CN112045024A - 椭圆形截面零件的旋压成形方法 - Google Patents

椭圆形截面零件的旋压成形方法 Download PDF

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张洪明
张旭忠
张欣龙
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    • G06F17/11Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems

Abstract

椭圆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、将带弧线的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,进而旋压形成椭圆形截面。技术方案主要步骤为:预设椭圆截面的尺寸、零件拔模角度以及旋轮尺寸,确定轮盘杆长度、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,使轮盘带动旋轮按照设定轨迹带动旋轮进给,从而使零件经旋压后形成椭圆形截面零件。

Description

椭圆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,具体涉及椭圆形截面零件的旋压成形方法。
背景技术
旋压是一种特殊的成形方法,是通过旋转使之受力点由点到线由线到面,同时在某个方向给予一定的压力使金属材料沿着这一方向变形和流动而成型某一形状的技术。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椭圆形的零件。
上世纪八十年代,有国外学者借助车床加工椭圆横截面零件的十字滑槽机构使旋轮产生椭圆轨迹,剪切旋压成椭圆形横截面空心零件,该研究虽然最早证明了非圆旋压的可行性。但该机构所获得的旋压运动轨迹精度差,因此限制了其应用。因此对于非圆截面钣金零件的成形,现有技术中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。
近年来有学者提出了一种新的非圆截面零件的旋压方法,即通过旋轮装置径向进给,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,运动解析计算方法复杂,实际加工时采用靠模法加工。而一个靠模只能用来加工一种形状和尺寸的零件,因此实际应用时具有局限性。
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;在主轴旋转一周内多次快速前进和后退存在的运动解析计算方法复杂以及靠模法、加工局限性大的问题。
为实现上述目的,本发明的椭圆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,将两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lx满足公式(一)的要求:
lx=l1+r+r0 (一)
其中:
l1为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;
r0为圆筒状毛坯的截面半径,且r0>a(a为预加工成形零件的椭圆截面半长轴尺寸);
步骤二:启动主轴及轮盘,分别带动待加工的圆筒状毛坯料及旋轮旋转,使待加工的圆筒状毛坯料旋转一周时,轮盘也旋转一周;将待加工的圆筒状毛坯料旋转的一周平均分为两个周期,每个周期包括加工接触阶段和空转阶段,两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,主轴旋离水平位置初始位置的角度值β与轮盘旋离水平位置的角度值α满足公式(二)、(三)、(四)、(五)和(六)的关系:
(l1·sinα-r·sinθ)2+(b+l1+r-l1·cosα-r·cosθ)2=(a·cos∠1)2+(b·sin∠1)2 (二)
其中:
l1为为轮盘回转中心与旋轮圆心之间的径向距离;
r为旋轮半径;
a为预加工成形零件的椭圆截面半长轴尺寸;
b为预加工成形零件的椭圆截面半短轴尺寸;
α为轮盘转过的角度;
β为主轴转过的角度;
θ为旋轮中心与切点连线同水平线的夹角;
∠1为旋轮与椭圆交点相对于椭圆形成的离心角;
∠2为待加工的圆筒状毛坯料和旋轮的切点与待加工的圆筒状毛坯料中心连线同水平线的夹角;
∠3为旋轮和椭圆交点与椭圆中心的连线与椭圆长轴所在直线的夹角;
在每个周期的空转阶段中,轮盘与待加工的圆筒状毛坯料保持匀速旋转;此时轮盘转速ωα与主轴转速ωβ关系遵循公式(七):
α′与β′的值由公式(八)和(九)确定:
加工接触阶段与空转阶段的临界状态
当α=α′,β=β′时,旋轮与待加工的圆筒状毛坯料处于加工接触阶段与空转阶段的交界处;
当α≤α′,β≤β′时,旋轮与待加工的圆筒状毛坯料处于加工接触阶段;
当α≥α′,β≥β′时,旋轮与待加工的圆筒状毛坯料处于空转阶段;
步骤三:启动轮盘带动旋轮径向进给,使轮盘回转中心与主轴轴线径向距离l0满足公式(十)的要求:
l0=l1+r+a (十)
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;
a为预加工成形零件的椭圆截面半长轴尺寸;
步骤四:将轮盘在主轴方向上进给x,进行下一个圆周的加工,其中:
当预加工成形的椭圆零件拔模角度γ=0时,轮盘进给轨迹与主轴平行;此时预加工成形的椭圆零件截面的半长轴尺寸a'和半短轴尺寸b'与步骤二中的半长轴尺寸a和半短轴尺寸b相同,采用步骤二中的机构运动规律进行旋压加工;
当预加工成形的椭圆零件拔模角度γ≠0时,轮盘按照预加工成形的椭圆零件边缘沿与主轴成γ角进给;通过公式(十一)和(十二)计算此时预加工成形的椭圆零件截面的半长轴尺寸a'和半短轴尺寸b',将a'替换步骤二中的a,将b'替换步骤二中的b,采用步骤二中的机构运动规律进行旋压加工;
