现代旋压设备发展趋势的探讨

赵升吨 赵承伟 王君峰 林文捷

西安交通大学，西安，710049

0 引言

旋压设备是伴随着旋压技术的成熟而逐渐发展起来的一种成形加工设备。旋压技术也称为金属旋压成形技术，它是通过旋转使工件受力点由点到线，再由线到面，同时在某个方向施加一定的压力，使金属材料沿着这一方向变形和流动，从而成形加工出某一形状零件的技术。

旋压设备作为旋压技术的载体，是综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环压、横轧和滚压等少无切削加工工艺的先进设备［1］。旋压设备不仅在兵器、航空、航天、民用等金属精密加工领域占有重要地位，而且在化工、机械制造、电子及轻工业等领域也得到了广泛的应用［2］。

1 国内外旋压设备的发展现状

旋压设备最早起源于我国殷商时代的陶瓷制坯作业，在10世纪初我国就有了普通旋压设备，并开始将金属薄板制成空心回转体零件。到了13世纪，旋压技术从我国传到欧洲各国。1840年前后，旋压技术由约旦传到美国。18世纪60年代末期，德国出现了第一项金属旋压设备的专利［3］。

经过几个世纪的改革与创新，旋压设备的成形能力和技术水平有了显著的提高，旋压设备的动力已经由最开始的人力驱动，到后来的水力和蒸汽动力驱动，然后发展到现在的液压和电机驱动。压制零件的工具也由开始的木制擀棒发展成为当前主流设备使用的金属旋轮。随着机电液一体化进程的推进，旋压设备的控制方式也由开始的纯机械控制发展成为当前的CNC、PLC控制。

1.1 国外旋压设备的发展现状

近几十年来，国外的旋压成形技术已经取得了飞跃式的发展。美国已经能够大量生产自动化程度很高的旋压设备；德国的旋压设备系列也十分完整，应用广泛，水平较高；英国在普通旋压新设备新工艺方面有独到之处；俄罗斯在万能机床或液压仿形半自动机床改装成自动旋压机方面有成功的经验；日本制造的普通旋压设备也实现了系列化和自动化；20世纪末，西班牙的旋压技术也异军突起。国外的这些旋压设备都已基本定型，工艺流程稳定，产品多种多样，并且已大量应用于工业生产中［2］。

图1 MJC工程技术公司旋压设备

MJC工程技术公司作为美国新兴旋压设备生产商（于1994年成立），在十几年时间里先后推出了数款极具市场竞争力的数控旋压机。该公司生产的机型主要有SP系列、SPT系列和OSC系列，其外形如图1所示，其中SPT系列和OSC系列用于铝管和钢管的缩颈和封口，而SP系列作为更新机，可用于压制各种可成形金属材料的圆坯。MJC工程技术公司生产的旋压设备具有以下特色：①可用于生产铝衬、高压气缸、锥形管等零部件，其加工零件的直径、长度和壁厚允许范围宽，制品可广泛应用于生活用品、医疗用品、汽车/卡车产品、航天/航空/国防产品、压力容器等，图2所示为可成形的几种典型零部件；②采用西门子公司的SINUMERIK 840D数控系统以及 MJC公司自主研发的SpinCAD软件。采用SINUMERIK 840D数控系统，可以集成控制解决方案，从而提高生产制造的效率；简单易学且柔性强的SpinCAD软件则方便地解决了编程和旋压系统的配置问题。

图2 MJC工程技术公司旋压设备可成形的典型零部件

Leifeld公司作为德国乃至世界的旋压设备老牌生产企业，至今依然实力强劲，其制造的旋压设备有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系列旋压设备的灵活性高，投资少，模具费用低，显著地节省了产品的加工成本。AFPM系列旋压设备的优势主要体现在制造圆柱形、锥形或带台阶的管或杆。

