CN113020904A - C型内开口薄壁金属环形件制作方法和设备 - Google Patents

C型内开口薄壁金属环形件制作方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种C型内开口薄壁金属环形件制作方法和设备，所述C型内开口薄壁金属环形件制作方法包括：步骤A：下料卷管：将按尺寸切好的板料卷成圆筒；步骤B：焊接：通过激光焊接机将圆形板料焊接成直缝圆管；步骤C：分段切割：按照C型内开口环形件断面展开后的尺寸将圆筒分段切割成平面环形件；步骤D：采用对称三辊碾压机将平面环形件碾压成形，得到C型内开口薄壁金属环形件。一种C型内开口薄壁金属环形件制作设备，包括对称三辊碾压机，所述对称三辊碾压机包括：两个对称的主动辊和一个被动辊。本发明解决了C型内开口薄壁金属环形件在加工过程中厚度不均匀、截面精度差、圆度差等问题。

Description

C型内开口薄壁金属环形件制作方法和设备
技术领域
本发明涉及薄壁金属环形件制造领域，具体涉及一种C型内开口薄壁金属环形件制作方法和设备。
背景技术
封严环是用于航空发动机上髙速转动的薄壁密封环，是安装在两个法兰之间，用来保证在预定的使用寿命内两个法兰之间的密封性能的密封环。
封严环截面有多种形状，常见的有W型、C型。本发明针对C型内开口形状薄壁金属环形件(如图1、图2和图3所示)，且该件材料为高温合金GH4169,属于难加工材料。
根据已有的报道，目前采用的加工方法有切削加工、液压成形、滚压成形、辊弯－弯圆－焊接成形等工艺。
1.切削加工
切削时的塑性变形大,热导率低,切削力大且波动大,温度高,刀具易磨损及加工硬化严重,表面质量和精度不易保证.零件的型面最小壁厚仅为2.0mm,机械加工时极其容易产生变形,且型面精度高,技术条件要求严,难于保证。为此专门采用了普通加工和数控加工相结合的方法。
2.液压成形
基于液压成形的动模外压成形方法，建立了有限元模型，进行数值模拟和工艺试验，探讨了成形过程中环向失稳起皱等失效形式，提出了优化工艺参数。
但该方法中，圆周方向的失稳起皱是最主要的失效形式，需要优化型腔液压加载路径。而且毛坯需要预留工艺补充面，材料利用率较低。
3.滚压成形
滚压加工是一种常温下利用一对滚轮对零件表面施加外力作用，使被滚零件产生弹塑性变形的一种冷加工成形技术。滚压加工无切屑或产生极少切屑，可充分利用金属塑性成形能力，因而改善了金属材料的组织结构与力学性能，使被滚金属表层组织变得致密，晶粒细化，晶粒分布也变得更加均匀。目前，W型封严环滚压成形仅有数值模拟，没有相关物理实验和产品的报道。上述滚压成形采用一对滚轮进行变形，其中一个为主动轮一个为从动轮，为了稳定一般还需要设置两个导向轮。其缺点是工件的圆度较差。
4.辊弯－弯圆－焊接成形
生产工艺流程具体分为开卷、校直、辊弯、弯圆、焊接，工艺示意图如图4所示。金属板材经过校直之后进人辊弯生产线，得到直线形特定断面的零件。为获得符合形状的工艺产品，将直线形产品送入弯圆机。产品经过弯圆机成形之后变为端口未连接的环形件。最后将环形件的端口焊接在一起即可得到W型封严环。但焊接会影响圆度和表面质量。
综上所述，现有技术中存在以下问题：由于C型内开口形状薄壁金属环形件(C型封严环)具有截面复杂、厚度薄和截面尺寸小等特点，在加工过程中易出现厚度不均匀、截面精度差、圆度差等问题，影响密封性能。
发明内容
本发明提供一种C型内开口薄壁金属环形件制作方法和设备，以解决C型内开口形状薄壁金属环形件在加工过程中易出现厚度不均匀、截面精度差、圆度差等问题。
为此，本发明提供一种C型内开口薄壁金属环形件制作设备，用于C型内开口薄壁金属环形件制作方法，所述C型内开口薄壁金属环形件制作设备包括对称三辊碾压机，所述对称三辊碾压机包括：两个对称的主动辊和一个被动辊，两个对称的主动辊的轴线和一个被动辊的轴线相互平行，两个对称的主动辊的轴心和一个被动辊的轴心形成等腰三角形，被动辊的轴心位于所述等腰三角形的顶点；
每个所述主动辊具有一条凹陷的碾压槽，所述被动辊为凸滚轮，
在径向截面上，所述碾压槽的内壁与C型内开口薄壁金属环形件的外壁的形状相吻合；所述凸滚轮的外缘与C型内开口薄壁金属环形件的内壁的形状相吻合。
