CN110479836A - 正多边形截面零件的旋压成形方法 - Google Patents

Abstract

正多边形截面零件的旋压成形方法属于非圆截面零件旋压成形技术领域，目的在于解决现有技术中存在的不足。本发明的方法涉及一种机械导杆摆动的运动原理，该原理将摆杆运动作为轮盘运动、将导杆作为零件截面边界，根据机构运动关系实现旋轮与零件的相对运动，进而旋压形成正多边形截面。技术方案主要步骤为：预设正多边形截面零件的截面形状、尺寸以及零件拔模角度，确定旋轮尺寸、轮盘杆长度、机床主轴与轮盘的转速关系以及轮盘进给轨迹，将待加工零件装夹在机床主轴，启动主轴与轮盘，分别带动零件与旋轮旋转。同时，根据零件拔模角度，相应机构带动轮盘，使其按照设定轨迹带动旋轮进给，从而使零件经旋压后形成正多边形截面零件。

Description

正多边形截面零件的旋压成形方法

技术领域

本发明属于非圆截面零件旋压成形技术领域，具体涉及正多边形截面零件的旋压成形方法。

背景技术

传统的旋压是将平板或空心坯料固定在旋压机的模具上，在坯料随机床主轴转动的同时，用旋轮或赶棒加压于坯料，使之产生局部的塑性变形。旋压是一种特殊的成形方法。传统旋压通常指的是对截面为圆形的零件，近年来非轴对称旋压成为旋压领域较为创新的技术，但该技术也无法加工截面为非圆的零件。

对于非圆截面钣金零件的成形，传统方法通常选用冲压成型或者分块加工后再焊接的方法。上述方法增加了工序，生产效率不高，也降低了零件的材料力学性能。

德国的两位学者于2005年研制了借助弹簧张力径向压紧旋轮来旋压成形三角形非圆横截面空心零件，但由于弹簧张力无法与非圆旋压过程中不断变化的径向力高度匹配，因此无法得到高精确的旋轮运动轨迹。

近年来有学者提出了一种新的非圆截面零件的旋压方法，即通过旋轮装置横向进给，在主轴旋转一周内多次快速前进和后退。由于旋轮进行快速往复运动，会产生较大的加速度，该方法对机床电机以及系统稳定性要求较高，这为机床的设计增加了难度与成本。

发明内容

本发明的目的在于提出正多边形截面零件的旋压成形方法，解决现有技术中传统方法加工工序复杂、生产效率低、零件的材料力学性能降低，借助弹簧张力旋压成形无法得到高精确的旋轮运动轨迹以及通过旋轮装置横向进给，在主轴旋转一周内多次快速前进和后退存在的对机床电机以及系统稳定性要求较高，机床的设计难度与成本大的问题。

为实现上述目的，本发明的正多边形截面零件的旋压成形方法包括以下步骤：

步骤一：将待加工的圆筒状毛坯料同轴安装在旋压机的主轴上，将四个旋轮圆周均布安装在轮盘上，使轮盘回转中心与主轴轴线径向距离l₀满足公式(一)的要求：

其中：l₁为轮盘回转中心与旋轮圆心之间的径向距离；

r为旋轮的半径；

n为预加工成形的截面为正多边形的零件的边数；

l₂为预加工成形的截面为正多边形的零件与旋轮对应位置处的边长，此时选择最小截面边长l₂s；

步骤二：启动主轴及轮盘，分别带动轮盘及待加工的圆筒状毛坯料旋转，完成一个圆周的加工，使待加工的圆筒状毛坯料旋转一周时，轮盘旋转n/4周，此时l₂的取值为预加工成形的截面为正多边形的零件最小截面边长l_2s；将待加工的圆筒状毛坯料旋转的一周平均分为n个周期，每个周期包括加工接触阶段和空转阶段，n个周期内的机构运动规律相同，每个周期内的机构运动规律具体为；

