趙升噸 趙承偉 王君峰 林文捷

西安交通大學(xué)，西安，710049

0 引言

旋壓設(shè)備是伴隨著旋壓技術(shù)的成熟而逐漸發(fā)展起來的一種成形加工設(shè)備。旋壓技術(shù)也稱為金屬旋壓成形技術(shù)，它是通過旋轉(zhuǎn)使工件受力點(diǎn)由點(diǎn)到線，再由線到面，同時(shí)在某個(gè)方向施加一定的壓力，使金屬材料沿著這一方向變形和流動(dòng)，從而成形加工出某一形狀零件的技術(shù)。

旋壓設(shè)備作為旋壓技術(shù)的載體，是綜合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環(huán)壓、橫軋和滾壓等少無切削加工工藝的先進(jìn)設(shè)備［1］。旋壓設(shè)備不僅在兵器、航空、航天、民用等金屬精密加工領(lǐng)域占有重要地位，而且在化工、機(jī)械制造、電子及輕工業(yè)等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用［2］。

1 國內(nèi)外旋壓設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

旋壓設(shè)備最早起源于我國殷商時(shí)代的陶瓷制坯作業(yè)，在10世紀(jì)初我國就有了普通旋壓設(shè)備，并開始將金屬薄板制成空心回轉(zhuǎn)體零件。到了13世紀(jì)，旋壓技術(shù)從我國傳到歐洲各國。1840年前后，旋壓技術(shù)由約旦傳到美國。18世紀(jì)60年代末期，德國出現(xiàn)了第一項(xiàng)金屬旋壓設(shè)備的專利［3］。

經(jīng)過幾個(gè)世紀(jì)的改革與創(chuàng)新，旋壓設(shè)備的成形能力和技術(shù)水平有了顯著的提高，旋壓設(shè)備的動(dòng)力已經(jīng)由最開始的人力驅(qū)動(dòng)，到后來的水力和蒸汽動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，然后發(fā)展到現(xiàn)在的液壓和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。壓制零件的工具也由開始的木制搟棒發(fā)展成為當(dāng)前主流設(shè)備使用的金屬旋輪。隨著機(jī)電液一體化進(jìn)程的推進(jìn)，旋壓設(shè)備的控制方式也由開始的純機(jī)械控制發(fā)展成為當(dāng)前的CNC、PLC控制。

1.1 國外旋壓設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

近幾十年來，國外的旋壓成形技術(shù)已經(jīng)取得了飛躍式的發(fā)展。美國已經(jīng)能夠大量生產(chǎn)自動(dòng)化程度很高的旋壓設(shè)備；德國的旋壓設(shè)備系列也十分完整，應(yīng)用廣泛，水平較高；英國在普通旋壓新設(shè)備新工藝方面有獨(dú)到之處；俄羅斯在萬能機(jī)床或液壓仿形半自動(dòng)機(jī)床改裝成自動(dòng)旋壓機(jī)方面有成功的經(jīng)驗(yàn)；日本制造的普通旋壓設(shè)備也實(shí)現(xiàn)了系列化和自動(dòng)化；20世紀(jì)末，西班牙的旋壓技術(shù)也異軍突起。國外的這些旋壓設(shè)備都已基本定型，工藝流程穩(wěn)定，產(chǎn)品多種多樣，并且已大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中［2］。

圖1 MJC工程技術(shù)公司旋壓設(shè)備

MJC工程技術(shù)公司作為美國新興旋壓設(shè)備生產(chǎn)商（于1994年成立），在十幾年時(shí)間里先后推出了數(shù)款極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的數(shù)控旋壓機(jī)。該公司生產(chǎn)的機(jī)型主要有SP系列、SPT系列和OSC系列，其外形如圖1所示，其中SPT系列和OSC系列用于鋁管和鋼管的縮頸和封口，而SP系列作為更新機(jī)，可用于壓制各種可成形金屬材料的圓坯。MJC工程技術(shù)公司生產(chǎn)的旋壓設(shè)備具有以下特色：①可用于生產(chǎn)鋁襯、高壓氣缸、錐形管等零部件，其加工零件的直徑、長度和壁厚允許范圍寬，制品可廣泛應(yīng)用于生活用品、醫(yī)療用品、汽車/卡車產(chǎn)品、航天/航空/國防產(chǎn)品、壓力容器等，圖2所示為可成形的幾種典型零部件；②采用西門子公司的SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)以及 MJC公司自主研發(fā)的SpinCAD軟件。采用SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)，可以集成控制解決方案，從而提高生產(chǎn)制造的效率；簡單易學(xué)且柔性強(qiáng)的SpinCAD軟件則方便地解決了編程和旋壓系統(tǒng)的配置問題。

