CN109940079B - 提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度的方法及装置，在现有的带内筋筒形件旋压芯模上增加一个固定环和一个轴向约束环，固定环与旋压芯模采用螺纹固连；支撑杆一端与轴向约束环上的轴向螺纹通孔采用螺纹固连，另一端穿过固定环上的轴向通孔，并可以在旋压成形过程中与轴向限制环一起沿芯模轴向移动，在带内筋筒形件旋压成形过程中，工件自由端伸长并带动轴向约束环和支撑杆向固定环移动，使得支撑杆上的压缩弹簧被压缩，进而给工件自由端提供反方向的轴向力，增加了材料轴向流动的阻力,同时轴向约束环有直径略大于旋压工件外径的圆形凹槽，限制了材料沿径向扩张。本发明可以有效地达到提高内筋充填高度的效果。
Description
技术领域
本发明涉及旋压成形加工领域，具体是一种提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度的方法及装置。
背景技术
随着航空、航天等领域高端装备的迅速发展，特别是新一代导弹、火箭等的研制，对其关键构件的整体化、高性能和轻量化提出了更高的要求。带内筋筒形件就是这样一种典型构件，其内部设计有纵向、横向或纵横交错的加强筋，能大幅提高该类构件的强度和刚度，并减轻构件重量。旋压技术通过旋轮的连续点加载作用使坯料产生塑性变形，具有成形载荷低、模具结构简单、生产效率高等优点，是实现带内筋筒形件高性能整体成形制造的优势技术。而带内筋筒形件旋压成形过程中，材料主要发生轴向流动和径向充筋，两个方向的材料流动相互竞争，但轴向流动占据主导地位，致使成形过程中常出现内筋充填高度不足的缺陷，因此，研究提出提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度的方法具有重要意义。
目前，针对带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度较低的问题，有效的解决方法少有报道。文献:Q.X.Xia，L.Y.Sun，X.Q.Cheng，et al.Analysis of the forming defectsof the trapezoidal inner-gear spinning[C]//IEEE International Conference onIndustrial Engineering&Engineering Management.IEEE，2009.为了解决内齿轮旋压成形中齿槽处材料轴向流动量大于齿顶处而形成“波浪状”端口的问题，提出了在内齿轮旋压成形中给工件自由端增加轴向限制环以限制齿槽处材料轴向流动，从而减小齿槽与齿顶处材料轴向流动差异，避免“波浪状”端口缺陷的方法。该方法为提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度提供了思路，但其简单采用橡胶环来限制工件自由端的轴向流动，没有设计专用限制装置，虽在一定程度上避免了“波浪状”端口缺陷，但引起了材料沿径向扩张，并最终在工件口部出现明显的喇叭口缺陷。哈尔滨工程大学在申请号CN201110207227的发明专利中公开了一种用于成形带纵向内筋薄壁筒形件的反向滚珠旋压成形工装装置及方法，其在工件自由端安装了限位环以限制材料轴向流动，从而促进旋压件内筋充填。但其限位环通过螺纹刚性连接在旋压芯模上，当工件自由端与限位环未接触时，限位环无法达到限制材料轴向流动的目的；而当工件自由端与限位环接触时，限位环完全限制了工件自由端的轴向移动，极易导致工件出现局部隆起和不贴模缺陷，工件整体成形质量与稳定性不好。因此，迫切需要研究提出提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度的方法及装置。
发明内容
