毛 坯 厚 度
表 面 状 态
隙
量
内径精度 √ √ √
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内径胀缩 √ √ √ √ √
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壁厚差
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直线度
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内表面光 √
洁度
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外表面光 洁度
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5 有色金属旋压的发展趋势
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综述
2008 年 8 月第 4 期
于旋压。据不完全统计，旋压材料有两百余种，按有 空航天、海洋开发、建筑以及日常生活中具有广泛的
色金属和黑色金属划分各占约 50％[2]。在有色金属旋 压材料中，应用最多的是铝、铜、钛及其合金，其次
用途，被人们誉为“太空金属”和“海洋金属”，是 重要的战略金属材料。我国钛合金旋压的研究始于上
是钨、钼、锆、铌等稀有金属。用于旋压成形的铝及 其合金有纯铝、防锈铝、硬铝、超硬铝及锻铝等十余
世纪 70 年代。目前已开展旋压试验的钛合金有十余 种。有色金属旋压产品范围广，几乎所有的空心回转
种，其产品约百种规格。图 1 为铝合金旋压件实物图。 纯铝强度低，塑性变形性能好，加工硬化是其唯一的 强化途径。用于旋压成形的铜及其合金主要有阴极 铜、黄铜、白铜，其可旋性能良好。铝、铜及其合金 属于塑性良好的有色金属旋压用材，多数在室温条件
钛合金热旋时，工件的壁厚主要取决于芯轴与旋 轮的间隙及坯料自身的热收缩[25]。芯轴与旋轮的间隙 又与机床的退让量、旋轮和芯模的热膨胀有关，因此， 旋压壁厚精度要求较高的工件时，需要事先考虑机床 的退让量、旋轮和芯模的热膨胀系数。工件的直径超 差是由多种因素造成的，热旋时存在热胀冷缩、线速 度不均匀导致材料流动不均衡、减薄率过大等多种因 素，很容易使旋压完成后的产品存在一定的回弹。解 决回弹的有效措施一般包括增加模具的旋压道次、强 旋与普旋的有机结合、校正模具的回弹角度、采用热 校形等多种方式，这些方法还能提高产品壁厚均匀 性、直线度和圆度[7，18]。
15mm 的圆筒变薄旋压参考参数为：旋轮工作角 20º， 道次减薄率 25％，进给率控制在 1～2mm/r，变形稳 定。对于塑性不是很好的铝合金的大批量旋压生产， 增加旋压道次和中间退火工序，同时在旋压过程中进 行加热是非常有必要的[3，7，20]。 3.2.3 钛合金旋压特点
钛具有密排六方晶格，屈强比（σ0.2/σb）高，在 常温下钛合金的屈强比均在 0.8 以上，高强钛合金的 屈强比超过 0.9，因此塑性成形范围很窄。钛的热导 率低（只有铁的 1/4），热旋时工件表面容易产生密集 型裂纹。弹性模量（E）较低，仅为钢材的一半左右， 因此钛合金旋压不易贴模，旋压成形件回弹严重，难 以保证形状和尺寸公差精度。钛合金具有六方晶系结
2 有色金属旋压材料及工件形状描述
图 1 铝合金旋压件实物
早在十几世纪人们就开始采用手工普通旋压各 种银瓶锡罐等软金属器皿。随着技术的进步，旋压设
钛及其合金是上世纪 50 年代兴起的一种重要金 属结构材料。钛合金材料具有熔点高、耐腐蚀、高比
备的主传动力由人力转为电动力后，铜、铝等广泛用 强度、高低温性能好、无磁性等突出优点，因而在航
总之，影响旋压件产品质量的因素很多（表3）， 有工艺参数因素、工艺装备因素、毛坯因素等等。各 因素之间相互影响，有色金属旋压时要根据实际情况 综合考虑各主要因素，合理匹配工艺参数才能旋压出 符合设计要求的工件。
表3 各种因素对旋压件质量的影响[23]
要 素
工 件 质
工艺因素
工艺装备因素 旋轮
芯模
毛坯因素
作者简介：牟少正（1983-），硕士研究生，材料加工工程专业；研究方向：固体火 箭发动机金属材料成型。 收稿日期：2008-04-28
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图 2 旋压成形的工件形状[4]
3 有色金属的旋压工艺
3.1 工艺分类 有色金属旋压工艺可分为普通旋压和强力旋压
两类。普通旋压属于板材成形，只改变毛坯的形状而 不改变其壁厚。普通旋压可以完成成形、缩颈、收口、 封口、翻边、卷边、压筋等工作。强力旋压属于体积 成形，按工件外形的不同，可分为锥形、筒形及复合 形三类；按旋轮进给方向与毛坯材料流动方向的不 同，可分为正旋和反旋（正旋指毛坯材料流动方向顺 旋轮进给方向，反旋指毛坯材料流动方向逆旋轮进给 方向）；按旋压工具不同可分为滚珠旋压与滚轮旋压。 图 3 为滚珠反向旋压示意图。滚珠旋压一般用于小直 径、高强度、高精度薄壁管的制造。滚珠旋压铝合金 管件最小壁厚可达到 0.04～0.2mm，壁厚公差达到 0.005mm ， 长 径 比 达 30 ～ 60 ， 表 面 粗 糙 度 低 于 0.06µm[5]。
