CN110479928B - 大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形方法，包括以下步骤：S1、将环形预制坯放入下模型腔中，下模带动环形预制坯绕其轴线以转速ω1作匀速转动；轧辊表面与环形预制坯上端面接触，轧辊以转速ω2绕其轴线作匀速转动并向下作直线进给运动；S2、当环形构件被包络成形后，下模和轧辊停止转动，轧辊停止向下进给并向上运动；S3、当轧辊在轴向方向上完全与环形构件分离后，轧辊沿径向向后运动直至其在径向方向上完全与环形构件分离；S4、顶料杆向上运动将环形构件从下模中顶出。本发明大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形方法生产效率高、材料利用率高、生产成本低。
Description
技术领域
本发明涉及大型环件成形制造领域，更具体地说，涉及一种大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形方法。
背景技术
大型复杂薄壁异型环形构件在航空、航天、舰船、风电、石油化工等领域具有十分广泛的应用，其制造技术是国际高端装备制造技术研究的前沿。大型复杂薄壁异型环形构件直径大、轴向高度大、壁厚小、截面形状复杂，如果采用整体模锻成形，需要的装备大、成形力大，且金属流动困难，环形构件复杂异型截面难以成形。辗扩技术是大型环形构件先进制造技术，然而环形构件辗扩过程中金属主要沿周向流动用于环形构件直径的扩大，其径向和轴向流动充模十分困难，从而导致环形构件复杂异型截面难以成形。此外，环形构件辗扩技术不适合成形大型薄壁环形构件。因此，环形构件辗扩技术难以直接成形大型复杂薄壁异型环形构件。大型复杂薄壁异型环形构件现有制造技术为：先通过增加余量将大型复杂薄壁异型环形构件简化为简单的矩形或近似矩形环形构件，再采用环形构件辗扩技术获得简化的环形构件粗坯，最后将辗扩成形的环形构件粗坯进行切削加工，获得所需的大型复杂薄壁异型环形构件。辗扩成形的环形构件粗坯切削加工切削量大、效率低、材料利用率低、成本高。而且切削加工切断了环形构件辗扩形成的连续金属流线，去除了环形构件辗扩形成的表面细密组织，从而使大型复杂薄壁异型环形构件的组织和力学性能大幅度降低，难以满足航空、航天、舰船、风电、石油化工等领域对大型复杂薄壁异型环形构件服役性能和使用寿命的苛刻要求。
空间包络成形是指在轧辊与工件相对运动过程中，由轧辊复杂空间运动轨迹包络成工件形状的塑性成形方法。空间包络成形技术属于连续局部塑性成形新技术，成形力小，轧辊可以对环形构件端面施压，不仅可以成形环形构件复杂端面形状，而且可以提高金属径向流动充模能力，进而实现复杂异型环形构件近净成形。同时，由于下模约束，空间包络成形可以成形薄壁环形构件。此外，分体式空间包络成形中轧辊机构和下模机构分离，进而可以实现大型环形构件成形。因此，分体式空间包络成形技术是有潜力的大型复杂薄壁异型环形构件成形新技术。目前，还没有关于大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形方法的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形方法，有效解决了大型复杂薄壁异型环形构件制造技术难题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形方法，包括以下步骤：
S1、将环形预制坯放入下模型腔中，下模带动环形预制坯绕其轴线以转速ω1作匀速转动；轧辊表面与环形预制坯上端面接触，轧辊以转速ω2绕其轴线作匀速转动并向下作直线进给运动；在轧辊和下模的共同作用下，环形预制坯产生连续局部塑性变形，并充填下模型腔与轧辊构成的孔型直至整个环形构件轴截面完全成形；
所述环形预制坯为上大下小的环形件，其底部不与下模底部接触。所述下模为环形，下模型腔与大型复杂薄壁异型环形构件的锻件内外表面和下端面完全匹配；下模型腔底部沿圆周方向均布多个用于安装顶料杆的通孔；所述轧辊为圆锥体或圆柱体，轧辊的母线与锻件上端面母线完全匹配，轧辊的轴截面与环形下模轴截面重合；
S2、当环形构件被包络成形后，下模和轧辊停止转动，轧辊停止向下进给并向上运动；
