CN104858286B - 一种旋压设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种旋压设备，包括床身、旋轮机构、纵向进给机构和固定短芯模，旋轮通过旋轮横向进给机构固定在床身上，纵向位置固定，固定短芯模穿进旋压毛坯内，通过芯模拉杆纵向固定在旋轮位置，固定短芯模和旋轮在旋压过程纵向位置不变，纵向进给机构为结构相同的两套，分别安装旋轮机构的两端，纵向进给机构包括上丝杠、上丝母、下丝杠、下丝母、主轴箱、主轴和连接体，上丝母和下丝母分别与主轴箱固定连接，丝母带动主轴箱沿丝杠纵向移动，主轴的端部安装连接体，连接体另一端与旋压毛坯一端连接，主动、从动纵向进给机构的主轴同步旋转时通过连接体使旋压毛坯两端同步旋转。本发明集多种功能与一体，解决超长薄壁筒体成形中的技术难点，实现超长筒体、特薄壁筒形件低成本、高效率、数字化的生产，实现高可靠性、高质量的生产。

Description

一种旋压设备
技术领域
本发明涉及一种旋压设备，属于金属管材压力加工技术领域。
背景技术
三旋轮强力外旋压是目前最主要的薄壁筒形件成形方法，有着旋压吨位大，三旋轮可自动对心，旋压精度高等特点，被广泛应用于薄壁筒形零件、带外环向加强筋和小锥角零件的旋压成形。由于旋轮机构结构及功能的特点，在旋压超长(长度10米以上)薄壁(壁厚10mm以下)筒形件时，芯模必须要有足够强度、刚度和表面质量，10米以上的芯模制造困难，在旋压过程中出现超长薄壁筒形件脱模困难和旋压成形过程中模具低头、超长薄壁筒形件在旋压过程中一端传递扭矩造成工件扭转变形、超长薄壁筒形件长度过长由于自重等原因产生弯曲变形，以及材料在旋压变形过程中流动不畅、在旋轮前隆起过大出现掉料、产品精度降低等问题。现有冷拔工艺能生产10米以上的管材，但其壁厚大、壁厚均匀性差、圆度及直线度等形位公差难以控制；现有冷轧仅生产直径小于200毫米的难加工材料的管材，精度高但效率低。
为解决超长薄壁筒形件旋压过程中芯模制造难题、脱模困难等问题，肖作义在《管形件强力旋压新技术——浮动芯模法》(锻压技术1999年第5期)中提出采用浮动芯模，浮动芯模较短，采用带轴肩的阶梯圆柱结构，浮动芯模放置在旋压毛坯内部，芯模在轴向受摩擦力和轴肩所受到旋轮所施加的轴向推力，由于轴肩所受到旋轮所施加的轴向推力的作用，使芯模在旋压过程中不断向前运动，与旋轮位置相对固定，保持变形的连续性。但这种结构形式的浮动芯模，旋压毛坯的内径要容纳轴肩，旋压加工量大；同时在旋压时，浮动芯模转动可能与旋压毛坯不同轴，使旋压毛坯纵向运动受阻以及管件壁厚不均。
为解决材料在旋压变形过程中流动不畅、在旋轮前隆起过大等问题，马世成等人提出了一种在管形件自由端施加拉应力的思路；《高精度极薄壁圆筒件的新型旋压机》中提到一种张力旋压机，在管形件自由端通过液压设备施加张力。但这种方式拉力方向固定不可调整，若采用液压设备，在加工较长管件时液压设备过于庞大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种能解决超长薄壁筒形件脱模困难、模具低头、工件扭转变形、弯曲变形、旋轮处材料隆起等问题，张力方向可调、旋压过程管件纵向运动顺畅、超长薄壁筒形件壁厚均匀的旋压设备。
