CN109772988A - 一种筒形件错距旋压加工旋轮错距量的调整方法 - Google Patents

Abstract

一种筒形件错距旋压加工旋轮错距量的调整方法，在充分考虑坯料受力均衡性的基础上，根据旋压毛坯形状尺寸及首道次压下量精确确定旋轮轴向错距量以改善现有技术的不足，避免在调整旋轮轴向错距量时存在的盲目性和不确定性，确保起旋时旋轮能同时与毛坯接触，提高了筒形件错距旋压的稳定性和成形精度。试验证明，本发明所阐述的错距量调整方法对旋轮进行轴向调整，然后进行旋压，结果显示：筒形件的直线度提高约10％，壁厚差减小约5％，有效使用长度增加约5％。

Description

一种筒形件错距旋压加工旋轮错距量的调整方法

技术领域

本发明涉及一种筒形件错距旋压加工时旋轮错距量的调整方法，属于薄壁回转体类金属构件制造技术领域。

背景技术

旋压成形技术是一种先进制造工艺技术，它通过旋转使工件受力点由点到线，再由线到面，同时在某个方向施加一定压力，使金属材料沿特定方向变形和流动，从而完成工件加工。旋压技术是一种综合了锻造、挤压、拉拔、环轧、滚压等技术特点的先进制造技术，相比车削加工，旋压技术解决了薄壁回转体零件加工时存在的刚度低、颤动大、精度低等问题，在航空航天领域获得广泛应用。如固体火箭发动机金属壳体，火箭、导弹等的储箱、飞机油箱、气瓶内衬等。

随着航空航天工业的发展，一些新型飞行器对轻质、高强的薄壁回转体零件提出更多需求，以此来满足其高机动性、远射程等要求，同时新型军事变革使得武器装备的高效能低成本制造成为行业发展的共识。采用旋压成形技术加工该类零件，不但能提高产品的使用寿命，还能大幅提高材料的利用率，降低制造成本。

目前，在旋压加工领域常用的加工方式分为同步旋压和错距旋压两种。其中同步旋压是指两个及以上的旋轮中心位于同一横截面上(旋轮规格一致)，错距旋压则是两个及以上旋轮在轴向和径向错开一定距离，把一道工序的压下量分配给数个旋轮分别承担。与同步旋压相比，错距旋压改善了变形区的状态，克服了厚壁毛坯大压下量旋压时存在的工艺参数和旋轮型面适应范围窄的问题，是提高生产效率和工件质量的有效方法，在实际生产中获得广泛应用。

如上所述，错距旋压是将数个旋轮组合在一起使用的。然而这是应用上的组合，而不是将它们固定在一起的组合。应用组合是指旋轮的不同规格(成形角α_r、旋轮圆角半径r、退出角β等)、旋轮之间的相互位置、即径向压下量及分配、轴向错距量、旋轮的周向分布情况等因素之间的随机组合。在实际应用中，由于影响因素较多，逐次考虑每种组合对成形质量的影响情况既不具备实用型也不具有经济性，通常情况下，旋轮规格根据加工材料、毛坯厚度、旋完工件表面粗糙度等确定，考虑到旋压时，坯料受力的均衡性，旋轮周向一般为均匀分布，因此应用错距旋压时，主要考虑的因素集中为旋轮径向压下量及分配、轴向错距量。

每一道次压下量ΔT一般是根据工艺流程、工件结构、旋前毛坯壁厚及设备功能确定的。采用错距旋压时，每个旋轮径向压下量的分配目前大致采用两种方法：一为等量分配，即各取1/m(m为旋轮数量)；二为不等量分配，即按各个旋轮型面，坯料强化状况估计，使各个旋轮所受径向力大致相等。方法一实施起来比较方便，实用性强；方法二坯料受力均衡性好，旋压精度高，但计算压下量分配过程比较麻烦。

