CN102764841B - 一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模及成形方法，基模由基模主体和拔模端组成，基模主体上开有燕尾凹槽和定位槽，形模整体为圆环结构，将形模均匀分割成多个形状相同的分模，分模成形面上有用于环形内加强筋的成形弧形凹槽，分模内表面上有燕尾榫头，用于与燕尾凹槽和定位槽配合。本发明采用了组合芯模的方式解决了回转体薄壁件内加强筋的成形过程中脱模难的问题。基模燕尾凹槽上的定位槽能够有效防止形模的移动，提高回转体薄壁件内加强筋的成形精度。芯模的基模、形模和固定销按照各自强度要求可采用不同金属材料；对于成形内径尺寸相同、内加强筋形状不同的回转体薄壁件只需更换形模即可，大大降低了模具的成本。

Description

一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模及成形方法

技术领域

本发明涉及旋转锻造成形回转体薄壁件的工艺技术方法，具体是一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模及成形方法。

背景技术

随着科学技术的发展，高端技术装备的零部件生产对材料成形的要求越来越高。在航空航天和兵器工业领域，回转体薄壁复杂件被广泛应用于航空发动机罩、整体火箭发动机构件、人造卫星等，为提高回转体薄壁复杂件的使用强度和服役寿命，通常在其内壁成形一种环形加强筋，这种加强筋的设计大大提高了回转体薄壁复杂件的质量水平，然而，由于当前成形设备及技术条件的制约，在成形该回转体薄壁复杂件的内部加强筋时存在成形模具难以顺利脱出的问题。基于回转体薄壁件内壁形状的成形技术的相关研究，目前公开号CN1431061的发明提出了一种内螺纹套筒的热挤压成形方法，该方法将带有螺纹的芯模插入套筒内，通过挤压套筒外部制备出套筒的内螺纹，这种加工方法的加工速度较快，节省原料，能耗较低；公开号CN101284297的发明提供了一种加工内螺纹铝管的方法及装置，该方法同样将带有螺纹的芯头插入铝管内，在管外通过旋转挤压从而在铝管内壁上连续加工出螺纹；公开号CN101712062A的发明提出了一种由组合凸模、组合凹模和工件顶出部分组成的加工装置，生产出了内斜齿轮或螺旋渐开线花键，该发明的优点是大大提高了原有工艺的材料利用率和生产效率，而且其精密成形模具的寿命长，产品零件质量高；实用新型专利CN2439344提供了一种内花键冷挤成形模具，采用该模具成形后的内花键表现出成本低、效率高、齿强度高、齿面光洁度高等特点，并且通过该实用新型可加工盲孔的内花键；实用新型专利CN2460237提供了一种内外圆斜齿轮的冷温挤压成形模具，实现了用挤压成形方法加工内外圆斜齿轮，利用轴承结构解决了成形过程中毛坯与凸模之间的运动协调关系，其结构简单、设计合理、加工成本低，并且齿轮使用寿命长；实用新型专利CN201020484提出了一种成形深孔内花键的精密模具，所述模具主要由上组合凸模、花键芯杆和下组合凹模组成，利用凸模将坯料和芯杆同时压入挤压模成形出内花键；公开号CN101497099的发明提出了一种带横向内加强筋构件的旋压成形芯模，该发明主要优点在于设计采用了横纵组合分瓣方案，有效解决了带横向内加强筋大型薄壁复杂构件成形中难于脱模的不足，从而满足构件制造快速、高效的要求。

从以上相关发明中可以看出，总的来说带环形内加强筋的回转体薄壁件的成形方法有铸造，挤压和旋转锻压（旋锻和旋压）三种，其中铸造方法成形后的零件强度低，韧性差，使用范围较小；挤压方法的成形速度快，生产率较高，但生产出的零部件表面强度较低，需要表面渗氮、渗硼等强化处理，且所用成形模具的寿命较低；相比之下，旋转锻压的方法不仅成形速度快，而且保证构件生产过程中的强韧度要求，成形构件的内部流线分布与其外部轮廓相近，从而使得构件的抗冲击性能较好，综合质量高，因此成为制备带环形内加强筋的回转体薄壁件的主要选用工艺方法。上述三种带环形内加强筋的回转体薄壁件的成形方法均采用芯模来完成内加强筋的成形，对于同内径，不同内加强筋形状的回转体薄壁件，成形时需要重新加工芯模。

