CN110479842A - 大型薄壁y形环件轧制-旋压复合成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型薄壁Y形环件轧制‑旋压复合成形方法，包括以下步骤：S1、将环形毛坯置于轧制‑旋压复合成形装置内，所述环形顶板与约束模同轴安装，环形挡板安装在芯辊上，旋轮侧面与环形毛坯上端面紧密接触；S2、约束模带动环形毛坯、旋轮和芯辊绕自身轴旋转，芯辊沿环形毛坯径向进给，同时旋轮做进给运动，在芯辊、旋轮和约束模的共同作用下，环形毛坯发生连续局部塑性变形，变形分为三个阶段；S3、成形结束时，约束模停止转动，旋轮和芯辊脱离环件，环形顶板向上运动将成形的目标薄壁Y形环件从约束模中顶出。本发明通过轧制和多道次旋压成形大型薄壁Y形环件，具有显著的节能节材、降低生产成本、提高生产率、减小成形力的效果。

Description

大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法

技术领域

本发明涉及异形环件的精密轧制成形方法，更具体地说，涉及一种大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法。

背景技术

大型薄壁Y形环件作为飞机等装备上典型的核心承载构件，对其制造精度和工作性能提出了极高的要求。目前，这类形状复杂的薄壁Y形环件主要有两种制造方法。

其一为车削方法，即对矩形截面环形毛坯进行车削加工，从而加工出目标薄壁Y形环件。但是，车削方法存在材料利用率低、零件回弹变形大、金属流线不连续等问题，使薄壁Y形环件的成形精度和力学性能大大降低。

其二为焊接方法，即先将Y形环件的腹部和斜筋分开制造，再将其焊接于一体。但是，焊接成形的零件性能差、制造成本高，难以满足轻量化高端装备的高性能要求。塑性成形工艺具有显著节能节材、加工效率高、成形性能好等优势，成为整体制造国际高端装备的主要发展趋势。由于零件直径大且外形极端，采用传统的锻造方法很难成形出这类大型薄壁Y形环件，迫切需要找到一种有效的塑性成形方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法，包括以下步骤：

S1、将环形毛坯置于轧制-旋压复合成形装置内，所述轧制-旋压复合成形装置包括环形顶板、约束模、芯辊、环形挡板和旋轮，所述环形顶板与约束模同轴安装，环形顶板位于约束模内侧并且位于环形毛坯下方，环形毛坯水平放在约束模的内锥面上，芯辊内切于环形毛坯的内圆，环形挡板安装在芯辊上，旋轮侧面与环形毛坯上端面紧密接触；

S2、约束模带动环形毛坯、旋轮和芯辊绕自身轴旋转，芯辊沿环形毛坯径向进给，同时旋轮做进给运动，在芯辊、旋轮和约束模的共同作用下，环形毛坯发生连续局部塑性变形，变形分为三个阶段：

a、变形第一阶段：约束模绕自身轴做旋转运动，芯辊沿环形毛坯径向做进给运动，同时旋轮沿环形毛坯轴向做进给运动；当芯辊和与约束模内表面的间隙等于目标薄壁Y形环件的侧壁厚度时，旋轮和芯辊都停止进给；通过对环形毛坯同时进行径向轧制和轴向旋压，环形毛坯产生轴向延伸塑性变形，同时环形毛坯外壁产生轴向压缩、径向延伸塑性变形，从而成形出目标薄壁Y形环件的下半部分，并在环形毛坯的中部挤出斜凸台；

b、变形第二阶段：约束模绕自身轴做旋转运动，芯辊停止进给运动，旋轮沿平行于约束模斜面方向做多道次进给运动，其进给速度保持不变；通过对变形第一阶段形成的斜凸台进行多道次旋压成形，成形出目标薄壁Y形环件的薄壁斜筋；

c、变形第三阶段：约束模绕自身轴做旋转运动，芯辊停止进给运动，旋轮先运动到斜筋与环件侧壁的过渡处，再竖直向上做多道次进给运动；通过对环形毛坯的上侧壁进行多道次轴向旋压成形，成形出目标薄壁Y形环件上半部分；

