CN111822573A

CN111822573A - 一种基于超低温加工的合金管件旋压成形工艺

Info

Publication number: CN111822573A
Application number: CN202010585420.6A
Authority: CN
Inventors: 李鸣; 赵欣; 王荣祥; 沈一洲
Original assignee: JIANGSU HUAYANG PIPE INDUSTRY CO LTD
Current assignee: JIANGSU HUAYANG PIPE INDUSTRY CO LTD
Priority date: 2020-06-24
Filing date: 2020-06-24
Publication date: 2020-10-27

Abstract

本发明公开了一种基于超低温加工的合金管件旋压成形工艺，该工艺为：首先将合金管件和芯模装夹到主轴上，控制管件和芯模的水平放置，继而在管坯尾端安装尾顶，用尾顶支撑芯模的非夹持端，然后选择合适的旋压成形参数，对合金管金进行旋压成形加工。在整个旋压加工过程中，加工区域采用超低温冷却加工方式，降低成形温度至超低温范围，改善加工区域的摩擦状态，最终获得高加工精度、高表面质量和高综合机械性能的成形合金管件。

Description

一种基于超低温加工的合金管件旋压成形工艺

技术领域

本发明涉及金属空心构件先进制造技术领域，特别涉及一种基于超低温加工的合金管件旋压成形工艺。

背景技术

金属旋压技术是一种少无切削加工工艺，综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧和滚压等工艺特点。作为塑性成形的一个分支，具有金属变形条件好、材料利用率高、柔性好及成本低等特点。旋压技术目前已成为小批量、多品种对称及非对称回转体空心薄壁件的核心加工方法，发展前景广阔。不仅在轻工业中占有重要地位，而且在航空、航天中应用较广的轻合金材料成形也得到了广泛应用。

目前，越来越恶劣的服役环境对合金管件的旋压加工质量提出了严峻的挑战，包括尺寸精度高、内外表面质量好、力学及机械性能良好等要求。然而，目前传统的旋压成形工艺在加工过程中会放出大量的变形热，产生的热量无法及时散发，使得成形管件的表面加工质量降低，材料微观组织变形不均匀，进而降低旋压件的抗拉强度、屈服强度和硬度，严重影响合金管件在实际服役环境下的疲劳性能和使用寿命。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提出一种基于超低温加工的合金管件旋压工艺，使得旋压过程中产生的热量可以及时散发，防止材料微观组织变形不均匀，有效提高旋压加工精度和材料表面加工质量。

技术方案：本发明提供的一种基于超低温加工的合金管件旋压成形工艺，包括以下步骤：

1）选取合适壁厚和合适管径的合金管件为旋压加工材料；

2）将合金管件套在芯模上，固定芯模和合金管件的相对位置；

3）将合金管件和芯模装夹到旋转主轴上，在安装过程中控制管件和芯模的水平放置，并在管坯尾端安装尾顶，用尾顶支撑芯模的非夹持端，实现对管坯在旋压成形过程中轴向跳动的控制；

4）选择合适的旋轮直径、旋轮圆角半径、旋轮进给量、主轴转速、旋压路径和尾顶拉力，对合金管件进行旋压成形加工；在整个旋压加工过程中，尾顶对管坯施加轴向拉力，控制管坯的轴向跳动，加工区域采用超低温冷却加工方式，降低成形温度至超低温范围，改善加工区域的摩擦状态；

5）旋压程序完成后退出旋轮、卸下尾顶，将合金管件从芯模上取下，通过铣切的方式切除余料，获得最终成形合金管件。

本发明中，所述步骤1）中的合金管件为铝合金、镍基高温合金等金属材料。

本发明中，所述步骤3）中的尾顶运动方向和材料的流动方向保持一致。

本发明中，所述步骤4）中的旋轮直径为120~360 mm，旋轮圆角半径为2-10 mm，旋轮进给量为0.1~3.0 mm/r，主轴转速为400~800 r/min。