然而，在实际应用旋转锻压方法成型带环形内加强筋的回转体薄壁件时，内加强筋处的脱模问题成为主要遇到的工艺难点；因此对于带环形内加强筋的回转体薄壁件，如何简便的脱模成为当前亟需解决的问题。综上，基于旋转锻压方法的特点，为解决带环形内加强筋的回转体薄壁件在成形过程中出现的内加强筋难以脱模的问题，本发明基于旋锻方法设计了成形带环形内加强筋的回转体薄壁件的芯模及成形方法，以满足实际生产要求。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模及成形方法，用于在径向精锻机上成形带环形内加强筋的回转体薄壁件。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模，其特征在于：包括基模、形模和固定销；

基模由基模主体和拔模端组成；基模主体为圆柱体，基模主体的外表面沿轴向开有多个贯通的燕尾凹槽，燕尾凹槽沿基模主体周向均匀分布，燕尾凹槽的底面为沿基模主体周向的圆弧面；燕尾凹槽一侧槽壁上开有沿基模主体周向的定位槽，定位槽沿基模主体径向的截面形状也为燕尾型，定位槽槽深与燕尾凹槽槽深相同，定位槽底面也为沿基模主体周向的圆弧面；拔模端为基模主体两端的圆柱体，拔模端与基模主体同轴；

形模整体为圆环结构，将形模均匀分割成多个形状相同的分模，分模为扇形圆环结构，分模个数与燕尾凹槽个数相同；单个分模的轴向长度与基模主体轴向长度相同；分模外侧弧面为成形面，成形面直径等于待成形回转体薄壁件的内径，在成形面上有沿成形面周向的弧形凹槽，弧形凹槽用于成形环形内加强筋；分模内侧弧面直径等于基模主体外表面的直径，在分模内侧弧面上分布有燕尾榫头，燕尾榫头位置与定位槽位置对应，燕尾榫头个数与定位槽个数相同，燕尾榫头中垂直于形模轴线的截面形状与燕尾凹槽垂直于基模主体轴线的截面形状相同，燕尾榫头沿形模径向的截面形状与定位槽沿基模主体径向的截面形状相同；

固定销为L型结构，其一端臂的截面形状与燕尾凹槽垂直于基模主体轴线的截面形状相同。

所述一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模，其特征在于：基模主体直径为待成形回转体薄壁件内径的70~85%，基模主体轴向长度为待成形回转体薄壁件轴向长度的1.1~1.3倍。

所述一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模，其特征在于：燕尾凹槽的顶宽为基模主体直径的10~15%，燕尾凹槽槽深为燕尾凹槽顶宽的45~55%。

所述一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模，其特征在于：定位槽的顶宽为基模主体轴向长度的4~8%，定位槽的槽底宽为槽顶宽的1.176~1.364倍，定位槽底面所对应的圆心角为13°~23.4°。

所述一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模，其特征在于：拔模端直径为基模主体直径的50~65%，轴向长度为基模主体轴向长度的20~30%。

所述一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模，其特征在于：形模厚度为弧形凹槽深度的2~4倍。

一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将基模固定，然后依次将分模沿轴向装配到基模上的燕尾凹槽中，分模在基模上组成形模；固定形模，并转动基模，使形模上的燕尾榫头转入基模上的定位槽中；再将固定销插入燕尾凹槽中，将基模与形模固定，装配完成芯模；

