封头的热旋压成形

文／陈时东，王健，杨庆高，蒋俐松·常州威诺德机械制造有限公司

封头的热旋压成形

文／陈时东，王健，杨庆高，蒋俐松·常州威诺德机械制造有限公司

封头的传统成形方式主要有冲压和旋压两种，而根据是否加热又有冷成形和热成形之分，对于比较厚的材料（一般大于30mm）或一些不适合冷成形的材料，往往需要进行热成形。

封头的热旋压成形技术相对传统的热冲压成形有诸多方面的优势，它无需投入昂贵的模具费用，对于非标形状、非标尺寸的封头制作不会受到限制，制作成本相对较低，旋压过程可以灵活多变，对于具有开裂倾向的材料把握性比较大。此外，旋压成形的封头尺寸精度也较高。但热旋压成形封头的板厚减薄率受操作人员的技术影响比较大，有一定的不稳定性，考虑到保险系数，减薄率一般取为13％左右。因此，在减薄率允许的前提下，热加工工艺应优先选用热旋压。

图1 几种常用材料的热强曲线

热旋压原理

一般金属材料的温度与强度成反比关系，随着温度的升高，其强度会减弱。在600℃以下时，温度的改变对强度的影响并不是很大，当温度达到700℃时，材料的强度将会降低2/3左右，而当温度达到900℃时，其强度仅仅相当于常温时的1/10左右。热旋压就是利用该原理来实现封头的成形，用加热装置对封头需要旋压的部位进行局部加热，当达到一定温度时开始旋压，在旋压的过程中继续对封头需要变形的部位进行加热，直到封头旋压成形。如图1所示为几种常用材料的热强（温度-强度）曲线。

热旋压设备

热旋压机的构造原理如图2所示。

图2 热旋压机示意图

热旋压机各部分的名称和作用：

⑴上、下夹紧油缸：固定封头，防止封头横向滑动而偏心；在旋压时，通过上下移动来调整旋压位置。夹紧油缸需设置冷却系统，以保护油缸。上夹紧油缸中心装有定位针，主要用来确定封头的中心点。下夹紧油缸里面安装一台大功率液压马达，通过伺服阀对其进行旋转速度的控制，确保和内部模具的旋转同步。

⑵保温底板：保温，防止热量的散失。

⑶保温门1、2：保温，防止热量的散失，并起到安全防护的作用，按图2所示箭头方向开启及关闭。所有与保温移动门板相接处都配备有独特的保温锁紧装置，最大限度地减少热量的损失，因为加热装置本身就是部分敞开式结构，不会起到像封闭加热炉一般的保温效果，所以应尽最大可能在门板接头处增设保温装置。

⑷内部模具：根据封头的规格选用相应的内部模具。可以上下移动，主要是为了上下料，同时也可以按图2所示箭头方向移动。内部模具的旋转是大功率电机加减速机的驱动形式，通过变频调速确保和封头的旋转同步。

图3 封头终旋时各部位温度分布示意图

⑸外部模具：该模具一般不更换，通过不断调整该模具的姿势及位置来对封头进行旋压翻边。该模具中有较复杂的冷却系统，以防止模具过热而损坏。该模具在加工过程中可不停地调整角度，其必须用合金钢经特殊热处理制成。

⑹外部模具调整油缸1、2：用于调整外部模具的姿势。

⑺移动本体：带动内、外部模具移动，按图2所示箭头方向移动。

⑻加热枪：对封头旋压部位进行加热，燃料可以用天然气或煤油。要求大功率，加热速度要达到1000℃/h以上，且必须是高速烧嘴，火束必须集中，确保需加热的部位快速加热，而不需要加热的部位则尽量少升温，否则很难成形，具体温度分配详见图3。高速烧嘴必须能够进行上下高度调整和角度调整，且支架底部需配备4个万向轮能在地上推动，另外高速烧嘴需有电子点火以及大小火控制，以满足不同规格、不同大小的封头加热功能。

