文／陳時(shí)東，王健，楊慶高，蔣俐松·常州威諾德機(jī)械制造有限公司

封頭的熱旋壓成形

文／陳時(shí)東，王健，楊慶高，蔣俐松·常州威諾德機(jī)械制造有限公司

封頭的傳統(tǒng)成形方式主要有沖壓和旋壓兩種，而根據(jù)是否加熱又有冷成形和熱成形之分，對(duì)于比較厚的材料（一般大于30mm）或一些不適合冷成形的材料，往往需要進(jìn)行熱成形。

封頭的熱旋壓成形技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)的熱沖壓成形有諸多方面的優(yōu)勢(shì)，它無(wú)需投入昂貴的模具費(fèi)用，對(duì)于非標(biāo)形狀、非標(biāo)尺寸的封頭制作不會(huì)受到限制，制作成本相對(duì)較低，旋壓過(guò)程可以靈活多變，對(duì)于具有開(kāi)裂傾向的材料把握性比較大。此外，旋壓成形的封頭尺寸精度也較高。但熱旋壓成形封頭的板厚減薄率受操作人員的技術(shù)影響比較大，有一定的不穩(wěn)定性，考慮到保險(xiǎn)系數(shù)，減薄率一般取為13％左右。因此，在減薄率允許的前提下，熱加工工藝應(yīng)優(yōu)先選用熱旋壓。

圖1 幾種常用材料的熱強(qiáng)曲線

熱旋壓原理

一般金屬材料的溫度與強(qiáng)度成反比關(guān)系，隨著溫度的升高，其強(qiáng)度會(huì)減弱。在600℃以下時(shí)，溫度的改變對(duì)強(qiáng)度的影響并不是很大，當(dāng)溫度達(dá)到700℃時(shí)，材料的強(qiáng)度將會(huì)降低2/3左右，而當(dāng)溫度達(dá)到900℃時(shí)，其強(qiáng)度僅僅相當(dāng)于常溫時(shí)的1/10左右。熱旋壓就是利用該原理來(lái)實(shí)現(xiàn)封頭的成形，用加熱裝置對(duì)封頭需要旋壓的部位進(jìn)行局部加熱，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)開(kāi)始旋壓，在旋壓的過(guò)程中繼續(xù)對(duì)封頭需要變形的部位進(jìn)行加熱，直到封頭旋壓成形。如圖1所示為幾種常用材料的熱強(qiáng)（溫度-強(qiáng)度）曲線。

熱旋壓設(shè)備

熱旋壓機(jī)的構(gòu)造原理如圖2所示。

圖2 熱旋壓機(jī)示意圖

熱旋壓機(jī)各部分的名稱和作用：

⑴上、下夾緊油缸：固定封頭，防止封頭橫向滑動(dòng)而偏心；在旋壓時(shí)，通過(guò)上下移動(dòng)來(lái)調(diào)整旋壓位置。夾緊油缸需設(shè)置冷卻系統(tǒng)，以保護(hù)油缸。上夾緊油缸中心裝有定位針，主要用來(lái)確定封頭的中心點(diǎn)。下夾緊油缸里面安裝一臺(tái)大功率液壓馬達(dá)，通過(guò)伺服閥對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)速度的控制，確保和內(nèi)部模具的旋轉(zhuǎn)同步。

⑵保溫底板：保溫，防止熱量的散失。

⑶保溫門(mén)1、2：保溫，防止熱量的散失，并起到安全防護(hù)的作用，按圖2所示箭頭方向開(kāi)啟及關(guān)閉。所有與保溫移動(dòng)門(mén)板相接處都配備有獨(dú)特的保溫鎖緊裝置，最大限度地減少熱量的損失，因?yàn)榧訜嵫b置本身就是部分敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，不會(huì)起到像封閉加熱爐一般的保溫效果，所以應(yīng)盡最大可能在門(mén)板接頭處增設(shè)保溫裝置。

