CN107309318A - 板料径向差温旋压装置及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种板料径向差温旋压装置，包含尾顶、芯模、旋轮、加热头以及冷却头；其中尾顶与芯模构成夹持单元；加热头、冷却头分别位于旋轮沿轴向方向的两侧；加热头、旋轮、冷却头依次连接。本发明还提供了一种利用上述的板料径向差温旋压装置进行板料径向差温旋压的工艺方法，包含以下步骤：步骤S1：将板料夹持在所述夹持单元中，驱动芯模带动板料旋转；步骤S2：将旋轮与加热头、冷却头沿板料径向方向阵列紧固连接，将旋轮设置在板料初始加工的对应位置，初始化驱动模块；步骤S3：驱动模块带动旋轮、加热头、冷却头在预设轨迹上的多个预设位置上对板料进行旋压成型加工。本发明降低了未成型区域和旋压局部加载成型区域材料的变形抗力。

Description

板料径向差温旋压装置及工艺方法

技术领域

本发明涉及板料旋压塑性加工技术领域，具体地，涉及一种板料径向差温旋压装置及工艺方法。

背景技术

旋压成型作为一种近净成型制造技术，具有材料利用率高、产品精度高、产品性能好、所需成型力小、模具成本低、柔性化程度高等突出优点，目前在航空、航天、兵器等领域有广泛的应用。旋压成型常用于金属空心回转体的加工，具有局部连续塑性变形的特征。由于轻量化和大型化制造需求，旋压板材逐渐开始采用高强度材料作为坯料，同时，大型构件的需要多道次普通拉深旋压工艺路线。这使得传统冷旋压工艺中常见的材料加工硬化问题变得更加严重。材料加工硬化导致的旋压性能下降，厚度均匀性过大，贴模性不良，旋压力上升等问题出现。旋压力增加不仅带来了能耗的增加，而且对于刚度不足的机床，过大的旋压力油夹具了工件的贴模型和厚度均匀性。

为了改善上述条件下旋压成型性能和工件加工质量，在冷旋工艺的基础上，开发出加热旋压技术。加热旋压成型是指使用加热头对于板料未成型区域进行预热的一种旋压工艺，由于金属在热加工时会发生回复或再结晶等软化行为，显著的抵消了加工硬化带来的不利影响，也大大提升了金属材料的延伸率。加热旋压工艺因显著扩大加工范围，提高设备旋压能力，满足了难变形金属的塑形成型，在国内外得到快速发展。

目前，已有的一些热旋压工艺和设备仍处于开发或试制中，尚未全面推广，加热的方式也多种多样。一些公开的专利文献中有关于金属板材热旋压工艺的表述，如专利文献CN106424286A公开了一种基于激光加热旋压成型方法及装置，所述装置包括数控旋压设备、旋压工艺装备、激光器、导光系统、六自由度机器人加工系统、激光加工头和测温装置等。该专利文献提供的工艺利用激光加热速度快、加热部位和温度精确可控以及六自由度机器人加工系统自由度高、控制精确的特点，实现对加热区域的高准确度柔性控制，可以在不加热旋压工艺装备的同时完成对旋压坯料的动态局部加热，达到提高材料可旋性和减少加热对旋压设备损伤的目的，同时加热温度与激光输出实现闭环控制，便于实现生产自动化。但是，由于集成的系统过多，工艺系统的可靠性和经济性也会下降。最为关键的是，该工艺仅用于剪切旋压和流动旋压等工艺中，另外，在大型厚板料的剪旋工艺中，激光加热工艺的能耗非常大，并且其加热的效果并不理想。

