CN111014526B - 一种薄壁w截面异型密封结构内外复合滚压成形方法 - Google Patents

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    • B21H1/00—Making articles shaped as bodies of revolution
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21B27/00—Rolls, roll alloys or roll fabrication; Lubricating, cooling or heating rolls while in use
    • B21B27/02—Shape or construction of rolls

Abstract

本发明公开了一种薄壁W截面异型密封结构内外复合滚压成形方法，采用内外滚相结合的复合滚压方法成形高温合金薄壁W截面异型密封结构。根据截面母线轮廓可将W截面分为波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段、波谷圆弧及最外侧密封面，其中，波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段及部分波谷圆弧采用外滚法成形，波谷圆弧、最外侧密封面采用内滚法成形。通过先外滚后内滚的分步滚压成形方法实现W截面密封结构的成形。所述W截面密封结构滚压成形方法与传统外滚至少5道次成形相比，本发明方法只需3个道次即可完成异型截面密封结构的精确成形，且无开裂、起皱等缺陷，减少了成形道次，降低了加工成本。

Description

一种薄壁W截面异型密封结构内外复合滚压成形方法
技术领域
本发明涉及塑性加工领域，是一种利用滚压工艺成形薄壁W截面异型密封结构的方法。主要用于航空航天飞行器高温高压介质密封的高温合金薄壁W截面异型密封结构的精确成形，解决了薄壁W截面异型密封结构的成形制造难题。
背景技术
薄壁金属密封是目前工业上应用最为广泛的一种密封结构形式，已在航空、航天和兵器等金属精密成形技术领域得到广泛应用。薄壁金属密封常见的结构形式有C形、V形、U形、O形以及W形等，其中，W截面金属密封具有回弹性能好、吸振能力强、具有良好的高振动追随性、高吸振能力、长寿命和较好的耐磨损能力等优点，尤其适合用于航空航天设备高温、高压、振动及腐蚀介质等恶劣环境。然而，由于该类零件具有异型截面、异型结构、大直径与极薄壁厚的极端尺寸结合的结构特性，以及采用高温合金材料，高强度、难变形的材料特性，而且精度要求高，因此加工制造难度大。
目前，高温合金薄壁复杂截面异型密封结构的成形主要采用液压胀形、旋压成形、滚压成形。北京航空航天大学的万敏和中国航发研究院的朱宇等在异形截面环液压胀形领域开展了大量的研究，针对W截面金属密封环提出了液压成形结合动模轴向加载的复合成形方法，基于数值仿真分析了成形过程的变形特点和失效形式，优化了成形毛坯和工艺参数，实现了W形复杂截面的整体精确成形 (朱宇，万敏，复杂异形截面薄壁环形件动模液压成形研究，航空学报，2012, 33(5):912-919)。然而，液压胀形受限于液体压力和模具及设备，多用于小直径密封结构成形。在复杂截面密封环旋压成形方面，孟艳梅针对不锈钢U型密封圈旋压成形进行了相关研究，利用有限元模拟与理论解析相结合的方法对目标密封圈的旋压成形过程进行了研究，获得了应力应变分布特征、旋压成形过程金属流动规律(孟艳梅，曲母线形件复合旋压成形的数值模拟及工艺分析，燕山大学, 2005)。然而，旋压成形效率较低，成形回弹大，精度低，且成形件表面质量较差。相比之下，滚压成形能够解决旋压成形存在的问题，实现高效精确成形制造。目前报道的滚压成形均为外滚法，即滚轮在芯模外，坯料处于滚轮与芯模之间，通过滚轮与芯模咬合相向转动，滚压成形异型截面密封结构(郭正华，应帅等，高温合金U形环滚压成形有限元建模关键技术研究，装备制造技术,2013(6):1-2)。南昌航空大学利用有限元方法研究了薄壁W截面密封环外滚成形过程应力应变分布情况，并分析了工艺参数对环件不均匀变形行为的影响，指出采用滚压工艺成形复杂截面金属密封是可行的(郭凯云，高温合金复杂截面圆环多道次滚压不均匀变形行为研究，南昌航空大学，2015)。然而，外滚法存在成形稳定性差，易产生起皱、破裂缺陷，成形件圆度差，壁厚减薄严重等问题。
发明内容
针对背景技术所分析的技术问题，本发明的目的在于采用外滚+内滚的内外复合滚压工艺，以成形高精度高性能的异型截面密封结构。
为了解决W截面异型密封结构的成形难题，本发明提出了一种W截面异型密封结构的内外复合滚压成形方法，其特征在于，采用内外滚相结合的复合滚压方法成形高温合金薄壁W截面异型密封结构。根据截面母线轮廓可将W截面分为波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段、波谷圆弧及最外侧密封面，其中，波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段及部分波谷圆弧采用外滚法成形，波谷圆弧、最外侧密封面采用内滚法成形。通过先外滚后内滚的分步滚压成形方法实现W截面异型密封结构的成形。
具体步骤如下：
步骤一，确定毛坯尺寸；
所述毛坯尺寸包括坯料的周长L、宽度B、厚度T。
I、确定坯料厚度T；根据零件图尺寸确定坯料的厚度t为：
T＝t (1)
式(1)中，T为坯料的厚度，t为滚压成形零件的厚度。
II、确定坯料宽度B；坯料宽度由零件截面中性层展开长度决定，沿中性线对各段长度进行求和：
B＝∑bwi+∑bzi+Δ (2)
式(2)中，B为坯料的宽度，bwi为零件截面各弯曲圆弧段对应的坯料长度， bzi为零件截面各直线段长度，Δ为宽度余量，且Δ＝t/2。
其中，零件各弯曲段对应的坯料长度由弯曲角的大小和中性线所对应的弯曲半径确定，即：
bwi＝(ri+kit)αi (3)
式(3)中，bwi为零件截面各弯曲圆弧段对应的坯料长度，ri为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲角内径，t为滚压成形零件的厚度，αi为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲弧度，ki为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲因子，并由式(4)确定。
Figure GDA0002393444100000021
式(4)中，ki为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲因子，ri为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲角内径，t为滚压成形零件的厚度。
III、确定坯料周长L；根据材料塑性变形体积不变原理确定坯料的周向长度 L，即：
L＝V/TB (5)
式(5)中，L为坯料的周长，V为滚压成形零件体积，T为坯料的厚度，B 为坯料的宽度。
步骤二，确定滚压成形轨迹；
