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《特种旋压成形技术》在简要介绍旋压技术的发展及应用、金属旋压成形中的创新与创造，以及对传统旋压技术及特种旋压技术进行分类的基础上，首先对传统旋压成形技术中的拉深旋压、剪切旋压、流动旋压工艺过程及成形机理进行了阐述及分析；然后重点对无芯模缩径旋压成形技术、三维非轴对称零件旋压成形技术、非圆横截面零件旋压成形技术、多楔带轮旋压成形技术及杯形薄壁内齿轮旋压成形技术进行了全方位的介绍，并包含了目前旋压类指导书籍未曾提及的旋压成形数值模拟理论基础与实际操作细则，理论与实践并重。在分析旋压成形技术共性和普遍性规律的同时，阐述了不同旋压技术的个性及特殊性成形规律，读者通过对《特种旋压成形技术》的学习能对整个旋压成形技术形成较为清晰的认识，达到触类旁通的目的。

目录

《21世纪先进制造技术丛书》序

序

前言

主要符号表

第1章 绪论 1

1.1 旋压技术的发展 1

1.2 旋压技术的应用 3

1.2.1 旋压技术在汽车零件成形制造中的应用 3

1.2.2 旋压技术在民用产品制造中的应用 6

1.2.3 旋压技术在国防中的应用 8

1.2.4 其他应用 12

1.3 金属旋压成形中的创新与创造 12

1.3.1 三维非轴对称件旋压成形技术 13

1.3.2 非圆横截面件旋压成形技术 15

1.3.3 齿形件旋压成形技术 16

1.4 旋压成形技术的分类 19

1.4.1 传统旋压成形技术的分类 19

1.4.2 特种旋压成形技术的分类 22

1.5 本章小结 24

参考文献 25

第2章 旋压成形基础工艺及其原理 29

2.1 普通旋压 29

2.1.1 工艺过程 29

2.1.2 工艺参数 30

2.2 剪切旋压 60

2.2.1 工艺过程 60

2.2.2 工艺参数 62

2.2.3 柔性旋压 70

2.3 流动旋压 73

2.3.1 工艺过程 73

2.3.2 工艺参数 74

2.3.3 错距旋压 81

2.4 对轮旋压 89

2.5 本章小结 96

参考文献 97

第3章 无芯模缩径旋压成形技术 100

3.1 缩径旋压成形特点 100

3.2 弹塑性有限元基本理论及建模关键技术 102

3.2.1 旋压成形数值模拟建模理论基础 103

3.2.2 无芯模缩径旋压数值模拟关键技术 109

3.3 无芯模缩径旋压成形机理分析 118

3.3.1 成形机理分析 118

3.3.2 不同工艺参数对旋压力的影响规律 121

3.3.3 不同工艺参数对旋压件壁厚分布规律的影响 123

3.3.4 不同工艺参数对旋压件外径尺寸的影响 126

3.4 无芯模多道次缩径旋压模拟分析 127

3.4.1 往返程旋压成形工艺特点 127

3.4.2 工件应力应变分布规律 129

3.4.3 多道次旋压成形质量分析 132

3.5 试验研究 133

3.5.1 材料力学性能试验研究 133

3.5.2 单道次旋压工艺试验研究 137

3.5.3 旋压力的电测试验研究 139

3.5.4 多道次旋压工艺试验研究 144

3.5.5 成形缺陷分析 146

3.6 本章小结 147

参考文献 148

第4章 三维非轴对称零件旋压成形技术 151

4.1 三维非轴对称管件缩径旋压成形方法 152

4.1.1 三维非轴对称零件旋压成形原理 153

4.1.2 HGPX-WSM型数控旋压机床的研制 157

4.2 三维非轴对称管件缩径旋压力的解析解 161

4.2.1 旋压力求解常用的理论方法 162

4.2.2 主应力法的基本假设和工件受力分析 163

4.2.3 旋压力计算公式的推导 164

4.2.4 非轴对称管件缩径旋压力的变化规律 169

4.3 非轴对称管件缩径旋压三维数值模拟关键技术 173

4.4 非轴对称管件单道次缩径旋压成形机理 179