进一步的，两个主动辊由电动机驱动，电动机连接减速器，由联轴器连接减速器，减速器通过联轴器和齿轮副带动两个辊轮同步转动。
进一步的，被动辊水平进给和退出运动采用手动或电动方式驱动，涡轮蜗杆传动。
本发明提出一种C型内开口薄壁金属环形件制作方法，所述C型内开口薄壁金属环形件制作方法包括：
步骤A：下料卷管：将板料卷成圆筒；
步骤B：焊接：通过激光焊接机将圆形板料焊接成直缝圆管；
步骤C：分段切割：按照C型内开口环形件断面展开后的尺寸将圆筒分段切割成平面环形件；
步骤D：采用对称三辊碾压机将平面环形件碾压成形，得到C型内开口薄壁金属环形件；
所述对称三辊碾压机机包括：两个对称的主动辊和一个被动辊，两个对称的主动辊的轴线和一个被动辊的轴线相互平行，两个对称的主动辊的轴心和一个被动辊的轴心形成等腰三角形，被动辊的轴心位于所述等腰三角形的顶点；
每个所述主动辊具有一条凹陷的碾压槽，所述被动辊为凸滚轮，
在径向截面上，所述碾压槽的内壁与C型内开口薄壁金属环形件的外壁的形状相吻合；所述凸滚轮的外缘与C型内开口薄壁金属环形件的内壁的形状相吻合。
进一步的，两个主动辊由电动机驱动，电动机连接减速器，由联轴器连接减速器，减速器通过联轴器和齿轮副带动两个辊轮同步转动。
进一步的，所述主动辊转动转速：5-10r/min。
进一步的，被动辊依靠摩擦力做同步旋转，在旋转的同时逐渐水平进给，使得平面环形件与三个辊轮能同时接触，并产生碾压变形。
进一步的，被动辊水平进给和退出运动采用手动或电动方式驱动，涡轮蜗杆传动。
进一步的，被动辊水平进给速度设定在：0.1-0.5mm/s，同时设定限位器避免过量进给。
进一步的，所述C型内开口薄壁金属环形件最小壁厚为2.0mm以下，厚度为2mm。
本发明利用三辊驱动能较好控制工件圆度的优势，同时在辊与辊之间进行碾压，将平面的圆环成形出C型截面形状。本发明解决了C型内开口薄壁金属环形件在加工过程中厚度不均匀、截面精度差、圆度差等问题。
附图说明
图1为C型内开口薄壁金属环形件主视结构示意图；
图2为图1的A-A剖视结构；
图3为图2中B处的截面结构；
图4为本发明使用非对称式两辊卷板机将板料卷成圆筒的工作原理示意图；
图5用主视图示出了本发明使用对称三辊碾压机制作C型内开口薄壁金属环形件的工作原理；
图6用立体图示出了本发明使用对称三辊碾压机制作C型内开口薄壁金属环形件的工作原理。
附图标号说明：
50、工件；51、刚性轮；52、柔性轮；61、主动辊；62、主动辊；63、被动辊；65、碾压槽。
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，现对照附图说明本发明。
C型内开口形状薄壁金属环形件，且该件材料为GH4169,属于难加工材料。由于该类零件具有截面复杂、厚度薄和截面尺寸小等特点，在加工过程中易出现厚度不均匀、截面精度差、圆度差等问题，影响封严环的密封性能。
具体步骤：
1.下料卷管：高温合金板料按照计算好的尺寸下料后，使用非对称两辊卷板机(将板料卷成圆筒。如图4所示，非对称式两辊卷板机具有刚性轮51和柔性轮52(刚性轮采用45#钢或高速钢，柔性轮采用聚氨酯材料)，刚性轮51的直径小于柔性轮52，并且刚性轮51的刚性大于柔性轮52，板料形的工件50在刚性轮51和柔性轮52之间进行滚压，板料形的工件50和柔性轮52发生变形，柔性轮52为弹性变形，板料形的工件50为塑形变形，形成圆筒。
2.焊接：通过激光焊接机将圆形板料，即圆筒焊接成直缝圆管，这样，焊缝较为光滑细致。
3.分段切割：按照C型内开口环形件断面展开后的尺寸将圆筒分段切割成平面环形件。
4.对称三辊碾压成形：
如图5和图6所示，本发明的两个对称辊轮为主动辊61和主动辊62(材料为冷作模具钢)，由电动机驱动，由联轴器连接减速器，减速器通过联轴器和齿轮副带动两个辊轮同步转动。主动辊转动转速：5-10r/min。
环形件即工件50，里面的较小的辊轮为被动辊63(由于辊轮厚度尺寸较小，可采用强度较高的硬质合金)，依靠摩擦力做同步旋转，在旋转的同时逐渐水平进给，使得工件50与三个辊轮能同时接触，每个所述主动辊具有一条凹陷的碾压槽65，主动辊61和主动辊62通过碾压槽65与工件50的外壁或外缘接触(相切)，被动辊63为凸滚轮与50的内壁或内缘接触(相切)，并产生碾压变形。