S3、轧辊与下模相互独立，呈分体式。当轧辊在轴向方向上完全与环形构件分离后，轧辊沿径向向后运动直至其在径向方向上完全与环形构件分离；
S4、顶料杆向上运动将环形构件从下模中顶出。
上述方案中，当轧辊为圆锥体时，且轧辊小端朝环形下模内部，轧辊大端朝环形下模外部，则ω1和ω2满足方程(1)：
其中，锥顶角α为15～60°，r1是锻件上端面某一点到上模轴线的距离，r2是轧辊顶点到上模轴线的距离。
上述方案中，当轧辊为圆锥体时，且轧辊小端朝环形下模外部，轧辊大端朝环形下模内部，则ω1和ω2满足方程(2)：
其中，锥顶角α为15～60°，r1是锻件上端面某一点到上模轴线的距离，r2是轧辊顶点到上模轴线的距离。
上述方案中，当轧辊为圆柱体时，则ω1和ω2满足方程(3)：
ω1r1＝ω2r3 (3)
其中，r1是锻件上端面某一点到上模轴线的距离，r3是圆柱体轧辊半径。
上述方案中，所述环形预制坯需要经过闭式轧制成形获得，即将环形矩形毛坯放入环形驱动辊内部，环形矩形毛坯外表面与环形驱动辊内表面接触，芯辊与环形矩形毛坯内表面接触，环形驱动辊带动环形矩形毛坯转动，芯辊作直线进给运动，从而使环形矩形毛坯金属沿轴向重新分配，环形预制坯截面轮廓精确成形。环形预制坯几何形状和尺寸通过有限元模拟计算确定，保证环形预制坯不失稳且环形构件充填饱满。
上述方案中，在步骤S1之前采用环形预紧模套对下模进行预紧，预紧模套与下模高度相等，预紧模套内表面和下模外表面均为带有1.5～2.0°压配锥度的锥面，锥面粗糙度不超过0.4μm，预紧模套与下模之间为过盈配合。
实施本发明的大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形方法，具有以下有益效果：
1、空间包络成形技术属于连续局部塑性成形新技术，成形力小，轧辊可以对环形构件端面施压，不仅可以成形环形构件复杂端面形状，而且可以提高金属径向流动充模能力，进而实现复杂异型环形构件近净成形。同时，由于下模约束，空间包络成形可以成形薄壁环形构件。此外，分体式空间包络成形中轧辊和下模分离，进而可以实现大型环形构件成形。因此，分体式空间包络成形技术是有潜力的大型复杂薄壁异型环形构件成形新技术。
2、本发明大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形方法生产效率高、材料利用率高、生产成本低。
3、大型复杂薄壁异型环形构件经多道次连续空间包络成形，环形构件表面可形成连续的金属流线和致密的晶粒组织，从而显著提高了环形构件的组织和力学性能，进而满足航空、航天、舰船、风电、石油化工等领域对大型复杂薄壁异型环形构件服役性能和使用寿命的苛刻要求。
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为大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形原理示意图；
图2为大型复杂薄壁异型环形构件零件示意图；
图3为大型复杂薄壁异型环形构件锻件示意图；
图4为环形预制坯示意图；
图5为下模示意图；
图6为轧辊示意图；
图7为顶料杆示意图。
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。
实施例1
本发明大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形方法包括以下步骤：
(1)将环形预制坯2放入下模3型腔中，下模3带动环形预制坯2绕其轴线以转速ω1作匀速转动。轧辊1表面与环形预制坯2上端面接触，轧辊1以转速ω2绕其轴线作匀速转动并向下作直线进给运动。在轧辊1和下模3的共同作用下，环形预制坯2产生连续局部塑性变形，并充填下模3型腔与轧辊1构成的孔型直至整个环形构件轴截面完全成形。当环形构件被包络成形后，下模3和轧辊1停止转动，轧辊1停止向下进给并向上运动。当轧辊1在轴向方向上完全与环形构件分离后，轧辊1沿径向向后运动直至其在径向方向上完全与环形构件分离。最后，顶料杆4向上运动将环形构件从下模3中顶出。
(2)锻件设计。在最终大型复杂薄壁异型环形构件零件基础上增加余量并在其上端面设计飞边获得锻件。