S3、成形结束时，约束模停止转动，旋轮和芯辊脱离环件，环形顶板向上运动将成形的目标薄壁Y形环件从约束模中顶出。

2、根据权利要求1所述的大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法，其特征在于，在步骤S1中，环形毛坯的内径、外径和轴向高度分别为D₁、D₂和h₀，环形毛坯的内径D₁小于约束模的内径，环件毛坯的轴向高度h₀小于约束模的轴向高度，目标薄壁Y形环件的内径和轴向高度分别为D₃、h₁，目标薄壁Y形环件侧壁和斜筋的厚度均为t，目标薄壁Y形环件侧部的斜筋与其轴线的夹角为α，目标薄壁Y形环件上半部分的高度为b₁，目标薄壁Y形环件下半部分的高度为b₂，目标薄壁Y形环件的斜筋高度为b₃，环形毛坯尺寸通过式(1)计算得到：

式中，V_毛坯为环形毛坯的体积，V_目标件为目标薄壁Y形环件的体积，V_侧壁为目标薄壁Y形环件侧壁的体积，V_斜筋为目标薄壁Y形环件斜筋的体积。

上述方案中，所述芯辊为阶梯轴，其两侧的直径小于中间直径，芯辊两侧圆柱直径为d₁，芯辊中间圆柱直径为d₂，芯辊中间圆柱的高度大于目标薄壁Y形环件的高度h₁；芯辊两侧连接机床，芯辊中间圆柱体与环形毛坯接触，芯辊的下台阶面与环形顶板上表面接触。

上述方案中，所述约束模为梯形截面环件，锥面位于约束模的内部，锥面与约束模轴线的夹角等于目标薄壁Y形环件斜筋与其轴线的夹角α，锥面长度大于目标薄壁Y形环件斜筋的高度b₃，约束模内圆柱面的直径等于目标薄壁Y形环件的外径，约束模内圆柱面的轴向高度大于目标薄壁Y形环件的下半部分高度b₂至少30mm。

上述方案中，所述环形顶板的外径等于约束模内圆柱面直径，环形顶板的内径D₄满足：D₁+d₁-d₂＜D₄＜D₁，环形顶板上表面到约束模锥面与内圆柱面交界处的距离等于目标薄壁Y形环件下半部分的高度b₂。

上述方案中，所述环形挡板的外径D₅＝d₂+2t，环形挡板的内径等于芯辊中间直径，环形挡板下表面到芯辊下台阶面的距离等于目标薄壁Y形环件的轴向高度h₁。

上述方案中，所述环形挡板与芯轴通过螺纹连接。

上述方案中，在步骤S2中，为保证在芯辊停止进给时旋轮与约束模锥面的距离不小于斜筋厚度t，芯辊的进给速度v_芯和旋轮的进给速度v_旋满足：

上述方案中，在步骤S2中，为了防止旋轮进给时旋轮架与坯料非成形区产生干涉，旋轮端面与水平面之间的夹角θ满足：

θ＞α，

且

其中，m为旋轮两侧支架到旋轮端面的距离，d为旋轮直径。

实施本发明的大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法，具有以下有益效果：

(1)通过轧制和多道次旋压成形大型薄壁Y形环件，具有显著的节能节材、降低生产成本、提高生产率、减小成形力的效果。

(2)轧制成形的大型薄壁Y形环件表面质量好，几何精度高，而且获得了细密的晶粒组织和完整的金属流线，显著地改善了大型薄壁Y形环件内部组织和力学性能。

(3)旋轮尺寸较小、运动空间大、通用性好。通过调整旋轮的运动轨迹和芯辊的进给量，可轧制出不同规格的大型薄壁Y形环件。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为用于制造薄壁Y形环件的环形毛坯纵截面示意图；

图2为目标薄壁Y形环件的纵截面示意图；

图3为轧制-旋压复合成形薄壁Y形环件的纵截面示意图；

图4为旋轮三维示意图；

图5为轧制-旋压成形薄壁Y形环件下半部分的纵截面示意图；

图6为旋压成形薄壁Y形环件斜筋部分的纵截面示意图；

图7为旋压成形薄壁Y形环件上半部分的纵截面示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-7所示，本发明的大型薄壁Y形环件的精密轧制成形方法包括以下步骤：

S1，通过镦粗、铸造等方法获得矩形截面环形毛坯3。毛坯3的高度为h，毛坯3的内径为D₁，毛坯3的外径其中，D₃和h分别为大型薄壁Y形环件9的内径和轴向高度，大型薄壁Y形环件9侧壁厚度和斜筋厚度均为t，α为斜筋与环件9轴线的夹角，b₁为薄壁Y形环件9上半部分的高度，b₂为薄壁Y形环件9下半部分的高度，b₃为斜筋的高度。

