CN106552852A - 一种小锥度筒形件反向旋压加工方法 - Google Patents

Abstract

一种小锥度筒形件反向旋压加工方法，根据需要加工的小锥度薄壁筒形件的尺寸及变形力，设计合适的旋压模具，确保在反向旋压成形过程中，减薄伸长变形稳定，同时还需要具有方便拆装的功能，确保与现有旋压设备匹配且安装精度较高。旋压加工过程中模胎体的工作面锥度与所加工小锥度薄壁筒形件锥度匹配，安装端面锥孔与旋压设备主轴配合，并通过双头螺栓连接、紧固，保证在加工过程中工装的整体稳定性，防止滑动、弯曲，以便提高工件的形状位置与表面精度。本发明实现了用较短旋压模具生产较长薄壁小锥度筒形件，降低了旋压模具成本，提高了旋压设备的利用率，并提高了小锥度旋压筒形件质量。

Description

一种小锥度筒形件反向旋压加工方法

技术领域

本发明涉及旋压制造行业，具体是采用反向旋压方法成形半锥角小于1°的薄壁筒形结构件。

背景技术

随着我国航空、航天技术以及国民经济的迅速发展，对小锥度薄壁筒形件的需求也越来越多、越来越迫切，例如某小锥度筒形件零部件：

零件材料为超高强度钢31Si2MnCrMoVE，封闭的筒形结构，半锥角为0.5°，长度大于2500mm，该小锥度筒形件具有轮廓尺寸大、壁厚薄、易变形、精度要求高等加工难题。

经过调研，市场上类似结构零件的加工主要采取三套方案：1、板料卷焊；2、正向旋压一次成形；3、两节正向旋压筒形件组焊。上述三种方案存在以下几点不足：

1、板料卷焊成形，使用超高强度钢31Si2MnCrMoVE板料作为原材料，在卷焊过程中，小锥度筒形件的圆度、直线度等尺寸要求较高，无法得到可靠保证，同时由于存在纵焊缝，筒形件在纵焊缝部位强度有所降低，该筒形件工作环境为高温高压，存在较大的安全隐患。在板料卷焊加工中，需要增加探伤、退火、焊缝机械打磨等工序，增加了制造成本。

2、正向旋压一次成形，由于零件长度大于2500mm，加之在旋压过程中筒形件端部存在试旋压以及机加切边余量等，长度将进一步增加，这时所需旋压设备的主轴行程将远大于2500mm，旋压设备制造难度增加，设备成本将无法得到有效控制，一般企业无法负担高昂的设备费用，不具备大规模工业生产条件；同时，长度大于2500mm的筒形件正向一次旋压成形所需的旋压模具也必须大于筒形件的有效长度，极大地增加旋压模具制造难度与成本控制。

3、两节正向旋压筒形件组焊，需要制作多套芯模和其它配套工装，大大增加了芯模生产和管理的成本，根据现有相关统计分析，当大批量生产时，旋压模具成本约占总成本的20％～30％，当小批量单件生产时旋压模具成本约占总成本60％～70％。同时，两节正向旋压圆筒组焊时需要增加选配工序来保证焊接部位尺寸匹配；由于焊接热变形，小锥度筒形件的圆度、直线度等尺寸无法得到可靠保证，同时由于存在环焊缝，筒形件在环焊缝部位强度降低，该筒形件工作环境为高温高压，存在较大的安全隐患。在两节正向旋压筒形件组焊加工中，需要增加环向焊缝探伤、机械打磨、退火等工序，增加了制造成本。

现有相关技术主要是薄壁小锥度筒形件正向旋压成形与薄壁直筒形件反向旋压成形两种。薄壁小锥度筒形件正向旋压成形技术成熟，但是存在以下不足：1、成形设备所需行程较长、造价昂贵，一般企业无法负担；2、薄壁小锥度筒形件长度较长时，旋压模具制造难度较大，模具成本较高。薄壁直筒形件反向旋压成形技术成熟，并且已经大规模应用于工业化生产，但仅用于薄壁直筒形件成形，不具备薄壁小锥度筒形件旋压成形能力。反向旋压成形小锥度薄壁筒形件还未进行系统研究。