圖2 MJC工程技術(shù)公司旋壓設(shè)備可成形的典型零部件

Leifeld公司作為德國乃至世界的旋壓設(shè)備老牌生產(chǎn)企業(yè)，至今依然實(shí)力強(qiáng)勁，其制造的旋壓設(shè)備有AFPM 系列、EN系列、FFC系列、KSA系列、SC系列、WSC系列、ST系列等系列。

（1）AFPM系列旋壓設(shè)備的靈活性高，投資少，模具費(fèi)用低，顯著地節(jié)省了產(chǎn)品的加工成本。AFPM系列旋壓設(shè)備的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在制造圓柱形、錐形或帶臺(tái)階的管或桿。

（2）EN系列旋壓設(shè)備是全自動(dòng)的數(shù)控高性能收口機(jī)，主要用于制造高壓氣瓶，其生產(chǎn)的零件的表面質(zhì)量和平緩曲度都非常好。EN系列旋壓設(shè)備的外形圖如圖3所示。

圖3 EN系列旋壓設(shè)備

（3）FFC系列旋壓設(shè)備的設(shè)計(jì)理念是豎直構(gòu)造的精干設(shè)計(jì)，此系列設(shè)備是專門為復(fù)雜的傳動(dòng)部件生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的，復(fù)雜的工件可以經(jīng)一次夾持、多種操作處理而被生產(chǎn)出來。旋壓設(shè)備的6個(gè)軸可以單獨(dú)操控，也可以進(jìn)行同步地上料和下料，這極大地提高了工件的成形質(zhì)量和效率，F(xiàn)FC系列的外形圖如圖4所示。

圖4 FFC系列旋壓設(shè)備

（4）KSA系列旋壓設(shè)備是高精密的旋壓設(shè)備，其外形圖如圖5所示，它解決了在空心圓柱體上加工出密封環(huán)，而不損壞密封環(huán)區(qū)域的壁厚難題。KSA系列旋壓設(shè)備具有占地面積小、柔性高、更換工件時(shí)間短、材料利用率高等特點(diǎn)。

圖5 KSA系列旋壓設(shè)備

（5）SC系列是Leifeld公司不斷改進(jìn)和完善出來的新型普旋設(shè)備，其外形圖如圖6所示。它有200SC系列和300SC兩個(gè)分系列產(chǎn)品。200SC系列旋壓設(shè)備貫徹了結(jié)構(gòu)堅(jiān)固和工作區(qū)域易接近的機(jī)床理念，它最顯著的一個(gè)特點(diǎn)是導(dǎo)軌摩擦力非常小，可以實(shí)現(xiàn)無黏滑進(jìn)給，因此很好地保證了表面質(zhì)量和高精度。300SC系列是Leifeld標(biāo)準(zhǔn)旋壓加工中心，能夠快速地更改生產(chǎn)程序，實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)或者滿足產(chǎn)量少的要求。

（6）ST系列旋壓設(shè)備是三旋輪數(shù)控重型強(qiáng)力旋壓機(jī)，它一方面可以減少能源和材料成本，另一方面可以提高材料的性能，其外形圖如圖7所示。

圖6 SC系列旋壓設(shè)備

（7）WSC系列旋壓設(shè)備是專為生產(chǎn)轎車和卡車用的輪轂而設(shè)計(jì)的，尤其是旋壓成形鋁輪轂、鋼輪轂或其他高強(qiáng)度合金制造的輪輞輪廓。WSC系列旋壓設(shè)備具有可增大強(qiáng)度和硬度、優(yōu)化內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和壓縮微觀組織等特點(diǎn)，其外形圖如圖8所示。