被动辊的直径小于开口薄壁金属环形件的内径，主动辊的直径由被动辊的直径以及三个辊的位置关系决定，工作时受力点在被动辊和主动辊的轴心的连线上。
本发明中水平进给和退出运动采用手动或电动方式驱动，涡轮蜗杆传动。电机通过减速机和蜗杆使丝杆丝母获得相应的转数，又通过丝杆，使被动辊63产生相应速度的水平运动。水平进给速度设定在：0.1-0.5mm/s，同时设定限位器避免过量进给。
5.修整：被动辊63(水平)退出，取出工件；修毛刺，打磨。
如图1、图2和图3所示，成品的C型内开口形状薄壁金属环形件的内径R2为29.68mm，外径R1为31.68mm，外部高度d1为2mm，内部高度为1.56mm，壁厚2mm，纵截面圆弧半径R3为0.78mm。本发明制作的C型内开口环形件厚度均匀、截面精度高、圆度好，在壁厚(断面垂直)方向几乎没有塑性变形
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种C型内开口薄壁金属环形件制作设备，其特征在于，所述C型内开口薄壁金属环形件制作设备包括：对称三辊碾压机；
所述对称三辊碾压机包括：两个对称的主动辊和一个被动辊，两个对称的主动辊的轴线和一个被动辊的轴线相互平行，两个对称的主动辊的轴心和一个被动辊的轴心形成等腰三角形，被动辊的轴心位于所述等腰三角形的顶点；主动辊的材质为冷作模具钢，被动辊的材质为合金；
每个所述主动辊具有一条凹陷的碾压槽，所述被动辊为凸滚轮，
在径向截面上，所述碾压槽的内壁与C型内开口薄壁金属环形件的外壁的形状相吻合；所述凸滚轮的外缘与C型内开口薄壁金属环形件的内壁的形状相吻合。
2.如权利要求1所述的C型内开口薄壁金属环形件制作设备，其特征在于，两个主动辊由电动机驱动，电动机连接减速器，由联轴器连接减速器，减速器通过联轴器和齿轮副带动两个辊轮同步转动。
3.如权利要求1所述的C型内开口薄壁金属环形件制作设备，其特征在于，被动辊水平进给和退出运动采用手动或电动方式驱动，涡轮蜗杆传动。
4.一种C型内开口薄壁金属环形件制作方法，其特征在于，所述C型内开口薄壁金属环形件制作方法采用权利要求1至3中任一项所述的制作设备，所述制作方法包括：
步骤A：下料卷管：将板料卷成圆筒；
步骤B：焊接：通过激光焊接机将圆形板料焊接成直缝圆管；
步骤C：分段切割：按照C型内开口环形件断面展开后的尺寸将圆筒分段切割成平面环形件；
步骤D：采用对称三辊碾压机将平面环形件碾压成形，得到C型内开口薄壁金属环形件；
所述对称三辊碾压机包括：两个对称的主动辊和一个被动辊，两个对称的主动辊的轴线和一个被动辊的轴线相互平行，两个对称的主动辊的轴心和一个被动辊的轴心形成等腰三角形，被动辊的轴心位于所述等腰三角形的顶点；每个所述主动辊具有一条凹陷的碾压槽，所述被动辊为凸滚轮，
在径向截面上，所述碾压槽的内壁与C型内开口薄壁金属环形件的外壁的形状相吻合；所述凸滚轮的外缘与C型内开口薄壁金属环形件的内壁的形状相吻合。
5.如权利要求4所述的C型内开口薄壁金属环形件制作方法，其特征在于，两个主动辊由电动机驱动，电动机连接减速器，由联轴器连接减速器，减速器通过联轴器和齿轮副带动两个辊轮同步转动。
6.如权利要求5所述的C型内开口薄壁金属环形件制作方法，其特征在于，所述主动辊转动转速：5-10r/min。
7.如权利要求5所述的C型内开口薄壁金属环形件制作方法，其特征在于，被动辊依靠摩擦力做同步旋转，在旋转的同时逐渐水平进给，使得平面环形件与三个辊轮能同时接触，并产生碾压变形。
8.如权利要求5所述的C型内开口薄壁金属环形件制作方法，其特征在于，被动辊水平进给和退出运动采用手动或电动方式驱动，涡轮蜗杆传动。
9.如权利要求5所述的C型内开口薄壁金属环形件制作方法，其特征在于，被动辊水平进给速度设定在：0.1-0.5mm/s，同时设定限位器避免过量进给。
10.如权利要求4所述的C型内开口薄壁金属环形件制作方法，其特征在于，所述C型内开口薄壁金属环形件最小壁厚为2.0mm以下，厚度为2mm。
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