CN113134539B - 一种旋轮、旋压组件及旋压工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于旋压成形技术领域，公开了一种旋轮、旋压组件及旋压工艺。本发明通过在旋轮主体一端设置有一防扩部，使得旋轮沿旋轮鼻尖平面呈非对称形状，同时防扩部的外表面与旋轮主体的中心轴呈锐角，将本发明的旋轮用于对轮旋压工艺中能够有效控制对轮旋压过程中大型筒形件的扩径缺陷，从而有效减少大型筒形件废品段的长度，进而提高材料的利用率和降低生产成本。与现有的对轮旋压成形中通过工艺参数逐步优化和进行多道次旋压来减轻扩径缺陷的方法相比，本发明还具有提高生产效率和降低试错成本的优点，同时也利于未来对轮旋压成形中数字化、集成化、智能化进程的顺利进行。

Description

一种旋轮、旋压组件及旋压工艺

技术领域

本发明涉及旋压成形技术领域，具体涉及一种旋轮、旋压组件及旋压工艺。

技术背景

旋压成形是一种综合锻造、挤压、拉深、弯曲和滚压等工艺特点的近净省力成形工艺，其具有工艺柔性好、成形力小、材料利用率高和构件成形性能好等优点，被广泛应用于航空航天等回转体构件的加工制造中。对轮旋压作为一种新型的强力旋压方法，其利用内旋轮来代替传统流动旋压中的芯模，依靠内外旋轮同时对筒形件内外壁施加成形力，不仅能够节省模具制造的成本，而且能够改善流动旋压中筒形件内外壁变形不均匀等问题。特别针对大型筒形件，坯料减薄是通过内外旋轮对其挤压来实现，能显著降低机床承受的载荷，同时可实现多道次无模渐进式省力近净成形，提升机床寿命，增加成形工艺柔性，被广泛应用于大型薄壁筒形壳体的成形制造中。

然而对轮旋压成形过程是一个多参数、多场耦合、多旋轮相互协调的加载过程，旋转的金属筒形件在多对旋轮的碾压变形中呈现出高度的非线性，材料在这种环境下极易发生复杂的不均匀塑性变形而引发各种宏微观缺陷，比如鼓包、起皱、开裂和端部扩径等缺陷。尤其是筒形件的扩径，是影响大型筒形件成形精度和后期装配精度的致命缺陷，已成为对轮旋压工艺中亟待解决的瓶颈问题。

中国专利申请CN102688927A公开了一种用于筒形件正向旋压机构来抑制流动旋压过程中未旋压区坯料的扩径缺陷，该专利通过在旋轮前方套装一固定压圈，通过压圈来对流动旋压过程中旋轮前方鼓起的材料产生向内的径向挤压作用,从而限制旋轮前方材料向外的径向流动，促进加工过程中材料沿轴向流动，抑制未旋压区坯料的扩径，使筒形件成形过程中变形平稳，最终在旋压末期达到防止坯料严重扩径的产生。进一步地，西北工业大学研究了不同旋压工艺参数对筒形件流动旋压扩径程度的影响规律，发现旋轮进给速率和各道次减薄量是影响扩径缺陷的两最重要因素。通过减小流动旋压各道次减薄率和减小旋轮进给速率能减小扩径程度，但却不能完全消除扩径缺陷。进一步地，文中还通过实验和有限元数值仿真研究了通过在旋轮前方施加一压圈来抑制流动旋压扩径产生喇叭口缺陷的材料流动机理(Mei Zhan, J. Guo, M. W. Fu, R. Li, P. F. Gao, H. Long, F. Ma.Formation mechanism and control of flaring in forward tube spinning. Int. J.Adv. Manuf. Technol, 2018, 94: 59-72)。

曾超在研究对轮旋压制备纳米/超细晶筒形件方法的过程中发现：对轮旋压大部分金属沿轴向流动而小部分沿切向流动，切向流动的这小部分金属会造成对轮旋压件径向扩大，尤其是口部扩径最为明显 (曾超. 对轮旋压制备纳米/超细晶筒形件方法及试验研究. 华南理工大学, 2014)。Fan等研究了对轮旋压中扩径塑性变形机理并发现：扩径区域的外边缘显示切向拉伸应力和径向压缩应力，扩径的中间区域显示切向拉伸应力和径向拉伸应力 (Shu-Qin Fan, Sheng-Dun Zhao and Chao Chen. Plastic DeformationMechanism in Double-Roller Clamping Spinning of Flanged Thin-Walled Cylinder.Chin. J. Mech. Eng, 2018, 31:56)。