圖7 ST系列旋壓設(shè)備

圖8 WSC系列旋壓設(shè)備

西班牙的DENN公司也是目前世界上專業(yè)生產(chǎn)旋壓機(jī)床的廠家之一，其產(chǎn)品既有全系列的CNC機(jī)型，又有PLC自動(dòng)機(jī)型。DENN公司的產(chǎn)品系列有：RL系列、RLE系列、CTA系列、ZENN（TORC/RPE）系列以及MP系列等。圖9所示為ZENN－100型旋壓機(jī)床，它是DENN公司在多年設(shè)計(jì)與制造CNC旋壓機(jī)床經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開發(fā)的新一代多功能旋壓機(jī)床。

圖9 ZENN－100型旋壓機(jī)床

此外日本的三菱、三井、富士等公司，法國的特爾莫斯（Termoz）公司和蘇聯(lián)彼得洛夫石油機(jī)械廠等也都在旋壓設(shè)備的生產(chǎn)研發(fā)方面取得了一些突破［4］。

1.2 國內(nèi)旋壓設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

旋壓技術(shù)雖然是在我國起源的，但一直沒有得到較好的利用與發(fā)展，直到20世紀(jì)60年代初，隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長，各領(lǐng)域?qū)χ萍囊蟛粩嗵岣?，才開始使用簡單的自制旋壓設(shè)備。到20世紀(jì)70年代初，旋壓技術(shù)在我國有了一定的發(fā)展，但由于受國內(nèi)機(jī)械制造業(yè)水平限制，我國自主研發(fā)的旋壓設(shè)備還是存在許多的缺陷［5］。針對(duì)在實(shí)際使用過程中暴露的問題，20世紀(jì)80年代后期至20世紀(jì)90年代末，我國陸續(xù)引進(jìn)了多臺(tái)進(jìn)口旋壓機(jī)床，大多為德國、西班牙、俄羅斯、美國等國家制造，通過對(duì)引進(jìn)旋壓設(shè)備的使用、消化、吸收，我國先后推出了幾臺(tái)設(shè)計(jì)思想很好的旋壓機(jī)床［4］。進(jìn)入21世紀(jì)，通過引入機(jī)電液一體化思想、有限元分析方法等先進(jìn)技術(shù)與方法，旋壓技術(shù)在我國的發(fā)展有了長足的進(jìn)步，國內(nèi)旋壓機(jī)床的設(shè)計(jì)、加工制造、安裝調(diào)試等總體水平有了顯著提高。

目前我國生產(chǎn)和研發(fā)旋壓設(shè)備的企業(yè)相對(duì)較多，從近5年各企業(yè)申請(qǐng)的專利來看，有江都東升機(jī)械制造有限公司、陜西麥瑞數(shù)控設(shè)備有限公司、大慶中旋機(jī)械科技有限公司等企業(yè)正在進(jìn)行旋壓設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)。

江都東升機(jī)械制造有限公司申請(qǐng)的專利是一種輪輻旋壓機(jī)，其外形圖如圖10所示，它的創(chuàng)新性主要表現(xiàn)在：能夠在一種工件成形后，仍保持旋壓頭與工件表面均勻摩擦，從而產(chǎn)生可用于改善工件內(nèi)應(yīng)力的二次摩擦熱，并能改善工件表面粗糙度。它主要用于將平板加工成碗碟形件［6］。

圖10 輪輻旋壓機(jī)

陜西麥瑞數(shù)控設(shè)備有限公司申請(qǐng)的專利是一種數(shù)控?zé)o模風(fēng)機(jī)專用旋壓機(jī)，其外形圖如圖11所示，它的創(chuàng)新性主要表現(xiàn)在：采用液壓伺服技術(shù)及數(shù)控技術(shù)，通過對(duì)旋壓輪和支輪移動(dòng)的精確控制，在無需模具的情況下可自動(dòng)完成壁厚大于12mm或直徑大于2000mm的各種風(fēng)機(jī)零件旋壓成形，具有產(chǎn)品精度高、質(zhì)量特性好的特點(diǎn)，且提高了風(fēng)機(jī)零件生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約了生產(chǎn)成本［7］。