a'=a·[1-x·tan(γ)] (十一)
b'=b·[1-x·tan(γ)] (十二)
步骤五:重复步骤四完成预加工成形的截面为椭圆形的零件从边长最大截面到最小截面的加工。
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(十三)计算获得:
其中:
r为旋轮2半径;
amax为预加工成形零件的最大椭圆截面半长轴尺寸;
bmax为预加工成形零件的最大椭圆截面半短轴尺寸。
本发明的有益效果为:
1、基于解析法的运动成形机理,无理论误差,可提高成形精度。
2、在旋轮运动装置上分布2个旋轮,通过2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。
3、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。
4、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椭圆截面薄壁零件,实现节能减排效果。
5、所提出的椭圆截面零件旋压成形,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是本发明中零件、旋轮与轮盘的整体位置关系俯视图;
图2是本发明中轮盘带动旋轮完成径向进给时,零件、旋轮与轮盘的位置关系俯视图;
图3是本发明中轮盘与零件短轴所在直线均水平时的位置关系示意图;
图4是加工接触阶段示意图;
图5是空转阶段示意图;
图6是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椭圆形的零件。
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,本发明的椭圆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,将两个旋轮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lx满足公式(一)的要求:
lx=l1+r+r0 (一)
其中:
l1为为轮盘1回转中心与旋轮2圆心之间的径向距离;
r为旋轮的半径;
r0为圆筒状毛坯的截面半径,且r0>a(a为预加工成形零件的椭圆截面半长轴尺寸);
步骤二:启动主轴及轮盘1,分别带动待加工的圆筒状毛坯料及旋轮2旋转,使待加工的圆筒状毛坯料旋转一周时,轮盘1也旋转一周;将待加工的圆筒状毛坯料旋转的一周平均分为两个周期,每个周期包括加工接触阶段和空转阶段,两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,主轴旋离水平位置初始位置的角度值β与轮盘1旋离水平位置的角度值α满足公式(二)、(三)、(四)、(五)和(六)的关系:
(l1·sinα-r·sinθ)2+(b+l1+r-l1·cosα-r·cosθ)2=(a·cos∠1)2+(b·sin∠1)2 (二)
其中:
l1为为轮盘1回转中心与旋轮2圆心之间的径向距离;
r为旋轮2半径;
a为预加工成形零件的椭圆截面半长轴尺寸;
b为预加工成形零件的椭圆截面半短轴尺寸;
α为轮盘1转过的角度;
β为主轴转过的角度;
θ为旋轮2中心与切点连线同水平线的夹角;
∠1为旋轮2与椭圆交点相对于椭圆形成的离心角;
∠2为待加工的圆筒状毛坯料和旋轮2的切点与待加工的圆筒状毛坯料中心连线同水平线的夹角;
∠3为旋轮2和椭圆交点与椭圆中心的连线与椭圆长轴所在直线的夹角;
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保持匀速旋转;此时轮盘1转速ωα与主轴转速ωβ关系遵循公式(七):
α′与β′的值由公式(八)和(九)确定:
加工接触阶段与空转阶段的临界状态
当α=α′,β=β′时,旋轮2与待加工的圆筒状毛坯料处于加工接触阶段与空转阶段的交界处;
当α≤α′,β≤β′时,旋轮2与待加工的圆筒状毛坯料处于加工接触阶段;
当α≥α′,β≥β′时,旋轮2与待加工的圆筒状毛坯料处于空转阶段;
步骤三:启动轮盘1带动旋轮2径向进给,使轮盘1回转中心与主轴轴线径向距离l0满足公式(十)的要求:
l0=l1+r+a (十)
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;
a为预加工成形零件的椭圆截面半长轴尺寸;
步骤四: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:
当预加工成形的椭圆零件拔模角度γ=0时,轮盘1进给轨迹与主轴平行;此时预加工成形的椭圆零件截面的半长轴尺寸a'和半短轴尺寸b'与步骤二中的半长轴尺寸a和半短轴尺寸b相同,采用步骤二中的机构运动规律进行旋压加工;
当预加工成形的椭圆零件拔模角度γ≠0时,轮盘1按照预加工成形的椭圆零件边缘沿与主轴成γ角进给;通过公式(十一)和(十二)计算此时预加工成形的椭圆零件截面的半长轴尺寸a'和半短轴尺寸b',将a'替换步骤二中的a,将b'替换步骤二中的b,采用步骤二中的机构运动规律进行旋压加工;
a'=a·[1-x·tan(γ)] (十一)
b'=b·[1-x·tan(γ)] (十二)
步骤五:重复步骤四完成预加工成形的截面为椭圆形的零件3从边长最大截面到最小截面的加工。
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(十三)计算获得:
其中:
r为旋轮2半径;
amax为预加工成形零件的最大椭圆截面半长轴尺寸;
bmax为预加工成形零件的最大椭圆截面半短轴尺寸。
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。