发明内容

为克服现有技术中存在的加工成本高、旋压成形技术没有用于薄壁小锥度筒形件的不足，本发明提出了一种小锥度筒形件反向旋压加工方法。

本发明的具体过程是：

第一步，制作模胎体：

所述的模胎体2即为旋压所需的模具。所述模胎体2分为安装段和工作段。所述工作段的圆周表面为工作面；该工作面为锥面，并且该工作面的半锥角根据公式(1)确定：

公式中：ψ为模胎体工作面的半锥角；为小锥度筒形件的半锥角。

所述安装段位于工作段的大外径一端。所述模胎体安装段端面孔口的内表面为锥面，用于与旋压机主轴的外圆周锥面配合。

该模胎体小外径端的外径比小锥度筒形件小外径端的内径小20～30mm，作为试旋加工及机加切边的余量。

第二步，小锥度筒形件坯件制备：

按设计要求，对经过锻造和热处理，且探伤合格的坯料进行精车，得到小锥度筒形件坯件。

第三步，工装的安装：

所述的工装安装包括安装旋压模具和旋轮。

Ⅰ安装旋压模具，将旋压模具中的模胎体2安装端端面锥孔与旋压机的主轴配合并紧固连接。安装旋压模具后的须保证所述模胎体工装面环向圆跳动≤0.15mm。

Ⅱ旋轮安装，将双锥面的旋轮4的攻角调整至与旋压模具模胎体2曲母线垂直；所述旋轮4圆角半径位置转动一圈时，该旋轮的圆跳动≤0.15mm。

第四步，参数设定：

设定旋压机主轴转速为80～120r/min，轴向进给速度为80～120mm/min，。根据工艺要求设定小锥度筒形件坯件的减薄量。根据旋压机的刚性及旋轮的回弹量确定旋轮与模胎体工作面之间的旋压间隙，以满足加工要求。

第五步，安装坯件：

将所述小锥度筒形件坯件3套装于模胎体2上，并使小锥度筒形件坯件3小端内表面与模胎体小端外表面贴合，使其余部位的小锥度筒形件坯件与模胎体工作面之间的装配间隙≤0.15mm。

第六步，反向旋压加工：

径向保持旋轮与模胎体工作面之间的旋压间隙不变；

启动设备，采用双旋轮同步反向旋压对小锥度筒形件的坯件进行旋压加工。

反向旋压过程中，所述坯件与旋轮接触区域在旋轮的作用下发生塑性变形，持续变薄并反向伸长。

旋压过程中进行冷却与润滑，冷却液流量≥200L/min，加工完成后卸料，得到小锥度筒形件的半成品。

第七步，后续处理：

反向旋压试验结束后，对得到的小锥度筒形件半成品进行后续处理，得到小锥度筒形件。

本发明用于成形半锥角小于1°的薄壁筒形结构件。

本发明结合板料普旋成形锥形件以及薄壁直筒形件旋压成形原理提出小锥度筒形件预制毛坯反向旋压成形小锥度薄壁筒形件加工工艺方法。

所制作的产品旋压模具以及与产品旋压模具锥度相同、尺寸匹配的小锥度薄壁筒形件预制旋压毛坯。在一般的正向旋压过程中容易出现旋压毛坯打滑现象，影响旋压筒形件内表面表观质量，本发明中该旋压毛坯内型面锥度及尺寸与旋压模具外形面贴合程度较好，装配精度较高，在反向旋压过程中，由于旋轮径向力与轴向力的存在，该旋压毛坯随旋压模具以相近线速度转动。该旋压毛坯的设计方法充分考虑了反向旋压成形特点以及锥形旋压毛坯的受力特点，通过旋压毛坯内型面贴合以及旋压过程径向力、轴向力存在向心分力的特点，有效的减小了旋压过程中毛坯打滑现象，提高旋压筒形件内表面表观质量。