现阶段对轮旋压减小扩径的方法主要依靠工艺参数的优化。郭代峰等采用单因素试验设计方法并结合有限元数值仿真技术，获得了减薄率、进给比和旋轮圆角半径对扩径量的影响规律，并借助BP神经网络技术，建立了筒形件对轮旋压内径扩径量的预测模型(郭代峰，赵俊生，贺胜等. 基于BP神经网络预测筒形件对轮旋压内径扩径量. 工具技术，2018, 52(3): 68-70)。王大力等借助有限元仿真软件，通过单因素法分析了道次减薄率、进给比、旋轮成形角及内旋轮圆角半径等工艺参数对旋压成形质量的影响，并获得了圆度、直线度、壁厚差和扩径量满足使用需求的成形工艺参数范围(王大力，郭亚明，李亦楠等.大型薄壁筒形件对轮旋压成形数值模拟及成形精度分析. 锻压技术，2020)。孙于晴通过ABAQUS有限元仿真软件，获得了高强钢30CrMnSiA筒形件对轮旋压无较大扩径和隆起的最优成形工艺参数 (孙于晴. 30CrMnSiA大直径筒形件对轮旋压技术研究，航天动力技术研究院，2019)。

综上所述，目前针对筒形件流动旋压成形过程中的扩径缺陷已有研究者在旋轮前方加装固定压圈的机械约束方式进行，但对于控制对轮旋压过程中的扩径缺陷主要还是通过寻求合理的成形工艺参数和增加坯料轴向加工余量的方法进行，但该方法耗时耗力且控制效果有限，通过加大加工余量切除扩径筒形件的方法也会降低材料的利用率和增加制造成本。因此，亟需发展通过有效外加机械约束的方法来增加对轮旋压筒形件成形段长度，从而有效控制大型筒形件对轮旋压过程中的扩径缺陷，这对于提高对轮旋压过程中金属筒形件材料利用率降低生产成本，尤其是对于贵重金属筒形件的加工制造，具有及其重要的意义。

发明内容

为解决背景技术中现有对轮旋压成形中被加工筒形件的扩径缺陷，本发明提供了一种旋轮、旋压组件及旋压工艺，能够有效控制大型筒形件对轮旋压成形过程中筒形件扩径缺陷的产生。

为实现上述目的，本发明提供的第一个技术方案为：

一种旋轮，包含旋轮主体，所述旋轮主体一端设置有沿轴向方向延伸的环状防扩部，如图2所示。

进一步地，所述环状防扩部的外表面与旋轮主体的中心轴形成β角，该β角为锐角。

进一步地，0＜β≤γ，γ为被加工筒形件的最大扩径口部与其中心线倾角。

进一步地，所述环状防扩部在轴向上的投影高度为H1，1.2L1＜H1＜1.5L1，L1为与被加工筒形件的扩口处轴向最大长度。

进一步地，所述旋轮主体包含设置于旋轮主体外侧中部的旋轮鼻尖，所述旋轮鼻尖的圆角半径为ρ，5mm≤ρ≤15mm，旋轮主体顶部至旋轮鼻尖底部的高度为H0，15mm≤H0≤30mm。

所述防扩部的设置使得旋轮沿旋轮鼻尖平面呈非对称形状。

本发明提供的第二个技术方案为：

一种旋压组件，至少包含三对第一个技术方案的旋轮。

进一步地，该旋轮还包含设置有一凹槽的芯模，该芯模通过凹槽安装被加工筒形件，被加工筒形件的壁厚与凹槽的宽度相同。每一对的旋轮均分别接触于所述被加工筒形件的内外壁，每对轮沿被加工筒形件径向距离为被加工筒形件壁厚t0，5mm≤t0≤15mm。当包含三对旋轮时，三对旋轮间互呈120°。