本发明提出一种提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度的方法及装置，通过同时限制带内筋筒形件旋压成形过程中材料的轴向流动和径向扩张，使得材料更多的流向内筋凹槽，以此提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度，并避免现有相关发明技术中容易出现径向扩张、扩径和不贴模等缺陷的不足。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度的方法，该方法是在现有带内筋筒形件旋压芯模上增加一个固定环和一个轴向约束环，固定环与旋压芯模采用螺纹固连，轴向约束环与固定环之间通过套有压缩弹簧的支撑杆连接；支撑杆一端与轴向约束环上的轴向螺纹通孔采用螺纹固连，另一端穿过固定环上的轴向通孔，并在旋压成形过程中与轴向限制环一起沿芯模轴向移动；轴向约束环的另一端有圆形凹槽与旋压工件自由端接触，在带内筋筒形件旋压成形过程中，工件自由端伸长并带动轴向约束环和支撑杆向固定环移动，使得支撑杆上的压缩弹簧被压缩，进而给工件自由端提供反方向的轴向力，增加了材料轴向流动的阻力，同时因轴向约束环的圆形凹槽直径略大于旋压工件的外径，限制了材料沿径向扩张，对材料的轴向流动和径向扩张的同时限制使得材料更多的流向内筋凹槽，以此提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度。
根据上述方法构成并用于上述方法的本发明的一种提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度装置，包括固定环、轴向约束环、支撑杆和压缩弹簧。
固定环的内表面为与旋压芯模外表面贴合的圆柱面，固定环一端的外表面上有周向均布的径向连接孔并通过螺纹与旋压芯模固连；轴向约束环被套在旋压芯模上并能够在旋压芯模上沿轴向移动；支撑杆一端与轴向限制环螺纹连接，另一端穿过固定环上的轴向通孔；压缩弹簧套在支撑杆上，在旋压成形中被压缩，同时提供给轴向限制环反向的弹力。
固定环的外形呈阶梯状，固定环小端外表面有周向均布的径向连接孔，通过螺纹与旋压芯模固连；固定环大端的端面有周向均布的轴向圆形凹槽，所述轴向圆形凹槽的底部设有与其同轴的轴向通孔。
轴向约束环的内表面为与固定环内表面等直径的圆柱面，轴向约束环与旋压工件配合的一端的端面有圆形凹槽，并且所述圆形凹槽的内径大于旋压工件的外径，圆形凹槽的深度大于旋压工件的壁厚。在轴向约束环的另一端的端面有周向均布的轴向圆形凹槽，所述轴向圆形凹槽的数量、直径、深度及轴向圆形凹槽中心线距轴向约束环内圆柱面中心线的距离与固定环大端端面周向均布的轴向圆形凹槽的数量、直径、深度及其中心线距固定环内圆柱面中心线的距离均相等。在所述轴向圆形凹槽的底部有与其同轴的轴向螺纹通孔。
支撑杆为一端带外螺纹，另一端带内六角凹槽的圆柱杆。支撑杆的数量等于固定环上周向均布的轴向圆形凹槽的数量，支撑杆的直径小于固定环上轴向通孔的直径。在支撑杆一端的外表面上有外螺纹，所述外螺纹的直径、长度与轴向约束环上的轴向螺纹通孔的直径、长度均相等，用于将支撑杆与轴向约束环固连；在支撑杆另一端的端面有内六角凹槽，使用时采用内六角扳手将支撑杆与轴向约束环上的轴向螺纹通孔拧紧。
压缩弹簧套在支撑杆上，压缩弹簧的外径略小于固定环大端端面上周向均布的轴向圆形凹槽的直径，压缩弹簧的内径大于支撑杆的外径。
本发明的有益效果：
本发明装置在旋压成形中弹簧被压缩从而对筒形件末端提供反向约束力，使得带内筋筒形件旋压成形过程中材料的轴向流动阻力增加，同时由于轴向约束环的圆形凹槽存在限制了材料沿径向扩张，在两者的共同作用下，材料更多的流向内筋凹槽，可以有效地达到提高内筋充填高度的效果。如图6所示为实施例中采用本发明方法和装置的带纵向内筋筒形件旋压成形结果，在旋压参数完全相同的条件下，内筋充填高度相比常规方法有明显的提升。此外，本发明方法与装置还具有以下优势：(1)本发明方法及装置不仅增加了带内筋筒形件旋压成形中材料的轴向流动阻力，还限制了材料沿径向扩张，因而更有利于材料沿径向充填内筋，达到大幅提高内筋充填高度的效果，同时可以避免了现有相关专利方法中易出现扩径和不贴模缺陷的问题；(2)本发明装置中，压缩弹簧的长度和刚度可以根据带内筋筒形件旋压的筒坯材料、初始壁厚、旋轮压下量、内筋结构参数等的变化而进行相应调整，以达到最好的充填效果，大大提高了本装置的通用性和使用灵活性；(3)本发明装置中轴向限制环同时具备卸料环的作用，旋压成形结束后，通过轴向敲击轴向限制环靠机床主轴一侧，使其与旋压工件一起向远离机床主轴端移动即可实现卸料，避免了现有相关专利中需额外增加卸料环的弊端，简化了装置结构。