采用本发明，利用超高强度钢材料在反向旋压加工过程中，壁厚减薄长度方向增加这一特性，使小锥度薄壁筒形件预制旋压毛坯在旋轮径向力与轴向力的共同作用下，受力变形、材料流动成形为所需尺寸的旋压工件。在反向旋压过程中，旋压毛坯未变形区域与旋压模具高精度贴合，以相近的线速度转动，良好的旋压毛坯与旋压模具配合，及大地降低了打滑现象，可保证整个旋压筒形件的转动良好；旋轮下方的旋压毛坯为变形区，该区域金属受旋压模具与旋轮双重作用力，通过调整旋压间隙及旋压工艺参数，保证该区域金属在变形阶段始终受旋轮与旋压模具压力，变薄及反向伸长变形稳定；已变形区金属由于壁厚减薄、长度伸长，薄壁区域与旋压模具间隙不断增加，约束降低，容易发生振动、摆动，造成筒形件整体精度较差，本发明中，通过良好的旋压毛坯与旋压模具配合，极大地降低了打滑现象，可保证整个旋压筒形件的转动，同时利用未变形区域金属、变形区金属的有效贴模，且随旋压模具以相近线速度转动，避免已成形薄壁段由于与旋压模具间隙较大导致约束较差出现振动、甩尾现象，可保证小锥度薄壁筒形件尺寸精度。通过上述工艺方法可实现锥度小于1°的小锥度薄壁筒形件结构产品的反向旋压成形，达到设计、使用尺寸精度要求。

本发明在制备旋压模具时，根据所需要加工的小锥度薄壁筒形件的尺寸及变形力，设计合适的旋压模具，确保在反向旋压成形过程中，减薄伸长变形稳定，同时还需要具有方便拆装的功能，确保与现有旋压设备匹配且安装精度较高。

本发明采用的旋压模具，包括模胎体及双头螺栓。其中：模胎体为旋压加工过程主工作部位，采用较高强度和硬度的模具钢整体铸造后固溶、机加而成，其工作面锥度与所加工小锥度薄壁筒形件锥度匹配，安装端面锥孔与旋压设备主轴配合，并通过6个均匀分布的双头螺栓在将模胎体的安装端面与旋压设备主轴固连，以保证在加工过程中工装的整体稳定性，防止滑动、弯曲，以便提高工件的形状位置与表面精度。

小锥度筒形件预制毛坯制备。旋压前制备小锥度筒形件的坯件，该坯件的内型面与旋压模具外形面完全贴合，装配间隙≤0.15mm；该坯件小端内孔的端面与旋压模具小端型面贴合。由于旋压毛坯内型面贴合旋压模具以及旋压过程旋压径向力、旋压轴向力存在向心分力可自动预紧的特点，该旋压毛坯的设计可有效的减小了旋压过程中毛坯打滑现象，提高旋压筒形件内表面表观质量。

反向旋压加工时，采用双旋轮同步反向旋压加工方法，旋轮攻角调整至与旋压模具模胎体曲母线垂直。旋压过程中旋轮下方的旋压毛坯为变形区，该区域坯件受旋压模具与旋轮双重作用力，可保证该区域的坯件在变形阶段始终受旋轮与旋压模具压力，持续变薄及反向伸长。已变形区的坯件由于壁厚减薄、长度伸长，薄壁区域与旋压模具间隙不断增加，约束降低，这时未变形区域金属、变形区金属均有效贴模，且随旋压模具以相近线速度转动，打滑现象较小。同时利用未变形区与变形区的有效贴合以及小锥度筒形件反向旋压时旋压径向力、旋压轴向力存在向心分力可自动预紧的特点，减小了旋压过程中毛坯打滑现象，避免已成形薄壁段由于约束较差出现振动、甩尾现象，提高了小锥度旋压筒形件质量。

本发明具有以下优点：

1.采用反向旋压加工的工艺方法有效的降低了旋压模具成本，当大批量生产时，降低旋压模具成本约10％～20％，当小批量单件生产时，降低旋压模具成本约50％～60％。实现了较短旋压模具生产较长薄壁小锥度筒形件的成形工艺。

2.使用现有行程较小的旋压设备实现了较长薄壁小锥度筒形件的生产，提高了旋压设备的利用率约50％以上。

3.避免了卷焊筒形件、组焊筒形件的焊接、探伤、退火、焊缝机械打磨等工序，降低了制造成本约20％以上，对于工作环境为高温高压的航天航空领域的薄壁小锥度筒形件来说，纵向焊缝的减少，提高了筒形件的强度，有效的提高了筒形件的安全性与可靠性。

4.本发明利用高精度的旋压模具和与之有效贴合的旋压毛坯，减小了反向旋压过程中毛坯打转造成的变形不稳定和内表面表观质量差的问题；同时利用未变形区与变形区的有效贴合以及小锥度筒形件反向旋压时旋压径向力、旋压轴向力存在向心分力可自动预紧的特点，减小了旋压过程中毛坯打滑现象，避免已成形薄壁段由于约束较差出现振动、甩尾现象，提高了小锥度旋压筒形件质量。

