沿毛坯經線方向進給，使得金屬沿經線方向流動，相當于金屬在旋壓過程中得到了軋制，從而使制件性能提高，因此，該工藝在某些生產領域內比一般的機加工更具有應用前途。
剪切旋壓指的是不改變毛坯的外徑而改變其厚度，以制造圓錐等各種軸對稱薄壁件的旋壓方式(錐形變薄旋壓)。這種成型方法的特點是旋輪受力較小，半錐角和壁厚互相影響，材料流動流暢，表面光潔和成型精度高，并且能較容易地成型拉深旋壓難于成型的材料。旋壓過程中遵循的理論計算公式為： 。根據旋后工件實際壁厚T11與理論值T1比較分為過旋壓(T11> T1)和欠旋壓(T11< T1)兩種旋壓方式。 筒形變薄旋壓是指旋輪緊壓在與芯模同時旋轉的管狀毛坯上并沿管坯軸向運動而制出薄壁長筒件。這種旋壓過程始終遵循金屬材料體積不變的原則，有如圖2-4示兩種旋壓方式，即材料的流動方向與旋輪的移動方向一致的正旋（b）以及材料的流動方向與旋輪的移動方向相反的反旋（a）。
根據旋壓輪是否在同一截面上還可將強力旋壓分為錯距旋壓（圖2-5）和同步旋壓。
2.1.2 旋壓技術工藝要素 普通旋壓主要是改變毛坯的形狀，而壁厚改變很小或不改變，其毛坯形狀及尺寸的設計計算是關鍵技術。其工藝要素為旋壓輪運動軌跡、旋輪直徑、旋壓間隙、進給率、主軸轉速、旋壓線速度、旋輪圓角半徑、旋輪前側面與模具母線夾角等。 強力旋壓主要是改變工件的壁厚和直徑尺寸，工件長度會相應作以改變，其工藝要素為旋輪直徑、旋輪圓角半徑、旋輪前角、旋輪后角、旋壓攻角、主軸轉速、進給率、旋壓間隙、旋壓道次、減薄率、工件半錐角、旋壓線速度等。 當然對于材料要求要具有較高的延伸率、斷面收縮率，抗拉及屈服強度也要適當。 金屬材料的熱處理也是旋壓工藝中主要的因素，在旋壓過程中由于受到強大的壓、拉應力，致使材料硬化嚴重，必須采取熱處理手段加以軟化，為了改變最終工件的機械性能也需要進行必要的熱處理。 2．2 旋壓技術在不同領域的應用 旋壓產品形狀各式各樣（如圖2-6示），通過旋壓可完成成形、縮徑、收口、封底、翻邊、卷邊、壓筋等各種工作，其產品廣泛應用于各行各業（表2-1）。
圖2-6 旋壓成型的工件形狀
表6 各種旋壓制件
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2．3 典型旋壓產品的工藝技術
2.3.1 圓筒形件強力旋壓
圖2-3-b為圓筒形件強力旋壓工藝過程，其材料變形過程始終遵循體積不變原則，工件形狀的改變為旋壓前后圓筒壁厚的減薄、直徑的變小、長度的增加，同時產品內徑也會因工藝參數的不同而有不同程度的改變，最終產品要素為圓筒外（內）徑、壁厚、長度、直線度、圓度等，產品長度可用式2-1計算。
其中：
L1--工件長度
L0--毛坯長度
S0--毛坯厚度
S1--工件厚度
di--內徑
在圓筒形件強力旋壓中有一種特殊的旋壓方式就是分層錯距旋壓，是指多個旋輪在周向相互錯開而在徑向又依次使毛坯厚度減薄的旋壓過程（圖2-2）。這種旋壓方式可以在一道次旋壓過程中完成多道次旋壓，提高了生產效率，同時由于對材料變形區增加了約束致使工件直徑精度得到了提高[2]。
工藝方案及參數的制定主要考慮毛坯材料的延伸率、斷面收縮率 、抗拉強度、屈服強度等因素。旋壓單道次材料減薄率不能大于極限減薄率。
可通過在多道次旋壓中間增加熱處理軟化工序成形最終產品，主要的工藝參數為道次減薄率、旋壓間隙、旋輪進給比、旋輪成形角、旋輪圓角半徑以及錯距量等，旋輪成形角、旋壓間隙要合理匹配，負責旋輪前沿材料極易產生局部隆起、堆積以至失穩開裂。
