CN110052524B - 一种控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转的方法及装置，通过尾部约束装置对筒坯流动旋压施加约束，改变成形中应力应变场分布特征，限制周向材料流动，进而控制焊缝偏转，获得直焊缝筒材。约束装置包括带槽芯模、滚动导轨、分级滑块、筒坯卡板、旋轮和尾顶。其中滚动导轨固定在芯模槽底，分级滑块位于滚动导轨上面，分级滑块端部与筒坯未成形段尾端相连，约束筒坯旋压中相对芯模的周向扭转，获得直焊缝筒材。该约束装置还可以依据坯料长度灵活更换分级滑块或增减其数量，以适应不同长度筒坯旋压。本发明方法与装置能高效、精确控制焊缝偏转，具有结构简单紧凑、易于制造加工、拆装方便、成形效率高、普适性好的特点。

Description

一种控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转的方法及装置

技术领域

本发明涉及先进成形制造领域，具体涉及到一种用于控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转的方法及装置。

背景技术

航空、航天高端装备的快速发展迫切需要发展具有薄壁轻量化、大型整体化的关键零部件，如未来大型运载火箭贮箱封头的直径将达到5米以上，此类构件采用整体成形制造则需要更宽更大的薄壁板坯。由于材料变形抗力大、尺寸超宽，采用直接轧制的方法成形超宽板坯存在对设备成形能力要求高、生产成本高、板型控制难等问题，成形制备面临很大挑战。而预先将厚板卷焊成筒，然后流动旋压使其减薄增长，再沿焊缝剪开展平，是成形超宽板坯的有效方法。其突出优势在于利用流动旋压局部加载成形的特点，有效降低成形载荷、拓宽成形尺寸，从而通过“小型”旋压设备实现超宽板坯的制备。然而，卷焊筒流动旋压是一个多参数耦合作用下的复杂塑性成形过程，材料在旋轮作用下发生复杂的轴向和周向流动，筒体在伸长的同时将发生一定程度的扭转，使得焊缝会沿周向发生严重偏转，进而降低卷焊筒展开过程中材料利用率，限制超宽板坯有效尺寸。而且，焊缝偏转程度受到卷焊筒材料与焊缝力学性能差异、卷焊筒初始尺寸、旋轮结构及旋压工艺等众多参数的耦合影响，其偏转程度规律复杂，调控十分困难。

目前，在卷焊筒流动旋压焊缝偏转调控方面的研究很少。哈尔滨工业大学胡志力等人在铝合金薄壁管材搅拌摩擦焊旋压复合成形实验中，通过改变每道次旋压过程中芯模的旋转方向和匹配各旋压工艺参数，获得了直焊缝管材(胡志力.2024铝合金搅拌摩擦焊管材塑性变形行为研究[D].哈尔滨工业大学,2013)。然而，由于卷焊筒流动旋压中焊缝偏转程度强烈依赖于卷焊筒、模具、旋压工艺等众多成形参数，难以建立成形参数与焊缝偏转程度间定量关系，使得该方法实施中针对不同成形构件都需要反复试错调整不同道次的成形参数匹配以实现焊缝调直，工艺设计存在很大的盲目性，费时费力，且普适性差。此外，该方法必须经过多道次旋压才能够获得直焊缝筒材，生产效率较低，因此亟需研究发展卷焊筒流动旋压焊缝偏转调控新方法。

因此，本发明提出一种控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转的方法及装置。本方法利用工装夹持的方法调控旋压过程中材料流动方向，抑制其周向流动，获得直焊缝筒材。利用本发明装置可以精确控制卷焊筒在每个旋压道次均不发生偏转，提高生产效率，而且有效避免了现有方法中针对不同构件需要反复试错调整不同旋压道次成形参数匹配的繁琐设计过程，成形效率高、稳定性好。此外，本发明装置结构简单紧凑、节省空间、拆装方便，且能够适应匹配工件长度变化，柔性好。

发明内容

针对卷焊筒流动旋压焊缝偏转问题，避免通过匹配复杂的旋压工艺参数来调控焊缝偏转的劣势，以实现对焊缝的偏转进行精确高效控制，本发明提出了一种新型焊缝偏转调控方法和装置，所采用的技术方案如下：

一种控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转的装置，所述装置包括带槽芯模、滚动导轨、分级滑块和筒坯卡板、旋轮和尾顶。其中：