（2）EN系列旋压设备是全自动的数控高性能收口机，主要用于制造高压气瓶，其生产的零件的表面质量和平缓曲度都非常好。EN系列旋压设备的外形图如图3所示。

图3 EN系列旋压设备

（3）FFC系列旋压设备的设计理念是竖直构造的精干设计，此系列设备是专门为复杂的传动部件生产而设计的，复杂的工件可以经一次夹持、多种操作处理而被生产出来。旋压设备的6个轴可以单独操控，也可以进行同步地上料和下料，这极大地提高了工件的成形质量和效率，FFC系列的外形图如图4所示。

图4 FFC系列旋压设备

（4）KSA系列旋压设备是高精密的旋压设备，其外形图如图5所示，它解决了在空心圆柱体上加工出密封环，而不损坏密封环区域的壁厚难题。KSA系列旋压设备具有占地面积小、柔性高、更换工件时间短、材料利用率高等特点。

图5 KSA系列旋压设备

（5）SC系列是Leifeld公司不断改进和完善出来的新型普旋设备，其外形图如图6所示。它有200SC系列和300SC两个分系列产品。200SC系列旋压设备贯彻了结构坚固和工作区域易接近的机床理念，它最显著的一个特点是导轨摩擦力非常小，可以实现无黏滑进给，因此很好地保证了表面质量和高精度。300SC系列是Leifeld标准旋压加工中心，能够快速地更改生产程序，实现小批量生产或者满足产量少的要求。

（6）ST系列旋压设备是三旋轮数控重型强力旋压机，它一方面可以减少能源和材料成本，另一方面可以提高材料的性能，其外形图如图7所示。

图6 SC系列旋压设备

（7）WSC系列旋压设备是专为生产轿车和卡车用的轮毂而设计的，尤其是旋压成形铝轮毂、钢轮毂或其他高强度合金制造的轮辋轮廓。WSC系列旋压设备具有可增大强度和硬度、优化内部组织结构和压缩微观组织等特点，其外形图如图8所示。

图7 ST系列旋压设备

图8 WSC系列旋压设备

西班牙的DENN公司也是目前世界上专业生产旋压机床的厂家之一，其产品既有全系列的CNC机型，又有PLC自动机型。DENN公司的产品系列有：RL系列、RLE系列、CTA系列、ZENN（TORC/RPE）系列以及MP系列等。图9所示为ZENN－100型旋压机床，它是DENN公司在多年设计与制造CNC旋压机床经验的基础上开发的新一代多功能旋压机床。

图9 ZENN－100型旋压机床

此外日本的三菱、三井、富士等公司，法国的特尔莫斯（Termoz）公司和苏联彼得洛夫石油机械厂等也都在旋压设备的生产研发方面取得了一些突破［4］。

1.2 国内旋压设备的发展现状

旋压技术虽然是在我国起源的，但一直没有得到较好的利用与发展，直到20世纪60年代初，随着国民经济的增长，各领域对制件的要求不断提高，才开始使用简单的自制旋压设备。到20世纪70年代初，旋压技术在我国有了一定的发展，但由于受国内机械制造业水平限制，我国自主研发的旋压设备还是存在许多的缺陷［5］。针对在实际使用过程中暴露的问题，20世纪80年代后期至20世纪90年代末，我国陆续引进了多台进口旋压机床，大多为德国、西班牙、俄罗斯、美国等国家制造，通过对引进旋压设备的使用、消化、吸收，我国先后推出了几台设计思想很好的旋压机床［4］。进入21世纪，通过引入机电液一体化思想、有限元分析方法等先进技术与方法，旋压技术在我国的发展有了长足的进步，国内旋压机床的设计、加工制造、安装调试等总体水平有了显著提高。

目前我国生产和研发旋压设备的企业相对较多，从近5年各企业申请的专利来看，有江都东升机械制造有限公司、陕西麦瑞数控设备有限公司、大庆中旋机械科技有限公司等企业正在进行旋压设备的研发和生产。

