强力旋压工艺及成形原理

1.强力旋压的成形特征

强力旋压又称变薄旋压，是在普通旋压的基础上发展起来的，其成形过程为：模具带动坯料旋转，旋轮作进给运动，使坯料连续地逐点变薄并贴靠模具，成为所需要的零件。旋轮的运动轨迹由靠模或计算机程序控制。

强力旋压有剪切旋压和流动旋压两大类。其中，剪切旋压成形异形件，流动旋压成形筒形件。图7-3中，图7-3a所示为锥形件的剪切旋压，图7-3b所示为筒形件的正向流动旋压，图7-3c所示为筒形件的反向流动旋压。

强力旋压件因外形不同，可分为锥形件、筒形件及复合件，复合件由锥形段和筒形段组成。锥形件的强力旋压采用板坯或预制空心坯料。筒形件的强力旋压采用短而厚、内径基本不变的筒形坯料。

强力旋压过程遵循体积不变原理，筒形件的强力旋压中，其变形前后的体积相等，公式表示为（D_m+t₀/2）t₀l₀=（D_m+t_f/2）t_fl_f （7-1）

式中 D_m——模具直径（mm）；

t₀、t_f——变形前后的壁厚（mm）；

l₀、l_f——变形前后的长度（mm）。

为简化计算，式（7-1）可简写为t₀l₀=t_fl_f。

锥形件强力旋压即剪切旋压，变形遵循正弦规律。

对板坯旋压时

t_f=t₀sinα （7-2）

对预制坯旋压时

t₁/sinα₁=t₂/sinα₂ （7-3）

式中 t₀——坯料厚度，即变形前厚度（mm）；

t_f——成品壁厚，即变形后壁厚（mm）；

α——模具半锥角（°）；

t₁——预制坯壁厚（mm）；

α₁——预制坯半锥角（°）；

t₂——工件壁厚（mm）；

α₂——工件半锥角（°）。

图7-3 剪切旋压和流动旋压示意图

a）剪切旋压 b）正向流动旋压 c）反向流动旋压

2.强力旋压的工艺类别

强力旋压可按变形性质、零件形状、旋轮与坯料相对运动的方向与位置、旋轮的形状与数量及温度等分类，主要类别见表7-3。

表7-3 强力旋压的主要类别

正旋指坯料的延伸方向与旋轮的进给方向相同，反旋指坯料的延伸方向与旋轮的进给方向相反。

热旋压时常见合金的热旋温度见表7-4。

除表7-3所列分类外，强力旋压还有其他分类方法，如下：按旋轮及模具与坯料的相对位置可分为外旋与内旋。内旋时，管坯外有模环，旋轮置于管坯之内，旋轮与管坯作相对转动；外旋时，旋轮与坯料的位置的相互调换。

按旋压工具的不同，强力旋压又可分为旋轮旋压和滚珠旋压。按旋轮数量的不同，强力旋压可分单轮旋压和多轮旋压。

管材旋压时可进行张力旋压，即工件轴向的自由端施加一个张应力，张应力小于变形材料屈服强度。该工艺适宜长管旋压，可消除变形失稳，提高管材平直度。

表7-4 常见合金的热旋温度

3.强力旋压的成形原理

强力旋压的主运动是模具带动坏料的旋转运动，工件的成形是依靠旋轮逐点连续挤压旋转的坏料来完成的。坏料在旋转时受到旋轮的阻碍而产生变形，同时，旋轮在摩擦力的作用下旋转。因此，旋轮的旋转运动是被动的，其转速大小决定于坯料的转速和坯料与旋轮的直径比。在坯料随旋压模具的转动中，旋压工具与坯料相对进给，使坯料受压并产生连续的局部变形。

在锥形件的剪切旋压中，随着旋压的进行，变形的直径不断增大，而旋轮的直径是不变的，因而旋轮的转速随之不断地同步变大。由于旋轮与工件接触面上各点的半径比是不同的，因此旋轮与工件之间不仅有滚动摩擦，还有滑动摩擦。

筒形件的流动旋压与锥形件的剪切旋压主运动相似，均通过旋轮对工件局部施压，工件与旋轮相对转动，并沿螺旋线逐步推进，完成整个工件的成形过程。变薄施压时，坯料上有一个连续的、沿螺旋线位移的塑性变形区，其螺距等于坯料旋转一圈时旋轮的位移量。