4.4.1 单道次缩径旋压有限元模型的建立 179

4.4.2 单道次缩径旋压过程的应力应变分布规律 182

4.4.3 工艺参数对缩径旋压成形质量的影响 189

4.4.4 三维非轴对称管件缩径旋压力的有限元数值模拟 198

4.5 非轴对称管件多道次缩径旋压成形机理 203

4.5.1 多道次缩径旋压有限元模型的建立 203

4.5.2 多道次缩径旋压过程的应力应变分布规律 206

4.5.3 旋压道次对非轴对称管件缩径旋压成形质量的影响 211

4.6 三维非轴对称管件缩径旋压的试验研究 213

4.6.1 非轴对称单道次缩径旋压的试验研究 214

4.6.2 非轴对称多道次缩径旋压的试验研究 217

4.6.3 三维非轴对称管件缩径旋压力的试验研究 221

4.6.4 三维非轴对称旋压件显微组织的变化 228

4.7 本章小结 231

参考文献 232

第5章 非圆横截面空心零件旋压成形技术 235

5.1 非圆横截面空心零件旋压成形工艺 236

5.1.1 非圆横截面件旋压成形工艺及分类 236

5.1.2 变形难易程度分析 243

5.2 非圆横截面件旋压成形数值模拟关键技术 245

5.2.1 非圆截面件旋压成形数值模拟模型 245

5.2.2 数值模拟运算效率与精度对比研究 252

5.3 非圆横截面件旋压成形机理研究 254

5.3.1 不同类型横截面空心零件旋压成形机理研究 254

5.3.2 三边形横截面空心零件旋压成形旋压力变化规律 266

5.3.3 工艺参数对三直边圆角形零件旋压成形质量的影响 272

5.4 三边形零件旋压成形试验研究 279

5.4.1 试验设备与靠模研制 279

5.4.2 三直边圆角形零件旋压成形试验研究 281

5.4.3 三边圆弧形零件旋压成形试验研究 289

5.5 本章小结 295

参考文献 297

第6章 多楔带轮旋压成形技术 301

6.1 钣制带轮旋压成形技术及工艺特点 302

6.1.1 带轮制造方法 302

6.1.2 带轮旋压技术 304

6.1.3 多楔带轮旋压成形原理及工艺分析 307

6.2 多楔带轮旋压成形有限元实现方法及模型建立 316

6.2.1 多楔带轮旋压成形有限元建模关键技术 316

6.2.2 模型简化与假设 319

6.2.3 模拟分析模型 320

6.3 多楔带轮旋压成形数值模拟结果分析 321

6.3.1 预成形 321

6.3.2 腰鼓成形 327

6.3.3 增厚成形 331

6.3.4 预成齿 335

6.3.5 整形 341

6.4 试验成形装置设计及调试 342

6.4.1 旋轮座设计方案 343

6.4.2 旋轮组结构分析与设计 346

6.5 多楔带轮旋压工艺试验研究 350

6.5.1 试验条件 350

6.5.2 带轮旋压件成形质量评价 364

6.5.3 多楔带轮成形缺陷分析 366

6.6 本章小结 370

参考文献 371

第7章 杯形薄壁内齿轮件旋压成形技术 374

7.1 内齿轮加工成形方法及其比较 375

7.1.1 内齿轮切削加工方法 377

7.1.2 内齿轮塑性成形方法 378

7.1.3 内齿轮常用加工及成形方法的比较 379

7.2 杯形薄壁内齿轮旋压成形方法研究 380

7.2.1 内齿轮旋压成形工艺的拟定 380

7.2.2 内齿轮旋压成形建模关键技术 381

7.2.3 内齿旋压成形方法的有限元分析 388

7.3 杯形薄壁内齿旋压成形机理研究 396

7.3.1 应力应变分布情况 396

7.3.2 材料变形特点及流动规律分析 400

7.3.3 几何参数和工艺参数对材料充填情况的影响 405

7.4 杯形薄壁内齿轮旋压的试验研究 415

7.4.1 试验条件 415

7.4.2 数值模拟结果的验证 418

7.4.3 内齿轮旋压成形关键问题讨论 420

7.4.4 内齿轮旋压件显微组织和硬度的变化 432