中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所在公开号为CN103264263A的发明创造中公开了一种错距旋压筒形件的工艺方法，该方法主要阐述了错距旋压的步骤，尤其提出同步进刀方式，该方式能有效减小主轴承受的弯矩，保证主轴精度不变，延长主轴使用寿命，但该工艺方法对每个旋轮在轴向的错距量如何调整未作说明。西安航天动力机械有限公司在公开号为CN108127014A的发明创造中公开了一种对轮错距反向旋压的方法，该方法仅针对采用无芯模对轮错距反向旋压，给出的前后两对轮的轴向错距量调整方法也只是一个范围，无法根据毛坯实际尺寸及旋压参数精确确定旋轮轴向错距量。西安航天动力机械有限公司在公开号为CN105414297A的发明创造中公开了一种异步错距旋压加工方法，该方法中前旋轮与后旋轮进给速度不同步，在两旋轮间的变形区内人为制造拉力，形成张力旋压，从而使金属的轴向流动情况得到了改善，提高了工件的成形精度，但是该方法也未对两旋轮或多旋轮错距旋压时，相邻两旋轮间的轴向错距量如何精确确定作出说明，只是给定了一个范围。在旋压成形领域，大量经验及数据表明，起旋时金属变形的稳定性对整个工件的成形精度及质量具有重要的影响，起旋时变形不稳定，不但使工件的整体精度变差，而且使工件的有效长度变短，因此，提高旋压成形起旋时的稳定性对提高整个工件的成形质量具有积极的意义。为了提高起旋时的稳定性，同时避免起旋时旋压力过大，进而保护旋轮，旋压毛坯的起旋部位往往设计为带有一定高度和角度的斜坡形，对于错距旋压而言，由于旋轮在轴向和径向上存在位置差，因此如何保证起旋时各旋轮能同时跟毛坯起旋部位接触对提高起旋时的稳定性和成形精度具有重要的意义。综上所述，错距旋压时，为了保证起旋时各旋轮能同时跟毛坯起旋部位接触，毛坯起旋部位倾斜角与旋轮在轴向和径向上的分布必然存在一定的关系。旋轮的径向分布取决于旋轮在径向的压下量即毛坯的减薄量，在旋轮径向压下量确定的情况下，毛坯起旋部位倾斜角与旋轮轴向错距量存在一定的关系。通常情况下，毛坯的减薄率在旋压前已根据材料属性和工艺参数而确定，因此，错距旋压起旋时旋轮能否同时跟毛坯起旋部位接触就由毛坯起旋部位倾斜角与旋轮轴向错距量之间的关系确定。目前，国内外公开的资料中还未对错距旋压时毛坯起旋部位倾斜角与旋轮轴向错距量的关系进行阐述，现有的技术也只是提供一个大致的范围，无法保证起旋时各旋轮同时与毛坯接触。

发明内容

为克服现有技术中存在的无法保证起各旋时旋轮同时与毛坯接触导致的起旋时变形不稳定，工件的整体精度变差，而且使工件的有效长度变短的不足，本发明提出了一种筒形件错距旋压加工旋轮错距量的调整方法。

本发明的具体过程是：

第一步，制备旋压毛坯。所述旋压毛坯的厚度为H，h为起旋端毛坯厚度，起旋端横截面外圆倒角高度为H-h，倒角斜面与水平面的角度为α。

第二步，安装旋轮。

由两个或两个以上旋轮组成旋轮组，各旋轮分别标记为n_i，其中n是该旋轮组中的旋轮数量，i是该旋轮组中的某一个旋轮，i＝1,2,3……。所述旋轮的数量为n，n＝2,3,4,…n。

各旋轮的轴线平行于筒形件的轴线，并与筒形件的轴线处于同一水平面。

第三步：安装工件。通过工件芯模将工件安装在旋压机上。

第四步，确定相邻旋轮之间的轴向错距量。

通过毛坯起旋端的倾斜角α和各旋轮的压下量δ_ni确定相邻旋轮之间的轴向错距量，用公式(3)确定各旋轮之间的轴向错距量，

公式3中：α为毛坯起旋端的倾斜角；δ_ni为第ni个旋轮的压下量；L_ni-1,ni中的下标为第n-1旋轮与第ni旋轮之间的轴向错距量。

第五步，旋压。

旋压过程为三道次。通过三道次旋压得到高强度钢薄壁筒形件。

完成对所述高强度钢薄壁筒形件的旋压加工。

安装旋轮时，各旋轮对称的分布在筒形件的圆周上，且使各旋轮圆角顶点连线与芯模轴线垂直。

在确定相邻旋轮之间的轴向错距量时，设第ni旋轮一道次的压下量为δn_i，i＝1,2,3……n，则δ_n1+δ_n2+……δ_n＝δ。其中1表示第1旋轮，2表示第2旋轮，……n表示第n旋轮。

