旋压（spinning）、变薄旋压（shear forming）及流动成形（flow forming）工艺综述外文翻译资料

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旋压（spinning）、变薄旋压（shear forming）及流动成形（flow forming）工艺综述

C.C. Wong, T.A. Dean, J. Lin

机械与制造工程，工程学院，伯明翰大学，英国伯明翰市埃德巴斯顿B15 2TT，收文日期2003年6月13日；接受文章日期2003年6月17日

摘要

在过去的二十年里，旋压和流动成形作为金属成形工艺已经逐渐成熟，并被用于中小型批量工程部件的生产。结合了旋压和流动成形的技术正在被越来越多地使用，因为该技术巨大的可塑度使得生产的结构复杂的零件更加接近净形使客户能够优化设计，减轻重量和成本，这些都是至关重要的，特别是在汽车行业。

本文介绍了旋压成形和流动成形的工艺细节，描述了其技术发展水平和研究方面的进展以及工业应用。同时，为今后的工业应用的研究与开发指明方向。

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关键词：变薄旋压；流动成形；增量成形（Incremental forming）

1引言

金属旋压是目前最早的无屑成形方法之一，但多年来，这一工艺在拉深、烫平等成形过程中已失去了基础。然而，由于在简单的模具和低成型负荷过程中固有的优势和灵活性，再加上现代工业向近净形制造的薄片轻质零件迅速崛起的趋势，旋压已经在最近几年复兴，并已发展成为一个多功能的生产轻量化部件的过程。

旋压通常称为通过将坯料推到心轴上的工具将平板金属坯料（通常具有轴向厚度轮廓）转变成中空形状的方法，如图1所示。坯料通过尾座被刚性地夹持在心轴上，并且心轴的形状承载所需产品的最终轮廓。在该过程中，心轴和坯料都旋转，同时旋转工具接触坯料，并且根据心轴的轮廓逐渐引起其形状的变化。由于工具局部地施加在工件上，与常规的压制成型相比，总的成形力显著减小。这不仅增加了在具有较少复杂加工的情况下的大减薄和形状变化的可能性，而且还降低了成形机的所需负载能力和成本。此外，还已知旋压生产具有高机械性能和平滑表面光洁度。

有人提出，金属旋压的过程产生于古埃及的法老使用手动驱动的陶瓷轮灌封粘土的技术。然后在十世纪，然后在爱德华三世统治期间到英国，最后在十九世纪到美国[1]。 随着旋压艺术的迅速发展，普通旋压金属部件如茶壶和奖杯在中世纪首次生产[2]。在20世纪初，旋压被认为是一门艺术而不是科学，因为它需要经验和技能相当的操作员。

结果就是,旋压主要用于在简单的车床类机器上生产国内产品，例如炖锅和烹饪锅，其中尺寸公差的重复性不是非常关键。尽管由于需要熟练的操作者导致劳动力成本提高，这和相当低的工具成本抵消。

在20世纪中后期，需要将较厚的片材纺成具有较高尺寸精度的部件。这导致出现了新的设计和在更高的功率和自动化的普通旋压机的变化。这一发展的推动力之一是来自英国，美国，德国和瑞典等国家的飞机和航空航天工业[2]。 由机械驱动的普通旋压机生产的典型部件是用于燃气涡轮发动机，火箭鼻锥体和盘状天线的部件。也正是因为液压及自动化公司的流动成型技术的发展，以满足原始设备制造（OEM）行业的进一步需求。

流动成形是一种将中空金属坯料，盘或管安装在旋转心轴上并使材料通过一个或多个辊沿旋转心轴轴向流动的过程。流动成形和旋压的本质区别在于，在前一工艺中，坯料的厚度发生显着变化。这种技术的发展增加了增量成形技术的灵活性，并且为制造商提供了传统锻造和深拉的替代方案，其中部件的形状的尺寸或复杂性超过常规压力机的能力。

如今，旋压和流动成形技术正被用于生产许多关键部件，特别是用于汽车工业。使用简单的工具使金属能够在复杂路径中流动的能力不仅消除了压力机上的多重生产阶段，因此降低了成本，而且还提供了生产轻质，净形状零件的潜力。

本文首先对旋压及其联合工艺，变薄旋压和流动成形的工艺细节进行分类和描述，然后概述机床的发展。 此外，审查了在这些制造过程领域中进行的研究。 最后，基于目前的趋势，讨论了该领域未来的研究方向。

2成形工艺的分类、术语及特点：

在20世纪50年代之前，在类似于简单车床的机器上手动进行旋压。由于缺乏可控性和低工具负载能力，根据今天的标准，可实现的变形量是适度的。然而，随着机械动力旋压机的出现，剪变薄旋压和流动成形技术成为可能并且得到发展。

