CN108637073A - 一种带内网格筋的薄壁筒形构件流动成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种带内网格筋的薄壁筒形构件流动成形装置及方法，根据目标环件的尺寸和体积合理设计毛坯尺寸，根据目标环件及网格筋结构尺寸设计模具尺寸，依次开启旋转工作台与液压动力机构，在活动支座的作用下带动滚珠轴向进给，滚珠进给运动与毛坯旋转运动的同时进行，实现对毛坯的逐点局部塑性变形，毛坯壁厚减薄，使金属周向转移，迫使多余金属流入网格筋，得到内网格筋零件，成形完毕，脱模卸料取出目标零件。本发明实现了内腔带网格筋薄壁筒形件无切削成形，有效避免了强度不足，材料利用率低，制作成本高等缺陷。

Description

一种带内网格筋的薄壁筒形构件流动成形装置及方法

技术领域

本发明属于塑性加工的技术领域，尤其涉及一种带内网格筋的薄壁筒形构件流动成形装置及方法。

背景技术

内网格筋薄壁筒形件以铝合金等轻质材料为主，壁厚小、内表面带有纵横交错网格筋，随着轻量化的提出，该类零件在航空工业、航天工业、民用工业、国防工业中的地位和作用越来越突出。内网格筋薄壁筒形件一方面要满足结构设计的需求，另一方面要有更高的强度，更高的刚度，良好的散热性和稳定的振动特性。

内网格筋薄壁筒形件传统的生产方法主要有以下几种：切削加工、铸造、挤压、焊接四种。切削加工工艺材料利用率低，机械加工破坏了金属流线的连续性，关键的内筋部位没有得到变形强化；铸造工艺会出现气泡、局部填充不足、流线分布不均、裂纹等缺陷，精度比较低，在后续的机械加工过程中一些缺陷会明显暴露出来，使废品率大大提高，也会伴随着强度不够的问题；利用挤压工艺生产内网格筋薄壁筒形件，虽然隶属于塑性成形，强度、刚度得到了提高，但是其模具设计复杂，费时费力，制造成本比较高，需要表面磷化、皂化，对精度有一定的影响，容易产生流速不均的缺陷；焊接工艺会导致制品外形不美观，容易产生气孔夹渣等缺陷，焊接变形大、尺寸精度低、焊缝强度低。综上所述，传统的塑性加工工艺存在着很大的局限性，亟需开发新型的工艺生产内网格筋薄壁筒形件，提高制造效率和产品性能，扩大成形对象，满足高端航天和武器装备发展需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种带内网格筋的薄壁筒形构件流动成形装置及方法，实现内腔带网格筋薄壁筒形件无切削成形，有效避免了强度不足，材料利用率低，制作成本高等缺点，提高了制造产效率和产品性能，扩大成形对象。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种带内网格筋的薄壁筒形构件流动成形装置，包括液压动力机构、旋转动力机构和模具；

所述液压动力机构包括上支座、下支座、立柱、活动支座和液压缸，所述立柱顶端和底端分别与上、下支座相连，所述活动支座套设于立柱上沿立柱上下滑动，所述液压缸固定于上支座的底面中心，伸出端与活动支座的顶面中心相连，活动支座上对称设有两条滑槽，滑槽内竖直穿设固定轴，固定轴顶部设有外螺纹，通过锁紧螺母与活动支座相连，沿滑槽水平滑动，固定轴内侧设有固定槽；

所述旋转动力机构包括底座、旋转工作台和旋转电机，所述底座设于下支座顶面中心，旋转电机设于底座上与旋转工作台相连，驱动旋转工作台旋转；

所述模具包括定位中心轴、凹模套筒、凹模镶块和滚珠支撑架，所述定位中心轴竖直设于旋转工作台顶面中心，所述凹模套筒外套于定位中心轴，所述凹模镶块沿凹模套筒外周面布设，底部通过套设镶块紧固环定位，凹模镶块外周面上设有外网格筋结构，毛坯外套于凹模镶块，底部通过卡盘固定，所述滚珠支撑架为内壁设有弧形凹槽的圆环结构，弧形凹槽内嵌入数个滚珠，滚珠支撑架内部相对滚珠的位置设有挡块，挡块顶部中心与弹簧底端相连，弹簧顶端固定于活动支座的底面中心，滚珠支撑架外侧嵌入固定轴上设有的固定槽内。

一种带内网格筋的薄壁筒形构件流动成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)模具及毛坯的尺寸设计，根据目标环件的尺寸和体积合理设计毛坯尺寸，根据目标环件及网格筋结构尺寸设计模具尺寸；