毛坯的設計主要依據體積不變的原則（式2-1），按道次安排同時考慮旋壓效率等因素，旋壓前后直徑的變化也應該考慮，一般遵循旋輪進給比大有利于縮徑，進給比小有利于擴徑的規律。
2.3.2 錐筒形件剪切旋壓
圖2-3-a為錐形工件剪切旋壓工藝過程，除了遵循體積不變原則外，正弦理論是該工藝過程中必須依據的主要理論（式2-3/2-4）。
板料成形錐形件：
S1=S0*sinα （式2-3）
預成形件成形錐形件（兩次或多次剪切旋壓）：
工件形狀的改變主要是壁厚的減薄、錐度減小和高度的增加，最終產品要素為錐筒段高度、半錐角、壁厚、已知位置的直徑、錐筒段母線直線度、圓度等。
在實際剪切旋壓中常有三種偏離狀態，即“零偏離”、“正偏離”和“負偏離”，用偏離率 △t（式2-5）來表示。
當△t=0 時為“零偏離”，即實際壁厚等于理論壁厚；當△t>0時為“正偏離”或稱“欠旋”，此時實際壁厚大于理論壁厚；當△t<0 時為“負偏離”或稱“過旋”，此時實際壁厚小于理論壁厚。此三種狀態可根據工藝需要適當調整。只有在“零偏離”時工件貼模性良好、精度較高。
工藝方案及參數的制定也因考慮所旋材料的延伸率、斷面收縮率等因素。根據變形程度的大小，可適當增加剪切旋壓道次，在道次中間增加熱處理工序以軟化材料，增加可旋性。在鋁合金材料的剪切旋壓中由于變形程度較大，可通過熱旋壓的方式成形工件，具體是將毛坯均勻預熱到再結晶溫度以上，同時將旋壓模具加熱到200~300℃，在旋壓過程中可用乙炔焰直接加熱毛坯，以保證溫度不會過快降低，使材料處于軟化狀態，有利于旋壓成形。其主要工藝參數除無錯距量外，其余同圓筒強力旋壓，為了增大材料變形區面積，防止材料所受拉應力過大，旋輪前沿處材料局部隆起過高，旋輪大多使用大圓角的普旋旋輪。
毛坯的設計主要依據剪切旋壓正弦理論，工件壁厚與錐度成特定關系。因形狀變化較大，旋壓時應防止局部失穩開裂。
2.3.3 封頭普旋成形
封頭是一種廣泛應用于鍋爐、化工容器、油罐、核反應堆、導彈和人造衛星等的重要零件。其規格正向大型化的方向發展，應用領域也在不斷擴大.采用旋壓法加工大、中型封頭具有其它加工方法無可比擬的優越性。
圖2-7為封頭旋壓工藝過程，封頭旋壓通常是采用板料成形，變形前后壁厚不變化或者變化極小，直徑變化較大，或收縮或擴大，旋壓時較易失穩或局部拉薄，有單向前進旋壓和往復擺動多道次逐步旋壓兩種方式（圖2-7中a和b）。產品要素為封頭外形輪廓度、已知位置直徑、高度、壁厚等。
圖2-7 封頭旋壓
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主要工藝要素為旋輪運動軌跡、旋壓道次、道次旋壓間距、旋壓速度、是否熱旋等，漸開線形旋輪運動軌跡最有利于旋壓成形，道次旋壓間距的確定極為重要，直接影響旋壓過程的成敗。
目前，國內外在封頭冷旋壓成形中，主要采用兩種方法。一是一步法，即板坯在旋壓機上一次旋壓成形。二是二步法，即板坯是在壓鼓機上沿板坯展面逐點壓制成球冠形，然后在旋壓機上翻邊。一步法旋壓封頭，其工作效率遠遠高于采用二步法成形封頭工藝過程，產品質量較好。現階段一步法旋壓封頭已處于主導地位，并已發展成熟。