（1）剪切旋压

1）正旋规律。异形件的强力旋压为剪切旋压，零件包括锥形件、曲母线形件及椭球体封头等。当模具半锥角为α，旋压件壁厚为t_f时，旋压前后坏料和成品的壁厚关系满足正弦规律公式（7-2）。

正弦规律公式是制订工艺参数和控制剪切变形的依据。锥形件剪切旋压的金属变形过程复杂，为方便理解，可将变形过程简化为理想变形状态，将坯料视为由若干同心单元环组成。剪切旋压后，同心单元环产生轴向滑动，形成锥体同心环，即纯剪切变形。按照纯剪切变形原理，由板坯旋压成形锥形件时，其壁厚减薄率ψ_t与模具半锥角件锥角之间存在下列关系ψ_t=（t₀-t_f）/t₀=1-sinα （7-4）

凸缘体垂直于轴线时，即α=θ/2=90°；如坯料为预成形件，预成形锥角θ/2处于90°～0°之间，在模具锥角相同时，预成形锥角越小，则剪切应变越小。纯剪切旋压时，坯料没有周向收缩，只产生轴向的塑性流动，坯料变形前后任何点的半径距离均相等。

锥形件的剪切旋压中，旋轮与工件接触时的实际变形如图7-4所示。变形前，坯料上的线段AB、CD满足AB=CD=t₀；变形后A'B'=C'D'=t₀。变形表现为由矩形ABCD变成平行四边形A'B'C'D，即AB相对于CD平行错动，只有角度变化。

坯料在旋轮作用下除产生剪切变形外，还有沿周向的塑性流动，因坯料与模具之间存在的摩擦，工件外表面的应变硬化大于内表面。

锥形件由多道次剪切旋压成形时，半锥角为αn，半成品的壁厚为t_n，板坯厚度t₀的正旋关系为sinα_n=t_n/t₀。

图7-4 剪切旋压变形示意图(www.xing528.com)

2）变形与摩擦。锥形件旋压的变形如图7-5所示。由图可知，旋轮的AB段与工件接触。从A点到B点，工件与旋轮的半径比逐渐增大，各点因摩擦所产生的旋轮转速也逐渐增大。AB段只有一个同速点，即工件的圆周速度与旋轮的圆周速度相等，此点处为滚动摩擦，其余点处为滑动摩擦。图7-5中，AB段中E点为同速点，即nMrE=nRRE （7-5）

式中 n_M——工件转速（r/min）；

n_R——旋轮转速（r/min）；

r_E——同速点处的工件半径（mm）；

R_E——同速点处的旋轮半径（mm）。

据计算和实测可知，同速点E的位置角φE随旋轮所处位置的不同而变化。在AE段，工件的转速低于旋轮，工件对旋轮的摩擦力使旋轮减速；在EB段，工件的转速高于旋轮，工件对旋轮的摩擦力使旋轮加速。只有在E点的位置，两个方向相反的摩擦力矩平衡，旋轮的转动才能稳定。

（2）流动旋压

图7-5 锥形件旋压的变形示意图

1）塑性流动规律。在筒形件强力旋压的塑性变形区内，旋轮与坯料相对转动，变形区出现塑性流动变形。变形瞬间，变形区径向压缩，导致其轴向和周向产生金属流动。

筒形件强力旋压的变形遵循金属流动最小阻力定律，从而产生体积位移。其中，轴向流动是主要的流量流动方向，周向的流量很小。

图7-6 强力旋压的周向壁厚变形示意图

强力旋压的周向壁厚变形如图7-6所示。图中，Z₀为分流距，t'0为含堆积量的坯厚，面积A与面积B为变形区，在坯料被旋轮碾压一圈的体积中，以距y轴为Z₀的分流线为界，面积B的金属向后流向旋压件的壁部，面积A的金属向前流动，形成隆起与堆积A'。箭头C表示有少量金属沿周向流动。金属隆起与堆积导致t₀增加至t₀'，增大变形量与变形力。当隆起量不变时，旋压变形基本稳定。