圖11 數(shù)控?zé)o模風(fēng)機(jī)專用旋壓機(jī)

大慶中旋機(jī)械科技有限公司先后申請(qǐng)了以下專利：連桿式三旋輪同步數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)、連桿式四旋輪同步數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)、下拉立式四旋輪數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)、金屬燈桿旋壓機(jī)和一步法封頭無胎冷旋壓機(jī)［8－12］，在推進(jìn)旋壓機(jī)的一體化加工、大尺寸零件加工方面起到了舉足輕重的作用。

除此之外，還有上海時(shí)翔冶金設(shè)備有限公司、湖州湖鍛液壓機(jī)床廠和霸州瑞達(dá)五金旋壓廠等旋壓設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)有了自己的專利技術(shù)。同時(shí)很多科研院所、高校也在旋壓機(jī)的研發(fā)方面取得了豐碩的成果。表1所示為部分科研院所、高校關(guān)于旋壓機(jī)研發(fā)的一些情況。

表1 部分科研院所、高校旋壓機(jī)研發(fā)情況

2 國內(nèi)外旋壓設(shè)備的差距

通過以上對(duì)國內(nèi)外旋壓設(shè)備研發(fā)和生產(chǎn)狀況的介紹，可以看出我國旋壓設(shè)備的發(fā)展與國外相比還存在著較大的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）產(chǎn)品沒有形成系列化，且缺乏相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。很多產(chǎn)品都是在機(jī)床基礎(chǔ)上開發(fā)的組合機(jī)，旋壓設(shè)備基本都是單件生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低，成本高。

（2）旋壓設(shè)備一般都是憑借工人的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行操作的，沒有規(guī)范的工藝流程。一次裝夾工件能夠完成的工序也較少，很多設(shè)備只能進(jìn)行單個(gè)工序的加工，工件加工效率低，成本高。

（3）自動(dòng)化程度低。雖然也開始引入CNC、PLC控制技術(shù)，但基本還是停留在半自動(dòng)化程度上，在機(jī)器人技術(shù)、流水線加工等先進(jìn)技術(shù)方面，國內(nèi)旋壓設(shè)備還是一片空白。

3 旋壓設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)

縱觀當(dāng)前國內(nèi)外旋壓設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為，隨著旋壓設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)旋壓技術(shù)問題的研究越來越深入，未來旋壓設(shè)備將會(huì)向以下幾個(gè)方向發(fā)展：

（1）旋壓設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)將會(huì)實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。隨著新技術(shù)的引入，新的旋壓工藝方式也將出現(xiàn)。通過構(gòu)建旋壓工藝的專家系統(tǒng)，旋壓工藝也將得到優(yōu)化。

（2）旋壓設(shè)備將采用普旋、強(qiáng)旋、冷旋、熱旋，單旋輪、雙旋輪、多旋輪等多種旋壓方式進(jìn)行旋壓。還可以在同一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)旋壓、卷邊、精整、縮頸等加工，使得能夠加工的工件種類越來越多。

（3）施壓設(shè)備將廣泛采用CNC、PLC控制，最大限度地實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化控制乃至智能控制，并且可以引入機(jī)器人技術(shù)，使工件的裝卸加工形成流水線式作業(yè)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)化、無人化操作。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)對(duì)國內(nèi)外旋壓設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀做了分析介紹，通過分析當(dāng)前國外旋壓設(shè)備的生產(chǎn)情況，可知國外旋壓設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，基本上都實(shí)現(xiàn)了數(shù)控操作和設(shè)備系列化生產(chǎn)，設(shè)備種類十分豐富。而國內(nèi)旋壓設(shè)備經(jīng)過幾十年的努力同樣也取得了顯著的發(fā)展，與國外旋壓設(shè)備的差距正在不斷縮小，在很多方面還有了自己的創(chuàng)新與發(fā)展。最后本文探討了旋壓設(shè)備未來的發(fā)展趨勢(shì)，隨著技術(shù)水平的不斷提高，相信我國旋壓設(shè)備的發(fā)展將會(huì)邁向一個(gè)新的臺(tái)階。

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