附图说明

图1是反向旋压加工的示意图。

图2是模胎体的结构示意图。

图3是本发明的流程图。图中：

1.双头螺栓；2.模胎体；3.小锥度筒形件坯料；4.旋轮；5.小锥度筒形件。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种加工超高强度钢31Si2MnCrMoVE薄壁小锥度筒形件，所加工工件的半锥角为0.5°，长度2560mm，壁厚2mm，小端直径Φ300mm。

本实施例的具体过程是：

第一步，制作模胎体：

所述的模胎体2即为旋压所需的模具。所述模胎体2为中空回转体，分为安装段和工作段。所述工作段的圆周表面为工作面；该工作面为锥面，并且该工作面的半锥角根据公式(1)确定：

公式中：ψ为模胎体工作面的半锥角；为小锥度筒形件的半锥角。

所述安装段位于工作段的大外径一端。所述模胎体2的中心有阶梯状的通孔；

所述通孔位于模胎体安装段一端的孔径大于工作段的孔径，并且所述模胎体安装段端面孔口的内表面为锥面。在所述安装段端面均布有双头螺栓1的安装孔。

所述安装段内孔的锥面与旋压机主轴的外圆周锥面配合。

该模胎体小外径端的外径比小锥度筒形件小外径端的内径小20～30mm，作为试旋加工及机加切边的余量。

所述的模胎体2采用模具钢整体铸造后固溶、机加而成。

本实施例中：模胎体2采用模具钢整体铸造后固溶、机加而成，其工作面锥度半锥角为1°。该模胎体小外径端的外径比小锥度筒形件小外径端的内径小20mm。

第二步，小锥度筒形件坯件制备：

小锥度筒形件坯件3采用锻件机加。按设计要求，对经过锻造和热处理，且探伤合格的坯料进行精车，得到小锥度筒形件坯件。

本实施例中的小锥度筒形件坯件3即采用超高强度钢31Si2MnCrMoVE机加而成。具体尺寸为小端内孔直径Φ260mm，厚度为6mm，半锥角为1°，法兰内孔直径240mm。旋压毛坯尺寸精度及表观质量需要符合旋压加工要求。

第三步，工装安装。

所述的工装安装包括安装旋压模具和旋轮。

1、安装旋压模具，将旋压模具中的模胎体2安装端端面锥孔与旋压机的主轴配合，并通过双头螺栓1紧固连接。双头螺栓1通过6个均匀分布于模胎体2安装端面一侧的安装孔安装于模胎体后，与旋压设备主轴部位对应安装孔配合后用螺母紧固，以保证在加工过程中工装的整体稳定性，防止滑动、弯曲，提高工件的形状位置与表面精度。本实施例中，旋压模具安装好后，保证该模胎体工装面环向圆跳动≤0.15mm。

2、旋轮安装，本实施例采用双旋轮同步反向旋压方法，使用R8/30°双锥面结构的旋轮4，将旋轮4攻角调整至与旋压模具模胎体2曲母线垂直，旋轮4能够转动自如，保证旋轮4圆角半径位置转动一圈，圆跳动≤0.15mm。

第四步，参数设定。

设定旋压机主轴转速为80～120r/min，轴向进给速度为80～120mm/min，。根据工艺要求设定小锥度筒形件坯件的减薄量。根据旋压机的刚性及旋轮的回弹量确定旋轮与模胎体工作面之间的旋压间隙，以满足加工要求。

本实施例中，小锥度筒形件坯件3的减薄量为4mm。旋轮的回弹量为0.5mm，故旋压间隙为1.5mm，旋轮4压下量4.5mm。旋轮的径向进给速度为0mm/min，轴向进给速度为80mm/min，主轴转速100r/min。

第五步，安装坯件。

将所述小锥度筒形件坯件3套装于模胎体2上，并使小锥度筒形件坯件3小端内表面与模胎体小端外表面贴合，使其余部位的小锥度筒形件坯件与模胎体工作面之间的装配间隙≤0.15mm。

装配精度能够充分利用旋压过程旋压径向力、旋压轴向力产生的向心分力，实现自动预紧的特点，有效的减小旋压过程中小锥度筒形件坯件3打滑现象，提高旋压筒形件内表面表观质量。