2）变形与摩擦。在筒形件流动旋压的塑性变形过程中，无论正旋还是反旋，旋轮与工件的接触面上都存在强烈的滑动摩擦。变形区由已变形区向未变形区推进的过程中，稳定流动时，单位时间流入变形区的金属量等于流出变形区的金属量。

图7-7 任一横截面N-N上旋轮与工件的接触区

旋轮与工件的接触区如图7-7所示，可对旋轮与工件接触区的任一横截面N-N上的摩擦力进行分析。由图可见，横截面的旋轮与工件接触于AB弧。在AB弧上，旋轮上每一点的圆周速度是相等的，即vN=2πrNnR （7-6）

式中 v_N——N-N横截面上旋轮的圆周速度（m/s）；

r_N——N-N横截面上旋轮的半径（m）。

n_R——旋轮的转速（r/min）。

工件AB弧上各点的圆周速度是不相等的V_θ'=2πr_in_M （7-7）

式中 v_θ'——位置角为θ_i'处的圆周速度（m/s）；

r_i——位置角为θ_i'处的工件半径（m）；

n_M——工件转速（r/min）。

由式（7-7）可知，v_θ'值随r_i值发生变化；同时，v_θ'在旋轮切线上的投影v_i也随之变化。因此，v_i=f（r_i）。由图7-7上的几何关系可知vi=2πrinMcos（θi+θi'）=2πrinM（cosθicosθi'-sinθisinθi'） （7-8）

依据r_Nsinθ_i=risinθ_i'及L=rNcosθ_i+r_icosθ_i'，式（7-8）可简化为v_i=2πn_M（Lcosθ_i-R_N）

式中 L——旋轮与工件的中心距（mm）；

v_i——v_θ'在旋轮切线上的投影（m/s）。

其余变量的含义及单位同式（7-6）～式（7-8）。

在一定的横截面上，n_M、L和R_N值都是常数，故v_i=f（cosθ_i），v_i值从A点到B点逐渐减小。在旋轮和工件的接触面上，只有满足v_i=v_N的点才是两者的同速点，该点处为滚动摩擦，其余点处均为不同程度的滑动摩擦。

由于旋轮和工件的接触面上出现剧烈的滑动摩擦，既需要较大的功率，又产生一定的热量，因此必须对旋轮和工件的接触面进行充分的润滑和冷却。流动旋压时，材料同时存在压缩、拉伸和剪切的复合变形。受变形量和摩擦阻力的影响，金属畸变在靠近旋轮处的变形量较大，靠近模具处的变形量较小。

4.强力旋压的变形过程

强力旋压的变形过程可分为起旋、稳定旋压和终旋三个阶段。

起旋阶段是从旋轮接触坯料至达到所要求的壁厚减薄率，该阶段壁厚减薄率逐渐增大，旋压力相应递增，直至达到最大值。旋压坯料达到所要求的壁厚减薄率后，旋压变形进入稳定阶段，该阶段的旋压力和变形区的应力状态基本保持不变。终旋阶段是从距坯料末端处开始至旋压终了，该阶段坯料刚性显著下降，旋压内径扩大，旋压力逐渐下降。筒形件强力旋压三个阶段的旋压状态如图7-8所示。

对于锥形件的强力旋压，如果起旋阶段工艺参数选择不当，就容易产生局部弯曲，坯料凸缘产生皱褶，终旋阶段，当旋轮靠近坯料边缘时，凸缘易产生弯曲和倾斜，外层材料局部受拉应力，易裂开。

图7-8 筒形件强力旋压三个阶段的旋压状态

a）起旋阶段 b）稳定阶段 c）终旋阶段

5.强力旋压的特点

强力旋压的特点如下：

1）材料利用率高。与机加工相比，材料利用率可提高约10倍，加工工时降低近40%。

2）产品品质高。旋压后工件组织致密，纤维连续，晶粒细化，产品综合性能高。

3）由于工件是经旋轮逐点、连续接触旋压成形的，金属具有更高、更好的工艺塑性，成形性好。

4）对设备吨位要求较小，生产成本低，适用于中小批量的生产。

5）模具磨损小、寿命长、费用低。与拉深成形同类零件相比，旋压的模具费用仅是拉深模具费用的1/10左右。