7.5 内齿轮旋压成形工艺的优化 434

7.5.1 渐开线内齿轮成形的工艺优化 435

7.5.2 渐开线内齿轮成形工艺参数的优化 436

7.6 本章小结 442

参考文献 444

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第1章 绪论

　　旋压是先进制造技术的重要组成部分，也是航空航天、造船、汽车、工程机械等行业中应用广泛的制造工艺方法，它可以生产更接近*终形状（净性）的金属零件。传统的旋压属于回转塑性成形技术，旋轮在回转运动中对毛坯加压，使毛坯产生局部且连续的塑性变形。近年来，随着旋压成形理论的进一步完善和计算机技术的快速发展，突破了旋压技术传统意义上只能用于生产轴对称、圆形横截面、等壁厚产品的限制，诸如三维非轴对称零件、非圆横截面零件、齿形零件等一些新的特种旋压成形工艺的出现拓宽了旋压技术的理论范畴和应用领域［1］。旋压成形时旋轮与坯料之间的接触面积很小，近似点接触，因此单位压力大，可达250～350kgf/mm2(1kgf=9.80665N)，而所需总变形力较小，从而使消耗功率也大大降低；旋压通常可实现无废料或少废料成形，因此具有明显的节材节能效果，与通常的板材冲压成形工艺相比，材料利用率可提高10％～30％；采用旋压工艺加工零部件时，金属纤维走向与产品外形相适应，保持了纤维的完整性与连续性，因此经旋压成形后，金属制品的力学性能（硬度、抗拉强度和屈服强度）大大提高；在旋压过程中，旋轮不仅对旋压的金属有压延作用，而且还有整平的作用，因此旋压制品具有较高的尺寸精度和表面光洁度［2］；此外，旋压成形是一种连续静载加压过程，不产生冲击，因此振动噪声也大大减弱，这对于改善劳动环境、实现清洁化生产十分有利。目前世界上加工技术发达的国家已广泛采用旋压技术来成形航空航天、兵器、船舶、汽车、工程机械中各种类型的薄壁中空形状零部件。

　　1.1 旋压技术的发展

　　根据文献记载，陶瓷的制坯方法可能为金属旋压提供了工艺的雏形。我国早在三千五百年到四千年前的殷商时代，就已经会使用陶轮（或陶车）制作陶瓷制品。这种制陶工艺发展到10世纪初就孕育出了金属普通旋压工艺。当时已可将金属（如银、锡和铜等）薄板旋压成各种瓶、罐、壶和盘等容器、器皿及装饰品。又过了许多年，直到13世纪，这种技术才传到英国和欧洲各国。1840年前后，旋压技术由约旦（Jordan）传到美国。在18世纪60年代末期，德国才出现了**个金属旋压的专利［2］。

　　普通旋压工艺在国内外长期处于落后状态，*古老的旋压设备由人力驱动，成形所需的旋转驱动力是由与之相连的巨大的转轮提供的，由**个操作工人手工转动转轮，由第二个操作工人使用棒形工具使坯料成形（图1-1）［3］。后来，旋压机又借助水力和蒸汽动力驱动。随着工业技术的进步，尤其是电动机的出现，旋压机的主轴逐步采用电机驱动，旋压工具也由木质擀棒逐渐改用金属旋轮。在电动旋压机出现前的很长时期，旋压技术始终赶不上模具冲压技术的发展，因此其应用范围有限，即只用于小批量生产和成形较软金属材料的零件。在电动旋压机出现之后，旋压技术有了重大的突破，其应用范围和成形能力大大扩大和提高了［4］。

　　图1-1 采用木质旋盘的手工旋压成形

　　在20世纪中叶以后，普通旋压有了如下三个方面的重大进展［2］：一是普通旋压设备逐渐实现机械化，在50年代出现了模拟手工旋压的设备，即采用液压助力器等驱动旋轮往复移动，以实现进给和回程，因而减轻了操作工的劳动强度；二是在60～70年代出现了能单向多道次进给的、电气液压程序控制的半自动旋压机；三是由于电子工业的发展，于60年代后期，国外（首先是联邦德国莱弗尔德公司）在自动旋压机的基础上，发展了数控系统（NC和CNC系统）和录返系统（PNC系统）的旋压机。这些成就使普通旋压技术突破了小批量生产的限制，从而应用于中批量和大批量生产中。普通旋压工艺发展到目前为止，其成形零件种类繁多、应用范围极其广泛，通过采用形式多样的旋轮运动轨迹，可成形形状复杂的零件。