封頭的旋壓成形分冷旋、溫旋、熱旋。冷旋是指在常溫下對毛坯板料進行旋壓成形，由于受到材料塑性限制，能采用冷旋成形的封頭材料并不多。封頭溫旋成形技術主要用于中厚板封頭和一些難于冷變形材料的封頭成形。一般將金屬加熱到再結晶溫度或鍛造溫度以下某個溫度的旋壓成形稱為溫旋。熱旋成形是將金屬加熱到再結晶溫度或鍛造溫度以上某個溫度下進行的，隨著溫度的升高，金屬的塑性也隨之增強。而變形速度對塑性的影響是一個比較復雜的問題，隨著變形速度的增加，既有使金屬塑性降低的一面，又有作用相反的一面，而且不同溫度下變形速度的影響也不同。
2.3.4車輪輞旋壓 車輪輞旋壓技術是近幾年才發展起來的輪輞成形新工藝方法，主要針對鎂鋁合金材料的輪轂（圖2-8），也有部分輪轂采用鋼質。國外17英寸以下轎車鋁輪的生產以鍛坯或環坯經旋壓成型已成為主流。近幾年國外用鍛造、旋壓工藝制造了22.5英寸載重汽車無內胎車輪，以其造型美觀、重量輕、強度高成為鋼輪的強勁競爭點。
圖2-8 鋁合金車輪
傳統的輪轂制造工藝方法是在較低壓力(一般在20～60KPa)下澆注（鑄造）—熱處理—機械加工—最后表面處理，該方法適合大批量生產、生產率高、合格率較高、鋁液利用率較高，但表面質量欠佳、成本稍高，而采用鍛造—退火—旋壓—熱處理—機械加工—表面處理（噴涂或電鍍）工藝方法生產的輪轂，大大提高了制造精度，有較致密的金相組織和較好的機械性能，較易達到輪轂等強度要求，重量輕、表面光潔，機械加工余量大大減少。此工藝在德國等較發達國家已發展成為成熟技術，目前國內已有較少企業在使用該工藝研究試制。
車輪旋壓工藝一般可采用板材劈開式旋壓（圖2-9-a）或用鑄（鍛）件毛坯進行強力旋壓（圖2-9-b）成型兩種工藝方式。劈開式旋壓工藝是將圓盤狀板坯用劈開輪通過分層工藝，使毛坯在厚度方向中部被劈成兩份，再用成型輪漸進普旋成型即可；強旋工藝是將鑄（鍛）鋁毛坯進行若干道次的強旋，從而達到輪輞型面尺寸要求。
圖2-9 車輪旋壓
2.3.5 無縫整體氣瓶旋壓
旋壓無縫整體氣瓶是近幾年才發展起來的新的工藝方法和產品，共有四種類型：鋼制無縫氣瓶、鋁合金氣瓶、復合材料鋼內膽氣瓶、復合材料鋁內膽氣瓶。主要應用于呼吸氣瓶、CNG天然氣氣瓶、中大型高壓氣體運輸氣瓶等領域。
傳統的氣瓶制造方法為沖壓瓶肩和瓶底，再與管件或卷焊瓶體焊接而成，制造工序復雜、成本較高，產品密封性及承壓能力不理想。而旋壓氣瓶以其獨有的整體無縫式已占有極廣闊的市場，并有完全取代傳統工藝方法所制造的氣瓶的局勢。
無縫整體式氣瓶旋壓最常用的工藝方法根據材料的不同有兩種工藝路線，鋁合金氣瓶材料多為6061鋁板或鋁棒料，其工藝路線為板材沖壓/鋁錠熱（350℃~450℃）反擠壓成杯狀－強旋直壁部分－熱收口（400℃~450℃）普旋成形瓶肩及瓶頸，鋼質（多為30CrMo）氣瓶為管形件熱旋壓（900℃~1000℃）封底－強旋直壁部分/或不旋－熱收口（900℃~1000℃）普旋成形瓶肩及瓶頸。圖2-10-a為氣瓶熱收口普旋工藝過程，圖2-10-b為收口后的部分產品截面。
收口旋壓中應該注意的是旋壓設備、熱旋溫度、普旋道次及軌跡，另外還應防止瓶肩內壁起鄒。
圖2-10 氣瓶收口旋壓
2.3.6 帶輪旋壓
按照皮帶輪的槽型和加工工藝可其分成三大類：劈開輪、折疊輪和多楔輪（多V帶輪）。這些旋壓皮帶輪做為一種新工藝產品，已經廣泛用于汽車、拖拉機等用內燃機驅動的輔助設備，如冷卻風扇、發電機、水泵、空調機、壓縮機、動力轉向泵等，以及機床、農業機械、家用電器、家用機械等設備。由于此三大類旋壓皮帶輪的結構特點不同（圖2-11），其加工工藝也不相同。板材旋壓V帶輪的基本結構型式為單槽、雙槽和多槽。板材旋壓多楔帶輪的基本結構型式為折疊式，按楔槽數分為三楔、四楔、六楔、七楔和八楔。