步骤2：利用步骤1装配的芯模，采用旋转锻造方法加工带环形内加强筋回转体薄壁件；

步骤3：步骤2中带环形内加强筋回转体薄壁件加工完成后，依次卸下固定销；而后固定形模，并转动基模，使形模上的燕尾榫头转出定位槽，并进入燕尾凹槽内；再夹紧拔模端，沿轴向将基模取出，剩余的形模从成形件上取下，完成脱模过程。

有益效果

本发明主要涉及旋锻工艺中成形带环形内加强筋的回转体薄壁件的组合芯模及成形方法，采用了组合芯模的方式解决了回转体薄壁件内加强筋的成形过程中脱模难的问题。基模燕尾凹槽上的定位槽能够有效防止形模的移动，提高回转体薄壁件内加强筋的成形精度。芯模的基模、形模和固定销按照各自强度要求可采用不同金属材料；对于成形内径尺寸相同、内加强筋形状不同的回转体薄壁件只需更换形模即可，大大降低了模具的成本。

通过上述步骤，带环形内加强筋的回转体薄壁件难于脱模的问题就得到了解决，且成形件脱模后保证型面质量高，无附加变形。在带有复杂内加强筋的回转体薄壁件的旋锻过程中，采用本发明可直接成形出内加强筋形状，成形后的回转体薄壁件内部材料流线与内加强筋形状近于平行，从而显著提高了回转体薄壁件在径向的强度和抗冲击性能。本发明能够应用到成形上述带内加强筋的回转体薄壁件的工业应用中，具有较高的工业应用价值。

附图说明

图1：带环形内加强筋的回转体薄壁件示意图；

图2：基模示意图；

图3：分模示意图；

图4：分模剖视图；

图5：固定销示意图；

图6：芯模组装后的装配示意图；

图7：基模中沿不含定位槽的部分的横截面图；

图8：基模沿带有定位槽的部位的轴向截面图；

其中：1.环形内加强筋 2.基模主体 3.拔模端 4.燕尾凹槽 5.定位槽 6.成形面7.弧形凹槽 8.燕尾榫头 9.基模 10.形模 11.固定销。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

实施例一：

本实施例是一种带环形内加强筋的回转体薄壁件的成形工艺，主要设计了用于成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模。

本实施例所述待成形的带环形内加强筋的回转体薄壁件几何外形如图1所示，内径300mm，轴向长度500mm，壁厚10mm，内壁沿轴向有三个宽度50mm、高度5mm的环形内加强筋1，彼此间距为100mm，两端的内加强筋与回转体薄壁件两端面的距离均为75mm。

本实施例提出的成形上述转体薄壁件的芯模包括基模9、形模10和固定销11。

基模9材料选用模具钢4CrMnSiMoV，由基模主体2和拔模端3两部分组成。基模主体2为圆柱体，直径为240mm，轴向长度为600mm。

基模主体2的外表面沿轴向开有六个贯通的燕尾凹槽4，如图7所示，燕尾凹槽沿基模主体周向均匀分布，相邻两个燕尾凹槽间的夹角为60°。燕尾凹槽4的顶宽为30mm，燕尾凹槽的底面为沿基模主体周向的圆弧面，该圆弧面的弧长为26.31mm，该圆弧面所对应的直径为基模主体直径与2倍槽深之差，即210mm，同时该圆弧面所对应的圆心角为14.36°，燕尾凹槽槽深为15mm，每条燕尾凹槽4沿轴向贯穿基模主体2的外表面。

每条燕尾凹槽4的顺时针一侧开有三个沿基模主体周向的定位槽5，相邻定位槽5之间的距离为130mm，两端的定位槽5与基模主体2两端的距离分别为80mm。定位槽沿基模主体径向的截面形状也为燕尾型，如图8所示。定位槽槽顶宽为60mm，槽底宽为76.5mm，槽深与燕尾凹槽4的槽深相同，为15mm；定位槽底面也为沿基模主体周向的圆弧面，该圆弧面所对应的圆心角为13.5°，对应直径为基模主体直径与2倍定位槽槽深之差，即210mm。