通过所述相邻两旋轮轴向错距量的计算公式分别得到第n-1旋轮与第n旋轮之间的轴向错距量。

所述旋压时，根据确定的各旋轮之间的轴向错距量L_n-1,n调整所述旋轮之间的轴向间距，设定旋压机主轴转速为70r/min，两个旋轮轴向进给速度均为70mm/min，径向方向均无进给速度。一道次启动旋压机进行一道次和二道次的旋压。

所述三道次旋压时，各旋轮间的轴向错距量不变，径向方向均无进给速度，轴向方向进给速度为84mm/min，主轴转速为70r/min。

本发明在充分考虑坯料受力均衡性的基础上，提供一种筒形件错距旋压加工时，根据旋压毛坯尺寸及首道次压下量精确调整旋轮轴向错距量的方法，其目的在于改善现有技术的不足，避免在调整旋轮轴向错距量时存在的盲目性和不确定性，确保起旋时旋轮能同时与毛坯接触，提高了筒形件错距旋压的稳定性和成形精度。

本发明是根据旋压毛坯形状尺寸及首道次压下量精确确定旋轮轴向错距量的计算方法，其主要内容为：设旋压毛坯的厚度为H，h为起旋端毛坯厚度，则起旋端横截面外圆倒角高度为H-h，倒角斜面与与水平面的角度为α。再设首道次压下量为δ，旋轮数量为n，第i旋轮的压下量δ_i(i＝1,2,3……n)，则δ₁+δ₂₊……δ_n＝δ，其中1表示第一旋轮，2表示第二旋轮，……n表示第n旋轮。为了保证坯料受力的均衡性，起旋时需要n个旋轮同时接触毛坯，将附图2中旋轮与毛坯接触的部分进行简化处理，如附图3所示，由直角三角形三角函数关系：

第一旋轮与第二旋轮之间的轴向错距量为：

第二旋轮与第三旋轮之间的轴向错距量为：

按上述计算方式以此类推，得到第n-1旋轮与第n旋轮之间的轴向错距量为：

其中α为毛坯起旋端的倾斜角，δ_n为第n旋轮的压下量，L₁₂为第一旋轮与第二旋轮之间的错距量，L₂₃为第二旋轮与第三旋轮之间的错距量，所以，按本发明可由毛坯起旋端的倾斜角和首道次旋轮的压下量计算出相邻两个旋轮之间的轴向错距量。

与现有技术相比，采用本发明所阐述的轴向错距量调整方法，可以保证起旋时，旋轮能同时接触毛坯，使毛坯在径向的受力达到平衡，避免因旋轮接触不一致而造成毛坯料扭曲，进而提高了工件的成形精度和成形质量。这是因为，大量工程实践表明，对筒形件错距旋压而言，起旋时毛坯受力不均会使毛坯起旋部位发生扭曲，随着旋压过程进行，扭曲会进一步扩展，进而影响全部工件，同时扭曲还会造成金属流动不一致，最终造成工件口部出现弯曲或马蹄形使工件的有效使用长度变短，成形精度变差，甚至造成产品报废。在某一规格发动机壳体薄壁筒形件不同批次错距旋压过程中，采用本发明所阐述的错距量调整方法对旋轮进行轴向调整，然后进行旋压，结果显示：筒形件的直线度提高约10％，壁厚差减小约5％，有效使用长度增加约5％。

