現(xiàn)代旋壓設備發(fā)展趨勢的探討

趙升噸 趙承偉 王君峰 林文捷

西安交通大學，西安，710049

0 引言

旋壓設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)使工件受力點由點到線，再由線到面，同時在某個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，從而成形加工出某一形狀零件的技術(shù)。

旋壓設備作為旋壓技術(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設備［1］。旋壓設備不僅在兵器、航空、航天、民用等金屬精密加工領域占有重要地位，而且在化工、機械制造、電子及輕工業(yè)等領域也得到了廣泛的應用［2］。

1 國內(nèi)外旋壓設備的發(fā)展現(xiàn)狀

旋壓設備最早起源于我國殷商時代的陶瓷制坯作業(yè)，在10世紀初我國就有了普通旋壓設備，并開始將金屬薄板制成空心回轉(zhuǎn)體零件。到了13世紀，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60年代末期，德國出現(xiàn)了第一項金屬旋壓設備的專利［3］。

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

1.1 國外旋壓設備的發(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)自動化程度很高的旋壓設備；德國的旋壓設備系列也十分完整，應用廣泛，水平較高；英國在普通旋壓新設備新工藝方面有獨到之處；俄羅斯在萬能機床或液壓仿形半自動機床改裝成自動旋壓機方面有成功的經(jīng)驗；日本制造的普通旋壓設備也實現(xiàn)了系列化和自動化；20世紀末，西班牙的旋壓技術(shù)也異軍突起。國外的這些旋壓設備都已基本定型，工藝流程穩(wěn)定，產(chǎn)品多種多樣，并且已大量應用于工業(yè)生產(chǎn)中［2］。

圖1 MJC工程技術(shù)公司旋壓設備

MJC工程技術(shù)公司作為美國新興旋壓設備生產(chǎn)商（于1994年成立），在十幾年時間里先后推出了數(shù)款極具市場競爭力的數(shù)控旋壓機。該公司生產(chǎn)的機型主要有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，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；簡單易學且柔性強的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備老牌生產(chǎn)企業(yè)，至今依然實力強勁，其制造的旋壓設備有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系列旋壓設備的靈活性高，投資少，模具費用低，顯著地節(jié)省了產(chǎn)品的加工成本。AFPM系列旋壓設備的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在制造圓柱形、錐形或帶臺階的管或桿。

（2）EN系列旋壓設備是全自動的數(shù)控高性能收口機，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系列旋壓設備的外形圖如圖3所示。

圖3 EN系列旋壓設備

（3）FFC系列旋壓設備的設計理念是豎直構(gòu)造的精干設計，此系列設備是專門為復雜的傳動部件生產(chǎn)而設計的，復雜的工件可以經(jīng)一次夾持、多種操作處理而被生產(chǎn)出來。旋壓設備的6個軸可以單獨操控，也可以進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系列旋壓設備

（4）KSA系列旋壓設備是高精密的旋壓設備，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系列旋壓設備具有占地面積小、柔性高、更換工件時間短、材料利用率高等特點。

圖5 KSA系列旋壓設備

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

（6）ST系列旋壓設備是三旋輪數(shù)控重型強力旋壓機，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系列旋壓設備

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

圖7 ST系列旋壓設備

圖8 WSC系列旋壓設備

西班牙的DENN公司也是目前世界上專業(yè)生產(chǎn)旋壓機床的廠家之一，其產(chǎn)品既有全系列的CNC機型，又有PLC自動機型。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型旋壓機床，它是DENN公司在多年設計與制造CNC旋壓機床經(jīng)驗的基礎上開發(fā)的新一代多功能旋壓機床。