如图2所示，拔模端3为基模主体2两端的圆柱体，与基模主体2同轴，直径为144mm，轴向长度为150mm。

形模10整体为圆环结构，将形模均匀分割成六个形状相同的分模，分模为扇形圆环结构。单个分模的轴向长度与基模主体轴向长度相同，为600mm，相邻两个分模的接触面为带拔模角度的倾斜面。分模由成形面6、弧形凹槽7和定位榫头8组成，如图3所示，分模的厚度为30mm。分模外侧弧面为成形面6，成形面直径等于待成形回转体薄壁件的内径，为300mm，轴向长度等于分模的轴向长度600mm。在成形面上有沿成形面周向的弧形凹槽7，弧形凹槽用于成形环形内加强筋，所以弧形凹槽截面形状与待成形回转体薄壁件的环形内加强筋的截面形状相同，弧形凹槽槽宽与待成形回转体薄壁件的环形内加强筋宽度相同为50mm，槽深与待成形回转体薄壁件的环形内加强筋的径向高度相同为5mm。弧形凹槽7沿分模的轴向间距为与待成形回转体薄壁件的环形内加强筋轴向的间距相同为100mm，两端的弧形凹槽7与分模两端面的距离均为75mm。

如图3，分模内侧弧面直径等于基模主体外表面的直径，在分模内侧弧面沿形模轴向方向上均匀分布有三个燕尾榫头8。燕尾榫头位置与定位槽位置对应，燕尾榫头中垂直于形模轴线的截面形状与燕尾凹槽垂直于基模主体轴线的截面形状相同，燕尾榫头沿形模径向的截面形状与定位槽沿基模主体径向的截面形状相同。

固定销为L型结构，固定销共有2个，其一端臂的截面形状与燕尾凹槽垂直于基模主体轴线的截面形状相同。在形模10装配到基模9上以后，两个固定销分别安装在其中一个燕尾凹槽的两端。

本实施例成形带环形内加强筋回转体薄壁件的成形方法包括以下步骤：

步骤1：将基模固定，然后依次将分模沿轴向装配到基模上的燕尾凹槽中，分模在基模上组成形模；固定形模，并沿逆时针方向转动基模，使形模上的燕尾榫头转入基模上的定位槽中并定位；再将固定销插入燕尾凹槽中，将基模与形模固定，装配完成芯模；在装配过程中，保留一部分长度的固定销11在芯模外部，以便锻后脱模。

步骤2：利用步骤1装配的芯模，采用旋转锻造方法加工带环形内加强筋回转体薄壁件；

步骤3：步骤2中带环形内加强筋回转体薄壁件加工完成后，依次卸下固定销；而后固定形模，并顺时针转动基模，使形模上的燕尾榫头转出定位槽，并进入燕尾凹槽内；再夹紧拔模端，沿轴向将基模取出，剩余的形模从成形件上取下，完成脱模过程。

完成以上芯模的装配过程后，即可将坯料装配到芯模上，利用径向精锻机进行进一步的锻造，锻造过程结束后，通过上述脱模过程，顺利去掉芯模，切掉轴向两端的余量，从而获得所要求几何尺寸的带环形内加强筋的回转体薄壁件构件。整个过程简便可行，构件成形表面质量高，环形内加强筋的组织流线好，可以有效提高构件成形质量和生产效率。

实施例二：

本实施例是一种带环形内加强筋的回转体薄壁件的成形工艺，主要设计了用于成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模。

本实施例所述待成形的带环形内加强筋的回转体薄壁件几何外形为：内径100mm，轴向长度200mm，壁厚5mm，内壁沿轴向有三个宽度20mm、高度3mm的环形内加强筋，彼此间距为40mm，两端的内加强筋与回转体薄壁件两端面的距离均为30mm。