所述滚压成形轨迹包括截面轨迹与结构轨迹。截面轨迹即滚压各道次所需成形的密封结构的截面形状，同时也是设计进给辊与芯模截面形状的依据，通过二者的相向咬合以成形密封结构的异型截面；结构轨迹即滚压成形各道次中进给辊的运行轨迹，以成形密封环件的结构形状。
I、确定截面轨迹；所述截面轨迹的确定包括外滚阶段的截面轨迹与内滚阶段的截面轨迹。
依据密封环件截面结构特征，采用顺序成形法由中间向外依次成形W截面，其中外滚成形截面波峰圆弧与部分波谷圆弧段，内滚成形截面波谷圆弧段与最外侧密封段。
I～1、确定外滚阶段的截面轨迹；外滚阶段，进给辊位于坯料外侧，沿径向向芯模进给并绕其公转，通过二者的型面以成形外滚阶段密封结构的异型截面。
根据式(6)确定外滚阶段第i道次所需成形第j段圆弧弧长为lwij
lwij＝rijαij (6)
式(6)中，lwij为外滚阶段第i道次成形第j段圆弧的弧长，rij为环件截面此段圆弧中性线所对应的弯曲半径，αij为环件截面中此段圆弧的弯曲角度，单位rad。
保持各圆弧段总弧长长度不变，且与相邻直线段保持相切，依次增大各道次弯曲变形角直至完成各相应圆弧段的成形。
根据式(7)确定内滚阶段第j段圆弧各道次的成形弯曲角度θwij；
Figure GDA0002393444100000031
式(7)中，θwij为外滚阶段第j段圆弧第i道次的成形弯曲角度，θw0j为第j 段圆弧的最终弯曲角度，Nj为第j段圆弧的弯曲成形道次数，k为变动指数，取值-0.1～-0.3。
根据式(6)、(7)确定外滚阶段的各道次的截面成形轨迹，进而确定外滚阶段各道次模具的截面形状。
I～2、确定内滚阶段的截面轨迹；内滚阶段，进给辊位于坯料内侧，沿径向背离形心向芯模进给并绕其公转，通过二者的型面配合以成形内滚阶段密封结构的异型截面。
根据式(8)确定内滚阶段第i道次所需成形第j段圆弧的弧长为lwij
lwij＝rijαij (8)
式(8)中，lwij为内滚阶段第i道次成形第j段圆弧的弧长，rij为环件截面此段圆弧中性线所对应的弯曲半径，αij为环件截面中此段圆弧的弯曲角度，单位rad。
根据式(9)确定内滚阶段第j段圆弧各道次的成形弯曲角度θmij
Figure GDA0002393444100000041
式(9)中，θwij为内滚阶段第j段圆弧第i道次的成形弯曲角度，θw0j为第j 段圆弧的最终弯曲角度，Nj为第j段圆弧的弯曲成形道次数，k为变动指数，取值-0.1～-0.3。
保持各圆弧段总弧长与其余各直线段长度不变，且直线段与相邻圆弧段保持相切，依次增大各道次弯曲变形角直至完成各相应圆弧段的成形，从而确定内滚阶段的各道次的截面成形轨迹，进而确定内滚阶段各道次模具的截面形状。
II、确定结构轨迹；所述结构轨迹的确定包括外滚阶段的结构轨迹与内滚阶段的结构轨迹。
II～1、确定外滚阶段的结构轨迹；外滚阶段，进给辊位于坯料外侧，沿径向朝向形心向芯模进给，并绕其公转以完成密封环件的结构形状。
每道次成形初始时刻，将此道次坯料装夹在芯模上并调控进给辊进行对刀，使其与坯料外相切，记进给辊沿径向内侧每进给一次并绕芯模公转一周为一个工步，外滚阶段第i道次第j工步结构轨迹由第j-1工步的结构轨迹与此道次进给辊的单次进给量确定，即：
sj wi＝sj-1 wi-fwi (10)
式(10)中sj wi为外滚阶段第i道次第j工步的结构轨迹，sj-1 wi为外滚阶段第i道次第j-1工步的结构轨迹，fwi为外滚阶段第i道次进给辊单次进给量，且j 取值1,2,3…ni，ni为外滚阶段第i道次的总工步数，并记第i道次坯料宽度方向对称面外侧轨迹为s0 wi。
其中，第i道次的总工步数由坯料与芯模宽度方向对称面间距与进给辊单次进给量确定，即：
nwi＝dwi/fwi (11)
式(11)中，nwi为外滚阶段第i道次的总工步数，dwi为外滚阶段第i道次坯料与芯模宽度方向对称面间距，fwi为外滚阶段第i道次进给辊单次进给量，若结果不能整除，则nwi向上取整，同时将余数作为初始单次进给量。
根据式(10)、(11)即可确定外滚阶段滚压过程每道次的结构轨迹，进而确定各道次进给辊的具体加载轨迹，并将得到的轨迹离散为一定数量的点坐标，利用有理B样条曲线插补方法将进给辊加载轨迹制成CNC数控程序。
II～2、确定内滚阶段的结构轨迹；内滚阶段，进给辊位于坯料内侧，沿径向背离形心向芯模进给，并绕其公转以完成密封环件的结构形状。
每道次成形初始时刻，将此道次坯料装夹在芯模上，并调控进给辊进行对刀使其与坯料内相切，记进给辊沿径向外侧每进给一次并绕芯模公转一周为一个工步，外滚阶段第i道次第j工步结构轨迹由第j-1工步的结构轨迹与此道次进给辊的单次进给量确定，即：
sj mi＝sj-1 mi+fmi (12)
式(12)中sj mi为内滚阶段第i道次第j工步的结构轨迹，sj-1 mi为内滚阶段第i道次第j-1工步的结构轨迹，fmi为内滚阶段第i道次进给辊单次进给量，且j 取值1,2,3…nmi，nmi为内滚阶段第i道次的总工步数，并记第i道次坯料宽度方向对称面内侧轨迹为s0 mi。
其中，第i道次的总工步数由坯料与芯模宽度方向对称面间距与进给辊单次进给量确定，即：
nmi＝dmi/fmi (13)
式(13)中，nmi为内滚阶段第i道次的总工步数，dmi为内滚阶段第i道次坯料与芯模宽度方向对称面间距，fmi为内滚阶段第i道次进给辊单次进给量，同时计算结果nmi向上取整。
根据式(12)、(13)即可确定内滚阶段滚压过程每道次的结构轨迹，进而确定各道次进给辊的具体加载轨迹，并将得到的轨迹离散为一定数量的点坐标，利用有理B样条曲线插补方法将进给辊加载轨迹制成CNC数控程序。
步骤三，多道次复合滚压成形；
在数控机床上实现W截面密封环滚压成形，复合滚压分3个道次完成，包括第一道次外滚成形波峰圆弧、部分波谷圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线过渡段，第二道次内滚成形部分波谷圆弧，第三道次内滚成形波谷圆弧、W截面最外密封两侧及精整外形。
多道次复合滚压的具体实施过程为：
I、第一道次滚压：将步骤二获得的第一道次外滚芯模安装在底座上，然后将密封环环坯装夹在芯模上，安装完毕后，操作机床降低尾座以固定芯模，随后控制进给辊在X-Z平面运动进行对刀至进给辊与环坯外侧相切，记录此刻坐标，将其设为数控机床的程序坐标原点。将步骤二所得第一道次外滚阶段结构轨迹的 CNC数控程序导入数控机床，调用程序，运行数控机床，进给辊在数控程序的控制下以环件的结构轨迹进行加载，环坯在进给辊与芯模的相向咬合作用下，完成第一道次滚压成形。
本道次外滚成形过程中，进给辊单次进给量为0.2～0.6mm，进给辊周向转速为40～170mm/s，进给辊直径为20～60mm。
II、第二道次滚压：将步骤二获得的第二道次内滚芯模安装在底座上，然后将第一道次外滚获得的密封环环坯装夹在芯模上，安装完毕后，操作机床利用三抓卡盘以固定芯模，随后控制进给辊在X-Z平面运动进行对刀至进给辊与环坯内侧相切，记录此刻坐标，将其设为数控机床的程序坐标原点。将步骤二所得第二道次外滚阶段结构轨迹的CNC数控程序导入数控机床，调用程序，运行数控机床，进给辊在数控程序的控制下以环件的结构轨迹进行加载，环坯在进给辊与芯模的相向咬合作用下，完成第二道次滚压成形。
本道次内滚成形过程中，进给辊单次进给量为0.2～0.6mm，进给辊周向转速为40～160mm/s，进给辊直径为20～60mm。