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力作用下形成裂纹。减薄率过大，实际变形超过材料 塑性变形能力时，在旋入端出现裂纹。筒形件强旋时， 当减薄率与进给比同时过大时，造成工件壁厚内外变 形不均匀，正旋时易出现拉裂，反旋时易出现折裂。 锥形件剪切旋压成形，如果偏离正弦律程度太大， 则旋压件内部产生很大的拉应力，导致裂纹出现。 当材料塑性较低，可旋性差，热旋温度低也容易出 现裂纹[18～21]。总之，在坯料确定的情况下，合理控制 工艺参数使旋压件内部应力低于坯料的强度极限，可 以避免裂纹的产生。
稳堆积现象，堆积材料被碾压后，工件表面出现鳞皮，
降低表面质量。铝合金旋压成形工艺的核心是在保证
金属毛坯材料结构稳定的前提下实现材料的局部稳
定塑性流动，工艺上一般采用合理的转速与进给率、
旋轮攻角和旋轮结构外形、间隙、增加旋压道次与热
处理中间工序[7]。对于直径小于Φ400mm，壁厚小于
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有色金属旋压技术研究现状
西安航天动力机械厂 牟少正 韩 冬
摘要 阐述了有色金属旋压加工的研究现状。从有色金属旋压材料、工艺和质量控制 三方面介绍了有色金属旋压加工的特点，对有色金属旋压的发展趋势做了预测。
关键词 有色金属 旋压技术 质量控制
1 引言
金属旋压成形技术是近代金属压力加工中新兴 的一种特种成形技术，它是综合了锻造、挤压、拉伸、 弯曲、环压、横轧和滚压等工艺特点的少无切削加工 的先进工艺[1]。旋压技术的先进性、实用性和经济性 使其应用非常广泛。有色金属旋压工件多数用于航 空、航天等重要领域，如人造卫星的鼻锥、飞机的蒙 皮、发动机喷管和飞行器的舱体等。本文主要以铝合 金、钛合金为例阐述了有色金属旋压加工的特点。
性能
σb/MPa
δ/％
HV
旋压前
125
22.5
43.9
旋压后
190
14.3
57.8
旋压后退火
169
16.8
48.9
有色金属旋压件常见缺陷及消除措施： 4.1 起皮
40
图 4 钛合金旋压起皮
4.2 裂纹 工件表面出现开裂（图 5）。引起旋压件裂纹的主
要原因有材料缺陷、坯料状态、工艺参数以及变形不 均等因素。原材料含有非金属夹杂物，该区域在拉应
L1= L0
S0 (di S1 (di
+ +
S0 ) S1 )
其中：L1——工件长度；L0——毛坯长度；di——
内径；S1——工件厚度；S0——毛坯厚度。
最大减薄率计算式：
ψ max
≈ ψ
ψ + 0.17
⋅100％
锥形件剪切旋压时，坯料在旋轮挤压与剪切综合
作用下厚度方向遵循体积不变定律和正弦规律变形。
几十年来，国内学者和科研机构对有色金属的旋 压做了大量理论和试验研究，取得了丰硕成果。作者 认为有色金属旋压的发展趋势有以下几点：
牌号 合金类型 工件形状 旋压温度/℃
TA1 α
筒形件 400～450
TA2 α
锥形体 350～450
表 1 不同钛合金旋压件的旋压温度
TA7 α
喷管 700±100
TA15 α
筒形件 600～700
BT20 近α 筒形件 600～700
TC3 α+β 喷管 600～700
TC4 α+β 复杂形面 700～900
筒形件变薄旋压时，毛坯与旋轮接触的很小变形 区处于三向应力状态而产生塑性变形，变形区内的金 属径向被压缩而沿轴向和切向流动。由于是局部塑性 变形，因此其变形又受周围区域的限制。在旋轮压力 和金属内应力的作用下，局部变形连续累积便引起整 个坯料的轴向伸长[1，6]。由于筒形件旋压是塑性变形， 因此其遵循体积不变原则，产品长度计算式：
体零件都可以旋压加工（图 2）；其尺寸范围也相当广， 目前国内能旋压的筒形件最大直径为Φ2300mm，零 件壁厚范围为 0.5±0.03～15±0.1mm。旋压成形锥形件 最大口径为Φ2200mm，壁厚 0.5～15mm。[14]
下旋压成形，极限减薄率在 60％～90％之间，有利于 旋压塑性变形[3]。
构，各向异性严重。钛材在受压时稳定性较低，易失 稳起皱[11，17]。
钛合金强力旋压时，控制钛合金热稳定性和热强 性是其热旋成形的关键[3]。坯料加热温度是影响成形 工艺的关键因素之一。温度偏低，金属的变形抗力大， 塑性差，在旋压时容易产生裂纹；温度过高，工件与 芯模的温度差就大，由于钛合金的导热性差，工件表 面容易产生密集型裂纹[9]；温度过高又容易使变形后 的金属晶粒长大，氧化污染加剧，降低旋压后的综合 性能。不同牌号、工件形状的合金旋压温度也不尽相 同[3，10～16，25]，表 1 是不同类型、工件形状钛合金旋压 件的旋压温度。