本发明中，所述步骤4）中的尾顶轴向拉力可控，通过对管坯施加的轴向拉力实现对材料轴向流动的控制，避免管件成形弯曲或者厚度不均匀。

本发明中，所述步骤4）中的超低温冷却加工，采用沸点低、易汽化的液氮作为冷却介质，而在冷却介质的施加方式中，选择具有冷却效果好、浪费小等优势的内喷式冷却技术进行超低温冷却加工；超低温范围在-100 ℃~-200 ℃。

本发明中，所述步骤4）中旋轮对铝合金管进行多道次的旋压成形，在整个旋压加工过程中，通过液氮内喷式注口向冷却加工区域输送液氮，液氮内喷式注口与合金管件之间形成超低温加工腔体，实现-100 ℃~-200 ℃的超低温加工环境；与此同时主轴带动管坯高速运动，旋轮轴向往复运动，旋轮沿管坯轴向运动一个往复为一个道次。

本发明中，所述步骤5）中的最终成形管件壁厚均匀无弯曲，与原始母材壁厚的误差在±5%以内。

本发明中，提出的基于超低温加工的合金管件旋压成形工艺可以应用于不同合金管件的旋压加工，通过超低温加工环境有效改善加工区域摩擦状态，及时散发加工过程中产生的变形热，从而有效提高合金管件的旋压加工精度和表面加工质量。

本发明具有以下有益效果：

1）本发明在超低温冷却环境下对合金管件进行旋压加工，可以在微观尺度上维持细小等轴晶粒，保证管件表面的综合机械性能；

2）本发明引入的超低温旋压加工环境可以有效减少管件成形过程中产生的变形热，从而有效提高管件加工精度和表面质量；

3）本发明工艺生产效率高，对于调控金属空心构件的加工质量具有重要的意义，在航空、航天、军工等工程领域具有重要的工程应用价值和明显的经济效益。

附图说明

图1为合金管件超低温旋压成形装置示意图；

图2为超低温旋压加工装置示意图。

图中，1为芯模，2为合金管件，3为旋轮，4为冷却加工区域，5为超低温加工腔体，6为尾顶，7为液氮内喷式注口。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图1-2所示，一种基于超低温加工的合金管件旋压成形工艺，包括以下步骤：

1）选取合适壁厚和合适管径的合金管件2为旋压加工材料；

2）将合金管件套在芯模1上，固定芯模和合金管件的相对位置；

3）将合金管件和芯模装夹到旋转主轴上，在安装过程中控制管件和芯模的水平放置，并在管坯尾端安装尾顶6，用尾顶支撑芯模的非夹持端，实现对管坯在旋压成形过程中轴向跳动的控制；

4）选择合适的旋轮3的直径、旋轮的圆角半径、旋轮的进给量、主轴转速、旋压路径和尾顶拉力，对合金管件进行旋压成形加工；在整个旋压加工过程中，尾顶对管坯施加轴向拉力，控制管坯的轴向跳动，冷却加工区域4采用超低温冷却加工方式，降低成形温度至超低温范围，改善加工区域的摩擦状态；

5）旋压程序完成后退出旋轮、卸下尾顶，将合金管件从芯模上取下，通过铣切的方式切除余料，获得最终成形合金管件，壁厚均匀无弯曲，与原始母材壁厚的误差在±5%以内。

所述步骤1）中的合金管件为铝合金、镍基高温合金等金属材料。

所述步骤3）中的尾顶运动方向和材料的流动方向保持一致。

所述步骤4）中的旋轮的直径为120~360 mm，旋轮的圆角半径为2-10 mm，旋轮的进给量为0.1~3.0 mm/r，主轴转速为400~800 r/min。

所述步骤4）中旋轮对合金管件进行多道次的旋压成形，在整个旋压加工过程中，通过液氮内喷式注口7向冷却加工区域输送液氮，液氮内喷式注口7与合金管件2之间形成超低温加工腔体5，实现-100℃ 到-200℃的超低温加工环境；与此同时主轴带动管坯高速运动，旋轮轴向往复运动，旋轮沿管坯轴向运动一个往复为一个道次；旋轮轴向运动速度为300-800 mm/min，每道次旋轮单边压下量为0.1-2 mm，旋轮进给量为0.1-1.5 mm/r，尾顶从第三道次开始对管坯施加轴向拉力，旋轮往复运动结束可以实现合金管件的旋压成形，并保持壁厚不变。