III、第三道次滚压：将步骤二获得的第三道次内滚芯模安装在底座上，然后将第二道次内滚获得的密封环环坯装夹在芯模上，待对刀完成后开始滚压，滚压过程与第二道次相似，滚压完成后操作机床令进给辊围绕芯模空滚一到两周，以保证充分成形为所需形状。成形过程中进给辊单次进给量为0.2～0.6mm，进给辊周向转速为40～160mm/s，进给辊直径为20～60mm。
与现有薄壁异型截面密封结构成形工艺相比，本发明具有以下优点：
(1)成形道次少：本发明所述W截面异型密封结构滚压成形方法与传统外滚至少5道次成形相比，本发明方法只需3个道次即可完成异型截面密封结构的精确成形，且无开裂、起皱等缺陷，减少了成形道次，降低了加工成本；
(2)环件精度高：本发明所述W截面异型密封结构滚压成形方法，环件最终由模具定形，环件的几何形状和尺寸由模具保证，其尺寸精度可达1％～2％，同时加工采用自动加工方式避免了人为误差，提高了成形精度，密封件公差可达 IT7～8级；
(3)环件综合性能好：本发明所述W截面异型密封结构滚压成形方法，是一种由点及面的塑性成形技术，提高了材料变形能力，可有效避免开裂起皱等成形缺陷；与外滚法相比，采用本发明成形的环件壁厚变化均匀，壁厚减薄剧烈的波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段的壁厚减薄过渡更圆滑，渐变程度更好，密封结构的回弹服役性能更高，且表面质量更高，内外表面粗糙度均可达Ra2.4～0.2；此外，全过程塑性复合滚压成形可实现对加工材料的组织和性能的有效调控，材料硬度提升15％，疲劳强度最大提升30％。
(4)适用范围广：采用本发明所述W截面异型密封结构滚压成形方法，只需改变截面成形轨迹，即可实现多种截面(U型、M型、V型)多种直径(38mm～700mm) 多种异型结构(圆形、“跑道”形、“8”字形)金属密封结构的滚压成形。
附图说明
图1为薄壁W截面异型密封结构内外复合滚压成形工艺流程图；
图2为薄壁W截面异型密封结构零件图，其中，图2(a)为薄壁“跑道形”W截面异型密封结构三维示意图，图2(b)为薄壁W截面圆环密封结构三维示意图，图2(c)为薄壁W截面异型密封结构截面示意图；
图3为多道次滚压成形轨迹示意图，其中，图3(a)为外滚阶段密封结构W 截面成形轨迹，图3(b)为内滚阶段密封结构W截面成形轨迹；
图4为内外复合滚压成形阶段成形示意图，其中，图4(a)为波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间直线段外滚成形示意图，图4(b)为波谷圆弧内滚成形示意图；图4(c)为最外侧密封面内滚成形示意图。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种异型W截面密封环滚压成形方法，用于成形W截面密封环。所述W截面密封环形状如图2(a)所示，材料为高温合金GH4738，壁厚为0.3mm，结构近似为“跑道”形，由直线段、R25圆弧段、R50圆弧段组成，各部分间相切连接，长×宽×高＝100.7mm×68.2mm×6.0mm，截面形状为W形，如图2(c) 所示，根据W结构特点，可将最终截面形状分为波峰圆弧段、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段、波谷圆弧段及最外侧密封面，且各部分间相切连接，其中波峰圆弧段的半径为0.7mm，波谷圆弧段的半径为0.5mm。本实施例在自制双通道数控机床上实现，滚压分两步进行，先外滚成形波峰圆弧、部分波谷圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线过渡段，再内滚成形波谷圆弧及最外侧密封面。具体成形过程如下：
步骤一，确定毛坯尺寸：
I、根据零件图，环件壁厚为0.3mm，代入公式(1)得到坯料的厚度T＝0.3。
T＝t (1)
式(1)中，T为坯料的厚度，t为滚压成形零件的厚度。
II、根据零件图，环件波峰圆弧段内径r1为0.4mm，波谷圆弧段内径r2为 0.5mm，最外侧密封面圆弧段内径r3为2.3mm，r4为0.7mm，代入公式(4)得到各弯曲圆弧段的弯曲因子k1＝0.39，k2＝0.41，k3＝0.5，k4＝0.44。
Figure GDA0002393444100000071
式(4)中，ki为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲因子，ri为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲角内径，t为滚压成形零件的厚度。
根据零件图，环件截面各弯曲圆弧段的弯曲弧度α1为2.96rad，α2为3.05rad，α3为0.71，α4为0.54rad，代入公式(3)得到各对应弯曲圆弧段的坯料长度 bw1＝1.53mm，bw2＝1.90mm，bw3＝1.74mm，bw4＝0.45mm。
bwi＝(ri+kit)αi (3)
式(3)中，bwi为零件截面各弯曲圆弧段对应的坯料长度，rmi为零件截面各弯曲圆弧段的名义弯曲半径，αi为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲角度，rad。
根据零件图，环件截面波峰与波谷间直线段长度bz1为2.22mm，最外侧密封面直线段长度bz2为0.74mm，代入公式(2)得到坯料的宽度B＝15.78mm。
B＝∑bwi+∑bzi+Δ (2)
式(2)中，B为坯料的宽度，bwi为零件截面各弯曲圆弧段对应的坯料长度， bzi为零件截面各直线段长度，Δ为宽度余量，且Δ＝t/2。
III、根据零件图，确定环件体积为1375.2mm3，代入公式(5)得到坯料的周向长度L＝290.5mm。
L＝V/TB (5)
式(5)中，L为坯料周长，V为滚压成形零件体积，T为坯料厚度，B为坯料宽度。
步骤二，确定滚压成形轨迹；
所述滚压成形轨迹包括结构轨迹与截面轨迹。截面轨迹即滚压各道次所需成形的密封结构的截面形状，同时也是设计进给辊与芯模截面形状的依据，通过二者的相向咬合以成形密封结构的异型截面；结构轨迹即滚压成形各道次中进给辊的运行轨迹，以成形密封环件的结构形状。
I、确定截面轨迹；所述截面轨迹的确定包括外滚阶段的截面轨迹与内滚阶段的截面轨迹。
依据密封环件截面结构特征，采用顺序成形法由中间向外依次成形W截面，其中外滚成形截面波峰圆弧与部分波谷圆弧段，内滚成形截面波谷圆弧段与最外侧密封段。
本实施例中，采用三道次复合滚压成形W截面密封环，分为第一道次外滚成形波峰圆弧、部分波谷圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线过渡段，第二道次内滚成形部分波谷圆弧，第三道次内滚成形波谷圆弧、W截面最外密封两侧及精整外形。
I～1、确定外滚阶段的截面轨迹；外滚阶段，进给辊位于坯料外侧，沿径向向芯模进给并绕其公转，通过二者的型面配合以成形外滚阶段密封结构的异型截面。
本实施例中，第一道次采用外滚成形截面波峰圆弧与部分波谷圆弧段，故i取 1，j取2；根据零件图，截面波峰圆弧中性线对应的弯曲半径r11为0.55mm，波谷圆弧中性线对应的弯曲半径r12为0.65mm；代入公式(6)得到lw11＝1.63mm， lw12＝1.98mm。