在本发明的一个优选实例中，大型薄壁Y形环件9的尺寸如下：D₃＝3000mm，t＝5mm，α＝45°b₁＝22.5mm，b₂＝22.5mm，b₃＝22.5mm，h₁＝55mm，r＝5mm，因此环件毛坯3的尺寸可确定为：h₀＝30mm，D₁＝2990mm，D₂＝3016mm。

S2，环形顶板1的外周面与约束模2的内圆周表面配合安装。环形毛坯3水平放在约束模2的内锥面上。环形挡板5安装在芯辊4上，环形挡板5与芯辊4螺纹连接，环形挡板5到环形顶板1的距离为55mm。芯辊4内切于环形毛坯3的内圆面，芯辊4外侧圆柱直径d₁＝20mm，中部圆柱直径d₂＝50mm，中部圆柱长度为200mm。旋轮6与环形毛坯3上端面紧密接触，旋轮6的直径为40mm，旋轮架到旋轮6端面的距离m＝10mm，旋轮6圆角半径为8mm，旋轮6进给时其轴线与水平面的夹角θ＝45°。环形顶板1上端面到约束模2锥面底部的距离为22.5mm，环形顶板1内径为2985mm。

S4，约束模2带动环形毛坯3、旋轮6和芯辊4绕自身轴做旋转运动。芯辊4沿环形毛坯3径向进给，同时旋轮6沿一定的轨迹做进给运动。在芯辊4、旋轮6和约束模2的共同作用下，环形毛坯3发生连续的局部塑性变形，变形分为三个阶段。

S5，变形第一阶段如图5所示，芯辊4沿径向进给，旋轮6沿环形毛坯3的轴向进给，芯辊4、旋轮6的进给速度分别为0.2mm/s和0.45mm/s。通过对环形毛坯3同时进行径向轧制和轴向旋压成形，使环件3内壁产生轴向延伸的塑性变形，使环形毛坯3外壁产生轴向压缩、径向延伸的塑形变形，从而将目标薄壁Y形环件9的下半部分先成形出来，并在环形毛坯3的中部挤出斜凸台。当芯辊4和与约束模2内表面的间隙等于目标薄壁Y形环件9的侧壁厚度时，芯辊4和旋轮6都停止进给，获得环件7。变形前坯料形状、旋轮位置在图中用虚线表示。

S6，变形第二阶段如图6所示，芯辊4不做进给运动，旋轮6沿平行于约束模2斜面的方向做多道次的进给运动，旋轮5的进给速度保持为0.45mm/s。通过多道次定向旋压成形，将第一阶段形成的厚凸台旋压成目标薄壁Y形环件9的斜筋，以获得环件8。变形前坯料形状、旋轮位置在图中用虚线表示。

S7，变形第三阶段如图7所示，芯辊4不做进给运动，旋轮6先运动到环件8斜筋与环件侧壁的过渡处，再竖直向上做多道次的进给运动，旋轮5的进给速度保持为0.45mm/s。通过多道次轴向旋压成形，将目标薄壁Y形环件9上半部分成形出来，从而获得目标薄壁Y形环件9。变形前坯料形状、旋轮位置在图中用虚线表示。

S8，当环件8截面形状达到目标环件9的要求时，环形顶板1、约束模2、芯辊4、旋轮6停止转动，芯辊4和旋轮6退到不影响环件取出的位置，再通过液压驱动环形顶板1向上运动，从而将制得的大型薄壁Y形环件9从约束模2中取出。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将环形毛坯置于轧制-旋压复合成形装置内，所述轧制-旋压复合成形装置包括环形顶板、约束模、芯辊、环形挡板和旋轮，所述环形顶板与约束模同轴安装，环形顶板位于约束模内侧并且位于环形毛坯下方，环形毛坯水平放在约束模的内锥面上，芯辊内切于环形毛坯的内圆，环形挡板安装在芯辊上，旋轮侧面与环形毛坯上端面紧密接触；