附图说明
图1是提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度装置示意图。
图2是轴向约束环与旋压工件自由端配合示意图。
图3是轴向约束环示意图。
图4是固定环结构示意图。
图5是支撑杆剖视图。
图6是常规方法与采用本发明方法及装置的内筋充填高度结果对比；(a)常规旋压成形； (b)采用本发明-方法及装置旋压成形；
图中：1.固定环；2.轴向约束环；3.支撑杆；4.压缩弹簧；5.旋压芯模；6.旋轮；7.旋压工件；8.内圆柱面；9.径向连接孔；10.轴向圆形凹槽；11.轴向通孔；12.内圆柱面；13.圆形凹槽；14.轴向圆形凹槽；15.轴向螺纹通孔；16.内六角凹槽；17.外螺纹；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的一种提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度的方法，如图1所示，该方法是在现有的带内筋筒形件旋压芯模5上增加一个固定环1和一个轴向约束环2，固定环1与旋压芯模5采用螺纹固连，轴向约束环2与固定环1之间通过套有压缩弹簧4的支撑杆3连接；支撑杆3一端与轴向约束环2上的轴向螺纹通孔15采用螺纹固连，另一端穿过固定环1上的轴向通孔11，并可以在旋压成形过程中与轴向限制环2一起沿旋压芯模5轴向移动；如图2所示，轴向约束环3的另一端有圆形凹槽13与旋压工件7自由端接触，在带内筋筒形件旋压成形过程中，旋压工件7自由端伸长并带动轴向约束环2和支撑杆3一起向固定环1移动，使得支撑杆3上的压缩弹簧4被压缩，进而给旋压工件7的自由端提供反方向的轴向力，增加了材料轴向流动的阻力，同时因轴向约束环2的圆形凹槽13直径大于旋压工件7的外径，限制了材料沿径向扩张，对材料的轴向流动和径向扩张的同时限制使得材料更多的流向内筋凹槽，以此提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度。
根据上述方法构成并用于上述方法的本发明的一种提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度装置，如图1所示，包括固定环1、轴向约束环2、支撑杆3和压缩弹簧4，且固定环1 和轴向约束环2均为回转体。压缩弹簧4位于固定环1和轴向约束环2之间，压缩弹簧4被套在支撑杆3上；支撑杆3一端与轴向限制环螺栓连接，另一端穿过固定环1上周向均布的轴向通孔11。该实例用于筒坯外径216mm，壁厚8mm，旋压芯模5直径199.5mm且外表带八个周向均布的纵向内筋凹槽(筋宽＝筋深＝6mm、内筋圆角半径R＝3mm)的带内筋薄壁筒形构件旋压成形。
固定环1为中空的回转体，其内圆柱面8的直径为200mm。固定环1的外形呈阶梯状，其小端外表面有周向均布的4个径向连接孔9。将固定环1套在旋压芯模5上，通过螺纹连接固定环1小端外表面周向均布的4个径向连接孔9与旋压芯模5上对应的四个螺纹孔，实现固定孔1与旋压芯模5的固连。固定环1大端的端面有八个周向均布的轴向圆形凹槽10，所述的轴向圆形凹槽10的直径为31mm，深度为20mm，且其中心线距固定环1内圆柱面8 中心线的距离为150mm。在轴向圆形凹槽10的底部有与其同轴的轴向通孔11，所述轴向通孔11的直径为16.5mm。
轴向约束环2的内圆柱面12的直径与固定环1上内圆柱面8的直径相等，，在轴向约束环2与旋压工件7配合的一端的端面有圆形凹槽13，所述圆形凹槽13的直径为218mm，满足圆形凹槽13的直径略大于筒坯外径的要求；所述圆形凹槽13的深度为10mm，满足圆形凹槽13的深度略大于筒坯壁厚的要求。在轴向约束环2的另一端面有周向均布的轴向圆形凹槽14，所述轴向圆形凹槽14的数量、直径、深度及轴向圆形凹槽14中心线距轴向约束环2 内圆柱面12中心线的距离与固定环1大端周向均布的轴向圆形凹槽10的数量、直径、深度及其中心线距固定环1内圆柱面8中心线的距离均相等。在轴向圆形凹槽14的底部有与其同轴的轴向螺纹通孔15，所述轴向螺纹通孔15的直径16mm，深度20mm。