附图说明

图1为毛坯的结构示意图；

图2为错距旋压起旋时旋轮轴向分布示意图；

图3为错距旋压起旋时多旋轮轴向分布示意图；

图4为本发明的流程图。

图中：1.第一旋轮；2.第二旋轮；3.第三旋轮。

具体实施方式

实施例一

本实施例是用两旋轮错距旋压方法加工高强度钢薄壁筒形件。根据国际钢铁协会ULSAB项目组的定义，将屈服强度在210～550Mpa的钢定义为高强度钢。

所述的轴向错距量是指通过两个或两个以上旋轮进行旋压加工时，轴向相邻的旋轮圆角顶点之间的距离。

本实施例加工的工件的结构如图4所示。本实施例的具体过程是：

第一步，制备旋压毛坯。所述毛坯为30CrMnSiA高强度钢筒形件。旋压毛坯的厚度为H，h为起旋端毛坯厚度，起旋端横截面外圆倒角高度为H-h，倒角斜面与水平面的角度为α。

本实施例中，毛坯壁厚H＝10mm，起旋端毛坯厚度h＝6mm，毛坯起旋端的倾斜角为20°，外径D＝Φ226mm，长度240mm。

第二步，安装旋轮。旋压时，由两个或两个以上旋轮组成旋轮组，各旋轮分别标记为n_i，其中n是该旋轮组中的旋轮数量，i是该旋轮组中的某一个旋轮，i＝1,2,3……。

本实施例中，n＝2，分别是第一旋轮n₁和第二旋轮n₂。

将第一旋轮n₁和第二旋轮n₂分别安装在两旋轮数控强力旋压机上，并使各旋轮的轴线平行于筒形件的轴线，并使与筒形件的轴线处于同一水平面。两个旋轮对称的分布在筒形件的两侧，且保证两旋轮圆角顶点连线与芯模轴线垂直。

第三步：安装工件。将工件芯模安装在旋压机上，要求芯模在圆周方向上的圆跳动不大于0.1mm。将制备好的毛坯料装在芯模上，保证毛坯料的一端与芯模上的卸料环接触。

第四步，确定相邻旋轮之间的轴向错距量。

通过毛坯起旋端的倾斜角α和各旋轮一道次的压下量δn_i确定相邻旋轮之间的轴向错距量。具体是：

为了保证坯料受力的均衡性，起旋时需要n个旋轮同时接触毛坯。通过旋轮与毛坯接触的部分之间的直角三角形三角函数关系可得：

第一旋轮与第二旋轮之间的轴向错距量为：

第二旋轮与第三旋轮之间的轴向错距量为：

按上述计算方式以此类推，得到相邻两旋轮轴向错距量的计算公式如下：

公式3中：α为毛坯起旋端的倾斜角；δ为各旋轮一道次的压下量；δ_ni为第ni个旋轮的压下量；L_ni-1,ni中的下标为第n-1旋轮与第ni旋轮之间的轴向错距量；L_1,2为第一旋轮与第二旋轮之间的错距量；L_2,3为第二旋轮与第三旋轮之间的错距量。

通过公式(3)分别得到所述相邻两旋轮之间的轴向错距量。

本实施例中，一道次的总压下量为4mm，两个旋轮的压下量分别为2mm。

根据相邻两旋轮轴向错距量计算公式(3)得到第一旋轮与第二旋轮的轴向错距量。本实施例中，旋轮数量n＝2，毛坯起旋端的倾斜角α＝20°，第二旋轮的压下量δ_n2＝2mm，则两旋轮间的轴向错距量

第五步，旋压。

旋压过程为三道次。通过三道次旋压得到高强度钢薄壁筒形件。

一道次旋压：

首先同时移动第一旋轮和第二旋轮所在的旋轮座，使第一旋轮和第二旋轮位于毛坯起旋点的前方，并使各旋轮与毛坯无接触。根据设定的各旋轮的压下量分别调整各所述旋轮与芯模之间的间隙。根据确定的两个旋轮间的轴向错距量L₁₂，调整所述旋轮之间的轴向间距，将第二旋轮沿轴向向远离毛坯起旋点的方向移动，使得第一旋轮和第二旋轮之间保持5.5mm的轴向错距量。以相同轴向进给速度同时移动第一旋轮和第二旋轮所在的旋轮座使得所述第一旋轮和第二旋轮与毛坯接触。给定旋压机主轴转速为70r/min，两个旋轮轴向进给速度均为70mm/min，径向方向均无进给速度。启动旋压机进行第一道次的旋压。旋压过程中进行冷却与润滑。结束一道次旋压后，两个旋轮返回起旋点，进行二道次旋压。