S2、约束模带动环形毛坯、旋轮和芯辊绕自身轴旋转，芯辊沿环形毛坯径向进给，同时旋轮做进给运动，在芯辊、旋轮和约束模的共同作用下，环形毛坯发生连续局部塑性变形，变形分为三个阶段：

a、变形第一阶段：约束模绕自身轴做旋转运动，芯辊沿环形毛坯径向做进给运动，同时旋轮沿环形毛坯轴向做进给运动；当芯辊和与约束模内表面的间隙等于目标薄壁Y形环件的侧壁厚度时，旋轮和芯辊都停止进给；通过对环形毛坯同时进行径向轧制和轴向旋压，环形毛坯产生轴向延伸塑性变形，同时环形毛坯外壁产生轴向压缩、径向延伸塑性变形，从而成形出目标薄壁Y形环件的下半部分，并在环形毛坯的中部挤出斜凸台；

b、变形第二阶段：约束模绕自身轴做旋转运动，芯辊停止进给运动，旋轮沿平行于约束模斜面方向做多道次进给运动，其进给速度保持不变；通过对变形第一阶段形成的斜凸台进行多道次旋压成形，成形出目标薄壁Y形环件的薄壁斜筋；

c、变形第三阶段：约束模绕自身轴做旋转运动，芯辊停止进给运动，旋轮先运动到斜筋与环件侧壁的过渡处，再竖直向上做多道次进给运动；通过对环形毛坯的上侧壁进行多道次轴向旋压成形，成形出目标薄壁Y形环件上半部分；

S3、成形结束时，约束模停止转动，旋轮和芯辊脱离环件，环形顶板向上运动将成形的目标薄壁Y形环件从约束模中顶出。

2.根据权利要求1所述的大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法，其特征在于，在步骤S1中，环形毛坯的内径、外径和轴向高度分别为D₁、D₂和h₀，环形毛坯的内径D₁小于约束模的内径，环件毛坯的轴向高度h₀小于约束模的轴向高度，目标薄壁Y形环件的内径和轴向高度分别为D₃、h₁，目标薄壁Y形环件侧壁和斜筋的厚度均为t，目标薄壁Y形环件侧部的斜筋与其轴线的夹角为α，目标薄壁Y形环件上半部分的高度为b₁，目标薄壁Y形环件下半部分的高度为b₂，目标薄壁Y形环件的斜筋高度为b₃，环形毛坯尺寸通过式(1)计算得到：

式中，V_毛坯为环形毛坯的体积，V_目标件为目标薄壁Y形环件的体积，V_侧壁为目标薄壁Y形环件侧壁的体积，V_斜筋为目标薄壁Y形环件斜筋的体积。

3.根据权利要求2所述的大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法，其特征在于，所述芯辊为阶梯轴，其两侧的直径小于中间直径，芯辊两侧圆柱直径为d₁，芯辊中间圆柱直径为d₂，芯辊中间圆柱的高度大于目标薄壁Y形环件的高度h₁；芯辊两侧连接机床，芯辊中间圆柱体与环形毛坯接触，芯辊的下台阶面与环形顶板上表面接触。

4.根据权利要求2所述的大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法，其特征在于，所述约束模为梯形截面环件，锥面位于约束模的内部，锥面与约束模轴线的夹角等于目标薄壁Y形环件斜筋与其轴线的夹角α，锥面长度大于目标薄壁Y形环件斜筋的高度b₃，约束模内圆柱面的直径等于目标薄壁Y形环件的外径，约束模内圆柱面的轴向高度大于目标薄壁Y形环件的下半部分高度b₂至少30mm。

5.根据权利要求2所述的大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法，其特征在于，所述环形顶板的外径等于约束模内圆柱面直径，环形顶板的内径D₄满足：D₁+d₁-d₂＜D₄＜D₁，环形顶板上表面到约束模锥面与内圆柱面交界处的距离等于目标薄壁Y形环件下半部分的高度b₂。

6.根据权利要求3所述的大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法，其特征在于，所述环形挡板的外径D₅＝d₂+2t，环形挡板的内径等于芯辊中间直径，环形挡板下表面到芯辊下台阶面的距离等于目标薄壁Y形环件的轴向高度h₁。

7.根据权利要求1所述的大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法，其特征在于，所述环形挡板与芯轴通过螺纹连接。

8.根据权利要求2所述的大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法，其特征在于，在步骤S2中，为保证在芯辊停止进给时旋轮与约束模锥面的距离不小于斜筋厚度t，芯辊的进给速度v_芯和旋轮的进给速度v_旋满足：

9.根据权利要求2所述的大型薄壁Y形环件轧制-旋压复合成形方法，其特征在于，在步骤S2中，为了防止旋轮进给时旋轮架与坯料非成形区产生干涉，旋轮端面与水平面之间的夹角θ满足：

θ＞α，

且

其中，m为旋轮两侧支架到旋轮端面的距离，d为旋轮直径。