本实施例提出的成形上述转体薄壁件的芯模包括基模9、形模10和固定销11。

基模9材料选用模具钢4CrMnSiMoV，由基模主体2和拔模端3两部分组成。基模主体2为圆柱体，直径为80mm，轴向长度为240mm。

基模主体2的外表面沿轴向开有六个贯通的燕尾凹槽4，燕尾凹槽沿基模主体周向均匀分布，相邻两个燕尾凹槽间的夹角为60°。燕尾凹槽4的顶宽为10mm，燕尾凹槽的底面为沿基模主体周向的圆弧面，该圆弧面的弧长为8.77mm，该圆弧面所对应的直径为基模主体直径与2倍槽深之差，即70mm，同时该圆弧面所对应的圆心角为14.36°，燕尾凹槽槽深为5mm，每条燕尾凹槽4沿轴向贯穿基模主体2的外表面。

每条燕尾凹槽4的顺时针一侧开有三个沿基模主体周向的定位槽5，相邻定位槽5之间的距离为45mm，两端的定位槽5与基模主体2两端的距离分别为45mm。定位槽沿基模主体径向的截面形状也为燕尾型，定位槽槽顶宽为20mm，槽底宽为25.5mm，槽深与燕尾凹槽4的槽深相同，为5mm；定位槽底面也为沿基模主体周向的圆弧面，该圆弧面所对应的圆心角为13.5°，对应直径为基模主体直径与2倍定位槽槽深之差，即70mm。

如图2所示，拔模端3为基模主体2两端的圆柱体，与基模主体2同轴。拔模端直径为48mm，轴向长度为60mm。

形模10整体为圆环结构，将形模均匀分割成六个形状相同的分模，分模为扇形圆环结构。单个分模的轴向长度与基模主体轴向长度相同，为240mm，相邻两个分模的接触面为带拔模角度的倾斜面。分模由成形面6、弧形凹槽7和定位榫头8组成，分模的厚度为10mm。分模外侧弧面为成形面6，成形面直径等于待成形回转体薄壁件的内径，为100mm，轴向长度等于分模的轴向长度240mm。在成形面上有沿成形面周向的弧形凹槽7，弧形凹槽用于成形环形内加强筋，所以弧形凹槽截面形状与待成形回转体薄壁件的环形内加强筋的截面形状相同，弧形凹槽槽宽与待成形回转体薄壁件的环形内加强筋宽度相同为20mm，槽深与待成形回转体薄壁件的环形内加强筋的径向高度相同为3mm。弧形凹槽7沿分模的轴向间距为与待成形回转体薄壁件的环形内加强筋轴向的间距相同为40mm，两端的弧形凹槽7与分模两端面的距离均为30mm。

分模内侧弧面直径等于基模主体外表面的直径，在分模内侧弧面沿形模轴向方向上均匀分布有三个燕尾榫头8。燕尾榫头位置与定位槽位置对应，燕尾榫头中垂直于形模轴线的截面形状与燕尾凹槽垂直于基模主体轴线的截面形状相同，燕尾榫头沿形模径向的截面形状与定位槽沿基模主体径向的截面形状相同。

固定销为L型结构，固定销共有2个，其一端臂的截面形状与燕尾凹槽垂直于基模主体轴线的截面形状相同。在形模10装配到基模9上以后，两个固定销分别安装在其中一个燕尾凹槽的两端。

本实施例成形带环形内加强筋回转体薄壁件的成形方法包括以下步骤：

步骤1：将基模固定，然后依次将分模沿轴向装配到基模上的燕尾凹槽中，分模在基模上组成形模；固定形模，并沿逆时针方向转动基模，使形模上的燕尾榫头转入基模上的定位槽中并定位；再将固定销插入燕尾凹槽中，将基模与形模固定，装配完成芯模；在装配过程中，保留一部分长度的固定销11在芯模外部，以便锻后脱模。

步骤2：利用步骤1装配的芯模，采用旋转锻造方法加工带环形内加强筋回转体薄壁件；

步骤3：步骤2中带环形内加强筋回转体薄壁件加工完成后，依次卸下固定销；而后固定形模，并顺时针转动基模，使形模上的燕尾榫头转出定位槽，并进入燕尾凹槽内；再夹紧拔模端，沿轴向将基模取出，剩余的形模从成形件上取下，完成脱模过程。