所述步骤4）中的尾顶轴向拉力可控，通过对管坯施加的轴向拉力实现对材料轴向流动的控制，避免管件成形弯曲或者厚度不均匀。

所述步骤4）中的超低温冷却加工，采用沸点低、易汽化的液氮作为冷却介质，而在冷却介质的施加方式中，选择具有冷却效果好、浪费小等优势的内喷式冷却技术进行超低温冷却加工；超低温范围在-100 ℃~-200 ℃。

实施例1：

第一步，采用铝合金管作为旋压加工材料，选取长260 mm、壁厚1 mm、管径12 mm的铝合金管备用；

第二步，将铝合金管套在芯模上，固定芯模和铝合金管的相对位置；

第三步，将铝合金管和芯模装夹到主轴上，并在管坯尾端安装尾顶，用尾顶支撑芯模的非夹持端，设置主轴转速为600 r/min；

第四步，选择直径为120 mm、圆角半径为4 mm的旋轮对铝合金管进行多道次的旋压成形，在整个旋压加工过程中，通过液氮内喷式注口向冷却加工区域输送液氮，液氮内喷式注口7与合金管件2之间形成超低温加工腔体5，实现-100 ℃的超低温加工环境；与此同时主轴带动管坯高速运动，旋轮轴向往复运动，旋轮沿管坯轴向运动一个往复为一个道次；旋轮轴向运动速度依次为600 mm/min、580 mm/min、560 mm/min、530 mm/min，每道次旋轮单边压下量为0.25 mm，尾顶从第三道次开始对管坯施加轴向拉力，管坯从直径Φ12 mm缩旋到Φ10 mm，壁厚仍为1 mm；

第五步，旋压程序完成后退出旋轮、卸下尾顶，将铝合金管从芯模上取下，通过铣切的方式切除余料，获得最终成形的铝合金管。

实施例2

第一步，采用铝合金管2作为旋压加工材料，选取长260 mm、壁厚1 mm、管径12 mm的铝合金管备用；

第二步，将铝合金管套在芯模1上，固定芯模和铝合金管的相对位置；

第三步，将铝合金管和芯模装夹到主轴上，并在管坯尾端安装尾顶6，用尾顶支撑芯模的非夹持端，设置主轴转速为600 r/min；

第四步，选择直径为120 mm、圆角半径为4 mm的旋轮对铝合金管进行多道次的旋压成形，在整个旋压加工过程中，通过液氮内喷式注口7向冷却加工区域4输送液氮，液氮内喷式注口7与合金管件2之间形成超低温加工腔体5，实现-150 ℃的超低温加工环境；与此同时主轴带动管坯高速运动，旋轮轴向往复运动，旋轮沿管坯轴向运动一个往复为一个道次；旋轮轴向运动速度依次为600 mm/min、580 mm/min、560 mm/min、530 mm/min，每道次旋轮单边压下量为0.25 mm，旋轮进给量为0.5 mm/r，尾顶从第三道次开始对管坯施加轴向拉力，管坯从直径Φ12 mm缩旋到Φ10 mm，壁厚仍为1 mm；

实施例3

第一步，采用镍基高温合金管作为旋压加工材料，选取长280 mm、壁厚1 mm、管径14 mm的镍基高温合金管备用；

第二步，将镍基高温合金管套在芯模上，固定芯模和镍基高温合金管的相对位置；

第三步，将镍基高温合金管和芯模装夹到主轴上，并在管坯尾端安装尾顶，用尾顶支撑芯模的非夹持端，设置主轴转速为800 r/min；

第四步，选择直径为150 mm、圆角半径为6 mm的旋轮对镍基高温合金管进行多道次的旋压成形，在整个旋压加工过程中，通过液氮内喷式注口向冷却加工区域输送液氮，液氮内喷式注口7与合金管件2之间形成超低温加工腔体5，实现-200 ℃的超低温加工环境；与此同时主轴带动管坯高速运动，旋轮轴向往复运动，旋轮沿管坯轴向运动一个往复为一个道次；旋轮轴向运动速度依次为580 mm/min、560 mm/min、530 mm/min、480 mm/min，每道次旋轮单边压下量为0.25 mm，旋轮进给量为0.75 mm/r，尾顶从第三道次开始对管坯施加轴向拉力，管坯从直径Φ14 mm缩旋到Φ12 mm，壁厚仍为1 mm；