⑷內(nèi)部模具：根據(jù)封頭的規(guī)格選用相應(yīng)的內(nèi)部模具?？梢陨舷乱苿?dòng)，主要是為了上下料，同時(shí)也可以按圖2所示箭頭方向移動(dòng)。內(nèi)部模具的旋轉(zhuǎn)是大功率電機(jī)加減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式，通過(guò)變頻調(diào)速確保和封頭的旋轉(zhuǎn)同步。

圖3 封頭終旋時(shí)各部位溫度分布示意圖

⑸外部模具：該模具一般不更換，通過(guò)不斷調(diào)整該模具的姿勢(shì)及位置來(lái)對(duì)封頭進(jìn)行旋壓翻邊。該模具中有較復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，以防止模具過(guò)熱而損壞。該模具在加工過(guò)程中可不停地調(diào)整角度，其必須用合金鋼經(jīng)特殊熱處理制成。

⑹外部模具調(diào)整油缸1、2：用于調(diào)整外部模具的姿勢(shì)。

⑺移動(dòng)本體：帶動(dòng)內(nèi)、外部模具移動(dòng)，按圖2所示箭頭方向移動(dòng)。

⑻加熱槍：對(duì)封頭旋壓部位進(jìn)行加熱，燃料可以用天然氣或煤油。要求大功率，加熱速度要達(dá)到1000℃/h以上，且必須是高速燒嘴，火束必須集中，確保需加熱的部位快速加熱，而不需要加熱的部位則盡量少升溫，否則很難成形，具體溫度分配詳見(jiàn)圖3。高速燒嘴必須能夠進(jìn)行上下高度調(diào)整和角度調(diào)整，且支架底部需配備4個(gè)萬(wàn)向輪能在地上推動(dòng)，另外高速燒嘴需有電子點(diǎn)火以及大小火控制，以滿足不同規(guī)格、不同大小的封頭加熱功能。

⑼紅外線溫度測(cè)量、記錄儀器：對(duì)封頭的加熱溫度進(jìn)行測(cè)量并記錄保存。

⑽操作臺(tái)：控制旋壓機(jī)各部位的動(dòng)作。熱旋壓機(jī)的傳動(dòng)原理基本都是液壓傳動(dòng)，但下夾緊是通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部模具是通過(guò)大功率電機(jī)和減速機(jī)傳動(dòng)。中央控制由PLC和數(shù)控裝置進(jìn)行控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)是通過(guò)伺服閥控制，內(nèi)部模具旋轉(zhuǎn)的大功率電機(jī)和減速機(jī)是通過(guò)變頻調(diào)速控制，其他液壓傳動(dòng)是通過(guò)伺服油缸和伺服閥進(jìn)行位置和速度調(diào)節(jié)控制，所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是受中央PLC和數(shù)控裝置直接控制的，最終可確保下夾緊液壓馬達(dá)和內(nèi)部模具的旋轉(zhuǎn)精確同步，同時(shí)還可確保在任何旋壓位置都能實(shí)現(xiàn)恒線速，并且可以精確控制內(nèi)外模具的角度和位置，最終確保產(chǎn)品的尺寸、形狀、板厚等滿足要求。

熱旋壓工藝

熱旋壓的加熱過(guò)程和熱沖壓完全相反，熱沖壓是在爐內(nèi)加熱至900℃以上（具體根據(jù)材質(zhì)和操作過(guò)程而確定溫度），然后移動(dòng)至沖壓機(jī)內(nèi)沖壓成形，其溫度是一個(gè)不斷降溫的過(guò)程，通常的規(guī)范要求終壓溫度必須高于680℃（根據(jù)材質(zhì)而有所變化），在具體操作過(guò)程中很難把控和具體測(cè)定，原因是內(nèi)部溫度高而淺表溫度低，所以經(jīng)常出現(xiàn)一些超標(biāo)狀況。而熱旋壓是在達(dá)到起旋溫度后進(jìn)行旋壓，同時(shí)繼續(xù)對(duì)封頭進(jìn)行加熱，所以封頭的溫度是緩慢上升的，可以確保終旋溫度達(dá)到規(guī)定值以上。