S2)模具装配，毛坯、凹模镶块、凹模套筒与定位中心轴同轴进行装配，通过镶块紧固环将凹模镶块固定，用卡盘将毛坯与模具固定于旋转工作台上，调整固定轴在活动支座的水平位置，用锁紧螺母锁定；

S3)流动成形，旋转工作台先旋转，在旋转稳定之后，调整活动支座进给速度，进行轴向进给，进给率为0.8～1.0mm/r，液压缸启动，带动活动支座下移，滚珠支撑架做直线进给运动，滚珠支撑架进给运动与工件旋转运动的同时进行，实现对毛坯的逐点局部塑性变形，毛坯壁厚减薄，迫使多余金属流入镶块网格筋凹槽内，得到网格筋零件，成形完毕，活动支座返回初始位置；

S4)脱模取料，依次拆除滚珠支撑架和固定轴，松开卡盘，成形的工件取下，在松开镶块紧固环，依次拆下镶块、凹模套筒和定位中心轴。

按上述方案，所述步骤S1)中毛坯的尺寸设计包括如下内容：毛坯结构为筒形结构，目标环件内径＝毛坯内径，即r₁＝r₂，减薄率取40％～60％，即毛坯外径R₂与目标零件外径R₁之间的关系R₂＝(1.6～1.4)×(R₁-r₁)-r₂，

由计算可得：V₁＝(πR₁ ²-πr₁ ²)B₁，V₂＝(π(R₂-Δt)²-πr₂ ²+S)B₂，

其中：Δt-壁厚减薄量；S-内筋截面积；B₁、B₂-目标零件高度及毛坯高度，

基于体积不变的原理：目标零件总体积＝毛坯总体积，即V₁＝V₂，可根据目标零件高度B₁求出B₂。

按上述方案，所述步骤S1)中模具的尺寸设计包括如下内容：

S11)滚珠直径的设计：旋压角α的大小直接影响金属的稳定流动，旋压角计算公式其中r为滚珠半径，旋压角的大小为18°～22°，滚珠直径的范围可以根据旋压角的大小进行设计；

S12)滚珠个数的设计：滚珠个数直接影响变形的均匀性，滚珠个数越多变形越均匀，滚珠个数其中k为相邻两个滚珠的间隙，k＝0.1r，R-毛坯内径，Int-取整函数；

S13)镶块的设计：镶块网格筋尺寸与目标零件网格筋参数H、L、β一致，其中，L、H、β分别为内筋宽度、高度、内筋斜度，镶块长度等于目标零件长度B1。

本发明的有益效果是：提供一种带内网格筋的薄壁筒形构件流动成形装置及方法，提出流动成形工艺也称作滚珠旋压工艺，是在普通旋压成形技术的基础上进行了改进，采用滚珠代替旋轮或杆棒，属于多点局部成形，所需力学载荷小且对称、成形时变形区小且稳定，成形特点有：1)逐点成形，旋压时压力小；2)材料利用率高，制品性能得到明显提高；3)工序简单、表面粗糙度低，尺寸公差小，可以制造整体无缝回转体空心件；4)可以加工难变形金属。该工艺方法能够克服传统加工方法所产生的强度不足，材料利用率低，制作成本高等问题。因此，本发明具有成形精度高、效率高、成本低、质量好等综合优点。

附图说明

图1为本发明一个实施例的目标零件的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的凹模套筒的结构示意图；

图3为本发明一个实施例的凹模镶块与凹模套筒的装配示意图；

图4为本发明一个实施例的成形初始阶段的示意图；

图5为本发明一个实施例的成形过程中的示意图；

图6为图4的A-A向视图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，一种带内网格筋的薄壁筒形构件流动成形装置，包括液压动力机构、旋转动力机构和模具；

液压动力机构包括上支座1、下支座18、立柱2、活动支座3和液压缸4，立柱顶端和底端分别与上、下支座相连，活动支座套设于立柱上沿立柱上下滑动，液压缸固定于上支座的底面中心，伸出端与活动支座的顶面中心相连，活动支座上对称设有两条滑槽19，滑槽内竖直穿设固定轴6，固定轴顶部设有外螺纹，通过锁紧螺母与活动支座相连，沿滑槽水平滑动，固定轴内侧设有固定槽；