劈開輪一般采用一次沖裁制坯，在旋壓機上用旋輪從材料厚度的二分之一處劈開后整形旋壓而成形（圖2-11-e）。由于其加工工藝比較簡單，影響產品質量的主要因素是毛坯本身的平面度精度，因此對沖裁的沖壓模具要求較高。
圖2-11 旋壓皮帶輪的結構特點
折疊輪是采用沖壓和拉深方法制坯，并在旋壓機上旋壓，同時適當加以軸向壓力而成形，通常最后一道次用固定齒間距的模具和旋壓輪進行精整旋壓，達到產品精度要求。由于折疊輪在成形過程中沒有發生金屬流動，只是形狀的變化，所以工藝上也比較簡單，影響質量的因素不多。
多楔輪同樣采用沖壓和拉深方法制坯，然后在旋壓機上旋壓成形。由于齒形是在材料壁厚上用擠壓方式使之產生金屬流動和塑性變形而形成的，所以影響產品最終質量的因素就較多，包括上下模、旋輪形狀、旋壓道次、材料等（圖2-11-f）。
圖2-12 復合帶輪旋壓
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2.3.7 帶內外縱向齒筒體旋壓
強力旋壓技術可用來制造帶縱齒形的薄壁類零件（汽車離合器殼體）、滑動套筒、傳動軸的“驅動內形”以及傳動輪的吶合齒形等。該技術的開發與推廣應用，為加工該類型的零件減少了較大的成本，同時對工件的成形結構有較大的改變。帶縱齒筒形件強旋成形是一個復雜的材料塑性成形過程。目前，由于該加工過程本身的復雜性，利用現有的塑性成形理論尚不足以推導出其實際的計算公式，工藝參數的最佳選擇途徑還主要是依據經驗而定。
帶縱齒工件多種多樣，主要的齒形如圖2-13示。
圖2-13 帶縱齒工件齒形
帶縱齒工件的旋壓成形主要應考慮的工藝因素有工件材料、模具材料、內外齒形、模具齒形、摩擦狀況、工藝過程和熱處理等。
制造帶縱齒薄壁零件的毛坯一般采用平板坯料，先進行拉深、模鍛或管截面成形等方式的預成形加工，然后再將筒形件安裝于專用成形模具而旋壓成形。零件的成形在通常情況下僅需要一個旋壓道次就可以完成，只有在特殊的工件幾何形狀時或較長工件時才需要采用多道次工序先對材料預成形加工，然后再進行終旋精加工成形。
外縱齒形也可以通過旋壓工藝高精度地加工制造，借助于旋輪和帶有內齒的空心模具采用內旋壓法來成形，這種方法受到直徑的限制。另外一種方法是借助于一個或多個相適應的帶齒旋輪通過唯一的徑向進給運動來旋壓成形工件的外形齒形。
圖2-14 板材成形內外齒工件
2.3.8 波紋管旋壓
波紋管式節能換熱器具有換熱效率高、體積小、重量輕、能夠自身吸收熱變形等特點，深受用戶的歡迎。目前，生產各種換熱波紋管的工藝方法有焊接、液壓、模壓、軋制等，這些工藝方法尚存在設備復雜、適用范圍窄、成本過高等問題，旋壓成型換熱波紋管是一種新的加工技術。九十年代初發明成功以來，其產品已得到了廣泛的應用。
旋壓工藝過程如圖2-15所示，工藝要素為旋輪形面形狀、旋輪進給速度、主軸轉速、加熱溫度及熱影響范圍、單波軸向壓縮量△l（指每成形一個波形，管坯沿軸向的壓縮長度，它是影響波紋形狀和局部壁厚減薄量的關健參數�！鱨太大，會造成管坯彎曲，破壞已成型的波形，△l太小，局部壁厚減薄量增大）。旋壓中易產生縮徑效應，導致局部壁厚超差。主要產品因素為直線度、波距精度和波深精度等（圖2-16）。