lwij＝rijαij (6)
式(6)中，lwij为外滚阶段第i道次成形第j段圆弧的弧长，rij为环件截面此段圆弧中性线所对应的弯曲半径，αij为环件截面中此段圆弧的弯曲角度，单位rad。
保持各圆弧段总弧长长度不变，且与相邻直线段保持相切，依次增大各道次弯曲变形角直至完成各相应圆弧段的成形。
本道次成形中，N1为1，N2为3，k取-0.1；根据零件图，波峰圆弧段最终弯曲角度θw01为169.4°，波谷圆弧段最终弯曲角度θw02为174.7°；代入公式(6) 得到θw11＝169.4°，θw12＝65.01°。
Figure GDA0002393444100000091
式(7)中，θwij为外滚阶段第j段圆弧第i道次的成形弯曲角度，θw0j为第j 段圆弧的最终弯曲角度，Nj为第j段圆弧的弯曲成形道次数，k为变动指数，取值-0.1～-0.3。
根据式(6)、(7)确定外滚阶段一道次成形的截面成形轨迹，如图3(a) 所示，进而确定外滚阶段一道次成形模具的截面形状。
I～2、确定内滚阶段的截面轨迹；内滚阶段，进给辊位于坯料内侧，沿径向背离形心向芯模进给并绕其公转，通过二者的型面配合以成形内滚阶段密封结构的异型截面。
本实施例中，第二道次采用内滚成形W截面部分波谷圆弧段，故i取2，j取 1；根据零件图，波谷圆弧中性线对应的弯曲半径r21为0.65mm；代入公式(8) 得到lm21＝1.98mm。
lmij＝rijαij (8)
式(8)中，lmij为内滚阶段第i道次成形第j段圆弧的弧长，rij为环件截面此段圆弧中性线所对应的弯曲半径，αij为环件截面中此段圆弧的弯曲角度，单位rad。
保持各圆弧段总弧长长度不变，且与相邻直线段保持相切，依次增大各道次弯曲变形角直至完成各相应圆弧段的成形。
本道次成形中，N1为3，k取-0.1；根据零件图，波谷圆弧段最终弯曲角度θw01为174.7°；代入公式(9)得到θm21＝122.65°。
Figure GDA0002393444100000101
式(9)中，θmij为内滚阶段第j段圆弧第i道次的成形弯曲角度，θm0j为第j 段圆弧的最终弯曲角度，Nj为第j段圆弧的弯曲成形道次数，k为变动指数，取值-0.1～-0.3。
根据式(8)、(9)即可确定第二道次内滚的截面成形轨迹，如图3(b)所示，进而确定此道次成形模具的截面形状。
第三道次采用内滚成形截面波谷圆弧及最外侧密封面，故i取3，j取3。根据零件图，波谷圆弧中性线对应的弯曲半径r31为0.65mm，最外侧密封段两圆弧中性线对应的弯曲半径r32为2.45mm，r33为0.85mm；代入公式(8)得到
lm31＝1.98mm，lm32＝1.74mm，lm33＝0.46mm。
lmij＝rijαij (8)
式(8)中，lmij为内滚阶段第i道次成形第j段圆弧的弧长，rij为环件截面此段圆弧中性线所对应的弯曲半径，αij为环件截面中此段圆弧的弯曲角度，单位rad。
保持各圆弧段总弧长长度不变，且与相邻直线段保持相切，依次增大各道次弯曲变形角直至完成各相应圆弧段的成形。
本道次成形中，N1为3，N2为3，N3为3，k取-0.1；根据零件图，波谷圆弧段最终弯曲角度θw01为174.7°，最外侧密封面两圆弧段最终弯曲角度θm02为 40.75°，θm03为30.75°；代入公式(9)得到θm31＝174.7°，θm32＝40.75°，θm33＝30.75°。
Figure GDA0002393444100000102
式(9)中，θmij为内滚阶段第j段圆弧第i道次的成形弯曲角度，θm0j为第j 段圆弧的最终弯曲角度，Nj为第j段圆弧的弯曲成形道次数，k为变动指数，取值-0.1～-0.3。
根据式(8)、(9)即可确定第三道次内滚的截面成形轨迹，如图3(b)所示，进而确定此道次成形模具的截面形状。
II、确定结构轨迹；所述结构轨迹的确定包括外滚阶段的结构轨迹与内滚阶段的结构轨迹。
II～1、确定外滚阶段的结构轨迹；外滚阶段，进给辊位于坯料外侧，沿径向朝向形心向芯模进给，并绕其公转以完成密封环件的结构形状。
成形初始时刻，将坯料装夹在芯模上并调控进给辊进行对刀，使其与坯料外相切，记进给辊沿径向内侧每进给一次并绕芯模公转一周为一个工步。
本实施例中，第一道次外滚成形过程进给辊单次进给量fw1为0.4mm，坯料与芯模间距dw1为2.8mm，代入公式(11)得到nw1＝7。
nwi＝dwi/fwi(11)
式(11)中，nwi为外滚阶段第i道次的总工步数，dwi为外滚阶段第i道次坯料与芯模宽度方向对称面间距，fwi为外滚阶段第i道次进给辊单次进给量，若结果不能整除，则nwi向上取整，同时将余数作为初始单次进给量fc wi。
本道次坯料宽度方向对称面外侧轨迹为s0 w1，代入公式(10)得到s1 w1、s2 w1、s3 w1...s7 w1。
sj wi＝sj-1 wi-fwi (10)
式(10)中sj wi为外滚阶段第i道次第j工步的结构轨迹，sj-1 wi为外滚阶段第i道次第j-1工步的结构轨迹，fwi为外滚阶段第i道次进给辊单次进给量，且j 取值1,2,3…ni，ni为外滚阶段第i道次的总工步数，并记第i道次坯料宽度方向对称面外侧轨迹为s0 wi。
根据式(10)、(11)即可确定第一道次外滚阶段的结构轨迹，进而确定成形中进给辊的具体加载轨迹，并将得到的轨迹离散为一定数量的点坐标，利用有理 B样条曲线插补方法将进给辊加载轨迹制成CNC数控程序。
II～2、确定内滚阶段的结构轨迹；内滚阶段，进给辊位于坯料内侧，沿径向背离形心向芯模进给，并绕其公转以完成密封环件的结构形状。
成形初始时刻，将第一道次得到的环坯装夹在芯模上，并调控进给辊进行对刀，使其与坯料内相切，记进给辊沿径向向外每进给一次并绕芯模公转一周为一个工步。
本实施例中，第二道次内滚成形过程进给辊单次进给量fm2为0.4mm，坯料与芯模间距dm2为2.6mm，代入公式(13)得到nm2＝7。
nmi＝dmi/fmi(13)
式(13)中，nmi为内滚阶段第i道次的总工步数，dmi为内滚阶段第i道次坯料与芯模宽度方向对称面间距，fmi为内滚阶段第i道次进给辊单次进给量，若结果不能整除，则nmi向上取整，同时将余数作为初始单次进给量fc mi；本道次中，初始工步的单次进给量fc m2＝0.2mm，其余工步单次进给量fm2＝0.4mm。
本道次坯料宽度方向对称面外侧轨迹为s0 m2，代入公式(12)得到s1 m2、s2 m2、s3 m2...s7 m2。
sj mi＝sj-1 mi+fmi (12)
式(12)中sj mi为内滚阶段第i道次第j工步的结构轨迹，sj-1 mi为内滚阶段第i道次第j-1工步的结构轨迹，fmi为内滚阶段第i道次进给辊单次进给量，且j 取值1,2,3…nmi，nmi为内滚阶段第i道次的总工步数，并记第i道次坯料宽度方向对称面内侧轨迹为s0 mi。
成形初始时刻，将第二道次得到的环坯装夹在芯模上，并调控进给辊进行对刀，使其与坯料内相切，记进给辊沿径向向外每进给一次并绕芯模公转一周为一个工步。
本实施例中，第三道次内滚成形过程进给辊单次进给量fm3为0.4mm，坯料与芯模间距dm3为2.2mm，代入公式(13)得到nm3＝6。
nmi＝dmi/fmi (13)