　　在普通旋压技术基础上发展起来的强力旋压技术，比普通旋压技术发展迅速。与普通旋压工艺相比，强力旋压时成形区在多向压应力的作用下，其成形性以及产品的精度与性能都大大提高。这种强力旋压技术开始于第二次世界大战前后，主要用于欧洲（瑞典、德国）的民用工业（成形锅皿等容器）［5］。1952年美国普拉特恵特尼（Pratt Whitney）航空发动机公司从一件瑞典出品的小型民用产品得到启发，与洛奇西普来（Lodge Shipley）机床公司合作在1953年研制出首批三台专用强力旋压机床，初次成功地将这种方法推行到航空产品的制造中［6］。此后，随着火箭、导弹和宇航技术的迅速发展，强力旋压技术已在许多国家得到惊人的发展和广泛的应用。近半个世纪以来，国外金属旋压技术发展很快，已日趋成熟。国外旋压制件尺寸范围已可达到直径5～5000mm、壁厚0.2～150mm，长度与直径之比达20以上、直径与壁厚之比大于750；旋压筒形件**直径为7600mm、**质量为60t［7］。

　　我国旋压技术的现代化进程始于20世纪60年代中期，至80年代中期的前20年为初创期。在60年代中期，国内开始研究强力旋压技术并用以制造航空和特殊冶金制品。接着此技术又被陆续推广到兵器、核能、电子等行业。在这一时期，我国旋压技术的发展以强力旋压为主并以军工产品为主线 ［5］。自80年代中期至21世纪的后20年是我国旋压技术的转型和发展期。在这个时期，我国旋压技术的发展由以强力旋压为主转变为强力旋压和普通旋压并重，由以军工产品为主线转为军民兼顾［8］。

　　进入21世纪以来，随着国防军事工业的发展，国内旋压技术趋于完善。国内旋压产品的尺寸范围为直径20～5200mm、壁厚0.5～100mm，长度与直径之比达10以上、直径与壁厚之比大于650；封头**直径为9000mm［7］。 我国目前旋压的超高强度钢圆筒和钛合金圆筒**直径2700mm、**长度3500mm、壁厚5～10mm；旋压成形的2219铝合金共底已成功应用于日本H2B液体发动机燃料储箱，其直径为5200mm。

　　1.2 旋压技术的应用

　　金属旋压成形技术在使多品种、小批量生产的合理化和降低成本方面具有很高的价值。形状复杂的零件或高强度难变形的材料，以传统工艺很难甚至无法成形，用旋压技术却可以方便地成形出来。

　　1.2.1 旋压技术在汽车零件成形制造中的应用

　　随着人们生活水平的提高和现代化建设的迅速发展，汽车已成为生活中必不可少的交通运输工具。由于旋压属于无切削成形工艺，利用该技术生产的汽车零部件具有晶粒致密、强度高、壁厚分布均匀、均衡性好等特点，特别适合重型、性能好、档次高的汽车和各类机动车辆使用。

　　目前汽车上所使用的旋压零件主要有：各种排气歧管、离合器、变速箱齿轮、气瓶、底盘、消声器、传动轴、催化器外壳、减振管、电池盒、驱动盘、各种皮带轮及轮毂、车轮等（图1-2）［9］。

　　图1-2 汽车上使用的主要旋压成形产品

　　1） 排气歧管

　　随着全球经济的快速发展，我国汽车工业突飞猛进，人们的环保意识也逐渐加强，三元催化器是汽车排气系统中必不可少的机外净化环保部件，其需求面临广阔的市场前景，为了确保汽车排放尾气的净化效果，要求三元催化器不能出现泄漏及尾气排放不达标等情况。因此，国内相关质检部门对三元催化器壳体提出了较高的质量要求。