所述带槽芯模上设有两个在圆周方向呈对称分布的通槽；在通槽的槽底安装有滚动导轨，滚动导轨由圆柱滚动体和滚动体保持板两部分构成，滚动体保持板分为下板和上板；滚动体沿轴向均匀分布，分布间隔为滚动体直径的1～2倍，并由上保持板和下保持板两块保持板进行夹持；滚动体能够在两块保持板构成的型腔内自由滚动，滚动体留有一小部分露出上保持板的上表面，滚动导轨用螺钉固定在带槽芯模的槽底。尾顶的轴向压力压紧筒坯卡板固定卷焊筒；卷焊筒的外部设有旋轮。所述分级滑块位于滚动导轨的滚动体上，并且能够沿导轨自由滑动。

分级滑块所在区域刚好填满带槽芯模槽内且分级滑块的上表面圆弧段与带槽芯模外表面相匹配，分级滑块两侧表面光滑且与带槽芯模之间的间隙亦要尽可能的小，每级分级滑块之间用U型卡口的形式连接起来；I级滑块(靠近卷焊筒自由端为I级滑块，按照顺序依次为II级滑块、III级滑块，依此类推)上的端部设有一螺纹孔；设置好一系列不同长度的分级滑块后，在选用各级滑块组合时应满足分级滑块总长度大于旋压起始时旋轮所在位置距离卷焊筒自由端端面的轴向距离。

卷焊筒的内径要与带槽芯模外径相匹配，并留有一定的装配间隙，卷焊筒与带槽芯模之间的同轴度一致，且要保证卷焊筒的圆度；卷焊筒的固定端设有沿径向的矩形通孔，筒坯卡板两端穿过卷焊筒头部的通孔，且端部圆弧段与卷焊筒外表面相匹配；筒坯卡板的一个端面与带槽芯模底端面贴合，并用螺栓连接坚固，另一端面由机床尾顶施加轴向压力压紧，用于轴向紧固及传递扭矩。尾顶、带槽芯模与筒坯卡板中心孔的轴线重合，通过尾顶的轴向压力压紧筒坯卡板固定卷焊筒，使得尾顶、带槽芯模、筒坯卡板与卷焊筒同步转动。

卷焊筒的另一端设有圆形通孔，圆形通孔的孔径大于连接卷焊筒与分级滑块的螺栓直径，用螺栓将卷焊筒端部和I级滑块的连接起来，在旋压过程中卷焊筒沿轴向伸长带动I级滑块运动，I级滑块通过卡口带动II级滑块运动，依此传递，使得卷焊筒自由端与各级滑块沿着轴向做同步直线运动。

本发明所提出的一种用于控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转装置的装配和使用步骤如下：

第一步：预先装配好滚动导轨部分，将圆柱滚动体依次放入上保持板和下保持板组成的型腔内，并用螺钉将圆柱滚动体固定在带槽芯模槽底部，然后用紧固螺栓将带槽芯模安装在机床主轴上。

第二步：依据旋压起始时刻旋轮所在位置距离卷焊筒自由端端面的距离L1以及卷焊筒自由端端面距离带槽芯模底面的距离L2，选用不同分级滑块组合，并连接起来放入导轨，所选用的各级滑块总长度L满足：L＝L1+15～25mm，且L1<L<L2。

第三步：将卷焊筒套装在带槽芯模上面，并用螺栓将卷焊筒与分级滑块连接起来；将筒坯卡板插入卷焊筒的固定端通孔内，并用螺栓将筒坯卡板与带槽芯模固定，最后用尾顶顶住筒坯卡板，用于轴向紧固及传递扭矩。

第四步：在卷焊筒后续旋压道次时需要先拆卸卷焊筒和尾顶，然后再依据第二步的计算公式增加匹配相应长度的分级滑块，重复第三步即可。

在旋压过程中，卷焊筒未成形段在旋轮作用下沿轴向稳定伸长，由于螺栓的连接作用带动I级滑块运动，I级滑块通过卡口连接带动II级滑块运动，滑块始终沿着预定的导轨做直线运动，反过来滑块通过连接卷焊筒端部的螺栓阻碍了卷焊筒在旋压过程中相对芯模的周向转动，最终避免了卷焊筒流动旋压过程中产生的焊缝偏转。由于旋轮距离卷焊筒端部的长度会随着旋压过程的进行逐渐减小，因而总能保证旋轮作用区域正下方的芯模槽内总有滑块填充，使得旋压过程顺利进行。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过特定装置对卷焊筒流动旋压施加约束，改变成形中应力应变场分布特征，限制周向材料流动，能够实现卷焊筒流动旋压中焊缝偏转的稳定控制，获得直焊缝筒材。本发明装置有效避免了现有方法中针对不同构件需要反复试错调整不同旋压道次成形参数匹配的繁琐设计过程，可以精确控制卷焊筒在每个旋压道次均不发生偏转，极大提高了生产效率与稳定性，如图6(C)所示为实施例应用本发明方法获得的直焊缝筒材。此外，本发明装置结构简单紧凑、节省空间、易于加工制造、拆装方便，且能够适应匹配工件长度变化，柔性好。针对多道次旋压以及不同初始长度的卷焊筒，只需更换分级滑块或通过增减其数量与之适应。