圖9 ZENN－100型旋壓機床

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)彼得洛夫石油機械廠等也都在旋壓設備的生產(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60年代初，隨著國民經(jīng)濟的增長，各領域?qū)χ萍囊蟛粩嗵岣?，才開始使用簡單的自制旋壓設備。到20世紀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)機械制造業(yè)水平限制，我國自主研發(fā)的旋壓設備還是存在許多的缺陷［5］。針對在實際使用過程中暴露的問題，20世紀80年代后期至20世紀90年代末，我國陸續(xù)引進了多臺進口旋壓機床，大多為德國、西班牙、俄羅斯、美國等國家制造，通過對引進旋壓設備的使用、消化、吸收，我國先后推出了幾臺設計思想很好的旋壓機床［4］。進入21世紀，通過引入機電液一體化思想、有限元分析方法等先進技術(shù)與方法，旋壓技術(shù)在我國的發(fā)展有了長足的進步，國內(nèi)旋壓機床的設計、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)旋壓設備的企業(yè)相對較多，從近5年各企業(yè)申請的專利來看，有江都東升機械制造有限公司、陜西麥瑞數(shù)控設備有限公司、大慶中旋機械科技有限公司等企業(yè)正在進行旋壓設備的研發(fā)和生產(chǎn)。

江都東升機械制造有限公司申請的專利是一種輪輻旋壓機，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

陜西麥瑞數(shù)控設備有限公司申請的專利是一種數(shù)控無模風機專用旋壓機，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)，通過對旋壓輪和支輪移動的精確控制，在無需模具的情況下可自動完成壁厚大于12mm或直徑大于2000mm的各種風機零件旋壓成形，具有產(chǎn)品精度高、質(zhì)量特性好的特點，且提高了風機零件生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約了生產(chǎn)成本［7］。

圖11 數(shù)控無模風機專用旋壓機

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

除此之外，還有上海時翔冶金設備有限公司、湖州湖鍛液壓機床廠和霸州瑞達五金旋壓廠等旋壓設備生產(chǎn)企業(yè)有了自己的專利技術(shù)。同時很多科研院所、高校也在旋壓機的研發(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)于旋壓機研發(fā)的一些情況。

表1 部分科研院所、高校旋壓機研發(fā)情況

2 國內(nèi)外旋壓設備的差距

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

（1）產(chǎn)品沒有形成系列化，且缺乏相應的行業(yè)標準。很多產(chǎn)品都是在機床基礎上開發(fā)的組合機，旋壓設備基本都是單件生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低，成本高。

（2）旋壓設備一般都是憑借工人的經(jīng)驗來進行操作的，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，很多設備只能進行單個工序的加工，工件加工效率低，成本高。

（3）自動化程度低。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化程度上，在機器人技術(shù)、流水線加工等先進技術(shù)方面，國內(nèi)旋壓設備還是一片空白。

3 旋壓設備發(fā)展趨勢

縱觀當前國內(nèi)外旋壓設備的發(fā)展現(xiàn)狀，筆者認為，隨著旋壓設備的應用越來越廣泛，對旋壓技術(shù)問題的研究越來越深入，未來旋壓設備將會向以下幾個方向發(fā)展：

（1）旋壓設備的研發(fā)生產(chǎn)將會實現(xiàn)規(guī)范化、系列化、標準化。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）旋壓設備將采用普旋、強旋、冷旋、熱旋，單旋輪、雙旋輪、多旋輪等多種旋壓方式進行旋壓。還可以在同一臺設備上實現(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）施壓設備將廣泛采用CNC、PLC控制，最大限度地實現(xiàn)設備的自動化控制乃至智能控制，并且可以引入機器人技術(shù)，使工件的裝卸加工形成流水線式作業(yè)，實現(xiàn)真正意義上的自動化、無人化操作。

4 結(jié)論

本文重點對國內(nèi)外旋壓設備的發(fā)展現(xiàn)狀做了分析介紹，通過分析當前國外旋壓設備的生產(chǎn)情況，可知國外旋壓設備的發(fā)展已經(jīng)相對成熟，基本上都實現(xiàn)了數(shù)控操作和設備系列化生產(chǎn)，設備種類十分豐富。而國內(nèi)旋壓設備經(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備未來的發(fā)展趨勢，隨著技術(shù)水平的不斷提高，相信我國旋壓設備的發(fā)展將會邁向一個新的臺階。

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