1 主軸 2 波紋管 3 旋壓輪 4 加熱機構 5 壓力機構 圖2-15 波紋管旋壓原理
圖2-16 波紋管
2.3.9 異型件旋壓
''''''''''''''''
圖2-17 旋壓異型件
鈦合金氣囊內膽屬航天飛行器配件，工件圖如下。
圖2-18 鈦合金氣囊內膽
該氣囊所用材料為TA7，這種材料的機械性能σb=785Mpa，ψ=25%，板材壁厚為1.5，要求普旋時壁厚減薄率不大于8%。由于材料強度高，斷面收縮率小，形面復雜，在成形時存在較大的困難。
分析該工件結構為兩片完全相同的半環型薄壁件焊接而成，因此，如果能旋壓出半環薄壁件再焊接即可，考慮到形狀的復雜性，采用分模旋壓方案，先旋出半環內形面（圖2-19-a為內形面旋壓模具），再換裝外形面旋壓模具（圖2-19-b為外形面旋壓模具），旋出外型面。
a內形面旋壓模具圖 b 外形面旋壓模具 圖2-19 鈦合金氣囊內膽旋壓模具
導彈鼻錐件所用材料為6061鋁合金，工件及工序如圖2-20示。
圖2-20 導彈鼻錐件
該工件主要工序為下料Ⅰ-板料沖壓Ⅱ-剪切旋壓Ⅲ-剪切旋壓Ⅳ-剪切旋壓Ⅴ，由于板料供應狀態為T6態，材料延伸率較低，不利于承受較大壓力加工，所以旋壓前對材料進行完全退火處理，以降低旋壓變形抗力、提高材料塑性，同時在旋壓道次間也可適當加以中間退火工序。
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（三）旋壓設備
3．1 旋壓設備的不同類型
旋壓機按其運動方式、主軸方位、旋輪個數等可分為多種類型，而按其功用大致可分為強力旋壓機、普旋機和專用旋壓機。強力旋壓機主要以流動旋壓和剪切旋壓成形為主，設備要求有較高的動靜態剛度，所受旋壓力及主軸扭矩較大。而普旋機主要成形有色金屬復雜曲母線形面工件，設備旋輪頭所受旋壓力較小。專用旋壓機主要承擔一種或較少種類似結構的工件加工任務，象氣瓶收口機、輪轂旋壓機、帶輪旋壓機等。
3．2 旋壓設備的關鍵裝置
3.2.1 控制系統
最早的旋壓機主要依靠手動控制旋輪運動軌跡，對工人的操作技術要求較高，工件一致性差，效率低。后來采用模擬電信號、PLC等控制旋壓機各開關參量，使得旋壓機的自動化程度大為提高，能實現批量化的生產。隨著電子電力微電子等領域專業技術的飛速發展，出現了錄返式控制旋壓機和數字化控制旋壓機，這是旋壓機控制方式的較大進步，錄返式旋壓機只需要將工件手動旋壓過程示教給旋壓機控制系統，錄返系統將通過“記憶”功能以同樣的路徑自動加工后續同種產品，實現自動批量生產的目的。目前的CNC旋壓機已具有較多的輔助功能，象自動上下料、自動換旋輪、恒線速等，裝機較多的控制系統是SINUMERIK 840D、FAGOR等，840D已具有6通道6主軸、每通道可實現各直線軸獨立運動的功能。
3.2.2 動力系統
主軸模擬、數字變頻實現無級變速及恒線速，主軸直流、交流變頻電機可提供較大的扭矩。旋輪頭直線軸依靠伺服電機通過高精度滾珠絲杠提供動力，用旋轉編碼器以半閉環控制方式確定位置，或通過直線及圓光柵尺以全閉環控制方式控制；旋輪頭直線軸也可采用液壓馬達、液壓缸以比例-伺服閥控制，以滿足較大的旋壓力需求。為提高生產效率，象較為先進的直線電機，電主軸等先進技術將不斷的應用于旋壓設備，從而為高速、超高速旋壓材料塑性變形理論研究提供條件。
3.2.3 主軸箱和導軌