综上，本发明装置的结构简单紧凑、拆装方便、成形效率高、普适性好，能够准确高效实现不同材料与不同长度卷焊筒流动旋压成形焊缝偏转调控，获得直焊缝筒材。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明用于控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转装置的结构示意图。其中图1(a)为成形过程示意图，中心线上半部分为初始旋压时刻对应状态，中心线下半部分为旋压结束时刻对应状态；图1(b)为卷焊筒端部与滑块连接部分的局部放大视图。

图2为本发明带槽芯模的结构示意图，其中图2(a)是主视图，图2(b)是剖视图；

图3为本发明导轨部分的装配结构示意图，其中图3(a)是主视图，图3(b)是剖视图，图3(c)是俯视图；

图4为分级滑块的结构示意图，图4(a)是I级滑块主视图，图4(b)是I级滑块左视图，图4(c)是II级滑块主视图，图4(d)是II级滑块左视图；

图5为卷焊筒的结构示意图，图5(a)是剖视图，图5(b)是主视图；

图6为卷焊筒流动旋压模拟结果图。图6(a)为卷焊筒初始状态，图6(b)为普通流动旋压焊缝偏转情况，图6(c)为采用本发明装置旋压后的焊缝偏转情况。

图中：1.带槽芯模；2.内六角头螺钉；3.圆柱滚动体；4.滚动体保持板下板；5.滚动体保持板上板；6.连接螺栓；7.卷焊筒；8.旋轮；9.I级滑块；10.II级滑块；11.六角头螺栓；12.筒坯卡板；13.尾顶；14.卷焊筒母材；15.卷焊筒焊缝。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1-6所示，本实施例是一种卷焊筒双旋轮单道次流动旋压。该卷焊筒材料为2219-O态铝合金，采用搅拌摩擦焊工艺进行厚板卷筒的连接，焊缝宽度14mm，卷焊筒的内径为324mm，外径为336mm，初始壁厚6mm，其轴向长度400mm。在本实施例的旋压过程中，坯料减薄率为30％，旋轮进给比为1.5mm/r，芯模转速为90r/min。

本实施例包括带槽芯模1、滚动导轨、分级滑块、卷焊筒7、旋轮8、筒坯卡板12和尾顶13。滚动导轨包括圆柱滚动体3、滚动体保持下板4和滚动体保持上板5；分级滑块包括I级滑块9和II级滑块10。其中：

带槽芯模1为二级阶梯轴，头部带有安装孔和圆周方向均匀分布的八个螺纹孔，通过安装孔与机床主轴相配合，并通过螺栓11连接装配起来，使二者能保持同步转动。芯模芯轴长度为600mm，直径为323.8mm，在圆周方向对称分布两个通槽，槽宽40mm，槽深27.9mm，轴肩高度为80mm。带槽芯模1的头部安装孔直径为200mm、孔深40mm，并且在头部的安装定位面上开有8个深为50mm的用于芯模1与机床主轴连接的M20螺纹孔。在带槽芯模中心设有一直径为20mm的通孔，且在尾顶一端方向加工为螺纹孔。

上下板长度与芯模芯轴长度相同。滚动体保持板下板4和滚动体保持板上板5厚度分别为8mm和3mm，上下板组合起来的空腔用于放置圆柱滚动体3，两板之间的分型面处即为圆柱滚动体3的直径所在面。圆柱滚动体3的直径为10mm，露出滚动体保持板上板5上表面的部分高为2mm，沿着轴向方向每隔18mm均匀分布，形成滚动导轨的主要承力部分。