在每个周期的加工接触阶段中，待加工的圆筒状毛坯料旋离初始位置的角度值为β，该阶段待加工的圆筒状毛坯料匀速旋转，设其转速为常数ω_β；轮盘旋离初始位置的角度值为α，该阶段轮盘变速旋转，其转速随时间t的变化而变化，转速设为关于时间t的函数ω_α(t)；α与β之间的关系，以及ω_α(t)与ω_β之间的关系随时间的变化规律由公式(二)、(三)、(四)和(五)确定：

β＝ω_β·t (二)

在每个周期的空转阶段中，轮盘与待加工的圆筒状毛坯料匀速旋转，确定轮盘转速，设为常数ω_α与待加工的圆筒状毛坯料转速ω_β关系满足公式(六)：

α′与β′的值由公式(七)和(八)确定：

Δα与Δβ的值由公式(九)和(十)确定：

在一个周期内，

当α＜α′+Δα，β＜β′+Δβ时，轮盘与待加工的圆筒状毛坯料按照加工接触阶段时的转速关系旋转；

当α≥α′+Δα，β≥β′+Δβ时，轮盘与待加工的圆筒状毛坯料按照空转阶段时的转速关系旋转；

步骤三：将轮盘在主轴方向上进给x，进行下一个圆周的加工，其中：

当预加工成形的截面为正多边形的零件的拔模角度θ＝0时，轮盘进给轨迹与主轴平行；进给过程中轮盘采用步骤二中的机构运动规律进行旋压加工；

当预加工成形的截面为正多边形的零件的拔模角度θ≠0时，轮盘按照零件边缘沿轴向成θ角进给；根据公式(十一)计算获得该加工圆周的预加工成形的截面为正多边形的零件的截面边长l₂：

l₂＝l_2s·[1+x·tan(θ)] (十一)

将公式(十一)获得的该加工圆周截面边长l₂重复步骤二获得该加工圆周的n个周期中每个周期的机构运动规律并完成该圆周的加工；

步骤四：重复步骤三完成预加工成形的截面为正多边形的零件从边长为l_2s的最小截面到边长为l_2max的最大截面的加工。

步骤一中所述的旋轮的半径r的取值范围为：100mm≤r≤175mm。

步骤一中所述的轮盘回转中心与旋轮圆心之间的径向距离l₁满足以下要求：

l₁大于特定值l₁′，l₁′根据公式(十二)计算获得：

其中l₂的取值为预加工成形的截面为正多边形的零件最大截面边长l₂max；

计算该方程根l₁的最大值即为l₁′。

本发明的有益效果为：本发明的正多边形截面零件的旋压成形方法基于解析法的运动成形机理，无理论误差，可提高成形精度。在旋轮运动装置上分布多个旋轮，通过多个旋轮交替的旋压成形运动，可明显提高旋压成形加工效率。突破现有的非圆旋压加工形式及加工范围，进一步促进旋压成形技术的发展。可用于生产航空、航天、兵器、造船、车辆、机械、建筑及日用工业品上的具有一定角度和形状的非圆截面薄壁零件，实现节能减排效果。所提出的非圆旋压成形，可推广应用到一般塑性加工设备上，以拓宽设备的可加工产品的范围。

附图说明

图1为本发明的正多边形截面零件的旋压成形方法旋压过程等效原理图；

图2为采用本发明的方法加工四棱台时整体位置关系俯视图

图3为采用本发明的方法加工初始状态时，轮盘与预加工成形的截面为正多边形的零件的位置关系示意图。

图4为采用本发明的方法每个周期加工接触阶段示意图。

图5为采用本发明的方法每个周期空转阶段示意图

图6为采用本发明的方法在一个周期内加工接触阶段与空转阶段临界状况示意图；

其中：1、轮盘，2、旋轮，3、预加工成形的截面为正多边形的零件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1-附图6，本发明的正多边形截面零件的旋压成形方法包括以下步骤：