第六步，反向旋压加工：

径向保持旋轮与模胎体工作面之间的旋压间隙不变；

启动设备，按设定好的旋压工艺参数进行小锥度筒形件5反向旋压加工。

反向旋压过程中，所述坯件与旋轮接触区域在旋轮的作用下发生塑性变形，持续变薄并反向伸长。

旋压过程中进行冷却与润滑，冷却液流量≥200L/min，加工完成后卸料，得到小锥度筒形件的半成品。

旋压过程中，已变形区坯件的壁厚减薄、长度伸长，使旋压过的区域与模胎体工作面的间隙不断增加，约束降低，出现振动、甩尾现象，影响小锥度筒形件的加工精度。本实施例中，通过提高装配精度，充分利用旋压过程旋压径向力、旋压轴向力产生的向心分力，实现自动预紧的特点，有效的减小旋压过程中小锥度筒形件坯件3打滑现象，提高旋压筒形件内表面表观质量。

第七步，后续处理：

反向旋压试验结束后，按常规方法对得到的小锥度筒形件半成品进行后续处理，得到小锥度筒形件5。

本实施例通过反向旋压，能够成型超高强度钢31Si2MnCrMoVE小锥度筒形件5，有效提高现有设备的利用率，降低了模具制造成本，提高生产效率。

Claims (4)

1.一种小锥度筒形件反向旋压加工方法，其特征在于，具体过程是：

第一步，制作模胎体：

所述的模胎体2即为旋压所需的模具；所述模胎体2分为安装段和工作段；所述工作段的圆周表面为工作面；该工作面为锥面，并且该工作面的半锥角根据公式(1)确定：

公式中：ψ为模胎体工作面的半锥角；为小锥度筒形件的半锥角；

第二步，小锥度筒形件坯件制备：

第三步，工装的安装；

所述的工装安装包括安装旋压模具和旋轮；

Ⅰ安装旋压模具，将旋压模具中的模胎体2安装端端面锥孔与旋压机的主轴配合并紧固连接；安装旋压模具后的须保证所述模胎体工装面环向圆跳动≤0.15mm；

Ⅱ旋轮安装，将双锥面的旋轮4的攻角调整至与旋压模具模胎体2曲母线垂直；

所述旋轮4圆角半径位置转动一圈时，该旋轮的圆跳动≤0.15mm；

第四步，参数设定；设定旋压机主轴转速为80～120r/min，轴向进给速度为80～120mm/min，；根据工艺要求设定小锥度筒形件坯件的减薄量；根据旋压机的刚性及旋轮的回弹量确定旋轮与模胎体工作面之间的旋压间隙，以满足加工要求；

第五步，安装坯件；将所述小锥度筒形件坯件3套装于模胎体2上，并使小锥度筒形件坯件3小端内表面与模胎体小端外表面贴合，使其余部位的小锥度筒形件坯件与模胎体工作面之间的装配间隙≤0.15mm；

第六步，反向旋压加工：径向保持旋轮与模胎体工作面之间的旋压间隙不变；

启动设备，采用双旋轮同步反向旋压对小锥度筒形件的坯件进行旋压加工；

反向旋压过程中，所述坯件与旋轮接触区域在旋轮的作用下发生塑性变形，持续变薄并反向伸长；

旋压过程中进行冷却与润滑，冷却液流量≥200L/min，加工完成后卸料，得到小锥度筒形件的半成品；

第七步，后续处理：反向旋压试验结束后，对得到的小锥度筒形件半成品进行后续处理，得到小锥度筒形件。

2.如权利要求1所述小锥度筒形件反向旋压加工方法，其特征在于，所述安装段位于工作段的大外径一端；所述模胎体安装段端面孔口的内表面为锥面，用于与旋压机主轴的外圆周锥面配合。

3.如权利要求1所述小锥度筒形件反向旋压加工方法，其特征在于，该模胎体小外径端的外径比小锥度筒形件小外径端的内径小20～30mm，作为试旋加工及机加切边的余量。

4.如权利要求1所述小锥度筒形件反向旋压加工方法，其特征在于，加工小锥度筒形件坯件时，按设计要求，对经过锻造和热处理，且探伤合格的坯料进行精车，得到小锥度筒形件坯件。