旋转动力机构包括底座17、旋转工作台16和旋转电机，底座设于下支座顶面中心，旋转电机设于底座上与旋转工作台相连，驱动旋转工作台旋转；

模具包括定位中心轴10、凹模套筒11、凹模镶块12和滚珠支撑架9，定位中心轴竖直设于旋转工作台顶面中心，凹模套筒外套于定位中心轴，凹模镶块沿凹模套筒外周面布设，底部通过套设镶块紧固环14定位，凹模镶块外周面上设有外网格筋20结构，毛坯13外套于凹模镶块，底部通过卡盘15固定，滚珠支撑架为内壁设有弧形凹槽的圆环结构，弧形凹槽内嵌入数个滚珠8，滚珠支撑架内部相对滚珠的位置设有挡块7，挡块顶部中心与弹簧5底端相连，弹簧顶端固定于活动支座的底面中心，滚珠支撑架外侧嵌入固定轴上设有的固定槽内。

安装过程：首先安装旋转动力机构，优先安装定位中心轴和凹模套筒，将凹模镶块在镶块紧固环的作用下固定，置于凹模套筒外侧，毛坯置于镶块外侧，用卡盘锁定；随后，滚珠均匀分布于滚珠支撑架内侧，滚珠支撑架通过固定轴固定槽定位，固定轴沿活动支座的滑槽水平移动，根据目标环件外径尺寸确定固定轴水平位置，当移动到合适的位置用锁紧螺母锁死，同时弹簧置于活动支座中心处，弹簧下端连有挡块，在成形加工之前，滚珠在挡块与滚珠支撑架的作用下保持定位，在成形加工过程中，滚珠在毛坯及滚珠支撑架的作用下保持定位，随着滚珠的进给运动，挡块置于定位中心轴上端，保持不动。

一种带内网格筋的薄壁筒形构件流动成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)模具及毛坯的尺寸设计，根据目标环件21的尺寸和体积合理设计毛坯尺寸，根据目标环件及内网格筋22结构尺寸设计模具尺寸；

S2)模具装配，毛坯、凹模镶块、凹模套筒与定位中心轴同轴进行装配，通过镶块紧固环将凹模镶块固定，用卡盘将毛坯与模具固定于旋转工作台上，调整固定轴在活动支座的水平位置，用锁紧螺母锁定；

S3)流动成形，旋转工作台先旋转，在旋转稳定之后，调整活动支座进给速度，进行轴向进给，进给率为0.8～1.0mm/r，液压缸启动，带动活动支座下移，滚珠支撑架做直线进给运动，滚珠支撑架进给运动与工件旋转运动的同时进行，实现对毛坯的逐点局部塑性变形，毛坯壁厚减薄，迫使多余金属流入镶块网格筋凹槽内，得到网格筋零件，成形完毕，活动支座返回初始位置；

S4)脱模取料，依次拆除滚珠支撑架和固定轴，松开卡盘，成形的工件取下，在松开镶块紧固环，依次拆下镶块、凹模套筒和定位中心轴。

步骤S1)中毛坯的尺寸设计包括如下内容：毛坯结构为筒形结构，目标环件内径＝毛坯内径，即r₁＝r₂，减薄率取40％～60％，即毛坯外径R₂与目标零件外径R₁之间的关系R₂＝(1.6～1.4)×(R₁-r₁)-r₂，

由计算可得：V₁＝(πR₁ ²-πr₁ ²)B₁，V₂＝(π(R₂-Δt)²-πr₂ ²+S)B₂，

其中：Δt-壁厚减薄量；S-内筋截面积；B₁、B₂-目标零件高度及毛坯高度，

基于体积不变的原理：目标零件总体积＝毛坯总体积，即V₁＝V₂，可根据目标零件高度B₁求出B₂。

步骤S1)中模具的尺寸设计包括如下内容：

S11)滚珠直径的设计：旋压角α的大小直接影响金属的稳定流动，旋压角计算公式其中r为滚珠半径，旋压角的大小为18°～22°，滚珠直径的范围可以根据旋压角的大小进行设计；

S12)滚珠个数的设计：滚珠个数直接影响变形的均匀性，滚珠个数越多变形越均匀，滚珠个数其中k为相邻两个滚珠的间隙，k＝0.1r，R-毛坯内径，Int-取整函数；

S13)镶块的设计：镶块网格筋尺寸与目标零件网格筋参数H、L、β一致，其中，L、H、β分别为内筋宽度、高度、内筋斜度，镶块长度等于目标零件长度B₁。

Claims (4)