步骤一：将待加工的圆筒状毛坯料同轴安装在旋压机的主轴上，将四个旋轮2圆周均布安装在轮盘1上，使轮盘1回转中心与主轴轴线径向距离l₀满足公式(一)的要求：

其中：l₁为轮盘1回转中心与旋轮2圆心之间的径向距离；

r为旋轮2的半径；

n为预加工成形的截面为正多边形的零件3的边数；

l₂为预加工成形的截面为正多边形的零件3与旋轮2对应位置处的边长，此时选择最小截面边长l₂s；

步骤二：启动主轴及轮盘1，分别带动轮盘1及待加工的圆筒状毛坯料旋转，完成一个圆周的加工，使待加工的圆筒状毛坯料旋转一周时，轮盘1旋转n/4周，此时l₂的取值为预加工成形的截面为正多边形的零件3最小截面边长l_2s；将待加工的圆筒状毛坯料旋转的一周平均分为n个周期，每个周期包括加工接触阶段和空转阶段，n个周期内的机构运动规律相同，每个周期内的机构运动规律具体为；

在每个周期的加工接触阶段中，待加工的圆筒状毛坯料旋离初始位置的角度值为β，该阶段待加工的圆筒状毛坯料匀速旋转，设其转速为常数ω_β；轮盘1旋离初始位置的角度值为α，该阶段轮盘1变速旋转，其转速随时间t的变化而变化，转速设为关于时间t的函数ω_α(t)；α与β之间的关系，以及ω_α(t)与ω_β之间的关系随时间的变化规律由公式(二)、(三)、(四)和(五)确定：

β＝ω_β·t (二)

在每个周期的空转阶段中，轮盘1与待加工的圆筒状毛坯料匀速旋转，确定轮盘1转速，设为常数ω_α与待加工的圆筒状毛坯料转速ω_β关系满足公式(六)：

α′与β′的值由公式(七)和(八)确定：

Δα与Δβ的值由公式(九)和(十)确定：

在一个周期内，

当α＜α′+Δα，β＜β′+Δβ时，轮盘1与待加工的圆筒状毛坯料按照加工接触阶段时的转速关系旋转；

当α≥α′+Δα，β≥β′+Δβ时，轮盘1与待加工的圆筒状毛坯料按照空转阶段时的转速关系旋转；

步骤三：将轮盘1在主轴方向上进给x，进行下一个圆周的加工，其中：

当预加工成形的截面为正多边形的零件3的拔模角度θ＝0时，轮盘1进给轨迹与主轴平行；进给过程中轮盘1采用步骤二中的机构运动规律进行旋压加工；

当预加工成形的截面为正多边形的零件3的拔模角度θ≠0时，轮盘1按照零件边缘沿轴向成θ角进给；根据公式(十一)计算获得该加工圆周的预加工成形的截面为正多边形的零件3的截面边长l₂：

l₂＝l_2s·[1+x·tan(θ)] (十一)

将公式(十一)获得的该加工圆周截面边长l₂重复步骤二获得该加工圆周的n个周期中每个周期的机构运动规律并完成该圆周的加工；

步骤四：重复步骤三完成预加工成形的截面为正多边形的零件3从边长为l_2s的最小截面到边长为l_2max的最大截面的加工。

步骤一中所述的旋轮2的半径r的取值范围为：100mm≤r≤175mm。

步骤一中所述的轮盘1回转中心与旋轮2圆心之间的径向距离l₁满足以下要求：

l₁大于特定值l₁′，l₁′根据公式(十二)计算获得：

其中l₂的取值为预加工成形的截面为正多边形的零件3最大截面边长l₂max；

计算该方程根l₁的最大值即为l₁′。

上限要求，理论上l₁的上限可取无穷大，但实际应用中考虑旋压机构刚度以及设备空间布局等问题会限制l₁的上限值。

本实施例中，预加工成形的截面为正多边形的零件3为四棱台，上文中提到的所有的n的取值均为预加工成形的截面为正多边形的零件3的边数，即取值为4。

Claims (3)