另外一篇专利文献CN105537356A公开了一种感应加热旋压成型系统及方法，与前面一篇专利文献相比，主要区别是旋压过程采用感应加热方式，加热效率高，降低劳动强度，加热温度均匀，保证了旋压零件组织的均匀性和稳定性，热量向旋压芯模传导少，减少加热对旋压设备的损伤。但缺陷在于，在后续成型过程中，旋轮加载变形区会对已成型区材料产生较大拉应变，由于已成型区域材料已处于贴模状态，但此时尚未及时冷却，材料处于软态，使得已成型区域在拉应力下紧贴芯模并继续再次发生变形，导致已成型区域减薄过度，在宏观上的表现为，虽然改善了材料成型性能，然而成型件的贴模度差和厚度不均匀大尚未得到改善。另外，对于易于发生晶粒粗大的厚板材料，由于该种方法存在旋压余热大，可能引起再结晶后材料内部晶粒长大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种板料径向差温旋压装置及工艺方法。

根据本发明提供的板料径向差温旋压装置，包含尾顶、芯模、旋轮、加热头以及冷却头；

其中尾顶与芯模构成夹持单元；

加热头、冷却头分别位于旋轮沿轴向方向的两侧；

加热头、旋轮、冷却头依次连接。

优选地，还包含控制器；

控制器包含驱动模块，其中，所述驱动模块控制驱动旋轮运行。

本发明还提供了一种利用上述的板料径向差温旋压装置进行板料径向差温旋压的工艺方法，包含以下步骤：

步骤S1：将板料夹持在所述夹持单元中，驱动芯模带动板料旋转；

步骤S2：将旋轮与加热头、冷却头沿板料径向方向阵列紧固连接，将旋轮设置在板料初始加工的对应位置，初始化驱动模块；

步骤S3：驱动模块带动旋轮、加热头、冷却头在预设轨迹上的多个预设位置上对板料进行旋压成型加工。

优选地，在步骤S3中，多个预设位置为所述预设轨迹上的连续位置。

优选地，冷却头、旋轮、加热头沿预设轨迹行进方向依次设置；

冷却头所在一侧对应的板料形成已成型区域；

加热头所在一侧对应的板料形成未成型区域。

优选地，在步骤S3中，加热头对未成型区域进行预热，冷却头对已成型区域进行冷却。

优选地，所述加热头包含感应线圈与循环冷却系统；

在步骤S3中，感应线圈接通外部交流电源并产生交变磁场；

循环冷却系统对感应线圈进行冷却。

优选地，感应线圈由空心铜管绕制而成。

优选地，所述冷却头包含冷气流喷管；

在步骤S3中，冷气流喷管能够喷射外接泵输送的冷却介质。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明对变形板料不同区域进行实时加热与冷却，降低了未成型区域和旋压局部加载成型区域材料的变形抗力，提升了已成型区域的承载能力，提高了材料旋压比，增加了材料塑性变形能力；

2、本发明提供的工艺方法改善了材料贴模性和厚度均匀性，降低了降低成型力，延长机床寿命，也抑制了材料内部发生再结晶后晶粒长大的可能性；

3、本发明设备简单实用，经济性和安全性好。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中板料径向差温旋压成型装置的初始示意图；

图2为本发明中板料径向差温旋压成型装置的加工示意图；

图3为旋轮工作示意图；

图4为加热头工作示意图；

图5为冷却头工作示意图；

图6为本发明的实施例一的成型路径示意图；

图7为本发明的实施例二的成型路径示意图。

图中示出：板料1，尾顶2，芯模3，旋轮4，加热头5，冷却头6，预设轨迹7。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，实施例中，本发明提供的板料1径向差温旋压装置包含尾顶2、芯模3、旋轮4、加热头5以及冷却头6，其中尾顶2与芯模3构成夹持单元，加热头5、冷却头6分别位于旋轮4沿轴向方向的两侧，加热头5、旋轮4、冷却头6依次通过旋轮4支架紧固连接。芯模3与机床主轴紧固连接，尾顶2通过液压装置将板料1压紧在芯模3的前端，机床主轴能够带动芯模3与板料1旋转。板料1径向差温旋压装置还包含了控制器，所述控制器又包含驱动模块，在驱动模块中设置成型加工路径、加工数据等参数，进而使得驱动模块能够用于控制旋轮4运行。加热头5包含感应线圈与循环冷却系统，感应线圈能够接通外部交流电源从而产生应变磁场，循环冷却系统则对感应线圈进行冷却，防止烧坏线圈。冷却头6则包含冷气流喷管，冷气流喷管通过软管与外部的泵连接，所述泵能够将冷却介质，如低温气体通过软管输送至冷气流喷管。