具體的熱旋壓工藝：在壓機(jī)上安裝好需要旋壓翻邊的封頭（壓鼓或預(yù)壓完成）以后，讓封頭旋轉(zhuǎn)，同時(shí)用加熱槍進(jìn)行加熱，當(dāng)加熱溫度高于650℃時(shí)即可進(jìn)行旋壓，通過(guò)內(nèi)、外部模具的不斷旋轉(zhuǎn)擠壓來(lái)完成封頭的翻邊，通過(guò)安裝在移動(dòng)本體上的標(biāo)尺或數(shù)字編碼器反饋距離來(lái)判斷封頭的直徑是否加工到位（需要預(yù)留封頭冷卻后的收縮尺寸），封頭旋壓完成后關(guān)閉加熱槍。封頭的終旋溫度可以達(dá)到850℃以上。

如圖3所示，熱旋壓時(shí)，加熱部位在直邊和r部分。根據(jù)測(cè)溫結(jié)果可知，從1～6處，溫度逐步降低，整個(gè)旋壓過(guò)程中封頭各個(gè)部位的溫度分布極不均勻，最高溫度也不盡相同，其結(jié)果就是導(dǎo)致封頭各個(gè)部位材料中存在不同的晶粒狀態(tài)，封頭各部分的力學(xué)性能也不盡相同，但變形部位（直邊和r部分）的終旋溫度是可以確保的。

解剖試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，熱旋后的直邊、r、R部位以及焊縫的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合原材料的標(biāo)準(zhǔn)要求，大部分?jǐn)?shù)據(jù)比原始狀態(tài)均有提高。因此曾有批文，熱旋壓的碳素鋼封頭可以不需要再進(jìn)行熱處理。GB/T 25198—2010中6.4.3規(guī)定：當(dāng)鋼板供貨與使用的熱處理狀態(tài)一致時(shí)，則熱成形封頭在熱成形過(guò)程中不得破壞供貨時(shí)的熱處理狀態(tài)，否則應(yīng)重新熱處理。熱旋壓過(guò)程是否破壞了材料供貨時(shí)的熱處理狀態(tài)還存在一定的爭(zhēng)議，因此，為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，本公司一般采用正火處理來(lái)恢復(fù)材料的性能。

研討

⑴熱旋壓設(shè)備由于需要在高溫環(huán)境中進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn)，所以其設(shè)計(jì)、冷卻和材質(zhì)的選擇與一般的冷旋壓設(shè)備完全不同，因此，國(guó)內(nèi)制造熱旋壓設(shè)備還有一定的技術(shù)難度，無(wú)法迅速得到推廣。

⑵熱旋壓的產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)操作工人的技術(shù)依賴性很大，操作工人的技術(shù)水平將直接影響封頭的減薄率、形狀的優(yōu)劣。因此對(duì)于計(jì)算機(jī)輔助操作的引入，需要進(jìn)一步研討。

⑶除了橢圓和碟形封頭之外，熱旋壓還可以通過(guò)一些工裝對(duì)大部分的錐形封頭進(jìn)行旋壓。對(duì)于平底封頭，由于是局部高溫加熱，所以往往會(huì)產(chǎn)生封頭邊緣變形，嚴(yán)重的甚至?xí)a(chǎn)生失穩(wěn)而導(dǎo)致封頭報(bào)廢，因而對(duì)非常規(guī)形狀的封頭進(jìn)行熱旋壓，其工裝的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，而這也是其技術(shù)難點(diǎn)之一。

結(jié)束語(yǔ)

作為封頭成形方式的一種，熱旋壓技術(shù)正逐步在行業(yè)中得到推廣，所涉及的產(chǎn)品領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，目前本公司已成功旋壓出了橢圓形封頭、碟形封頭、折邊平底封頭、錐形封頭等，對(duì)熱旋壓機(jī)及其能力還在進(jìn)一步的研究中。

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陳時(shí)東，技術(shù)部部長(zhǎng)，主要從事封頭成形模具和封頭用各種材料的研究。

使用熱旋壓工藝成形封頭，無(wú)需投入昂貴的模具費(fèi)用，對(duì)于非標(biāo)形狀、非標(biāo)尺寸的封頭制作不會(huì)受到限制，旋壓過(guò)程可以靈活多變，對(duì)于具有開(kāi)裂傾向的材料把握性比較大。