本发明的技术解决方案：一种旋压设备，包括床身和旋轮机构，还包括纵向进给机构和固定短芯模，所述的旋轮机构包括旋轮和旋轮横向进给机构，旋轮通过旋轮横向进给机构固定在床身上，纵向位置固定，固定短芯模穿进旋压毛坯内，通过芯模拉杆纵向固定在旋轮位置，固定短芯模和旋轮在旋压过程纵向位置不变，所述的纵向进给机构为结构相同的两套，分别安装旋轮机构的两端，其中一套为主动纵向进给机构，另一套为从动纵向进给机构，所述的纵向进给机构包括上丝杠、上丝母、下丝杠、下丝母、主轴箱、主轴、主轴驱动电机和连接体，主轴和主轴驱动电机安装在主轴箱内，上丝母和下丝母分别与主轴箱固定连接，上丝母和下丝母各配备一台纵向进给电机，驱动丝母带动主轴箱沿丝杠纵向移动，主轴的端部安装连接体，连接体另一端与旋压毛坯一端连接，主从动纵向进给机构的主轴同步旋转时通过连接体使旋压毛坯两端同步旋转；
旋压时，主动纵向进给机构带着旋压毛坯纵向移动，从动纵向进给机构的纵向进给电机工作在恒扭矩最大转速工作模式下，使从动纵向进给机构速度自适应地跟随主动纵向进给机构纵向移动，同时施加给旋压毛坯从动一端恒张力。
所述的从动纵向进给机构施加的恒张力为σ1＝0.1σ2～0.5σ2，σ2为旋压毛坯材料的屈服强度。
所述的从动纵向进给机构施加的恒张力与主动纵向进给机构的纵向移动方向相同或相反。
所述的从动纵向进给机构施加的恒张力与主动纵向进给机构的纵向移动方向相同时，恒张力σ1＝0.3σ2～0.5σ2，σ2为旋压毛坯材料的屈服强度。
所述的从动纵向进给机构施加的恒张力与主动纵向进给机构的纵向移动方向相反时，恒张力σ1＝0.1σ2～0.5σ2，σ2为旋压毛坯材料的屈服强度。
所述的固定短芯模包括芯模芯轴、芯模端盖、圆锥轴承和芯模本体，芯模芯轴穿入芯模本体内部，通过两端的圆锥轴承与芯模本体滚动配合，芯模芯轴一端与芯模拉杆固定连接，芯模端盖安装在芯模本体端部，将圆锥轴承密封在由芯模芯轴和芯模本体形成的储油腔内。
所述的上丝杠和下丝杠在主轴箱上呈对角线布局。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明采用旋轮纵向固定、旋压毛坯边旋转边纵向移动、旋压毛坯一端受恒张力作用、芯模很短且纵向固定、旋压毛坯两端同步旋转等措施，满足超长薄壁筒体的整体旋压成形；
(2)本发明芯模很短且纵向固定，在旋压力作用下，采用圆锥轴承实现芯模本体随着旋压毛坯同步旋转，解决大直径超长薄壁筒形件旋压芯模制造难题、脱模困难和旋压成形过程中模具低头、振动等问题，同时避免了采用现有浮动芯模，在旋压毛坯纵向移动时运动受阻以及管件壁厚不均的缺陷，在旋压过程中芯模本体与旋压毛坯之间间隙更小，旋压毛坯周向的加工量小；
(3)本发明采用结构相同的两套纵向进给机构，根据旋压工艺及生产要求，主从进给机构可灵活设定，从而使从动进给机构施加的恒张力方向灵活变化，旋压毛坯可以一端受推力，一端受拉力纵向移动，或两端同时受拉力纵向移动；
(4)本发明主从纵向进给机构中设置主轴和连接体，使旋压毛坯在纵向移动过程中实现两端同步旋转，解决了超长薄壁筒形件在旋压过程中一端传递扭矩造成工件扭转变形、振动的问题；
(5)本发明纵向进给机构采用恒力进给速度自适应技术，解决了超长薄壁筒形件长度过长由于自重等原因产生弯曲变形，材料在旋压变形过程中流动不畅、在旋轮前隆起过大出现掉料、产品精度降低等问题；