式(13)中，nmi为内滚阶段第i道次的总工步数，dmi为内滚阶段第i道次坯料与芯模宽度方向对称面间距，fmi为内滚阶段第i道次进给辊单次进给量，若结果不能整除，则nmi向上取整，同时将余数作为初始单次进给量fc mi；本道次中，初始工步的单次进给量fc m2＝0.3mm，其余工步单次进给量fm2＝0.4mm。
本道次坯料宽度方向对称面外侧轨迹为s0 m3，代入公式(12)得到s1 m3、s2 m3、s3 m3...s6 m3。
sj mi＝sj-1 mi+fmi (12)
式(12)中sj mi为内滚阶段第i道次第j工步的结构轨迹，sj-1 mi为内滚阶段第i道次第j-1工步的结构轨迹，fmi为内滚阶段第i道次进给辊单次进给量，且j 取值1,2,3…nmi，nmi为内滚阶段第i道次的总工步数，并记第i道次坯料宽度方向对称面内侧轨迹为s0 mi。
根据式(12)、(13)即可确定内滚阶段滚压过程每道次的结构轨迹，进而确定各道次进给辊的具体加载轨迹，并将得到的轨迹离散为一定数量的点坐标，利用有理B样条曲线插补方法将进给辊加载轨迹制成CNC数控程序。
步骤三，多道次复合滚压成形；
在数控机床上实现W截面密封环滚压成形，复合滚压分3个道次完成，包括第一道次外滚成形波峰圆弧、部分波谷圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线过渡段，第二道次内滚成形部分波谷圆弧，第三道次内滚成形波谷圆弧、W截面最外密封两侧及精整外形。
多道次复合滚压的具体实施过程为：
I、第一道次滚压：将步骤二获得的第一道次外滚芯模安装在底座上，然后将密封环环坯装夹在芯模上，安装完毕后，操作机床降低尾座以固定芯模，随后控制进给辊在X-Z平面运动进行对刀至进给辊与环坯外侧相切，记录此刻坐标，将其设为数控机床的程序坐标原点。将步骤二所得第一道次外滚阶段结构轨迹的CNC数控程序导入数控机床，调用程序，运行数控机床，进给辊在数控程序的控制下以环件的结构轨迹进行加载，环坯在进给辊与芯模的相向咬合作用下，完成第一道次滚压成形。
本道次外滚成形过程中，进给辊单次进给量为0.4mm，进给辊周向转速为 80mm/s，进给辊直径为20mm。
II、第二道次滚压：将步骤二获得的第二道次内滚芯模安装在底座上，然后将第一道次外滚获得的密封环环坯装夹在芯模上，安装完毕后，操作机床利用三抓卡盘以固定芯模，随后控制进给辊在X-Z平面运动进行对刀至进给辊与环坯内侧相切，记录此刻坐标，将其设为数控机床的程序坐标原点。将步骤二所得第二道次外滚阶段结构轨迹的CNC数控程序导入数控机床，调用程序，运行数控机床，进给辊在数控程序的控制下以环件的结构轨迹进行加载，环坯在进给辊与芯模的相向咬合作用下，完成第二道次滚压成形。
本道次内滚成形过程中，进给辊单次进给量为0.4mm，进给辊周向转速为 80mm/s，进给辊直径为20mm。
III、第三道次滚压：将步骤二获得的第三道次内滚芯模安装在底座上，然后将第二道次内滚获得的密封环环坯装夹在芯模上，待对刀完成后开始滚压，滚压过程与第二道次相似，滚压完成后操作机床令进给辊围绕芯模空滚一周，以保证充分成形为所需形状。成形过程中进给辊单次进给量为0.4mm，进给辊周向转速为80mm/s，进给辊直径为20mm。
实施例二
本实施例是一种异型W截面密封环滚压成形方法，用于成形W截面密封环。所述W截面密封环形状如图2(b)所示，材料为高温合金GH4169，壁厚为0.3mm，结构为R116的圆形，长×宽×高＝116mm×116mm×6.0mm，截面形状为W形，如图2(c)所示，根据W结构特点，可将最终截面形状分为波峰圆弧段、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段、波谷圆弧段及最外侧密封面，且各部分间相切连接，其中波峰圆弧段的半径为0.7mm，波谷圆弧段的半径为0.5mm。本实施例在自制双通道数控机床上实现，滚压分两步进行，先外滚成形波峰圆弧、部分波谷圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线过渡段，再内滚成形波谷圆弧及最外侧密封面。
具体成形过程如下：
步骤一，确定毛坯尺寸：
I、根据零件图，环件壁厚为0.3mm，代入公式(1)得到坯料的厚度T＝0.3。
T＝t (1)
式(1)中，T为坯料的厚度，t为滚压成形零件的厚度。
II、根据零件图，环件波峰圆弧段内径r1为0.4mm，波谷圆弧段内径r2为 0.5mm，最外侧密封面圆弧段内径r3为2.3mm，r4为0.7mm，代入公式(4)得到各弯曲圆弧段的弯曲因子k1＝0.39，k2＝0.41，k3＝0.5，k4＝0.44。
Figure GDA0002393444100000141
式(4)中，ki为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲因子，ri为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲角内径，t为滚压成形零件的厚度。
根据零件图，环件截面各弯曲圆弧段的弯曲弧度α1为2.96rad，α2为3.05rad，α3为0.71，α4为0.54rad，代入公式(3)得到各对应弯曲圆弧段的坯料长度 bw1＝1.53mm，bw2＝1.90mm，bw3＝1.74mm，bw4＝0.45mm。
bwi＝(ri+kit)αi (3)
式(3)中，bwi为零件截面各弯曲圆弧段对应的坯料长度，rmi为零件截面各弯曲圆弧段的名义弯曲半径，αi为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲角度，rad。
根据零件图，环件截面波峰与波谷间直线段长度bz1为2.22mm，最外侧密封面直线段长度bz2为0.74mm，代入公式(2)得到坯料的宽度B＝15.78mm。
B＝∑bwi+∑bzi+Δ (2)
式(2)中，B为坯料的宽度，bwi为零件截面各弯曲圆弧段对应的坯料长度， bzi为零件截面各直线段长度，Δ为宽度余量，且Δ＝t/2。
III、根据零件图，确定环件体积为11661.59mm3，代入公式(5)得到坯料的周向长度L＝739.01mm。
L＝V/TB(5)
式(5)中，L为坯料周长，V为滚压成形零件体积，T为坯料厚度，B为坯料宽度。
步骤二，确定滚压成形轨迹；
所述滚压成形轨迹包括结构轨迹与截面轨迹。截面轨迹即滚压各道次所需成形的密封结构的截面形状，同时也是设计进给辊与芯模截面形状的依据，通过二者的相向咬合以成形密封结构的异型截面；结构轨迹即滚压成形各道次中进给辊的运行轨迹，以成形密封环件的结构形状。
I、确定截面轨迹；所述截面轨迹的确定包括外滚阶段的截面轨迹与内滚阶段的截面轨迹。
依据密封环件截面结构特征，采用顺序成形法由中间向外依次成形W截面，其中外滚成形截面波峰圆弧与部分波谷圆弧段，内滚成形截面波谷圆弧段与最外侧密封段。
本实施例中，采用三道次复合滚压成形W截面密封环，分为第一道次外滚成形波峰圆弧、部分波谷圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线过渡段，第二道次内滚成形部分波谷圆弧，第三道次内滚成形波谷圆弧、W截面最外密封两侧及精整外形。
I～1、确定外滚阶段的截面轨迹；外滚阶段，进给辊位于坯料外侧，沿径向向芯模进给并绕其公转，通过二者的型面配合以成形外滚阶段密封结构的异型截面。