Claims (2)

1.椭圆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,将两个旋轮(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lx满足公式(一)的要求:
lx=l1+r+r0 (一)
其中:
l1为为轮盘(1)回转中心与旋轮(2)圆心之间的径向距离;
r为旋轮的半径;
r0为圆筒状毛坯的截面半径,且r0>a(a为预加工成形零件的椭圆截面半长轴尺寸);
步骤二:启动主轴及轮盘(1),分别带动待加工的圆筒状毛坯料及旋轮(2)旋转,使待加工的圆筒状毛坯料旋转一周时,轮盘(1)也旋转一周;将待加工的圆筒状毛坯料旋转的一周平均分为两个周期,每个周期包括加工接触阶段和空转阶段,两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,主轴旋离水平位置初始位置的角度值β与轮盘(1)旋离水平位置的角度值α满足公式(二)、(三)、(四)、(五)和(六)的关系:
(l1·sinα-r·sinθ)2+(b+l1+r-l1·cosα-r·cosθ)2=(a·cos∠1)2+(b·sin∠1)2 (二)
其中:
l1为为轮盘(1)回转中心与旋轮(2)圆心之间的径向距离;
r为旋轮(2)半径;
a为预加工成形零件的椭圆截面半长轴尺寸;
b为预加工成形零件的椭圆截面半短轴尺寸;
α为轮盘(1)转过的角度;
β为主轴转过的角度;
θ为旋轮(2)中心与切点连线同水平线的夹角;
∠1为旋轮(2)与椭圆交点相对于椭圆形成的离心角;
∠2为待加工的圆筒状毛坯料和旋轮(2)的切点与待加工的圆筒状毛坯料中心连线同水平线的夹角;
∠3为旋轮(2)和椭圆交点与椭圆中心的连线与椭圆长轴所在直线的夹角;
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保持匀速旋转;此时轮盘(1)转速ωα与主轴转速ωβ关系遵循公式(七):
α′与β′的值由公式(八)和(九)确定:
加工接触阶段与空转阶段的临界状态
当α=α′,β=β′时,旋轮(2)与待加工的圆筒状毛坯料处于加工接触阶段与空转阶段的交界处;
当α≤α′,β≤β′时,旋轮(2)与待加工的圆筒状毛坯料处于加工接触阶段;
当α≥α′,β≥β′时,旋轮(2)与待加工的圆筒状毛坯料处于空转阶段;
步骤三:启动轮盘(1)带动旋轮(2)径向进给,使轮盘(1)回转中心与主轴轴线径向距离l0满足公式(十)的要求:
l0=l1+r+a (十)
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;
a为预加工成形零件的椭圆截面半长轴尺寸;
步骤四: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:
当预加工成形的椭圆零件拔模角度γ=0时,轮盘(1)进给轨迹与主轴平行;此时预加工成形的椭圆零件截面的半长轴尺寸a'和半短轴尺寸b'与步骤二中的半长轴尺寸a和半短轴尺寸b相同,采用步骤二中的机构运动规律进行旋压加工;
当预加工成形的椭圆零件拔模角度γ≠0时,轮盘(1)按照预加工成形的椭圆零件边缘沿与主轴成γ角进给;通过公式(十一)和(十二)计算此时预加工成形的椭圆零件截面的半长轴尺寸a'和半短轴尺寸b',将a'替换步骤二中的a,将b'替换步骤二中的b,采用步骤二中的机构运动规律进行旋压加工;
a'=a·[1-x·tan(γ)] (十一)
b'=b·[1-x·tan(γ)] (十二)
步骤五:重复步骤四完成预加工成形的截面为椭圆形的零件(3)从边长最大截面到最小截面的加工。
2.根据权利要求1所述的椭圆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(十三)计算获得:
其中:
r为旋轮(2)半径;
amax为预加工成形零件的最大椭圆截面半长轴尺寸;
bmax为预加工成形零件的最大椭圆截面半短轴尺寸。
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