尽管所有这三种技术都被广泛使用，尽管它们不受到锻造和金属切削的公众注意。 这可能是由于以下事实：迄今为止，大多数知识由机床制造公司持有并且没有普遍认可和接受的分类和相关联的定义。如果要对该过程进行科学的处理，现在就必须对纺丝过程中产生的施加荷载和应力进行适当的分类和定义。

根据[3]，传统的术语“旋压”包括作为一般概念的一组用于生产旋转对称中空形状的成形工艺。基本上，所有旋压技术涉及在旋转工具接近工件并将其变形到所需形状的同时旋转夹持在卡盘上的工件。

对于作者已知的普通旋压工艺的唯一标准分类是DIN（德国标准化协会）标准8582，其基于在成形操作期间在材料中产生的内应力。在旋压过程中，根据产品形状和旋压技术，坯料可以经受拉伸和压缩的组合或仅经受压缩。因此，旋压（常规的）根据DIN标准8584进行再分类，通过压缩和张力的组合而塑化。另一方面,仅涉及压缩力的流动成形分类在DIN标准8583下。此外，流动成形还包括变薄旋压成形，其基本上涉及相同类型的变形，唯一的区别在于起始坯料是盘或与流动形成中的管或杯相比性能更好。图2显示了根据其最重要的特征的分类[3]

没有普遍接受的术语定义，因为设备的不同制造商可能对相同的技术使用不同的定义。结果就是，在过去几十年中发表的许多文献已经采用了不同的术语，特别是对于涉及厚度减小的旋压。使用的术语包括变薄旋压，强力旋压，旋压锻造和管旋压。Wang和Lu [4]在审查旋转成型中采用的术语时提出使用术语“变薄旋压”来定义所有涉及厚度减少的旋压工艺。然而，在本文中，作者采用了图2给出的术语，因为它在当今行业中通常使用并且被广泛接受。

3旋压设备的发展

在中世纪，使用棒状工具在木制旋转车床上进行金属的旋压，如图3所示。形成工件所需的力由相对较大的飞轮提供，由第二人手动驱动[2]。

第一台电动旋压机是在20世纪30年代开发的[1]。在这种类型的机器上，旋转工件借助于通常由钢制成的成形杆形成。为了充分利用可用的最大功率并辅助旋转器的运动，成形杆基本上围绕设置在刀架T形支架上的一系列孔中的可移动的枢轴枢转并滑动，例如在图4中所示的。刀架可以重新定位，调整高度和角度，以适应旋转器，机器高度或零件尺寸。为了防止在大直径的工件中产生褶皱，使用背棒，使得在成形工具和棒之间拉动工件。

辊形成杆和复合杆的组合后来被开发以手动旋转更大和更厚的工件[5]。仍然使用刀架，但是代替成形杆，长辊型成形杆枢转到复合杆上，复合杆自身枢转到其余部分上（图5）。虽然由于机械优点，可以旋转较大的尺寸，但是由于机械滑块到旋转车床上的出现，它没有变得非常受欢迎。

当工件变得太大或太厚而不能手动旋转时，需要机械辅助。通过引入横向滑动支撑和横向滑轨，滚子形成杆可以安装到横向滑动支撑和横向滑轨中，可以通过手动转动滑动器的手轮来获得滚子形成杆的期望运动，而不需要太多的努力，如图6所示。以这种方式，可以旋转较大或较厚的工件，例如锅炉端部。

在1945年，第一液压车床被引入以形成更厚和更高强度的材料。借助于液压动力，操作者可以通过手动阀操作辊，如图1所示。虽然可以通过液压动力产生的力远远高于人体力量，但是足以实现期望的滚子路径的手动阀的协调被证明是困难的。因此，工具崩溃的风险变得更高。因此，不久以后，在20世纪40年代后期引入了模板复制控制。

模板复制控制是从“手动旋转”到“自动旋转”的第一步。已经开发了具有模板控制的自动旋压机用于大规模生产高精度旋压产品，其中在旋压通道的形状和工件质量方面的进一步改进的重复性基于使用固定和移动模板。通过使用一包模板和复制示踪器。如图8所示，每个纺丝过程可以单独控制。 然而，调整和重塑单个模板以校正辊路径是耗时的并且导致使用旋转模板，使得能够实现全自动工作循环。

在20世纪70年代初，对更短的生产时间和质量的提高的需求导致了数控旋压机的发展[3]。该系统提供更大的灵活性，因为可以编程工具路径，并且可以在先前认为困难的材料中形成复杂的部件。与液压模板旋压机相比，CNC扩大了可以形成的部件配置范围。然而，CNC系统的缺点是高成本，并且需要具有编程技能的经验丰富的旋压操作者。