1.正多边形截面零件的旋压成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将待加工的圆筒状毛坯料同轴安装在旋压机的主轴上，将四个旋轮(2)圆周均布安装在轮盘(1)上，使轮盘(1)回转中心与主轴轴线径向距离l₀满足公式(一)的要求：

其中：l₁为轮盘(1)回转中心与旋轮(2)圆心之间的径向距离；

r为旋轮(2)的半径；

n为预加工成形的截面为正多边形的零件(3)的边数；

l₂为预加工成形的截面为正多边形的零件(3)与旋轮(2)对应位置处的边长，此时选择最小截面边长l₂s；

步骤二：启动主轴及轮盘(1)，分别带动轮盘(1)及待加工的圆筒状毛坯料旋转，完成一个圆周的加工，使待加工的圆筒状毛坯料旋转一周时，轮盘(1)旋转n/4周，此时l₂的取值为预加工成形的截面为正多边形的零件(3)最小截面边长l_2s；将待加工的圆筒状毛坯料旋转的一周平均分为n个周期，每个周期包括加工接触阶段和空转阶段，n个周期内的机构运动规律相同，每个周期内的机构运动规律具体为；

在每个周期的加工接触阶段中，待加工的圆筒状毛坯料旋离初始位置的角度值为β，该阶段待加工的圆筒状毛坯料匀速旋转，设其转速为常数ω_β；轮盘(1)旋离初始位置的角度值为α，该阶段轮盘(1)变速旋转，其转速随时间t的变化而变化，转速设为关于时间t的函数ω_α(t)；α与β之间的关系，以及ω_α(t)与ω_β之间的关系随时间的变化规律由公式(二)、(三)、(四)和(五)确定：

β＝ω_β·t (二)

在每个周期的空转阶段中，轮盘(1)与待加工的圆筒状毛坯料匀速旋转，确定轮盘(1)转速，设为常数ω_α与待加工的圆筒状毛坯料转速ω_β关系满足公式(六)：

α′与β′的值由公式(七)和(八)确定：

Δα与Δβ的值由公式(九)和(十)确定：

在一个周期内，

当α＜α′+Δα，β＜β′+Δβ时，轮盘(1)与待加工的圆筒状毛坯料按照加工接触阶段时的转速关系旋转；

当α≥α′+Δα，β≥β′+Δβ时，轮盘(1)与待加工的圆筒状毛坯料按照空转阶段时的转速关系旋转；

步骤三：将轮盘(1)在主轴方向上进给x，进行下一个圆周的加工，其中：

当预加工成形的截面为正多边形的零件(3)的拔模角度θ＝0时，轮盘(1)进给轨迹与主轴平行；进给过程中轮盘(1)采用步骤二中的机构运动规律进行旋压加工；

当预加工成形的截面为正多边形的零件(3)的拔模角度θ≠0时，轮盘(1)按照零件边缘沿轴向成θ角进给；根据公式(十一)计算获得该加工圆周的预加工成形的截面为正多边形的零件(3)的截面边长l₂：

l₂＝l_2s·[1+x·tan(θ)] (十一)

将公式(十一)获得的该加工圆周截面边长l₂重复步骤二获得该加工圆周的n个周期中每个周期的机构运动规律并完成该圆周的加工；

步骤四：重复步骤三完成预加工成形的截面为正多边形的零件(3)从边长为l_2s的最小截面到边长为l_2max的最大截面的加工。

2.根据权利要求1所述的正多边形截面零件的旋压成形方法，其特征在于，步骤一中所述的旋轮(2)的半径r的取值范围为：100mm≤r≤175mm。

3.根据权利要求1或2所述的正多边形截面零件的旋压成形方法，其特征在于，步骤一中所述的轮盘(1)回转中心与旋轮(2)圆心之间的径向距离l₁满足以下要求：

l₁大于特定值l₁′，l₁′根据公式(十二)计算获得：

其中l₂的取值为预加工成形的截面为正多边形的零件(3)最大截面边长l₂max；

计算该方程根l₁的最大值即为l₁′。