1.一种带内网格筋的薄壁筒形构件流动成形装置，包括液压动力机构、旋转动力机构和模具；

所述液压动力机构包括上支座、下支座、立柱、活动支座和液压缸，所述立柱顶端和底端分别与上、下支座相连，所述活动支座套设于立柱上沿立柱上下滑动，所述液压缸固定于上支座的底面中心，伸出端与活动支座的顶面中心相连，活动支座上对称设有两条滑槽，滑槽内竖直穿设固定轴，固定轴顶部设有外螺纹，通过锁紧螺母与活动支座相连，沿滑槽水平滑动，固定轴内侧设有固定槽；

所述旋转动力机构包括底座、旋转工作台和旋转电机，所述底座设于下支座顶面中心，旋转电机设于底座上与旋转工作台相连，驱动旋转工作台旋转；

所述模具包括定位中心轴、凹模套筒、凹模镶块和滚珠支撑架，所述定位中心轴竖直设于旋转工作台顶面中心，所述凹模套筒外套于定位中心轴，所述凹模镶块沿凹模套筒外周面布设，底部通过套设镶块紧固环定位，凹模镶块外周面上设有外网格筋结构，毛坯外套于凹模镶块，底部通过卡盘固定，所述滚珠支撑架为内壁设有弧形凹槽的圆环结构，弧形凹槽内嵌入数个滚珠，滚珠支撑架内部相对滚珠的位置设有挡块，挡块顶部中心与弹簧底端相连，弹簧顶端固定于活动支座的底面中心，滚珠支撑架外侧嵌入固定轴上设有的固定槽内。

2.一种带内网格筋的薄壁筒形构件流动成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)模具及毛坯的尺寸设计，根据目标环件的尺寸和体积合理设计毛坯尺寸，根据目标环件及网格筋结构尺寸设计模具尺寸；

S2)模具装配，毛坯、凹模镶块、凹模套筒与定位中心轴同轴进行装配，通过镶块紧固环将凹模镶块固定，用卡盘将毛坯与模具固定于旋转工作台上，调整固定轴在活动支座的水平位置，用锁紧螺母锁定；

S3)流动成形，旋转工作台先旋转，在旋转稳定之后，调整活动支座进给速度，进行轴向进给，进给率为0.8～1.0mm/r，液压缸启动，带动活动支座下移，滚珠支撑架做直线进给运动，滚珠支撑架进给运动与工件旋转运动的同时进行，实现对毛坯的逐点局部塑性变形，毛坯壁厚减薄，迫使多余金属流入镶块网格筋凹槽内，得到网格筋零件，成形完毕，活动支座返回初始位置；

S4)脱模取料，依次拆除滚珠支撑架和固定轴，松开卡盘，成形的工件取下，在松开镶块紧固环，依次拆下镶块、凹模套筒和定位中心轴。

3.根据权利要求2所述的一种带内网格筋的薄壁筒形构件流动成形方法，其特征在于，所述步骤S1)中毛坯的尺寸设计包括如下内容：毛坯结构为筒形结构，目标环件内径＝毛坯内径，即r₁＝r₂，减薄率取40％～60％，即毛坯外径R₂与目标零件外径R₁之间的关系R₂＝(1.6～1.4)×(R₁-r₁)-r₂，

由计算可得：V₁＝(πR₁ ²-πr₁ ²)B₁，V₂＝(π(R₂-Δt)²-πr₂ ²+S)B₂，

其中：Δt-壁厚减薄量；S-内筋截面积；B₁、B₂-目标零件高度及毛坯高度，

基于体积不变的原理：目标零件总体积＝毛坯总体积，即V₁＝V₂，可根据目标零件高度B₁求出B₂。

4.根据权利要求2所述的一种带内网格筋的薄壁筒形构件流动成形方法，其特征在于，所述步骤S1)中模具的尺寸设计包括如下内容：

S11)滚珠直径的设计：旋压角α的大小直接影响金属的稳定流动，旋压角计算公式其中r为滚珠半径，旋压角的大小为18°～22°，滚珠直径的范围可以根据旋压角的大小进行设计；

S12)滚珠个数的设计：滚珠个数直接影响变形的均匀性，滚珠个数越多变形越均匀，滚珠个数其中k为相邻两个滚珠的间隙，k＝0.1r，R-毛坯内径，Int-取整函数；

S13)镶块的设计：镶块网格筋尺寸与目标零件网格筋参数H、L、β一致，其中，L、H、β分别为内筋宽度、高度、内筋斜度，镶块长度等于目标零件长度B₁。