在这种情况下，20世纪80年代，我们看到了一个称为PNC的教学/回放系统的发展。 借助于播放控制，旋转器教导机器在随后的旋转操作中必须做什么。 编程不是通过数值数据，而是通过手动控制的旋压辊来描述路径; 因此熟练的旋转器能够将他的所有专业知识应用于相应的成形过程。随后，计算机记录所有处理命令，并复制操作员的处理过程，以便在自动模式下进一步生产。图9示出了利用回放控制旋转原型的示例。

今天，几乎所有的旋压和流动成型机都是NC控制或回放系统。现代机器还包括工具更换以及过程参数监控设备，以增加灵活性以及引入自适应控制。此外，已经开发了专用机器以形成具有特殊特征的部件，例如气缸上的非圆形形状和颈部。

4旋压

在常规术语中，旋压被定义为在整个长度上或在限定的区域中有意地减小坯料的直径而壁厚度没有变化的过程。常规旋压仅用一个辊进行。然而，在旋制高规格或高强度金属的情况下，施加单一侧向载荷是不期望的。在这种情况下，需要使用在直径上彼此叠置的两个辊以平衡所施加的负载。

4.1过程细节

4.1.1应力的产生

在旋压过程中，在辊下产生局部塑性变形区。局部变形的优点在于，与常规压制成型机相比，旋压期间所需的功率显着降低，因此使得能够使用更小的设备和工具。

图a和b在工作区中显示不同方向的辊进给的应力模式。 当辊朝向坯料的边缘移动时，产生径向拉伸应力以及切向压缩应力。 拉伸应力在沿心轴的方向上产生流动并导致变薄，其通过由于压缩应力的增厚效应来补偿。当辊沿相反方向朝向旋转中心横向移动时，金属的积聚 发生在辊的前面。 这导致在辊和心轴之间的区域中的切向和径向压缩应力。 作为压缩应力的结果，材料可以朝向心轴移位。

4.1.2旋压缺陷

图11显示了普通旋压中遇到的常见缺陷类型。最常见的缺陷之一是屈曲。为了将直径减小到卡盘的尺寸而不弯曲，需要在材料中逐渐地引起径向拉伸应力和切向压缩应力的组合。这通常通过使用几遍来实现。研究人员[3,68]在常规旋压中通常认为，通常需要多道次旋压来将毛坯成形为心轴的轮廓而没有缺陷。然而，在任一方向上太大的应力将是不期望的，导致形成褶皱或周向裂纹。在一些情况下，对现有严重皱纹的连续加工可能导致径向开裂。这通常是由于坯料的直立边缘反复变平或过度工作（变形几次），尤其是严重的皱纹。

4.1.3成形力与变形

常规旋压中的一项开创性工作是由Kobayashi [9]进行的。他通过使用锥角和最终厚度作为变量，通过修改杯深拉深不稳定性理论，确定了锥体普通旋压中凸缘起皱的条件。他的研究表明，对于固定的初始坯料半径，坯料厚度的增加必须跟随有相应的初始心轴半径的增加以防止起皱。

Quigley和Monaghan [8]通过比较计算和实验应变的结果，提出了一个旋压分析，显示了在单次和多次通过旋转之间成品部件中产生的应变是如何不同的。 根据常规旋压（厚度保持不变）和变薄旋压成型（厚度变化）考虑计算的应变。在具有适于为旋压辊提供支撑的刀架的手动车床上进行实验。通过测量旋压已知尺寸的圆之后的几何形状，在旋压之前蚀刻到毛坯上来获得实验应变。

由多通道产生的实验值和计算值的比较显示在图12a中。 他们报道径向应变接近于在坯料中心周围形成的剪切的理论值，但是朝向坯料的端部急剧减小。此外，测量的环向应变和对于恒定厚度的计算的环向应变之间的小差异意味着存在一些厚度应变。用于比较所得到的实验值从单程和计算的应变如图12b所示，他们报告实验径向应变显着大于实验箍应变和实验径向应变值非常接近沿其中间部分的计算剪切形成径向应变。

Quigley等人[10,11]也试图使用有限元分析模拟常规旋压过程使用多域模型，以减少模拟时间。利用多域技术，网格可以被分割成超级元素，并且单独的处理器独立地解决每个分割。在他们的FE模型，盘只是可变形模型，心轴，辊和尾座被建模为刚性表面。此外，假设辊的摩擦系数为0，以表示与盘的非常低的摩擦滚动接触。将从它们的FE模型获得的辊力与Wang等人获得的实验力进行比较 [6]从FE分析获得的轴向力约为200 N，时间仅为0.75 s，Wang等人[6]对于具有持续超过100秒的三个辊道的方法获得约300N。虽然比较显示了相当接近的协议，但是从FE分析输出的力仅仅是短时间，而实验力是具有三个旋转通道的过程的结果。

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