第五步，旋压程序完成后退出旋轮、卸下尾顶，将镍基高温合金管从芯模上取下，通过铣切的方式切除余料，获得最终成形的镍基高温合金管。

实施例4

第一步，采用纯钛管作为旋压加工材料，选取长240 mm、壁厚1 mm、管径10 mm的纯钛管备用；

第二步，将纯钛管套在芯模上，固定芯模和纯钛管的相对位置；

第三步，将纯钛管和芯模装夹到主轴上，并在管坯尾端安装尾顶，用尾顶支撑芯模的非夹持端，设置主轴转速为400 r/min；

第四步，选择直径为120 mm、圆角半径为4 mm的旋轮对纯钛管进行多道次的旋压成形，在整个旋压加工过程中，通过液氮内喷式注口向冷却加工区域输送液氮，液氮内喷式注口7与合金管件2之间形成超低温加工腔体5，实现-180 ℃的超低温加工环境；与此同时主轴带动管坯高速运动，旋轮轴向往复运动，旋轮沿管坯轴向运动一个往复为一个道次；旋轮轴向运动速度依次为360 mm/min、360 mm/min、400 mm/min、300 mm/min，每道次旋轮单边压下量为0.25 mm，旋轮进给量为0.25 mm/r，尾顶从第三道次开始对管坯施加轴向拉力，管坯从直径Φ10 mm缩旋到Φ8 mm，壁厚仍为1 mm；

第五步，旋压程序完成后退出旋轮、卸下尾顶，将纯钛管从芯模上取下，通过铣切的方式切除余料，获得最终成形的纯钛管。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于超低温加工的合金管件旋压成形工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1）选取合适壁厚和合适管径的合金管件为旋压加工材料；

2.根据权利要求1所述的基于超低温加工的合金管件旋压成形工艺，其特征在于，步骤1）中的合金管件为铝合金、镍基高温合金、纯钛管。

3.根据权利要求1所述的基于超低温加工的合金管件旋压成形工艺，其特征在于，步骤3）中的尾顶运动方向和材料的流动方向保持一致。

4.根据权利要求1所述的基于超低温加工的合金管件旋压成形工艺，其特征在于，步骤4）中的旋轮直径为120~360 mm，旋轮圆角半径为2-10 mm，旋轮进给量为0.1~3.0 mm/r，主轴转速为400~800 r/min。

5.根据权利要求1所述的基于超低温加工的合金管件旋压成形工艺，其特征在于，步骤4）中的尾顶轴向拉力可控，通过对管坯施加的轴向拉力实现对材料轴向流动的控制，避免管件成形弯曲或者厚度不均匀。

6.根据权利要求1所述的基于超低温加工的合金管件旋压成形工艺，其特征在于，步骤4）中旋轮对合金管件进行多道次的旋压成形，在整个旋压加工过程中，通过液氮内喷式注口向冷却加工区域输送液氮，液氮内喷式注口与合金管件之间形成超低温加工腔体，实现-100℃ 到-200℃的超低温加工环境；与此同时主轴带动管坯高速运动，旋轮轴向往复运动，旋轮沿管坯轴向运动一个往复为一个道次；旋轮轴向运动速度为300-800 mm/min，每道次旋轮单边压下量为0.1-2 mm，旋轮进给量为0.1-1.5 mm/r，尾顶从第三道次开始对管坯施加轴向拉力，旋轮往复运动结束可以实现合金管件的旋压成形，并保持壁厚不变。

7.根据权利要求1所述的基于超低温加工的合金管件旋压成形工艺，其特征在于，步骤5）中的最终成形管件壁厚均匀无弯曲，与原始母材壁厚的误差在±5%以内。