(6)本发明纵向进给机构采用丝母、丝杠结构实现纵向移动，结构简单，纵向进给机构的丝杠在主轴箱上采用双丝杠对角线布置，消除主轴箱的颠覆力矩和重载下爬行等问题；
(7)本发明集多种功能与一体，解决超长薄壁筒体成形中的技术难点，实现超长筒体、特薄壁筒形件低成本、高效率、数字化的生产，实现高可靠性、高质量的生产。
附图说明
图1为本发明结构布局示意图；
图2为本发明纵向进给机构结构示意图；
图3为本发明图2B-B方向视图；
图4为本发明旋压加工原理图；
图5为本发明固定短芯模结构示意图。
具体实施方式
本发明如图1所示，包括床身11、旋轮机构、支撑装置7、纵向进给机构和固定短芯模12，旋轮机构包括旋轮9和旋轮横向进给机构10，旋轮9通过旋轮横向进给机构10固定在床身11上，纵向位置固定，固定短芯模12穿进旋压毛坯8内，通过芯模拉杆4纵向固定在旋轮9位置，固定短芯模12和旋轮9在旋压过程纵向位置不变。
床身11上面布置连接各种机械部件及导轨，承受各种力和功能实现，主轴箱等部件在其导轨上的移动，另一方面床身通过地脚螺丝和地基连接，提高系统刚度。床身11为铸造或焊接结构，考虑到制造、运输等问题，可分为多段加工最后刚性连接而成。
支撑装置7支撑固定短芯模12和旋压毛坯8装卸，升降由液压油缸驱动。旋轮横向进给伺服系统10驱动三个120°均布的旋轮9横向进给，与纵向进给机构相互插补，形成旋轮的加工轨迹曲线。旋轮横向进给伺服系统采用电液伺服机构驱动三个120°均布的油缸，油缸杆固定，缸体移动推动滑体及旋轮座横向移动，光栅尺检测反馈，构成闭环控制系统。当旋压毛坯8一边旋转一边纵向移动通过旋轮9和固定短芯模12之间的设定的间隙时，旋压毛坯8壁厚被减薄，长度伸长，实现了旋压毛坯8旋压成形。
纵向进给机构为结构相同的两套，分别安装旋轮机构的两端，其中一套为主动纵向进给机构，另一套为从动纵向进给机构，主从动的确定根据工艺决定，主动纵向进给机构纵向移动带动旋压毛坯移动，移动方向由工艺设定，从动纵向进给装置必须跟随移动且速度自适应。旋压时，主动纵向进给机构带着旋压毛坯纵向移动，从动纵向进给机构的纵向进给电机工作在恒扭矩最大转速工作模式下，使从动纵向进给机构速度自适应地跟随主动纵向进给机构纵向移动，同时施加给旋压毛坯从动一端恒张力。从动纵向进给机构施加的恒张力与主动纵向进给机构的纵向移动方向根据旋压工艺确定，恒张力(从动纵向进给机构)小于主动力(主动纵向进给机构)，两者方向相同时，旋压毛坯一端受推力，一端受拉力纵向移动；两者方向相反时，旋压毛坯两端同时受拉力纵向移动(移动方向为主动进给方向)。
恒张力产生的拉应力通常设置为σ1＝0.1σ2～0.5σ2，σ2为旋压毛坯材料的屈服强度，特薄壁工件选择上限0.5σ2。恒张力大小通过设定纵向进给电机的扭矩大小确定，从动纵向进给机构的速度由数控系统设定为纵向进给电机的恒扭矩状态下速度最高，一般大于工作速度一个数量级，能够满足速度自适应的需求。
从动纵向进给机构施加的恒张力与主动纵向进给机构的纵向移动方向相同时，恒张力最佳范围为σ1＝0.3σ2～0.5σ2；从动纵向进给机构施加的恒张力与主动纵向进给机构的纵向移动方向相反时，恒张力最佳范围为σ1＝0.1σ2～0.5σ2，σ2为旋压毛坯材料的屈服强度。