⑼红外线温度测量、记录仪器：对封头的加热温度进行测量并记录保存。

⑽操作台：控制旋压机各部位的动作。热旋压机的传动原理基本都是液压传动，但下夹紧是通过液压马达驱动，内部模具是通过大功率电机和减速机传动。中央控制由PLC和数控装置进行控制，执行机构中的液压马达驱动是通过伺服阀控制，内部模具旋转的大功率电机和减速机是通过变频调速控制，其他液压传动是通过伺服油缸和伺服阀进行位置和速度调节控制，所有执行机构都是受中央PLC和数控装置直接控制的，最终可确保下夹紧液压马达和内部模具的旋转精确同步，同时还可确保在任何旋压位置都能实现恒线速，并且可以精确控制内外模具的角度和位置，最终确保产品的尺寸、形状、板厚等满足要求。

热旋压工艺

热旋压的加热过程和热冲压完全相反，热冲压是在炉内加热至900℃以上（具体根据材质和操作过程而确定温度），然后移动至冲压机内冲压成形，其温度是一个不断降温的过程，通常的规范要求终压温度必须高于680℃（根据材质而有所变化），在具体操作过程中很难把控和具体测定，原因是内部温度高而浅表温度低，所以经常出现一些超标状况。而热旋压是在达到起旋温度后进行旋压，同时继续对封头进行加热，所以封头的温度是缓慢上升的，可以确保终旋温度达到规定值以上。

具体的热旋压工艺：在压机上安装好需要旋压翻边的封头（压鼓或预压完成）以后，让封头旋转，同时用加热枪进行加热，当加热温度高于650℃时即可进行旋压，通过内、外部模具的不断旋转挤压来完成封头的翻边，通过安装在移动本体上的标尺或数字编码器反馈距离来判断封头的直径是否加工到位（需要预留封头冷却后的收缩尺寸），封头旋压完成后关闭加热枪。封头的终旋温度可以达到850℃以上。

如图3所示，热旋压时，加热部位在直边和r部分。根据测温结果可知，从1～6处，温度逐步降低，整个旋压过程中封头各个部位的温度分布极不均匀，最高温度也不尽相同，其结果就是导致封头各个部位材料中存在不同的晶粒状态，封头各部分的力学性能也不尽相同，但变形部位（直边和r部分）的终旋温度是可以确保的。

解剖试验数据显示，热旋后的直边、r、R部位以及焊缝的各项性能指标均符合原材料的标准要求，大部分数据比原始状态均有提高。因此曾有批文，热旋压的碳素钢封头可以不需要再进行热处理。GB/T 25198—2010中6.4.3规定：当钢板供货与使用的热处理状态一致时，则热成形封头在热成形过程中不得破坏供货时的热处理状态，否则应重新热处理。热旋压过程是否破坏了材料供货时的热处理状态还存在一定的争议，因此，为了保险起见，本公司一般采用正火处理来恢复材料的性能。

研讨

⑴热旋压设备由于需要在高温环境中进行高强度运转，所以其设计、冷却和材质的选择与一般的冷旋压设备完全不同，因此，国内制造热旋压设备还有一定的技术难度，无法迅速得到推广。

⑵热旋压的产品质量对操作工人的技术依赖性很大，操作工人的技术水平将直接影响封头的减薄率、形状的优劣。因此对于计算机辅助操作的引入，需要进一步研讨。

⑶除了椭圆和碟形封头之外，热旋压还可以通过一些工装对大部分的锥形封头进行旋压。对于平底封头，由于是局部高温加热，所以往往会产生封头边缘变形，严重的甚至会产生失稳而导致封头报废，因而对非常规形状的封头进行热旋压，其工装的设计就显得尤为重要，而这也是其技术难点之一。

结束语

作为封头成形方式的一种，热旋压技术正逐步在行业中得到推广，所涉及的产品领域也越来越广泛，目前本公司已成功旋压出了椭圆形封头、碟形封头、折边平底封头、锥形封头等，对热旋压机及其能力还在进一步的研究中。

反馈服务编码6103

陈时东，技术部部长，主要从事封头成形模具和封头用各种材料的研究。

使用热旋压工艺成形封头，无需投入昂贵的模具费用，对于非标形状、非标尺寸的封头制作不会受到限制，旋压过程可以灵活多变，对于具有开裂倾向的材料把握性比较大。