本实施例中，第一道次采用外滚成形截面波峰圆弧与部分波谷圆弧段，故i取 1，j取2；根据零件图，截面波峰圆弧中性线对应的弯曲半径r11为0.55mm，波谷圆弧中性线对应的弯曲半径r12为0.65mm；代入公式(6)得到lw11＝1.63mm， lw12＝1.98mm。
lwij＝rijαij (6)
式(6)中，lwij为外滚阶段第i道次成形第j段圆弧的弧长，rij为环件截面此段圆弧中性线所对应的弯曲半径，αij为环件截面中此段圆弧的弯曲角度，单位rad。
保持各圆弧段总弧长长度不变，且与相邻直线段保持相切，依次增大各道次弯曲变形角直至完成各相应圆弧段的成形。
本道次成形中，N1为1，N2为3，k取-0.1；根据零件图，波峰圆弧段最终弯曲角度θw01为169.4°，波谷圆弧段最终弯曲角度θw02为174.7°；代入公式(6) 得到θw11＝169.4°，θw12＝65.01°。
Figure GDA0002393444100000151
式(7)中，θwij为外滚阶段第j段圆弧第i道次的成形弯曲角度，θw0j为第j 段圆弧的最终弯曲角度，Nj为第j段圆弧的弯曲成形道次数，k为变动指数，取值-0.1～-0.3。
根据式(6)、(7)确定外滚阶段一道次成形的截面成形轨迹，如图3(a) 所示，进而确定外滚阶段一道次成形模具的截面形状。
I～2、确定内滚阶段的截面轨迹；内滚阶段，进给辊位于坯料内侧，沿径向背离形心向芯模进给并绕其公转，通过二者的型面配合以成形内滚阶段密封结构的异型截面。
本实施例中，第二道次采用内滚成形W截面部分波谷圆弧段，故i取2，j取 1；根据零件图，波谷圆弧中性线对应的弯曲半径r21为0.65mm；代入公式(8) 得到lm21＝1.98mm。
lmij＝rijαij (8)
式(8)中，lmij为内滚阶段第i道次成形第j段圆弧的弧长，rij为环件截面此段圆弧中性线所对应的弯曲半径，αij为环件截面中此段圆弧的弯曲角度，单位rad。
保持各圆弧段总弧长长度不变，且与相邻直线段保持相切，依次增大各道次弯曲变形角直至完成各相应圆弧段的成形。
本道次成形中，N1为3，k取-0.1；根据零件图，波谷圆弧段最终弯曲角度θw01为174.7°；代入公式(9)得到θm21＝122.65°。
Figure GDA0002393444100000161
式(9)中，θmij为内滚阶段第j段圆弧第i道次的成形弯曲角度，θm0j为第j 段圆弧的最终弯曲角度，Nj为第j段圆弧的弯曲成形道次数，k为变动指数，取值-0.1～-0.3。
根据式(8)、(9)即可确定第二道次内滚的截面成形轨迹，如图3(b)所示，进而确定此道次成形模具的截面形状。
第三道次采用内滚成形截面波谷圆弧及最外侧密封面，故i取3，j取3。根据零件图，波谷圆弧中性线对应的弯曲半径r31为0.65mm，最外侧密封段两圆弧中性线对应的弯曲半径r32为2.45mm，r33为0.85mm；代入公式(8)得到 lm31＝1.98mm，lm32＝1.74mm，lm33＝0.46mm。
lmij＝rijαij (8)
式(8)中，lmij为内滚阶段第i道次成形第j段圆弧的弧长，rij为环件截面此段圆弧中性线所对应的弯曲半径，αij为环件截面中此段圆弧的弯曲角度，单位rad。
保持各圆弧段总弧长长度不变，且与相邻直线段保持相切，依次增大各道次弯曲变形角直至完成各相应圆弧段的成形。
本道次成形中，N1为3，N2为3，N3为3，k取-0.1；根据零件图，波谷圆弧段最终弯曲角度θw01为174.7°，最外侧密封面两圆弧段最终弯曲角度θm02为 40.75°，θm03为30.75°；代入公式(9)得到θm31＝174.7°，θm32＝40.75°，θm33＝30.75°。
Figure GDA0002393444100000162
式(9)中，θmij为内滚阶段第j段圆弧第i道次的成形弯曲角度，θm0j为第j 段圆弧的最终弯曲角度，Nj为第j段圆弧的弯曲成形道次数，k为变动指数，取值-0.1～-0.3。
根据式(8)、(9)即可确定第三道次内滚的截面成形轨迹，如图3(b)所示，进而确定此道次成形模具的截面形状。
II、确定结构轨迹；所述结构轨迹的确定包括外滚阶段的结构轨迹与内滚阶段的结构轨迹。
II～1、确定外滚阶段的结构轨迹；外滚阶段，进给辊位于坯料外侧，沿径向朝向形心向芯模进给，并绕其公转以完成密封环件的结构形状。
成形初始时刻，将坯料装夹在芯模上并调控进给辊进行对刀，使其与坯料外相切，记进给辊沿径向内侧每进给一次并绕芯模公转一周为一个工步。
本实施例中，第一道次外滚成形过程进给辊单次进给量fw1为0.4mm，坯料与芯模间距dw1为3.4mm，代入公式(11)得到nw1＝9。
nwi＝dwi/fwi (11)
式(11)中，nwi为外滚阶段第i道次的总工步数，dwi为外滚阶段第i道次坯料与芯模宽度方向对称面间距，fwi为外滚阶段第i道次进给辊单次进给量，若结果不能整除，则nwi向上取整，同时将余数作为初始单次进给量fc wi；本道次中，初始工步的单次进给量fc m1＝0.2mm，其余工步单次进给量fm2＝0.4mm。
本道次坯料宽度方向对称面外侧轨迹为s0 w1，代入公式(10)得到s1 w1、s2 w1、s3 w1...s9 w1。
sj wi＝sj-1 wi-fwi (10)
式(10)中sj wi为外滚阶段第i道次第j工步的结构轨迹，sj-1 wi为外滚阶段第i道次第j-1工步的结构轨迹，fwi为外滚阶段第i道次进给辊单次进给量，且j 取值1,2,3…ni，ni为外滚阶段第i道次的总工步数，并记第i道次坯料宽度方向对称面外侧轨迹为s0 wi。
根据式(10)、(11)即可确定第一道次外滚阶段的结构轨迹，进而确定成形中进给辊的具体加载轨迹，并将得到的轨迹离散为一定数量的点坐标，利用有理 B样条曲线插补方法将进给辊加载轨迹制成CNC数控程序。
II～2、确定内滚阶段的结构轨迹；内滚阶段，进给辊位于坯料内侧，沿径向背离形心向芯模进给，并绕其公转以完成密封环件的结构形状。
成形初始时刻，将第一道次得到的环坯装夹在芯模上，并调控进给辊进行对刀，使其与坯料内相切，记进给辊沿径向向外每进给一次并绕芯模公转一周为一个工步。
本实施例中，第二道次内滚成形过程进给辊单次进给量fm2为0.4mm，坯料与芯模间距dm2为2.5mm，代入公式(13)得到nm2＝7。
nmi＝dmi/fmi (13)
式(13)中，nmi为内滚阶段第i道次的总工步数，dmi为内滚阶段第i道次坯料与芯模宽度方向对称面间距，fmi为内滚阶段第i道次进给辊单次进给量，若结果不能整除，则nmi向上取整，同时将余数作为初始单次进给量fc mi；本道次中，初始工步的单次进给量fc m2＝0.1mm，其余工步单次进给量fm2＝0.4mm。
本道次坯料宽度方向对称面外侧轨迹为s0 m2，代入公式(12)得到s1 m2、s2 m2、s3 m2...s7 m2。
sj mi＝sj-1 mi+fmi (12)
式(12)中sj mi为内滚阶段第i道次第j工步的结构轨迹，sj-1 mi为内滚阶段第i道次第j-1工步的结构轨迹，fmi为内滚阶段第i道次进给辊单次进给量，且j 取值1,2,3…nmi，nmi为内滚阶段第i道次的总工步数，并记第i道次坯料宽度方向对称面内侧轨迹为s0 mi。