进一步地，所述旋轮的环状防扩部外表面与旋轮主体的中心轴的角度β大小与所述被加工筒形件的材料性能和被加工筒形件的减薄量等相关，对于不同材料和不同厚度、几何形状被加工筒形件均需后文中的二分法进行确定。

本发明提供的第三个技术方案为：

提供多对旋轮，每一对旋轮包含内旋轮和外旋轮；

提供芯模；

将被加工筒形件安装于所述芯模；

确定旋轮与被加工筒形件的接触位置，形成待加工组件；以及

将上述待加工组件安装于旋压机进行旋压加工。

进一步地，所述提供多对旋轮步骤中包含对所述环状防扩部的外表面与中心轴的角度β的确定，确定方法具体包含：

确定被加工筒形件的最大扩径口部与其中心线倾角为γ，则0＜β≤γ；以及

采用二分法确定β的值。

进一步地，所述确定旋轮与被加工筒形件的接触位置具体包含以下步骤：

以所述芯模的内外表面分别为基准确定旋轮初始位置，通过芯模确定旋轮与芯模接触点的初始位置坐标为（X0，Y0，Z0）；

被加工筒形件安装于旋压机上后，外旋轮与被加工筒形件的接触位置为（X0+w1*cosθi，Y0+w1*sinθi，Z0），内旋轮与被加工筒形件的接触位置为（X0-w1*cosθi，Y0-w1*sinθi，Z0）；

其中，i=1，2，3；X0是旋轮沿芯模水平方向的坐标值，Y0是旋轮沿芯模垂直水平方向的坐标值，Z0是旋轮沿芯模轴向的坐标值。

进一步地，所述旋压加工采用一道次旋压成形， 所述内旋轮与外旋轮在径向进给量仅为δmm ，0<δ<t0*ψ_max，ψ_max为被加工筒形件一道次旋压最大减薄率；旋轮进给比为f mm/r，0.25<f<2.5，每一对对旋轮均采用直线轨迹进给，所述芯模转速为n r/min，40<n<120。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过在旋轮主体一端设置有一防扩部，使得旋轮沿旋轮鼻尖平面呈非对称形状，同时防扩部的外表面与旋轮主体的中心轴呈锐角，将本发明的旋轮用于对轮旋压工艺中能够有效控制对轮旋压过程中大型筒形件的扩径缺陷，从而有效减少大型筒形件废品段的长度，进而提高材料的利用率和降低生产成本。

与现有的对轮旋压过程中通过工艺参数逐步优化和进行多道次旋压来减轻扩径缺陷的方法相比，本发明还具有提高生产效率和降低试错成本的优点，同时也利于未来对轮旋压成形中数字化、集成化、智能化进程的顺利进行。

附图说明

图1为现有技术中对称旋轮结构示意图；

图2为本发明实施例1中旋轮结构示意图；

图3为本发明实施例1中被加工筒形件示意图；

图4为本发明实施例1中芯模示意图；

图5为本发明实施例1中旋压组件的三维装配图；

图6为采用现有技术中对称旋轮的对轮旋压中扩径缺陷示意图；

图7为本发明实施例2中采用β=0°旋轮进行对轮旋压结果示意图；

图8为本发明实施例3中采用β=15°旋轮控制对轮旋压扩径缺陷示意图；

图9为本发明实施例3中采用β=15°旋轮的对轮旋压成形终了结果示意图；

图10为本发明实施例3中β=15°旋轮抑制扩口缺陷机理示意图；

图11为本发明实施例4中β=6°旋轮控制对轮旋压扩径缺陷示意图；

图12为本发明实施例4中β=6°旋轮的对轮旋压成形终了结果示意图；

图中：100.现有技术中对称旋轮；200.本申请的旋轮；201.旋轮主体；202.防扩部；203.旋轮鼻尖；300.被加工筒形件；301.孔；400.芯模；401.螺纹孔。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整。

实施例1

现有技术中对称旋轮的结构示意图如图1所示，本申请实施例的旋轮200的结构示意图参考图2-图5，包含旋轮主体201，所述旋轮主体一端设置有沿轴向方向延伸的环状防扩部202，环状防扩部202的外表面与旋轮主体201的中心轴的角度为β，β为锐角；具体来说，0＜β≤γ，γ为被加工筒形件300的最大扩径口部与被加工筒形件300的中心线倾角；所述环状防扩部202在轴向上的投影高度为H1，1.2L1＜H1＜1.5L1，L1为被加工筒形件300的扩口处轴向最大长度。