分级滑块置于带槽芯模1开槽处的导轨，与卷焊筒7端部连接来限制对卷焊筒的未成形部分在旋压过程中相对芯模1的周向扭转。

在本实施例中采用二级滑块组合，每级滑块的长度均为155mm，滑块与导轨两侧的单边配作间隙为0.05mm，滑块上弧面段的曲率与芯模相同。I级滑块9在距其端面15mm处设有直径为12mm的螺纹孔，用于其与卷焊筒7端部的连接；I级滑块9与II级滑块10之间用U型卡口的形式连接起来，卡口的长度和高度均为5mm。选用各级滑块总长度通过公式(1)确定。

L＝L1+15～25mm且L1<L<L2 (1)

其中，L为各级滑块总长度，L1为旋压起始时刻旋轮所在位置距离卷焊筒自由端端面的距离，L2为卷焊筒自由端端面距离芯模端面的距离。在本实施例中，L＝340mm，L1＝320mm，L2＝360mm。

旋轮8为筒形件强力旋压常用的双锥面旋轮，即旋轮成形面由两个锥面构成，两个锥面之间由圆弧过渡。本实施例中，旋轮进给比为1.5mm/r，外径为220mm，成形角为25°，退出角30°，圆角半径为10mm，轴向厚度为50mm。安装旋轮8时，旋轮8与带槽芯模1的主轴线互相平行。旋轮8起旋位置距离筒坯卡板12端面的长度为20mm，旋压结束时刻旋轮8距离卷焊筒端面的距离为40mm，以避免旋轮8与螺栓6发生干涉。

筒坯卡板12与卷焊筒7头部的通孔相配合，为便于工件的拆装留有0.1mm的配作间隙。卡板板厚18mm，板宽85mm，中心孔直径尺寸为20mm，且与芯模轴线重合，由螺栓11连接。筒坯卡板12的一个端面与带槽芯模1底端面贴合，另一端面由机床尾顶13施加轴向压力压紧。通过尾顶13的轴向压力压紧筒坯卡板12固定卷焊筒7，使得尾顶13、卷焊筒7和主轴做同步转动。

卷焊筒7套装在带槽芯模1上面，并留有0.1mm的配作间隙，便于卷焊筒的安装。另外，用筒坯卡板12插入卷焊筒7固定端的两个通孔中，并用六角头螺栓11连接，同时用尾顶13使之压紧筒坯卡板12，从而使得卷焊筒7与带槽芯模1作同步旋转运动。

装配时，首先将滚动体3、滚动体保持下板4和滚动体保持上板5组合成导轨并安装在芯模1槽底，并用螺钉2将导轨与带槽芯模1的槽底紧固，再将带槽芯模1安装在机床的主轴上。然后根据起旋时旋轮8距离卷焊筒7尾部端面的距离长度选用I级滑块9和II级滑块10组合，将分级滑块利用连接处U型卡口连接起来并放入导轨。接着将卷焊筒7套装在带槽芯模1上面，安装时卷焊筒7的圆形通孔对齐I级滑块9的螺纹孔，并用螺栓6紧固连接。最后将尾顶卡板12插入卷焊筒7的头部通孔中，用六角头螺栓11连接并用尾顶13压紧。

比较图6(b)与图6(c)的成形结果可以发现，卷焊筒经普通流动旋压后焊缝会发生严重的偏转，焊缝偏转后在空间表现为圆柱螺旋线轨迹。在本实施例中，卷焊筒7的初始壁厚为6mm，减薄率为30％时焊缝偏转后的螺旋角为18度，当卷焊筒旋压长度为400mm处的焊缝偏转弧长达到130mm。由此可知，当制备超宽板坯时还需更大更长的卷焊筒，因而焊缝偏转会愈加严重。采用本发明控制装置旋压后焊缝仍保持初始的直线状态，因此能够有效地抑制焊缝偏转，且所述装置与卷焊筒本身的状态无关，能自适应不同旋压长度的卷焊筒，也不受旋压工艺参数的影响，故能很好控制焊缝在旋压过程中发生偏转，从而有效解决普通卷焊筒旋压焊缝偏转的问题。

Claims (7)

1.一种控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转方法，其特征在于：本方法利用工装夹持的方法调控旋压过程中材料流动方向，抑制其周向流动，获得直焊缝筒材；

第一步：预先装配好滚动导轨部分，将圆柱滚动体依次放入上保持板和下保持板组成的型腔内，并用螺钉将圆柱滚动体固定在带槽芯模槽底部，然后用紧固螺栓将带槽芯模安装在机床主轴上；