完成以上芯模的装配过程后，即可将坯料装配到芯模上，利用径向精锻机进行进一步的锻造，锻造过程结束后，通过上述脱模过程，顺利去掉芯模，切掉轴向两端的余量，从而获得所要求几何尺寸的带环形内加强筋的回转体薄壁件构件。整个过程简便可行，构件成形表面质量高，环形内加强筋的组织流线好，可以有效提高构件成形质量和生产效率。

Claims (7)

1.一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模，其特征在于：包括基模、形模和固定销；

基模由基模主体和拔模端组成；基模主体为圆柱体，基模主体的外表面沿轴向开有多个贯通的燕尾凹槽，燕尾凹槽沿基模主体周向均匀分布，燕尾凹槽的底面为沿基模主体周向的圆弧面；燕尾凹槽一侧槽壁上开有沿基模主体周向的定位槽，定位槽沿基模主体径向的截面形状也为燕尾型，定位槽槽深与燕尾凹槽槽深相同，定位槽底面也为沿基模主体周向的圆弧面；拔模端为基模主体两端的圆柱体，拔模端与基模主体同轴；

形模整体为圆环结构，将形模均匀分割成多个形状相同的分模，分模为扇形圆环结构，分模个数与燕尾凹槽个数相同；单个分模的轴向长度与基模主体轴向长度相同；分模外侧弧面为成形面，成形面直径等于待成形回转体薄壁件的内径，在成形面上有沿成形面周向的弧形凹槽，弧形凹槽用于成形环形内加强筋；分模内侧弧面直径等于基模主体外表面的直径，在分模内侧弧面上分布有燕尾榫头，燕尾榫头位置与定位槽位置对应，燕尾榫头个数与定位槽个数相同，燕尾榫头中垂直于形模轴线的截面形状与燕尾凹槽垂直于基模主体轴线的截面形状相同，燕尾榫头沿形模径向的截面形状与定位槽沿基模主体径向的截面形状相同；

固定销为L型结构，其一端臂的截面形状与燕尾凹槽垂直于基模主体轴线的截面形状相同。

2.根据权利要求1所述一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模，其特征在于：基模主体直径为待成形回转体薄壁件内径的70~85%，基模主体轴向长度为待成形回转体薄壁件轴向长度的1.1~1.3倍。

3.根据权利要求1或2所述一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模，其特征在于：燕尾凹槽的顶宽为基模主体直径的10~15%，燕尾凹槽槽深为燕尾凹槽顶宽的45~55%。

4.根据权利要求3所述一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模，其特征在于：定位槽的顶宽为基模主体轴向长度的4~8%，定位槽的槽底宽为槽顶宽的1.176~1.364倍，定位槽底面所对应的圆心角为13°~23.4°。

5.根据权利要求4所述一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模，其特征在于：拔模端直径为基模主体直径的50~65%，轴向长度为基模主体轴向长度的20~30%。

6.根据权利要求5所述一种成形带环形内加强筋回转体薄壁件的芯模，其特征在于：形模厚度为弧形凹槽深度的2~4倍。

7.一种利用权利要求1所述芯模成形带环形内加强筋回转体薄壁件的成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将基模固定，然后依次将分模沿轴向装配到基模上的燕尾凹槽中，分模在基模上组成形模；固定形模，并转动基模，使形模上的燕尾榫头转入基模上的定位槽中；再将固定销插入燕尾凹槽中，将基模与形模固定，装配完成芯模；

步骤2：利用步骤1装配的芯模，采用旋转锻造方法加工带环形内加强筋回转体薄壁件；

步骤3：步骤2中带环形内加强筋回转体薄壁件加工完成后，依次卸下固定销；而后固定形模，并转动基模，使形模上的燕尾榫头转出定位槽，并进入燕尾凹槽内；再夹紧拔模端，沿轴向将基模取出，剩余的形模从成形件上取下，完成脱模过程。

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