本发明还提供了一种利用上述的板料1径向差温旋压装置进行板料1径向差温旋压的工艺方法，包含以下步骤：步骤S1：将板料1夹持在所述夹持单元中，即芯模3与尾顶2之间，机床主轴驱动芯模3带动板料1旋转；步骤S2：将旋轮4与加热头5、冷却头6沿板料1径向方向阵列紧固连接，将旋轮4设置在板料1初始加工的对应位置，初始化驱动模块；步骤S3：驱动模块带动旋轮4、加热头5、冷却头6在预设轨迹7上的多个预设位置上对板料1进行旋压成型加工。在步骤S1中，针对不同尺寸的板料1，为保证板料1的夹持稳定性，可以通过调节液压装置进而调整夹持单元对板料1的夹持力。在步骤S2中，驱动模块可以采用可编程系统实现，用户输入相应的参数对驱动模块进行初始化，包含成型加工路径、加工数据等。在步骤S3中，多个预设位置为所述预设轨迹7上的连续位置；按照预设轨迹7行进方向，冷却头6、旋轮4、加热头5依次设置，冷却头6所在一侧对应的板料1形成已成型区域，加热头5所在一侧对应的板料1形成未成型区域。步骤S3中，旋轮4对板料1对应的区域进行加工，加热头5对未成型区域进行快速预热，冷却头6对已成型区域进行快速冷却。加热头5包含空心铜管绕制的感应线圈与循环冷却系统，所述感应线圈接通外部交流电后产生交变磁场，在板料1上产生涡流，从而迅速加热未成型区域的温度；冷却头6包含冷气流喷管，利用外接泵连续地输送冷却介质，实现已成型区域快速冷却至室温。

实际操作中，对板料1进行旋压成型前，尾顶2、芯模3、旋轮4、加热头5、冷却头6的位置关系如图1所示，板料1被压紧在夹持单元中，旋轮4通过驱动模块的控制移动到初始位置准备进行加工工作，加热头5与冷却头6分别沿板料1径向方向阵列固定在旋轮4支架的前后位置，其中，定义旋轮4侧面与板料1相对的一侧为前侧。如图2所示，机床主轴带动芯模3、尾顶2以及板料1旋转，旋轮4在驱动模块的控制下按照预设轨迹7运动，从而对板料1进行旋压加工。由于加热头5、冷却头6与旋轮4之间固定连接，加热头5与冷却头6随旋轮4做同样轨迹的运动，且加热头5对旋轮4前侧未成型区域进行快速预热，冷却头6对旋轮4后侧已成型区域进行快速冷却。如图3所示，驱动模块驱动旋轮4按预设轨迹7作曲线运动，预设轨迹7的计算基于芯模3母线形状、板料1厚度以及旋轮4实际尺寸。预设轨迹7的各曲线运动方式对于旋压成型性能有着直接的影响。如图4所示，加热头5包含空心铜管绕制的感应线圈，通入中高频交流电后感应线圈产生交变磁场，作用于板料1产生涡流，从而迅速加热旋轮4前侧板料1的未成型区域。加热头5还包含循环冷却系统，在铜管中同于循环的冷却液，冷却液可以使用外接泵带动，从而将线圈自身产生的热量及时带走，防止烧坏感应线圈。如图5所示，冷却头6包含冷气流喷管，冷却介质采用低温气体，使用外接泵带动冷却介质由软管输送至冷气流喷管，喷射到旋轮4后侧板料1的已成型区域，达到迅速冷却的目的。

