旋形加工

旋形加工(Spinning)為一種非常適合於製造高強度、高精度長形薄殼無縫管件之無屑 塑性加工技術，透過此製程使工作材料產生流動而成形，晶粒結構因受應變作用而成纖 維狀組織，並受加工硬化增加其強度，因此旋形加工技術各國均大量運用於製造飛彈彈 體、火箭之發動機、加力器等航太及高科技產業[45,46]。

一般傳統車削加工於製造長形薄管時，經常因壁厚太薄，會有加工變形、加工後尺

寸精度難掌握、加工工時長，不易達到量產及降低成本的需求，尤其製造長形薄管時，

更不易達到所要求的壁厚、內徑公差及直度等精度要求，因應汽車、航太及高科技產業 的研發需求，流旋形加工技術的發展應用亦日趨多樣化[47]。

而流旋形加工乃是將中空金屬胚管(Blank)或杯形胚盂(Preform)於一定的速度旋轉 下，利用一組滾輪(Roller)依不同材料特性，施以適當的局部壓力，使其金屬材料產生塑 性變形而包於型模或心軸上，製成具有所需之中空、圓形截面的管殼、容器等工件的一 種管件成形製造技術。具有旋形後使管件材料依金屬特性而產生不同的加工硬化效果，

且管件品質容易控制，加工時間短，及節省材料等優異特性。故適用於製作大型、高精 度、長形、薄殼無縫之高強度航太及火箭推進器等零組件，可增加推進燃料及酬載之容 量，以達各國不斷研發射程更遠、酬載更高之目標。

2.2.1 旋形加工基本原理與種類

旋形加工(又稱旋壓成形、旋壓加工)是將金屬材料固定於可轉動之型模上，利用旋 轉滾輪連續對材料局部進行旋壓（即進行點加工），同時朝某個方向施予一定之壓力，

使金屬材料沿旋形型模產生塑性變形和流動，滾壓成薄壁管件或錐形工件之加工技術，

屬於無屑之塑性成形加工，常用於加工製作軸對稱之圓形中空工件。旋形加工按其加工 特性可區分為彎旋形、剪旋形與流旋形等三種類型，依不同加工方式區分，剪旋形又可 分為錐形剪旋及凹型剪旋；而流旋形則可分為順流旋形及逆流旋形[48]。主要之加工參 數為主軸轉速、進給速率、滾輪幾何形狀工件及壁厚減縮率等，產品優點為強度高、精 度高、材料節省、生產道次減少、加工時間縮短等。

1. 彎旋形加工基本原理

彎旋形加工即一般所稱之傳統旋壓加工(Conventional Spinning)，在傳統的術語 中，旋壓成形被定義為將一圓形平板透過增加總長度或是不改變其壁厚的狀況下重 新塑造圓弧，其產品種類繁多，應用範圍極為廣泛，加工過程如圖2-2 所示。胚料 一般為板料或已加工之半成品，採用滾輪運動軌跡之方式，對工件進行多道次旋壓 成形加工，只改變胚料形狀，而不改變胚料壁厚，加工方式類似沖壓加工的深引伸 加工，以成形模取代沖頭，以滾輪取代沖模，因滾輪循環移動多道次地加工出成品，

且加工條件較深引伸加工有更大的自由度，因此可加工形狀較複雜之零件，非常適 合塑性佳及壁厚較薄之材料使用，多道次加工方式如圖2-3 所示。彎旋形加工缺點 為尺寸不易控制、加工技術較高、生產效率較低，且因只改變胚料形狀，而不改變 胚料壁厚，亦限制了使用範圍。

圖2-2 彎旋形加工示意圖

圖2-3 多道次加工示意圖

彎旋形製程參數是影響旋壓成形產品能否成功的最重要因素，以下將各製程參 數的影響逐一說明。

(1) 進給速率比

進給速率比的定義為滾輪的進給速率與主軸速度的比值，一般而言即使滾輪進給和 主軸速度改變，但只要進給速率比維持固定，在產品品質上幾乎沒有任何明顯的影 響。因此針對材料特性施以合宜的進給速率比相當重要，尤其使用高進給速率比 時，會產生較高的作用力，容易導致破裂。相對地，使用太低的進給速率比，則將 會在外表方向造成過度的材料變形流動，易造成不必要的工作力降低和不當的管壁

變薄[49]。Wang 等人[50]指出，主軸速度提昇除了會造成高變形率導致主軸作用力 的增加外，同時因為進給速率比與主軸速度(mm/rev)成反比，將使每個轉速所需的 變形能量降低。

(2) 滾輪路徑

滾輪路徑是決定最後零件管壁厚度品質的最重要因素，因為正確的滾輪路徑可以避 免皺褶趨勢和減低皺褶產生的破裂。一般滾輪的凹形路徑最經常使用於彎旋壓加 工，因此在設計滾輪路徑時，必須同時考慮材料的縮減率[51]。而 Liu 等人經研究 [52]建立了一種彈塑性有限元素模型，可以分析彎旋形針對首次旋壓道次在不同滾 輪路徑的應力和應變的分佈狀況，亦即對胚料變成心軸形狀，會產生線性、渦形和 二次函數曲線變化。其研究結果發現，渦形曲線同時會對徑向和切向產生最小的應 力和應變，並進一步歸納分析出三種不同的路徑所造成的應力和應變分佈，可以在 彎旋形加工中，對於如何選擇較適用的滾輪路徑提供理論參考之基礎。