江都东升机械制造有限公司申请的专利是一种轮辐旋压机，其外形图如图10所示，它的创新性主要表现在：能够在一种工件成形后，仍保持旋压头与工件表面均匀摩擦，从而产生可用于改善工件内应力的二次摩擦热，并能改善工件表面粗糙度。它主要用于将平板加工成碗碟形件［6］。

图10 轮辐旋压机

陕西麦瑞数控设备有限公司申请的专利是一种数控无模风机专用旋压机，其外形图如图11所示，它的创新性主要表现在：采用液压伺服技术及数控技术，通过对旋压轮和支轮移动的精确控制，在无需模具的情况下可自动完成壁厚大于12mm或直径大于2000mm的各种风机零件旋压成形，具有产品精度高、质量特性好的特点，且提高了风机零件生产效率和产品质量，节约了生产成本［7］。

图11 数控无模风机专用旋压机

大庆中旋机械科技有限公司先后申请了以下专利：连杆式三旋轮同步数控强力旋压机、连杆式四旋轮同步数控强力旋压机、下拉立式四旋轮数控强力旋压机、金属灯杆旋压机和一步法封头无胎冷旋压机［8－12］，在推进旋压机的一体化加工、大尺寸零件加工方面起到了举足轻重的作用。

除此之外，还有上海时翔冶金设备有限公司、湖州湖锻液压机床厂和霸州瑞达五金旋压厂等旋压设备生产企业有了自己的专利技术。同时很多科研院所、高校也在旋压机的研发方面取得了丰硕的成果。表1所示为部分科研院所、高校关于旋压机研发的一些情况。

表1 部分科研院所、高校旋压机研发情况

2 国内外旋压设备的差距

通过以上对国内外旋压设备研发和生产状况的介绍，可以看出我国旋压设备的发展与国外相比还存在着较大的差距，主要表现在以下几个方面：

（1）产品没有形成系列化，且缺乏相应的行业标准。很多产品都是在机床基础上开发的组合机，旋压设备基本都是单件生产，生产效率低，成本高。

（2）旋压设备一般都是凭借工人的经验来进行操作的，没有规范的工艺流程。一次装夹工件能够完成的工序也较少，很多设备只能进行单个工序的加工，工件加工效率低，成本高。

（3）自动化程度低。虽然也开始引入CNC、PLC控制技术，但基本还是停留在半自动化程度上，在机器人技术、流水线加工等先进技术方面，国内旋压设备还是一片空白。

3 旋压设备发展趋势

纵观当前国内外旋压设备的发展现状，笔者认为，随着旋压设备的应用越来越广泛，对旋压技术问题的研究越来越深入，未来旋压设备将会向以下几个方向发展：

（1）旋压设备的研发生产将会实现规范化、系列化、标准化。随着新技术的引入，新的旋压工艺方式也将出现。通过构建旋压工艺的专家系统，旋压工艺也将得到优化。

（2）旋压设备将采用普旋、强旋、冷旋、热旋，单旋轮、双旋轮、多旋轮等多种旋压方式进行旋压。还可以在同一台设备上实现旋压、卷边、精整、缩颈等加工，使得能够加工的工件种类越来越多。

（3）施压设备将广泛采用CNC、PLC控制，最大限度地实现设备的自动化控制乃至智能控制，并且可以引入机器人技术，使工件的装卸加工形成流水线式作业，实现真正意义上的自动化、无人化操作。

4 结论

本文重点对国内外旋压设备的发展现状做了分析介绍，通过分析当前国外旋压设备的生产情况，可知国外旋压设备的发展已经相对成熟，基本上都实现了数控操作和设备系列化生产，设备种类十分丰富。而国内旋压设备经过几十年的努力同样也取得了显著的发展，与国外旋压设备的差距正在不断缩小，在很多方面还有了自己的创新与发展。最后本文探讨了旋压设备未来的发展趋势，随着技术水平的不断提高，相信我国旋压设备的发展将会迈向一个新的台阶。

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