第二步：依据旋压起始时刻旋轮所在位置距离卷焊筒自由端端面的距离L1以及卷焊筒自由端端面距离带槽芯模底面的距离L2，选用不同分级滑块组合，并连接起来放入导轨，所选用的各级滑块总长度L满足：L＝L1+15～L1+25mm，且L1<L<L2；

第三步：将卷焊筒套装在带槽芯模上面，并用紧固螺栓将卷焊筒与分级滑块连接起来；将筒坯卡板插入卷焊筒的固定端通孔内，并用紧固螺栓将筒坯卡板与带槽芯模固定，最后用尾顶顶住筒坯卡板，用于轴向紧固及传递扭矩；

第四步：在卷焊筒后续旋压道次时需要先拆卸卷焊筒和尾顶，然后再依据第二步的计算公式增加匹配相应长度的分级滑块，重复第三步即可。

2.根据权利要求1所述的一种控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转方法，其特征在于：在旋压过程中，卷焊筒未成形段在旋轮作用下沿轴向稳定伸长，由于紧固螺栓的连接作用带动I级滑块运动，I级滑块通过卡口连接带动II级滑块运动，滑块始终沿着预定的导轨做直线运动，反过来滑块通过连接卷焊筒端部的紧固螺栓阻碍了卷焊筒在旋压过程中相对芯模的周向转动，最终避免了卷焊筒流动旋压过程中产生的焊缝偏转；由于旋轮距离卷焊筒端部的长度会随着旋压过程的进行逐渐减小，因而总能保证旋轮作用区域正下方的芯模槽内总有滑块填充，使得旋压过程顺利进行。

3.利用权利要求1所述方法设计的一种控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转的装置，其特征在于：所述装置包括带槽芯模、滚动导轨、分级滑块和筒坯卡板、旋轮和尾顶；

所述带槽芯模上设有两个在圆周方向呈对称分布的通槽；在通槽的槽底安装有滚动导轨，滚动导轨由圆柱滚动体和滚动体保持板两部分构成，滚动体保持板分为下板和上板；滚动体沿轴向均匀分布，分布间隔为滚动体直径的1～2倍，并由上保持板和下保持板两块保持板进行夹持；滚动体能够在两块保持板构成的型腔内自由滚动，滚动体留有一小部分露出上保持板的上表面，滚动导轨用螺钉固定在带槽芯模的槽底；尾顶的轴向压力压紧筒坯卡板固定卷焊筒；卷焊筒的外部设有旋轮；所述分级滑块位于滚动导轨的滚动体上，并且能够沿滚动导轨自由滑动。

4.根据权利要求3所述的一种控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转的装置，其特征在于：分级滑块所在区域刚好填满带槽芯模槽内且分级滑块的上表面圆弧段与带槽芯模外表面相匹配，每级分级滑块之间用U型卡口的形式连接起来；I级滑块上的端部设有一螺纹孔；设置好一系列不同长度的分级滑块后，在选用各级滑块组合时应满足分级滑块总长度大于旋压起始时旋轮所在位置距离卷焊筒自由端端面的轴向距离。

5.根据权利要求3所述的一种控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转的装置，其特征在于：卷焊筒的内径要与带槽芯模外径相匹配，并留有一定的装配间隙，卷焊筒与带槽芯模之间的同轴度一致，且要保证卷焊筒的圆度。

6.根据权利要求5所述的一种控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转的装置，其特征在于：卷焊筒的固定端设有沿径向的矩形通孔，筒坯卡板两端穿过卷焊筒头部的通孔，且端部圆弧段与卷焊筒外表面相匹配；筒坯卡板的一个端面与带槽芯模底端面贴合，并用紧固螺栓连接坚固，另一端面由机床尾顶施加轴向压力压紧，用于轴向紧固及传递扭矩；尾顶、带槽芯模与筒坯卡板中心孔的轴线重合，通过尾顶的轴向压力压紧筒坯卡板固定卷焊筒，使得尾顶、带槽芯模、筒坯卡板与卷焊筒同步转动。

7.根据权利要求6所述的一种控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转的装置，其特征在于：卷焊筒的另一端设有圆形通孔，圆形通孔的孔径大于连接卷焊筒与分级滑块的紧固螺栓直径，用紧固螺栓将卷焊筒端部和I级滑块的连接起来，在旋压过程中卷焊筒沿轴向伸长带动I级滑块运动，I级滑块通过卡口带动II级滑块运动，依此传递，使得卷焊筒自由端与各级滑块沿着轴向做同步直线运动。

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