(3) 滾輪設計

設計滾輪時必須同時針對工件形狀、壁管厚度、尺寸大小等規範進行影響評估，尤 其滾輪圓鼻端如果半徑太小，也將造成高應力和導致壁管厚度品質不易控制。

(4) 旋壓比

旋壓比的定義為胚料外徑比心軸外徑的比值，一般而言，越高的旋壓比在旋形加工 中難度就愈高，旋壓比太大，就無法將管壁上產生的高徑向拉力傳送出去，進而沿 著凸緣到管壁的周圍就會有變形撕裂的狀況。

2. 剪旋形加工基本原理

剪旋成型最早是在瑞典使用，而真正大量使用時期則是因為輔助的動力機構改 為液壓設備[53]。剪旋形加工並未改變胚料外徑，僅改變板厚，其加工原理係依循 正弦定律（或稱剪旋定律）及體積不變定律，即旋前胚盂之體積等於旋後成品之體 積，加工過程如圖2-4 所示，此法與彎旋形加工不改變板厚之方式不同。其依加工

方式又可分為錐型剪旋及凹型剪旋，其中錐型剪旋最常使用，適合加工量小、可大 量生產之工件（直徑約180mm 以下）；而凹型剪旋一般用途較少，僅用於薄形工件。

剪旋形加工方法的優點是滾輪僅用一個道次成形，加工時間短，效率快，加工 表面佳，產品精度高，操作簡單、機具調整比彎旋形加工容易，尤其適合於大量生 產。缺點為因塑性變形的程度較彎旋形大，如因板厚減少太多，易導致缺陷，造成 產品良率降低。而在現今一般工業界所使用的旋形設備中，生產相同的零件，已可 同時使用剪旋形和彎旋形的複合加工技術，進而改善此缺點。

圖2-4 剪旋壓加工示意圖

對剪旋形製程而言，不同的進給速率、滾輪鼻端半徑、心軸旋轉速度等製程 參數對作用力及工件表面光度有重大影響。

(1) 心軸轉速

心軸轉速的增加會使正切作用力明顯降低，Chen 研究[54]使用回歸分析方法，分析 製程變數，將工件初始厚度對軸向、徑向和正切作用力的實驗數據資料導入統計分 析系統軟體(SAS/STAT)，可求出回歸方程式。而 Slater 的研究發現，對軸向作用 力和徑向作用力而言，心軸轉速的增加會降低其作用力，並歸納出在已知的心軸傾 角和進給速率下，可以得到一個適當的心軸轉速[55]，如圖 2-5 所示。

圖2-5 改變進給速率、作用力與心軸轉速之關係[55]

(2) 滾輪圓鼻和進給速度

從Chen 的研究分析結果，當同時使用較大的滾輪圓鼻和較低的進給速度時，則會 明顯降低成品的表面粗度[54]。而 Slater 的研究則指出，在已知的錐度和固定的進 給率之下，可找到一個特定的心軸轉速，使成品的表面粗糙度達到最小[55]。

(3) 可旋壓性(Spinnablity)

可旋壓性定義為金屬在接受剪旋形變形時沒有產生破裂的能力。Kegg 等人[56]從 拉伸試驗中提出預測可旋壓性的方法，主要是利用一個夾角在180º 和 0º 之間變化 的半橢面的旋壓心軸，當對材料有 80％或是較小的拉伸縮減量時，其極限旋壓縮 減量必須等於或是大於其極限拉伸縮減量。

Cui 等人則研究[57]造成旋壓過程破裂的原因，提出可藉由減少胚料和滾輪之間的 間隙，降低圓錐外在的拉伸應力，可有效避免破裂現象。Kalpakcioglu[58]則接續 延伸在可旋壓性上的分析和實驗上的研究，其研究結果認為滾輪圓鼻的半徑、滾輪 的速度和心軸的速度並不會影響到材料的可旋壓性。但另一方面，心軸的角度在加 工材料所受的應力及其可旋壓性上則有重大的影響。

3. 流旋形加工加工基本原理

流旋形加工又稱管旋形加工，是由金屬環形中空胚管或杯形胚盂於一定的速度 旋轉下，利用一組滾輪施以旋壓，使其金屬發生塑性變形而包於形模(或心軸)上，

製成具有所需之中空、圓形截面的管殼、容器等工件的一種管件成形製造技術[47]，

常用於製造長形中空薄殼之無縫管件。流旋形加工依其滾輪運動與工件材料流動方 向之不同而區分為順流旋形（Forward Flow Forming）與逆流旋形（Backward Flow Forming）兩種加工形式：如圖 2-6 與圖 2-7 所示，當滾輪運動方向與金屬胚料流動 方向相同者稱為順流旋形；反之，若滾輪運動方向與金屬胚料流動方向相反者則稱 為逆流旋形[59]。

以順流旋形與逆流旋形加工方式比較，一般採順流旋形方式加工，其優點為精 度高、不易扭曲、可製作做管狀及杯狀工件，其缺點為加工製程較複雜、加工時間 長、成本高、強度略低，主要適用在製造高精密薄壁的圓筒，如火箭外殼、液壓缸、

以順流旋形與逆流旋形加工方式比較，一般採順流旋形方式加工，其優點為精 度高、不易扭曲、可製作做管狀及杯狀工件，其缺點為加工製程較複雜、加工時間 長、成本高、強度略低，主要適用在製造高精密薄壁的圓筒，如火箭外殼、液壓缸、