(3)步骤(1)中环形预制坯2几何形状和尺寸通过有限元模拟计算确定。为保证环形预制坯2能够精确成形并能够放入下模3型腔中，环形预制坯2需要经过闭式轧制成形获得。即将环形毛坯放入环形驱动辊内部，环形毛坯外表面与环形驱动辊内表面接触，芯辊与环形毛坯内表面接触。环形驱动辊带动环形毛坯转动，芯辊作直线进给运动，从而使环形预制坯2截面轮廓精确成形，同时可保证环形预制坯2内外表面圆度，进而保证环形预制坯2能够放入下模3型腔中。环形预制坯2放入下模3型腔之前，环形预制坯2需加热到一定温度。
(4)步骤(1)中下模3为环形，其型腔与步骤(2)中锻件内外表面和下端面完全匹配。下模3型腔底部沿圆周方向均布4个弧形通孔用于安装顶料杆4，弧形通孔径向壁厚小于锻件下端径向壁厚1mm，每个弧形通孔弧度30°。采用环形预紧模套对下模3进行预紧，预紧模套与下模3高度相等，预紧模套内表面和下模3外表面均为带有1.5～2.0°压配锥度的锥面，锥面粗糙度不超过0.4μm。预紧模套与下模3之间为过盈配合。环形预制坯2放入下模3型腔之前，下模3需预热到一定温度并涂抹润滑剂。
(5)步骤(1)中轧辊1是一个圆锥体或圆柱体，其母线与锻件上端面母线完全匹配，其轴截面与环形下模3轴截面重合。当轧辊1为圆锥体时，其锥顶角α为15～60°。轧辊1可沿轴向上下运动，也可沿径向左右运动。空间包络成形之前轧辊1需预热到一定温度并涂抹润滑剂。
(6)步骤(1)中下模3转速ω1和轧辊1转速ω2满足方程(1)-(3)，且下模3旋转运动方向与轧辊1旋转运动方向一致。
当轧辊1为圆锥体时，且轧辊1小端朝环形下模3内部，轧辊1大端朝环形下模3外部，则ω1和ω2满足方程(1)。
其中r1是锻件上端面某一点到上模轴线的距离，r2是轧辊1顶点到上模轴线的距离。
当轧辊1为圆锥体时，且轧辊1小端朝环形下模3外部，轧辊1大端朝环形下模3内部，则ω1和ω2满足方程(2)。
当轧辊1为圆柱体时，则ω1和ω2满足方程(3)。
ω1r1＝ω2r3 (3)
其中r3是圆柱体轧辊1半径。
(7)步骤(1)中设置4个顶料杆4，每个顶料杆4为一段圆环，并与步骤(4)中下模3弧形通孔间隙匹配，其配合间隙为0.1mm～0.2mm。顶料杆4上端面与下模3型腔底部位于同一平面上，空间包络成形中顶料杆4随下模3一起转动。
实施例1
本发明大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形方法包括以下步骤：
(1)将环形预制坯2放入下模3型腔中，下模3带动环形预制坯2绕其轴线以转速ω1作匀速转动。轧辊1表面与环形预制坯2上端面接触，轧辊1以转速ω2绕其轴线作匀速转动并向下作直线进给运动。在轧辊1和下模3的共同作用下，环形预制坯2产生连续局部塑性变形，并充填下模3型腔与轧辊1构成的孔型直至整个环形构件轴截面完全成形。当环形构件被包络成形后，下模3和轧辊1停止转动，轧辊1停止向下进给并向上运动。当轧辊1在轴向方向上完全与环形构件分离后，轧辊1沿径向向后运动直至其在径向方向上完全与环形构件分离。最后，顶料杆4向上运动将环形构件从下模3中顶出。大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形原理图如图1所示。
(2)锻件设计。在最终大型复杂薄壁异型环形构件零件(如图2所示)单边增加3mm余量，并在其上端面设计飞边，飞边厚度3.0mm，飞边高度10.0mm。获得的锻件如图3所示。
(3)步骤(1)中环形预制坯2几何形状和尺寸通过有限元模拟计算确定，如图4所示。为保证环形预制坯2能够精确成形并能够放入下模3型腔中，环形预制坯2需要经过闭式轧制成形获得。即将环形毛坯放入环形驱动辊内部，环形毛坯外表面与环形驱动辊内表面接触，芯辊与环形毛坯内表面接触。环形驱动辊带动环形毛坯转动，芯辊作直线进给运动，从而使环形预制坯2截面轮廓精确成形，同时可保证环形预制坯2内外表面圆度，进而保证环形预制坯2能够放入下模3型腔中。环形预制坯2材料为7055铝合金，环形预制坯2放入下模3型腔之前需加热到450℃。