纵向进给机构如图2、3所示，包括上丝杠2、上丝母13、下丝杠3、下丝母14、主轴箱5、主轴15、主轴驱动电机和连接体6，主轴15和主轴驱动电机安装在主轴箱5内，上丝杠2、下丝杠3的一端通过支架1固定安装在床身11上，另一端固定安装在旋轮横向进给机构10上，上丝母13和下丝母14分别与主轴箱5固定连接，上丝母13和下丝母14各配备一台纵向进给电机，驱动丝母带动主轴箱5沿丝杠纵向移动，主轴15的端部安装连接体6，连接体6另一端与旋压毛坯8一端连接，主从动纵向进给机构的主轴同轴，主从动纵向进给机构的主轴同步旋转时通过连接体使旋压毛坯两端同步旋转。
主轴箱采用整体铸造箱式结构，主电机功率根据负载设计确定，电机在额定功率以下工作运行，使电机发热量降低到最小。主轴转速具有无极调速、恒线速功能，满足旋压工艺的要求。连接体为厚壁筒形零件，一端为短锥结构与主轴短锥连接，另一端通过内径定位及销钉与长筒形零件一端连接。
纵向进给机构采用丝母边旋转边移动驱动主轴箱纵向移动，滚珠丝杠不旋转，编码器检测反馈，构成闭环控制系统。采用双滚珠丝杠在主轴箱对角线布置，消除主轴箱的颠覆力矩和重载下爬行等问题。
固定短芯模12如图5所示，包括芯模芯轴1201、芯模端盖1202、圆锥轴承1203和芯模本体1204，芯模芯轴1201穿入芯模本体1204内部，通过两端的圆锥轴承1203与芯模本体1204滚动配合，芯模芯轴1201一端与芯模拉杆4通过法兰固定连接，另一端由螺母1205固定，芯模端盖1202由两个，分别安装在芯模本体1204的两端，将圆锥轴承1203密封在由芯模芯轴1201和芯模本体1204形成的储油腔1207内，芯模本体1204上加工进油孔1206。
固定短芯模12纵向固定在旋轮9位置处，旋压工作时置于旋压毛坯8(长薄壁筒形件)内部，由于旋压力的作用和旋压毛坯8之间产生的摩擦力带动芯模本体1204被动旋转，承受三个旋轮的横向旋压力且力平衡。
固定短芯模12采用合金工具钢材料制造，内置承载横向力和纵向力的两组轴承1203，芯模芯轴1201不旋转，通过摩擦力芯模本体1204被动旋转。芯模芯轴1201与芯模拉杆4刚性连接，承受纵向力，工作时由旋压毛坯8和三个横向旋轮确定横向位置。
本发明操作流程，如图1、4所示(左侧为主动纵向进给机构)：
旋压毛坯8通过吊装工具放置在支撑装置7上，首先旋压毛坯8右端用键装卡在从动连接体6，从动主轴箱5带动旋压毛坯8向左移动并穿过固定短芯模12，主动主轴箱向右移动，旋压毛坯8左端装卡在主动连接体上，支撑装置7落下，按照编制好的旋压加工工艺程序，主、从动主轴箱按照旋压程序驱动旋压毛坯至规定的纵向起始位置上。此时，旋压毛坯由主、从动主轴驱动同步旋转，旋轮横向伺服系统驱动三个120°均布的旋轮进给到旋压程序规定的横向起始位置上。旋压毛坯在旋转过程中开始纵向进给，主动主轴箱推动旋压毛坯向右移动，从动主轴箱拉动旋压毛坯向右移动。从动主轴箱拉动旋压毛坯向右移动的速度是自动适应主动纵向进给机构和超长薄壁筒形件材料减薄率的变化而带来的速度，从动主轴箱一直作用在旋压毛坯一个恒定的张力。其中，张力大小根据旋压材料性能、工件尺寸来设定，但小于主动进给力。张力产生的拉应力设置为σ1＝(0.3-0.5)σ0.2，σ0.2为所旋压材料的屈服强度。固定短芯模在横向旋压力的作用下，始终保持在机床中心线上，芯模拉杆承受固定短芯模纵向力，这样根据编制好的加工程序，超长薄壁筒形件一边旋转一边纵向移动通过旋轮和固定短芯模之间的设定的间隙时，工件壁厚被减薄，长度伸长，实现了工件旋压成形。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术，可详见国防工业出版社出版的陈述先等著的《强力旋压工艺与设备》。