其中，每一对的旋轮200均分别接触于所述被加工筒形件300的内外壁，每对轮200沿被加工筒形件300径向距离为被加工筒形件200的壁厚t0，5mm≤t0≤15mm，三对旋轮200间互呈120°。

所述旋轮主体201包含设置于旋轮主体外侧中部的旋轮鼻尖203，所述旋轮鼻尖203的圆角半径为ρ，5mm≤ρ≤15mm，旋轮主体201顶部至旋轮鼻尖203底部的高度为H0，15mm≤H0≤30mm。

所述防扩部202的设置使得旋轮沿旋轮鼻尖203截平面呈非对称形状，参考图2的对准基准线。

图3为被加工筒形件300的结构示意图，被加工筒形件300的厚度为t₀，外径直径为D_out，外径直径为D_in，长度为L，在被加工筒形件300下边缘距离下端h₂高度处设有4个直径为φ的孔301，以便其被固定在芯模400上，使得旋压过程中坯料随芯模400一起转动。

图4为芯模400的结构示意图，由带有一宽度为w、深度h₁的用于安装被加工筒形件300的凹槽组成，凹槽宽度与被加工筒形件壁厚相等，凹槽两侧壁厚均为w₁。为了固定坯料，在凹槽两侧设有四个直径为φ的螺纹孔401，与被加工筒形件300上的孔301相对应配合。

所述β的大小与被加工筒形件材料性能与被加工筒形件减薄量等相关。假设采用对轮旋压过程中，被加工筒形件最大扩径口部与被加工筒形件中心线倾角为γ，则β角的范围为0＜β≤γ。然后采用二分法来逐步确定能够很好地抑制被加工筒形件扩径的最佳β角的数值。

旋轮组件的安装：

参考图5，首先将芯模400利用螺栓连接装卡固定在旋压机的芯轴上，然后将被加工筒形件300装在芯模400凹槽里，并用螺钉固定在芯模400上，同时将三对旋轮200装卡在旋压机旋轮架上，三对旋轮200在沿芯轴呈均匀分布，相互间呈120°，三对旋轮200与水平轴X轴夹角分别为θ1，θ2，θ3，旋轮200安装角为0°，即安装完毕后旋轮200轴线和芯模400轴线平行。

以芯模400内外表面分别为基准确定旋轮200初始位置，通过芯模400确定旋轮200与芯模400接触点的初始位置坐标为（X0，Y0，Z0），被加工筒形件300装到旋压机上后，外旋轮与被加工筒形件300的接触位置为（X0+w1*cosθi，Y0+w1*sinθi，Z0），内旋轮与被加工筒形件300的接触位置为（X0-w1*cosθi，Y0-w1*sinθi，Z0）；其中，i=1，2，3；X0是旋轮200沿芯模400水平方向的坐标值，Y0是旋轮200沿芯模400垂直水平方向的坐标值，Z0是旋轮200沿芯模400轴向的坐标值。

基于旋轮的大型筒形件旋压工艺：

确定了旋轮200与被加工筒形件300的接触位置后，就可进行大型筒形件的对轮旋压。旋压中采用一道次旋压成形，内外两旋轮在径向进给量均为δ mm0<δ<t0*ψ_max，ψ_max为被加工筒形件一道次旋压最大减薄率；旋轮进给比为f mm/r，0.25<f<2.5，每一对对旋轮均采用直线轨迹进给，所述芯模转速为n r/min，40<n<120。

实施例2

本实施例为利用防扩部202的β=0°的旋轮200来控制大型筒形件对轮旋压中的扩径缺陷。

旋轮、芯模和被加工筒形件的设计：

本实施例中的旋轮200采用GCr15轴承钢，其热处理后硬度可达52HRC，与坯料接触面的摩擦系数为0.8Ra，旋轮200最大外径D₀=137.5mm，旋轮鼻尖203圆角半径ρ=8mm，旋轮主体201顶部至旋轮鼻尖203底部的高度H0=20mm，环状防扩部202在轴向上的投影高度H₁=40mm。