(4)步骤(1)中下模3为环形，其型腔与步骤(2)中锻件内外表面和下端面完全匹配。下模3型腔底部沿圆周方向均布4个弧形通孔用于安装顶料杆4，弧形通孔径向壁厚小于锻件下端径向壁厚1mm，每个弧形通孔弧度30°。下模3如图5所示。采用环形预紧模套对下模3进行预紧，预紧模套与下模3高度相等，预紧模套内表面和下模3外表面均为带有1.5°压配锥度的锥面，锥面粗糙度0.3μm。预紧模套与下模3之间为过盈配合。环形预制坯2放入下模3型腔之前，下模3需预热到250℃并涂抹润滑剂。
(5)步骤(1)中轧辊1是一个圆锥体，其母线与锻件上端面母线完全匹配，其轴截面与环形下模3轴截面重合，如图6所示。轧辊1锥顶角α为15°。轧辊1可沿轴向上下运动，也可沿径向左右运动。空间包络成形之前轧辊1需预热到250℃并涂抹润滑剂。
(6)轧辊1小端朝环形下模3内部，轧辊1大端朝环形下模3外部，下模3转速ω1和轧辊1转速ω2满足方程(1)，且下模3旋转运动方向与轧辊1旋转运动方向一致。
其中r1是锻件上端面某一点到上模轴线的距离，r2是轧辊1顶点到上模轴线的距离。
本案例中r1＝1620mm，r2＝1500mm，ω1＝1r/min,ω2＝103r/min。
(7)步骤(1)中设置4个顶料杆4，每个顶料杆4为一段圆环，并与步骤(4)中下模3弧形通孔间隙匹配，其配合间隙为0.15mm。顶料杆4上端面与下模3型腔底部位于同一平面上，空间包络成形中顶料杆4随下模3一起转动。顶料杆4如图7所示。
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 (3)
1.一种大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将环形预制坯放入下模型腔中，下模带动环形预制坯绕其轴线以转速ω1作匀速转动；轧辊表面与环形预制坯上端面接触，轧辊以转速ω2绕其轴线作匀速转动并向下作直线进给运动；在轧辊和下模的共同作用下，环形预制坯产生连续局部塑性变形，并充填下模型腔与轧辊构成的孔型直至整个环形构件轴截面完全成形；
所述轧辊为圆锥体，所述环形预制坯为上大下小的环形件，其底部不与下模底部接触，所述下模为环形，下模型腔与大型复杂薄壁异型环形构件的锻件内外表面和下端面完全匹配；下模型腔底部沿圆周方向均布多个用于安装顶料杆的通孔；所述轧辊为圆锥体，轧辊的母线与锻件上端面母线完全匹配，轧辊的轴截面与环形下模轴截面重合；
S2、当环形构件被包络成形后，下模和轧辊停止转动，轧辊停止向下进给并向上运动；
S3、轧辊与下模相互独立，呈分体式，当轧辊在轴向方向上完全与环形构件分离后，轧辊沿径向向后运动直至其在径向方向上完全与环形构件分离；
S4、顶料杆向上运动将环形构件从下模中顶出；
当轧辊小端朝环形下模内部时，轧辊大端朝环形下模外部，则ω1和ω2满足方程（1）：
其中，
为锥形轧辊的轴线与水平面的夹角，其中α=15~60°，r 1是锻件上端面与轧辊接触的点到下模轴线的距离，r 2是轧辊顶点到下模轴线的距离；
当轧辊小端朝环形下模外部时，轧辊大端朝环形下模内部，则ω1和ω2满足方程（2）：
2.根据权利要求1所述的大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形方法，其特征在于，所述环形预制坯需要经过闭式轧制成形获得，即将环形矩形毛坯放入环形驱动辊内部，环形矩形毛坯外表面与环形驱动辊内表面接触，芯辊与环形矩形毛坯内表面接触，环形驱动辊带动环形矩形毛坯转动，芯辊作直线进给运动。
3.根据权利要求1所述的大型复杂薄壁异型环形构件分体式空间包络成形方法，其特征在于，在步骤S1之前采用环形预紧模套对下模进行预紧，预紧模套与下模高度相等，预紧模套内表面和下模外表面均为带有1.5~2.0°压配锥度的锥面，锥面粗糙度不超过0.4μm，预紧模套与下模之间为过盈配合。
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| 超大直径铝合金环形件轧制工艺研究;张淑莲等;《兵器材料科学与工程》;20070915(第05期);58-59 * |
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| CN110479928A (zh) | 2019-11-22 |
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