支撑杆3的直径为16mm，满足支撑杆3的直径须略小于固定环1上轴向通孔11的直径的要求。支撑杆3的数量为八个，等于固定环1上周向均布的轴向圆形凹槽的数量。所述支撑杆3的长度为320mm，其与轴向螺纹通孔15连接的一端有外螺纹17，所述外螺纹17的直径、长度与轴向约束环2上的螺纹通孔15的直径、长度均相等；所述支撑杆3与固定环1上的轴向通孔11配合的一端的端面有内六角凹槽16，使用时采用内六角扳手将支撑杆3与轴向螺纹通孔15拧紧。
压缩弹簧4为两端圈并紧磨平的结构型式，自由状态长度为250mm。压缩弹簧4的外径为30mm，满足压缩弹簧4的外径略小于固定环1大端端面上周向均布的轴向圆形凹槽10的直径的要求。压缩弹簧4的内径为20mm，满足压缩弹簧4的内径略大于支撑杆3的直径的要求。
Claims (5)
1.一种提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度的方法，其特征在于：该方法是在现有带内筋筒形件旋压芯模上增加一个固定环和一个轴向约束环，固定环与旋压芯模采用螺纹固连，轴向约束环与固定环之间通过套有压缩弹簧的支撑杆连接；支撑杆一端与轴向约束环上的轴向螺纹通孔采用螺纹固连，另一端穿过固定环上的轴向通孔，并在旋压成形过程中与轴向限制环一起沿芯模轴向移动；轴向约束环的另一端有圆形凹槽与旋压工件自由端接触，在带内筋筒形件旋压成形过程中，工件自由端伸长并带动轴向约束环和支撑杆向固定环移动，使得支撑杆上的压缩弹簧被压缩，进而给工件自由端提供反方向的轴向力，增加了材料轴向流动的阻力，同时因轴向约束环的圆形凹槽直径略大于旋压工件的外径，限制了材料沿径向扩张，对材料的轴向流动和径向扩张的同时限制使得材料更多的流向内筋凹槽，以此提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度。
2.利用权利要求1所述方法进行的一种提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度装置，其特征在于：包括固定环、轴向约束环、支撑杆和压缩弹簧；
固定环的内表面为与旋压芯模外表面贴合的圆柱面，固定环一端的外表面上有周向均布的径向连接孔并通过螺纹与旋压芯模固连；轴向约束环被套在旋压芯模上并能够在旋压芯模上沿轴向移动；支撑杆一端与轴向限制环螺纹连接，另一端穿过固定环上的轴向通孔；压缩弹簧套在支撑杆上，在旋压成形中被压缩，同时提供给轴向限制环反向的弹力；
固定环的外形呈阶梯状，固定环小端外表面有周向均布的径向连接孔，通过螺纹与旋压芯模固连；固定环大端的端面有周向均布的轴向圆形凹槽，所述轴向圆形凹槽的底部设有与其同轴的轴向通孔。
3.根据权利要求2所述的一种提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度装置，其特征在于：轴向约束环的内表面为与固定环内表面等直径的圆柱面，轴向约束环与旋压工件配合的一端的端面有圆形凹槽，并且所述圆形凹槽的内径大于旋压工件的外径，圆形凹槽的深度大于旋压工件的壁厚；在轴向约束环的另一端的端面有周向均布的轴向圆形凹槽，所述轴向圆形凹槽的数量、直径、深度及轴向圆形凹槽中心线距轴向约束环内圆柱面中心线的距离与固定环大端端面周向均布的轴向圆形凹槽的数量、直径、深度及其中心线距固定环内圆柱面中心线的距离均相等；在所述轴向圆形凹槽的底部有与其同轴的轴向螺纹通孔。
4.根据权利要求2所述的一种提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度装置，其特征在于：支撑杆为一端带外螺纹，另一端带内六角凹槽的圆柱杆；支撑杆的数量等于固定环上周向均布的轴向圆形凹槽的数量，支撑杆的直径小于固定环上轴向通孔的直径；在支撑杆一端的外表面上有外螺纹，所述外螺纹的直径、长度与轴向约束环上的轴向螺纹通孔的直径、长度均相等，用于将支撑杆与轴向约束环固连；在支撑杆另一端的端面有内六角凹槽，使用时采用内六角扳手将支撑杆与轴向约束环上的轴向螺纹通孔拧紧。
5.根据权利要求2所述的一种提高带内筋筒形件旋压成形内筋充填高度装置，其特征在于：压缩弹簧套在支撑杆上，压缩弹簧的外径略小于固定环大端端面上周向均布的轴向圆形凹槽的直径，压缩弹簧的内径大于支撑杆的外径。
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