由于無極變速范圍較小，往往增加機械齒輪變速機構來擴展主軸變速范圍，其典型的傳動方案是變頻電機-變速箱-主軸箱，通過變速機構的調整，達到變速范圍的調整，而在每個變速范圍內又可實現無極變速。由于有數控系統的支持，有的旋壓機也帶有主軸定向旋轉功能，在一些特殊的旋壓中也能起到一定的作用，同時能容易的實現旋壓中材料變形恒線速功能。
滑動導軌由于結構簡單、使用方便等原因，目前實際應用較多，但由于存在動靜摩擦突變，易導致“爬行”現象，影響了設備的穩定性。而靜壓導軌由于有極薄的一層油膜，其摩擦系數極小，對旋壓過程中的爬行現象能起到較好的克服作用，但由于旋輪座受較大的傾轉力矩，導軌較難平衡，容易導致工件幾何精度變差，目前在一些大型旋壓設備上有使用。滾動導軌由于受力較小、設備剛度要求較高等原因，實際應用不多。
3.2.4 旋輪座和旋輪頭
旋輪座有整體式和開式結構，整體式通常是將各旋輪裝在同一個框架機構上，各旋輪軸向運動采用同一信號控制、同一動力驅動，排除了同步誤差，可在大旋壓力狀態下穩定工作。開式結構具有較高的靈活性，可實現多輪多路徑同步旋壓，在普旋和專用設備中較多采用開式結構，缺點是剛性較差，旋壓力不能太大，旋輪頭較易震動。
旋輪頭根據安裝旋輪個數有單輪、雙輪、三輪、多輪幾種，在較先進的旋壓機上可實現自動換旋輪。單輪機構簡單、使用靈活方便，雙輪、三輪及多輪可在一道次旋壓中通過錯距旋壓實現多次變薄，提高生產效率。
3.2.5 旋壓工裝
芯模在有模旋壓中是不可或缺的工藝裝備，主要承受旋壓時的強大旋壓力，對工件變形起到支撐作用，保證了工件的內壁形面，在旋輪的共同作用下迫使材料屈服變形，變形過程中受到較大的摩擦力，因此要求芯模具有較高的強度、剛度和硬度，熱旋芯模還應具有較高的耐熱性。材料應采用淬火硬度在HRC50~60之間的各種工具鋼等。在結構上均為簡單回轉體，有內冷式、自動卸料式、組合分體式及較簡單的整體式結構。芯模直徑的確定主要應考慮工件旋壓后的材料回彈及脹縮徑量。
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旋輪與工件外表面直接接觸，承受極大的磨擦，要求旋輪具有較高的硬度（HRC55~65）、光潔度、及圓角尺寸精度。旋輪可分為圓弧式、雙錐面式、臺階式等形式（圖3-1），圓弧旋輪的圓角半徑rρ是影響旋壓質量的重要因素，常用范圍是 rρ ≈ (1~3)t0
圖3-1 旋輪形式
雙錐面和臺階面旋輪有帶光整段和不帶光整段兩種形式，雙錐面旋輪結構簡單、通用性大，，一般較多應用于筒形件旋壓，主要成形參數為成形角αρ和圓角半徑rρ，成形角一般取15°~45°，成形角過大使旋輪前材料隆起和堆積傾向增大，容易失穩拉裂，過小又容易擴徑。旋輪光整段的作用是利用材料彈性回復效應來減少工件表面不平度，光整段的存在使得旋輪圓角半徑得以減少，也起到了提高工件成形準確度的作用。臺階旋輪是在雙錐面旋輪成形段前增加一引導段，防止材料隆起、堆積、有時也可起到預成形的作用。
靠模樣板應用于無數控及仿形裝置的液壓設備中，在傳統的液壓設備中起到了極好的作用，增大了設備的旋壓范圍。
3．3 專用旋壓設備
3.3.1 輪轂旋壓機
具有較高的自動化程度，是規�；a線中的關鍵設備，能達到每分鐘生產2~4件的生產節拍。具有立式和臥式兩種結構，旋輪頭可正負向較高速工作進給，在一個工步可完成粗旋和精整過程，輔助工序少，產品質量及效率較高（圖3-2）。
圖3-2 輪轂旋壓機