Claims (6)

1.一种旋压设备，包括床身(11)和旋轮机构，其特征在于：还包括纵向进给机构和固定短芯模(12)，所述的旋轮机构包括旋轮(9)和旋轮横向进给机构(10)，旋轮(9)通过旋轮横向进给机构(10)固定在床身(11)上，纵向位置固定，固定短芯模(12)穿进旋压毛坯(8)内，通过芯模拉杆(4)纵向固定在旋轮位置，固定短芯模(12)和旋轮(9)在旋压过程纵向位置不变，所述的纵向进给机构为结构相同的两套，分别安装旋轮机构的两端，其中一套为主动纵向进给机构，另一套为从动纵向进给机构，所述的纵向进给机构包括上丝杠(2)、上丝母(13)、下丝杠(3)、下丝母(14)、主轴箱(5)、主轴(15)、主轴驱动电机和连接体(6)，主轴(15)和主轴驱动电机安装在主轴箱(5)内，上丝母(13)和下丝母(14)分别与主轴箱(5)固定连接，上丝母(13)和下丝母(14)各配备一台纵向进给电机，驱动丝母带动主轴箱(5)沿丝杠纵向移动，主轴(15)的端部安装连接体(6)，连接体(6)另一端与旋压毛坯(8)一端连接，主从动纵向进给机构的主轴同步旋转时通过连接体(6)使旋压毛坯(8)两端同步旋转；
旋压时，主动纵向进给机构带着旋压毛坯(8)纵向移动，从动纵向进给机构的纵向进给电机工作在恒扭矩最大转速工作模式下，使从动纵向进给机构速度自适应地跟随主动纵向进给机构纵向移动，同时施加给旋压毛坯(8)从动一端恒张力；
所述的固定短芯模(12)包括芯模芯轴(1201)、芯模端盖(1202)、圆锥轴承(1203)和芯模本体(1204)，芯模芯轴(1201)穿入芯模本体(1204)内部，通过两端的圆锥轴承(1203)与芯模本体(1204)滚动配合，芯模芯轴(1201)一端与芯模拉杆(4)固定连接，芯模端盖(1202)安装在芯模本体(1204)端部，将圆锥轴承(1203)密封在由芯模芯轴(1201)和芯模本体(1204)形成的储油腔(1207)内。
2.根据权利要求1所述的一种旋压设备，其特征在于：所述的从动纵向进给机构施加的恒张力为σ1＝0.1σ2～0.5σ2，σ2为旋压毛坯材料的屈服强度。
3.根据权利要求1所述的一种旋压设备，其特征在于：所述的从动纵向进给机构施加的恒张力与主动纵向进给机构的纵向移动方向相同或相反。
4.根据权利要求3所述的一种旋压设备，其特征在于：所述的从动纵向进给机构施加的恒张力与主动纵向进给机构的纵向移动方向相同时，恒张力σ1＝0.3σ2～0.5σ2，σ2为旋压毛坯材料的屈服强度。
5.根据权利要求3所述的一种旋压设备，其特征在于：所述的从动纵向进给机构施加的恒张力与主动纵向进给机构的纵向移动方向相反时，恒张力σ1＝0.1σ2～0.5σ2，σ2为旋压毛坯材料的屈服强度。
6.根据权利要求1所述的一种旋压设备，其特征在于：所述的上丝杠(2)和下丝杠(3)在主轴箱(5)上呈对角线布局。
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