　　通常，三元催化器壳体多采用咬口制件与封盖相结合的方法加工制造，或者采用冲压与焊接相结合的成形方法，图1-3为传统工艺生产的三元催化器壳体［10］。通常传统工艺生产的三元催化器壳体存在以下两个方面的缺陷与不足：一方面，焊接时产生的热变形使产品质量难以保证，壳体表面粗糙且密封性差等；另一方面，因生产工序的增加，需要进行多次装夹，造成加工精度低，且导致所需的生产工人与生产设备增加，从而提高了加工成本。若三元催化器壳体采用旋压技术一次成形加工，则可以提高坯料的塑性成形极限及管坯的缩径率。与其传统加工工艺相比，可以大幅度减少零件的加工工序，使零件的加工工序数由5个减少到1个。该方法显著提高了三元催化器壳体的尺寸精度、气密性和耐压性等性能，图1-4为采用旋压技术生产的三元催化器［10］。

　　基于金属旋压成形技术的优势，当前汽车用三元催化器壳体生产逐渐实现了从传统工艺向旋压工艺的转变。

　　图1-3 传统工艺生产的三元催化器壳体

　　图1-4 旋压工艺生产的三元催化器壳体

　　2） 离合器、变速箱组件

　　离合器和变速箱内齿轮组件等齿类件是汽车传动的重要零件（图1-5）［9］，其性能和品质的好坏对整车有着举足轻重的影响。传统的齿类件通常是采用模锻制坯或直接采用棒料进行机械加工，为了保证齿面质量，加工齿轮的常规工艺路线为滚齿、剃齿、热处理、磨齿等，传统的加工方法原材料浪费大、生产率低。采用旋压成形工艺加工齿类件，不但减少了原材料消耗、提高了劳动生产率、降低了产品的生产成本，而且金属经旋压成形后能使晶粒细化、成分均匀、组织致密、保持流线、提高强度，故可承受重载荷及具有良好的抗冲击载荷的能力，特别适合重型、性能好、档次高的各类机动车辆使用。

　　3） 带轮毂的传动零件

　　轮毂是用于将皮带轮和传动零件安装在传动轴上的零件（图1-6）［9］，一般是先在车床上将金属棒料切削加工后，焊接在皮带轮或传动零件上。而采用旋压成形方法，则可将轮毂与皮带轮或传动零件加工为一个整体件。所加工出来的轮毂中心孔的尺寸公差可直接满足连接所需的紧配合要求。此外，还可直接在孔内成形出各类键槽。

　　图1-5 离合器、变速箱组件

　　图1-6 带轮毂的传动零件

　　4） 车轮、轮盘和轮辋

　　劈开式旋压法是使用具有硬质尖角的旋轮，以足够大的旋压力，对旋转毛坯的边缘截面逐渐径向挤入的旋压方法［9］。这种方法一般用于成形轻型车轮（图1-7），材料通常为加热条件下的软钢或铝合金。轮盘和轮辋（图1-8）的毛坯壁厚在成形过程中从底部到口部需要产生连续均匀的减薄，该减薄过程可以用强力旋压方法获得。由于轮辐或车轮的壁厚从底部到口部存在连续均匀的减薄，从而有利于节省原材料、提高零件的强度和耐磨性等。

　　图1-7 采用复合旋压法生产的整体轮毂

　　图1-8 轮盘和轮辋

　　1.2.2 旋压技术在民用产品制造中的应用

　　1） 大型封头

　　大型封头在石化、动力锅炉、冶金建筑、纺织等行业应用广泛（图1-9）。大型封头的旋压成形技术，包括一步法成形和二步法成形，在节省大型模具、缩短生产周期等方面有很大的优越性，得到了大规模应用，取代了传统的热压和拼焊［11］。

　　用旋压法加工大、中型封头具有其他加工方法无可比拟的优越性。封头旋压通常采用板料成形，变形前后壁厚无变化或者变化极小；直径变化较大，收缩或扩大，旋压时较易失稳或局部拉薄；包括单向前进旋压和往复摆动多道次逐步旋压（图1-10）两种方式。产品要素为封头外形轮廓度、直径、高度、壁厚等。

　　图1-9 大型封头旋压产品

　　图1-10 封头旋压成形原理图

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