3.3.2 帶輪旋壓機
多為立式旋壓機，旋壓帶輪直徑從40~450mm均可生產，結構有單輪、雙輪及三輪形式。以前我國主要靠進口專用帶輪旋壓設備（立式結構），現在已基本實現了國產化，并已形成多種規格的數條全自動生產線，以提供國內上千萬件的需求量。設備性能已基本達到國外先進水平，已具有剛性好、精度高、可靠性好、控制系統先進、調試方便、生產效率高、外形美觀等特點。
3.3.3 氣瓶熱收口旋壓機
熱收口旋壓機主要特點為可實現兩個直線軸（x、z軸）與一個旋轉軸（B軸）的三軸聯動工作，同時還具備了加熱功能，并配有自動上下料裝置�？捎糜诜獾住⒖s徑及曲母線弧段收口加工，在主軸、尾頂、選輪座、旋輪柄均采用強制冷卻方式，可自動控制點火、熄火及毛坯溫度保持，有的設備配有光學溫度監測計，以很好的控制溫度，加熱一般采用火焰或中頻感應加熱。目前國產該設備應用逐漸增多，已在東北、北京、上海等多個地區形成了數種氣瓶生產線，滿足國內甚至國外壓力容器市場的需求。圖3-3示為氣瓶熱收口旋壓機。
圖3-3 氣瓶熱收口旋壓機
[NextPage] 3.3.4 其它專用旋壓機
大型封頭旋壓機主要有兩種形式，即“二步法”成形（壓鼓+旋壓翻邊）旋壓機，“一步法”成形（多道次普旋成形）旋壓機。主要由機身、旋壓輥、成形棍、頂緊、動力機構、控制系統等構成。其核心為旋壓輥、成形輥的組合運動軌跡。圖3-4示為封頭旋壓機。
圖3-4 封頭旋壓機
翻、卷邊旋壓機通過轉臺的轉動來加工不同形狀的工件，壓力輪機構是其中的關鍵核心技術，其運動軌跡的計算較為復雜，而旋壓臂所受旋壓力相對較小，但要求旋輪機構運動靈敏迅速，成形簡單快捷，產品性能得到改善，提高了生產效率，降低了成本。
近年來，我國對大型封頭的需求日益增多，國內封頭旋壓設備研制也已基本能滿足國內市場發展需求，在國家政策的支持下，通過近幾十年的研究改善，大型封頭旋壓設備已基本實現了國產化。
（四） 國內外旋壓技術和設備的差距及各自的特點
我國旋壓技術的發展狀況與國外先進水平相比，無論是在產品種類、尺寸精度、設備能力和自動化程度等方面，還是在工藝理論研究方面還都有一定的差距。諸多科技工作者正在致力于該項研究工作，近20年來取得了較大發展，許多產品精度和性能都接近或達到了國外先進水平。國內少數高等院校，如哈爾濱工業大學、北航、西工大等，以及一些有實力的研究所已在研制CNC旋壓機、并進行理論探討和開發新工藝。尤其在近幾年中，我國一些工廠從國外引進了先進的數控旋壓機，使我國的旋壓技術日趨成熟。國內許多研究所(如北航現代技術研究所、黑龍江旋壓技術研究所、長春55所等)已經研制出了較穩定可靠的多種類型的旋壓機，在國內市場已有一定份額，但部分機種仍依賴于進口。
國外在旋壓領域不但擁有先進的設備而且掌握了成熟系統的旋壓技術。如德國LEIFELD公司的ST56-75NC三輪強力旋壓機可完成各種高精度薄壁筒形件多種曲母線的旋壓。美國最大400T雙輪立式旋壓機可對任意合金筒形件進行加工，對某些精密件收口壁厚公差可達士0. 38mm，表面粗糙度Ra3.2。日本東芝機械公司的高效率旋壓機將液壓仿形與數控相結合來熱旋各種形狀的高壓氣瓶。