二道次旋压：

二道次的总压下量为2.2mm，第一旋轮和第二旋轮各压下1.1mm。保持两旋轮间的轴向错距量，径向方向均无进给速度，轴向方向进给速度与主轴转速均不变。启动旋压机进行第二道次的旋压。旋压过程中进行冷却与润滑。结束二道次旋压后，两个旋轮返回起旋点，进行三道次旋压。

三道次旋压：

三道次的总减薄量为1.8mm，第一旋轮和第二旋轮各压下0.9mm。两旋轮间的轴向错距量不变，径向方向均无进给速度，轴向方向进给速度为84mm/min，主轴转速不变。启动旋压机进行第二道次的旋压。旋压过程中进行冷却与润滑，冷却后卸料。

至此，完成对所述高强度钢薄壁筒形件的旋压加工。

Claims (5)

1.一种筒形件错距旋压加工旋轮错距量的调整方法，其特征在于，具体过程是：

第一步，制备旋压毛坯：

所述旋压毛坯的厚度为H，h为起旋端毛坯厚度，起旋端横截面外圆倒角高度为H-h，倒角斜面与水平面的角度为α；

第二步，安装旋轮：

由两个或两个以上旋轮组成旋轮组，各旋轮分别标记为n_i，其中n是该旋轮组中的旋轮数量，i是该旋轮组中的某一个旋轮，i＝1,2,3……；所述旋轮的数量为n，n＝2,3,4,…n；

各旋轮的轴线平行于筒形件的轴线，并与筒形件的轴线处于同一水平面；

第三步：安装工件：

通过工件芯模将工件安装在旋压机上；

第四步，确定相邻旋轮之间的轴向错距量：

通过毛坯起旋端的倾斜角α和各旋轮的压下量δ_ni确定相邻旋轮之间的轴向错距量，用公式(3)确定各旋轮之间的轴向错距量，

公式3中：α为毛坯起旋端的倾斜角；δ_ni为第ni个旋轮的压下量；L_ni-1,ni中的下标为第n-1旋轮与第ni旋轮之间的轴向错距量；

第五步，旋压：

旋压过程为三道次；通过三道次旋压得到高强度钢薄壁筒形件；

完成对所述高强度钢薄壁筒形件的旋压加工。

2.如权利要求1所述筒形件错距旋压加工旋轮错距量的调整方法，其特征在于，安装旋轮时，各旋轮对称的分布在筒形件的圆周上，且使各旋轮圆角顶点连线与芯模轴线垂直。

3.如权利要求1所述筒形件错距旋压加工旋轮错距量的调整方法，其特征在于，在确定相邻旋轮之间的轴向错距量时，设第ni旋轮一道次的压下量为δn_i，i＝1,2,3……n，则δ_n1+δ_n2+……δ_n＝δ；其中1表示第1旋轮，2表示第2旋轮，……n表示第n旋轮；通过所述相邻两旋轮轴向错距量的计算公式分别得到第n-1旋轮与第n旋轮之间的轴向错距量。

4.如权利要求1所述筒形件错距旋压加工旋轮错距量的调整方法，其特征在于，所述旋压时，根据确定的各旋轮之间的轴向错距量L_n-1,n调整所述旋轮之间的轴向间距，设定旋压机主轴转速为70r/min，两个旋轮轴向进给速度均为70mm/min，径向方向均无进给速度；一道次启动旋压机进行一道次和二道次的旋压。

5.如权利要求1所述筒形件错距旋压加工旋轮错距量的调整方法，其特征在于，所述三道次旋压时，各旋轮间的轴向错距量不变，径向方向均无进给速度，轴向方向进给速度为84mm/min，主轴转速为70r/min。