实施案例一：如图6所示，本实施案例为一个椭圆形标准封头的单道次热旋加工过程。芯模3的公称直径为300mm，高度为75mm。板坯1的材料为2219-O态铝合金，直径为400mm，初始厚度为2mm。尾顶2的压紧力为40KN，旋轮4的圆角半径为10mm，成型过程所用进给比为0.5mm/r。因此根据相关计算，预设轨迹7为椭圆线，旋压加工过程中，加热头5和冷却头6与旋轮4保持相对位置不变遵循各自的工作原理对板料1的不同区域进行作用，完成椭球壳体件的单道次成型。感应加热头5的加热功率为1000W,冷却喷管6的低温气体强制冷却壳体。径向差温热旋压加工后的椭球壳体最小壁厚为1.65mm，而同道次下传统冷旋加工构件的最小壁厚为1.45mm，采用上述方法旋压零件厚度均匀性得到提升。

实施案例二：本实施案例为一个圆筒形薄壁件的单道次热旋过程。芯模3的公称直径为150mm，高度为300mm。板坯1的材料为2024-O态铝合金，初始厚度为2mm。尾顶2的压紧力为20KN，旋轮4的圆角半径为10mm，成型过程所用进给比为0.5mm/r。因此根据相关计算，预设轨迹7为一条L型线，旋压加工过程中，加热头5和冷却头6与旋轮4保持相对位置不变遵循各自的工作原理对板料1的不同区域进行作用，完成圆筒形件的单道次成型。感应加热头5的加热功率为600W,冷却喷管6的低温气体强制冷却。径向差温热旋的极限旋压比为1.7，而传统冷旋获得的极限旋压比为1.4，上述方法获得的极限旋压比得到提升。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种板料径向差温旋压装置，其特征在于，包含尾顶、芯模、旋轮、加热头以及冷却头；

其中尾顶与芯模构成夹持单元；

加热头、冷却头分别位于旋轮沿轴向方向的两侧；

加热头、旋轮、冷却头依次连接。

2.根据权利要求1所述的板料径向差温旋压装置，其特征在于，还包含控制器；

控制器包含驱动模块，其中，所述驱动模块控制驱动旋轮运行。

3.一种利用权利要求1或2所述的板料径向差温旋压装置进行板料径向差温旋压的工艺方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤S1：将板料夹持在所述夹持单元中，驱动芯模带动板料旋转；

步骤S2：将旋轮与加热头、冷却头沿板料径向方向阵列紧固连接，将旋轮设置在板料初始加工的对应位置，初始化驱动模块；

步骤S3：驱动模块带动旋轮、加热头、冷却头在预设轨迹上的多个预设位置上对板料进行旋压成型加工。

4.根据权利要求3所述的工艺方法，其特征在于，在步骤S3中，多个预设位置为所述预设轨迹上的连续位置。

5.根据权利要求3所述的工艺方法，其特征在于，冷却头、旋轮、加热头沿预设轨迹行进方向依次设置；

冷却头所在一侧对应的板料形成已成型区域；

加热头所在一侧对应的板料形成未成型区域。

6.根据权利要求5所述的工艺方法，其特征在于，在步骤S3中，加热头对未成型区域进行预热，冷却头对已成型区域进行冷却。

7.根据权利要求6所述的工艺方法，其特征在于，所述加热头包含感应线圈与循环冷却系统；

在步骤S3中，感应线圈接通外部交流电源并产生交变磁场；

循环冷却系统对感应线圈进行冷却。

8.根据权利要求7所述的工艺方法，其特征在于，感应线圈由空心铜管绕制而成。

9.根据权利要求5所述的工艺方法，其特征在于，所述冷却头包含冷气流喷管；

在步骤S3中，冷气流喷管能够喷射外接泵输送的冷却介质。