成形初始时刻，将第二道次得到的环坯装夹在芯模上，并调控进给辊进行对刀，使其与坯料内相切，记进给辊沿径向向外每进给一次并绕芯模公转一周为一个工步。
本实施例中，第三道次内滚成形过程进给辊单次进给量fm3为0.4mm，坯料与芯模间距dm3为2.7mm，代入公式(13)得到nm3＝7。
nmi＝dmi/fmi (13)
式(13)中，nmi为内滚阶段第i道次的总工步数，dmi为内滚阶段第i道次坯料与芯模宽度方向对称面间距，fmi为内滚阶段第i道次进给辊单次进给量，若结果不能整除，则nmi向上取整，同时将余数作为初始单次进给量fc mi；本道次中，初始工步的单次进给量fc m3＝0.3mm，其余工步单次进给量fm3＝0.4mm。
本道次坯料宽度方向对称面外侧轨迹为s0 m3，代入公式(12)得到s1 m3、s2 m3、s3 m3...s7 m3。
sj mi＝sj-1 mi+fmi (12)
式(12)中sj mi为内滚阶段第i道次第j工步的结构轨迹，sj-1 mi为内滚阶段第i道次第j-1工步的结构轨迹，fmi为内滚阶段第i道次进给辊单次进给量，且j 取值1,2,3…nmi，nmi为内滚阶段第i道次的总工步数，并记第i道次坯料宽度方向对称面内侧轨迹为s0 mi。
根据式(12)、(13)即可确定内滚阶段滚压过程每道次的结构轨迹，进而确定各道次进给辊的具体加载轨迹，并将得到的轨迹离散为一定数量的点坐标，利用有理B样条曲线插补方法将进给辊加载轨迹制成CNC数控程序。
步骤三，多道次复合滚压成形；
在数控机床上实现W截面密封环滚压成形，复合滚压分3个道次完成，包括第一道次外滚成形波峰圆弧、部分波谷圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线过渡段，第二道次内滚成形部分波谷圆弧，第三道次内滚成形波谷圆弧、W截面最外密封两侧及精整外形。
多道次复合滚压的具体实施过程为：
I、第一道次滚压：将步骤二获得的第一道次外滚芯模安装在底座上，然后将密封环环坯装夹在芯模上，安装完毕后，操作机床降低尾座以固定芯模，随后控制进给辊在X-Z平面运动进行对刀至进给辊与环坯外侧相切，记录此刻坐标，将其设为数控机床的程序坐标原点。将步骤二所得第一道次外滚阶段结构轨迹的 CNC数控程序导入数控机床，调用程序，运行数控机床，进给辊在数控程序的控制下以环件的结构轨迹进行加载，环坯在进给辊与芯模的相向咬合作用下，完成第一道次滚压成形。
本道次外滚成形过程中，进给辊单次进给量为0.4mm，进给辊周向转速为 120mm/s，进给辊直径为60mm。
II、第二道次滚压：将步骤二获得的第二道次内滚芯模安装在底座上，然后将第一道次外滚获得的密封环环坯装夹在芯模上，安装完毕后，操作机床利用三抓卡盘以固定芯模，随后控制进给辊在X-Z平面运动进行对刀至进给辊与环坯内侧相切，记录此刻坐标，将其设为数控机床的程序坐标原点。将步骤二所得第二道次外滚阶段结构轨迹的CNC数控程序导入数控机床，调用程序，运行数控机床，进给辊在数控程序的控制下以环件的结构轨迹进行加载，环坯在进给辊与芯模的相向咬合作用下，完成第二道次滚压成形。
本道次内滚成形过程中，进给辊单次进给量为0.4mm，进给辊周向转速为 120mm/s，进给辊直径为60mm。
III、第三道次滚压：将步骤二获得的第三道次内滚芯模安装在底座上，然后将第二道次内滚获得的密封环环坯装夹在芯模上，待对刀完成后开始滚压，滚压过程与第二道次相似，滚压完成后操作机床令进给辊围绕芯模空滚一到两周，以保证充分成形为所需形状。成形过程中进给辊单次进给量为0.4mm，进给辊周向转速为120mm/s，进给辊直径为60mm。

Claims (6)

1.一种W截面异型密封结构的内外复合滚压成形方法，其特征在于，采用内外滚相结合的复合滚压方法成形高温合金薄壁W截面异型密封结构；根据截面母线轮廓可将W截面分为波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段、波谷圆弧及最外侧密封面，其中，波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段及部分波谷圆弧采用外滚法成形，波谷圆弧、最外侧密封面采用内滚法成形；通过先外滚后内滚的分步滚压成形方法实现W截面异型密封结构的成形；包括：步骤一，确定毛坯尺寸；步骤二，确定滚压成形轨迹；步骤三，多道次复合滚压成形；
确定毛坯尺寸的实现步骤如下；
所述毛坯尺寸包括坯料的周长L、宽度B、厚度T；
I、确定坯料厚度T；根据零件图尺寸确定坯料的厚度t为：
T＝t (1)
式(1)中，T为坯料的厚度，t为滚压成形零件的厚度；
II、确定坯料宽度B；坯料宽度由零件截面中性层展开长度决定，沿中性线对各段长度进行求和：
B＝∑bwi+∑bzi+Δ (2)
式(2)中，B为坯料的宽度，bwi为零件截面各弯曲圆弧段对应的坯料长度，bzi为零件截面各直线段长度，Δ为宽度余量，且Δ＝t/2；
其中，零件各弯曲段对应的坯料长度由弯曲角的大小和中性线所对应的弯曲半径确定，即：
bwi＝(ri+kit)αi (3)
式(3)中，bwi为零件截面各弯曲圆弧段对应的坯料长度，ri为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲角内径，t为滚压成形零件的厚度，αi为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲弧度，ki为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲因子，并由式(4)确定；
Figure FDA0002901743260000011
式(4)中，ki为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲因子，ri为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲角内径，t为滚压成形零件的厚度；
III、确定坯料周长L；根据材料塑性变形体积不变原理确定坯料的周向长度L，即：
L＝V/TB (5)
式(5)中，L为坯料的周长，V为滚压成形零件体积，T为坯料的厚度，B为坯料的宽度。
2.根据权利要求1所述的一种W截面异型密封结构的内外复合滚压成形方法，其特征在于，确定滚压成形轨迹的实现步骤如下，
所述滚压成形轨迹包括截面轨迹与结构轨迹；截面轨迹即滚压各道次所需成形的密封结构的截面形状，同时也是设计进给辊与芯模截面形状的依据，通过二者的相向咬合以成形密封结构的异型截面；结构轨迹即滚压成形各道次中进给辊的运行轨迹，以成形密封环件的结构形状；
I、确定截面轨迹；所述截面轨迹的确定包括外滚阶段的截面轨迹与内滚阶段的截面轨迹；
依据密封环件截面结构特征，采用顺序成形法由中间向外依次成形W截面，其中外滚成形截面波峰圆弧与部分波谷圆弧段，内滚成形截面波谷圆弧段与最外侧密封段；
保持各圆弧段总弧长与其余各直线段长度不变，且直线段与相邻圆弧段保持相切，依次增大各道次弯曲变形角直至完成各相应圆弧段的成形，从而确定内滚阶段的各道次的截面成形轨迹，进而确定内滚阶段各道次模具的截面形状；
II、确定结构轨迹；所述结构轨迹的确定包括外滚阶段的结构轨迹与内滚阶段的结构轨迹。