另外，國外特別是美國、日本、德國等許多發達國家的旋壓技術日臻完善，不論在設備設計與制造、理論與工藝研究、旋壓技術的應用等方面都有很大的發展。我國的旋壓技術始于六十年代初期，經過幾十年的努力，我國在旋壓技術設備和旋壓工藝理論基礎研究方面（如旋壓過程的應力-應變有限元分析、新工藝新方法及理論的探索研究）取得了很多的進展，使得旋壓技術應用日益廣泛，但仍不能適應我國國民經濟發展的需要，特別是在理論研究方面至今仍然是一個薄弱環節，這已成為影響我國高檔設備使用效率和旋壓工藝進一步推廣應用的制約因素。因此，加強旋壓成形技術的理論研究，建立系統的基礎性資料，是我國旋壓技術發展中的一項重要內容。
（五）對旋壓成形技術中幾個問題的探討
5.1 工件表面粗糙度問題
表面粗糙度是衡量工件表面質量的主要參數，通常指的是輪廓算術平均偏差Ra，即在取樣長度L內輪廓偏距絕對值的算術平均值：
所有旋壓件是采用不去除材料方法加工，原始外表面粗糙度均有要求，通常其值被取為Ra3.2~12.3不等，這在旋壓界已成慣例，但詳細分析該參數項，并不能較合理地反映旋壓件外表面的質量狀況。如圖5-1所示。
圖5-1 旋壓件表面微觀粗糙度分析
a為旋壓進給率為f（mm/n）時相鄰旋壓凹痕間的距離，h為凹痕與凹痕間的凸痕高度，在同一旋壓過程中h值不變。根據粗糙度定義計算旋壓件粗糙度為
根據實際假如f=1.0mm/n，即a=1mm，旋輪攻角為30°，由實際作圖知h=0.042mm，那么Ra=0.042mm=42μm，即粗糙度為Ra42，這顯然不合理，因此傳統的粗糙度計算方法在此并不能有效地反映旋壓件的表面質量狀況，所以需要一個能確切的反映旋壓件表面質量的專用參數。
[NextPage] 分析工件表面紋理特征，提出旋壓工件旋紋度的概念。對于旋壓工件外表面粗糙度用旋紋度表示
其中5L為標準評定長度，一般L=2.5mm，1%為優化系數。用旋紋度能較為準確的表示旋壓工件外表面質量狀況，能將旋紋高度、寬度和疏密程度綜合程度表達清楚。比如上面的例子，
即旋紋度為5.25。這是一個綜合評定參數，值越大旋紋越粗糙，表面質量越差。
5.2 高速旋壓
目前幾乎所有可旋材料的旋壓塑性變形速度都處于相對較低的狀態，芯模轉速一般在50~300 n/min之間、旋輪進給比率小于2mm/n，建議研制開發新型高速旋壓設備，在有色金屬的旋壓（有模和無模）中將主軸轉速調高到500n/min以上，甚至高過1000n/min的速度，對有色金屬的高速旋壓狀態變形規律進行分析研究，為以后民用有色金屬的普旋成形精度控制開辟新的研究方向。
（六） 旋壓設備和技術展望
為了適應我國工業生產發展的需求，在設備方面應不斷提高整機系統的穩定性、控制檢測系統的先進性，朝著大型化、系列化、高精度、多用途、多功能和自動化方向發展，并不斷開發新的旋壓產品，擴展旋壓技術的應用領域，開發新的旋壓設備，增加設備及產業化生產線的自動化程度，工藝技術方面應不斷改善產品的成形質量(如尺寸精度、形狀精度、表面質量及性能等)，著力開發復雜曲母線、不同心及組合型新產品，在多種材料復合旋壓、以旋壓為主的多種制造方法復合制造及不同材料焊后旋壓變形機理理論及試驗研究方面加大力度，盡快形成較為全面、系統、可靠的旋壓基礎理論及質量控制體系，并逐步向綜合智能化旋壓方向發展，將機、電、液、微電子、光、檢測、傳感技術、人工智能等先進技術運用于旋壓技術，建立通用旋壓件制造專家系統，做到能自動識別產品圖紙和狀態，自動設計旋壓毛坯、規劃制造方案，工藝過程智能化編制、自動優化調整工藝參數。
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