3.根据权利要求2所述的一种W截面异型密封结构的内外复合滚压成形方法，其特征在于，I～1、确定外滚阶段的截面轨迹；外滚阶段，进给辊位于坯料外侧，沿径向向芯模进给并绕其公转，通过二者的型面以成形外滚阶段密封结构的异型截面；
根据式(6)确定外滚阶段第i道次所需成形第j段圆弧弧长为lwij
lwij＝rijαij (6)
式(6)中，lwij为外滚阶段第i道次成形第j段圆弧的弧长，rij为环件截面此段圆弧中性线所对应的弯曲半径，αij为环件截面中此段圆弧的弯曲角度，单位rad；
保持各圆弧段总弧长长度不变，且与相邻直线段保持相切，依次增大各道次弯曲变形角直至完成各相应圆弧段的成形；
根据式(7)确定内滚阶段第j段圆弧各道次的成形弯曲角度θwij；
Figure FDA0002901743260000021
式(7)中，θwij为外滚阶段第j段圆弧第i道次的成形弯曲角度，θw0j为第j段圆弧的最终弯曲角度，Nj为第j段圆弧的弯曲成形道次数，k为变动指数，取值-0.1～-0.3；
根据式(6)、(7)确定外滚阶段的各道次的截面成形轨迹，进而确定外滚阶段各道次模具的截面形状；
I～2、确定内滚阶段的截面轨迹；内滚阶段，进给辊位于坯料内侧，沿径向背离形心向芯模进给并绕其公转，通过二者的型面配合以成形内滚阶段密封结构的异型截面；
根据式(8)确定内滚阶段第i道次所需成形第j段圆弧的弧长为lwij
lwij＝rijαij (8)
式(8)中，lwij为内滚阶段第i道次成形第j段圆弧的弧长，rij为环件截面此段圆弧中性线所对应的弯曲半径，αij为环件截面中此段圆弧的弯曲角度，单位rad；
根据式(9)确定内滚阶段第j段圆弧各道次的成形弯曲角度θmij
Figure FDA0002901743260000031
式(9)中，θwij为内滚阶段第j段圆弧第i道次的成形弯曲角度，θw0j为第j段圆弧的最终弯曲角度，Nj为第j段圆弧的弯曲成形道次数，k为变动指数，取值-0.1～-0.3。
4.根据权利要求2所述的一种W截面异型密封结构的内外复合滚压成形方法，其特征在于，II～1、确定外滚阶段的结构轨迹；外滚阶段，进给辊位于坯料外侧，沿径向朝向形心向芯模进给，并绕其公转以完成密封环件的结构形状；
每道次成形初始时刻，将此道次坯料装夹在芯模上并调控进给辊进行对刀，使其与坯料外相切，记进给辊沿径向内侧每进给一次并绕芯模公转一周为一个工步，外滚阶段第i道次第j工步结构轨迹由第j-1工步的结构轨迹与此道次进给辊的单次进给量确定，即：
sj wi＝sj-1 wi-fwi (10)
式(10)中sj wi为外滚阶段第i道次第j工步的结构轨迹，sj-1 wi为外滚阶段第i道次第j-1工步的结构轨迹，fwi为外滚阶段第i道次进给辊单次进给量，且j取值1,2,3…ni，ni为外滚阶段第i道次的总工步数，并记第i道次坯料宽度方向对称面外侧轨迹为s0 wi；
其中，第i道次的总工步数由坯料与芯模宽度方向对称面间距与进给辊单次进给量确定，即：
nwi＝dwi/fwi (11)
式(11)中，nwi为外滚阶段第i道次的总工步数，dwi为外滚阶段第i道次坯料与芯模宽度方向对称面间距，fwi为外滚阶段第i道次进给辊单次进给量，若结果不能整除，则nwi向上取整，同时将余数作为初始单次进给量；
根据式(10)、(11)即可确定外滚阶段滚压过程每道次的结构轨迹，进而确定各道次进给辊的具体加载轨迹，并将得到的轨迹离散为一定数量的点坐标，利用有理B样条曲线插补方法将进给辊加载轨迹制成CNC数控程序；
II～2、确定内滚阶段的结构轨迹；内滚阶段，进给辊位于坯料内侧，沿径向背离形心向芯模进给，并绕其公转以完成密封环件的结构形状；
每道次成形初始时刻，将此道次坯料装夹在芯模上，并调控进给辊进行对刀使其与坯料内相切，记进给辊沿径向外侧每进给一次并绕芯模公转一周为一个工步，外滚阶段第i道次第j工步结构轨迹由第j-1工步的结构轨迹与此道次进给辊的单次进给量确定，即：
sj mi＝sj-1 mi+fmi (12)
式(12)中sj mi为内滚阶段第i道次第j工步的结构轨迹，sj-1 mi为内滚阶段第i道次第j-1工步的结构轨迹，fmi为内滚阶段第i道次进给辊单次进给量，且j取值1,2,3…nmi，nmi为内滚阶段第i道次的总工步数，并记第i道次坯料宽度方向对称面内侧轨迹为s0 mi；
其中，第i道次的总工步数由坯料与芯模宽度方向对称面间距与进给辊单次进给量确定，即：
nmi＝dmi/fmi (13)
式(13)中，nmi为内滚阶段第i道次的总工步数，dmi为内滚阶段第i道次坯料与芯模宽度方向对称面间距，fmi为内滚阶段第i道次进给辊单次进给量，同时计算结果nmi向上取整；
根据式(12)、(13)即可确定内滚阶段滚压过程每道次的结构轨迹，进而确定各道次进给辊的具体加载轨迹，并将得到的轨迹离散为一定数量的点坐标，利用有理B样条曲线插补方法将进给辊加载轨迹制成CNC数控程序。
5.根据权利要求2所述的一种W截面异型密封结构的内外复合滚压成形方法，其特征在于，步骤三，多道次复合滚压成形；
在数控机床上实现W截面密封环滚压成形，复合滚压分3个道次完成，包括第一道次外滚成形波峰圆弧、部分波谷圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线过渡段，第二道次内滚成形部分波谷圆弧，第三道次内滚成形波谷圆弧、W截面最外密封两侧及精整外形。
6.根据权利要求5所述的一种W截面异型密封结构的内外复合滚压成形方法，其特征在于，多道次复合滚压的具体实施过程为：
I、第一道次滚压：将获得的第一道次外滚芯模安装在底座上，然后将密封环环坯装夹在芯模上，安装完毕后，操作机床降低尾座以固定芯模，随后控制进给辊在X-Z平面运动进行对刀至进给辊与环坯外侧相切，记录此刻坐标，将其设为数控机床的程序坐标原点；将所得第一道次外滚阶段结构轨迹的CNC数控程序导入数控机床，调用程序，运行数控机床，进给辊在数控程序的控制下以环件的结构轨迹进行加载，环坯在进给辊与芯模的相向咬合作用下，完成第一道次滚压成形；
本道次外滚成形过程中，进给辊单次进给量为0.2～0.6mm，进给辊周向转速为40～170mm/s，进给辊直径为20～60mm；
II、第二道次滚压：将获得的第二道次内滚芯模安装在底座上，然后将第一道次外滚获得的密封环环坯装夹在芯模上，安装完毕后，操作机床利用三抓卡盘以固定芯模，随后控制进给辊在X-Z平面运动进行对刀至进给辊与环坯内侧相切，记录此刻坐标，将其设为数控机床的程序坐标原点；将所得第二道次外滚阶段结构轨迹的CNC数控程序导入数控机床，调用程序，运行数控机床，进给辊在数控程序的控制下以环件的结构轨迹进行加载，环坯在进给辊与芯模的相向咬合作用下，完成第二道次滚压成形；
本道次内滚成形过程中，进给辊单次进给量为0.2～0.6mm，进给辊周向转速为40～160mm/s，进给辊直径为20～60mm；
III、第三道次滚压：将获得的第三道次内滚芯模安装在底座上，然后将第二道次内滚获得的密封环环坯装夹在芯模上，待对刀完成后开始滚压，滚压过程与第二道次相同，滚压完成后操作机床令进给辊围绕芯模空滚一到两周，以保证充分成形为所需形状；成形过程中进给辊单次进给量为0.2～0.6mm，进给辊周向转速为40～160mm/s，进给辊直径为20～60mm。
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