对轮旋压被加工筒形件300为2219铝合金材料，其弹性模量E=72GPa，泊松比v=0.33，密度ρ=2700kg/m³，屈服强度σ_0.2=72.5MPa，被加工筒形件外径D_out=520mm，被加工筒形件内径D_in=500mm，被加工筒形件壁厚t₀=10mm，被加工筒形件轴向长度L=150mm。在本实施案例的旋压过程中，坯料壁厚减薄量为4mm，即对轮旋压中内外两旋轮减薄量均为2mm，距被加工筒形件下端15mm处沿被加工筒形件环向均布分布直径为φ=10mm的四个螺纹孔，用于被加工筒形件跟芯模的固定。

本实施例中的芯模400采用调质处理的42CrMo钢，调质处理后其硬度>45HRC，芯模400装卡被加工筒形件300的凹槽的宽度为w=10mm，深度h₁=30mm，凹槽两侧壁厚w₁=20mm，凹槽两侧有四对直径均为φ=10mm的螺纹孔401，用于连接被加工筒形件。芯模400底面有六个直径为20mm的螺纹孔，用于芯模与旋压机芯轴的固定，使得芯模400随旋压机芯轴同步转动。

β的确定：

为了研究β对对轮旋压扩口的影响，本实施例中选择环状防扩部202的外表面与旋轮主体201的中心轴的角度为0°，即防扩部202采用竖直面。

旋轮、芯模和被加工筒形件的安装：

将被加工筒形件300装入芯模400凹槽固定后，以被加工筒形件300下表面所在圆的中心为基准坐标点（0，0，0），以芯模400内外表面分别为基准确定旋轮初始位置，通过芯模400确定第一对外旋轮与芯模400接触点的初始位置坐标为（260，0，25），第一对内旋轮与芯模接触点的初始位置坐标为（250，0，25），第一对外旋轮和内旋轮与被加工筒形件的接触位置坐标分别为（280，0，25）和（230，0，25）。根据各旋轮沿周向互呈120°可知，第二对外旋轮和内旋轮与被加工筒形件的接触位置坐标分别为（-140，242.487，25）和（-115，199.186，25）；第三对外旋轮和内旋轮与被加工筒形件的接触位置坐标分别为（-140，-242.487，25）和（-115，-199.186，25）。

基于旋轮的大型筒形件旋压：

确定了旋轮200与被加工筒形件300的接触位置后，就可进行对轮旋压，旋压中采用一道次旋压成形，内外两旋轮在径向进给量均为2 mm，芯模转速为Rev=180r/min，旋轮进给比为1 mm/r，即进给速度v=3mm/s，旋轮安装角α=0°，对轮旋压中三对旋轮均采用直线轨迹进给，旋压中芯模、坯料和旋轮接触面均涂抹二硫化钼润滑剂以减小旋压中的摩擦以防被加工筒形件拉裂。旋压中首先启动芯模旋转，然后让三对旋轮同步进给，将三对旋轮完全压入被加工筒形件的过程设置为4s，以防压入过快造成被加工筒形件的拉裂、扭转等缺陷。

图7为本实施例采用β=0°的旋轮进行对轮旋压结果示意图，从图7可看出，在与现有技术中对称旋轮相同工艺参数下进行单道次旋压时，虽扩径缺陷有所改善，但旋压末期由于本实施例旋轮的防扩部对坯料径向变形的过度约束，导致被加工筒形件末端沿径向失稳，从而引起被加工筒形件末端的圆度变差。

实施例3

本实施例是借助二分法逐步确定具有最佳β角度（15°）的旋轮200来有效控制大型筒形件对轮旋压中严重的扩径缺陷。

旋轮、芯模和被加工筒形件的设计：

本实施例中的旋轮200采用GCr15轴承钢，其热处理后硬度可达52HRC，与坯料接触面的摩擦系数为0.8Ra，旋轮最大外径D₀=137.5mm，旋轮鼻尖圆角半径ρ=8mm，旋轮主体201顶部至旋轮鼻尖203底部的高度H0=20mm，环状防扩部202在轴向上的投影高度H₁=40mm。

被加工筒形件300以2219铝合金筒形件作为对轮旋压材料，弹性模量E=72GPa，泊松比v=0.33，密度ρ=2700kg/m³，屈服强度σ_0.2=72.5MPa，其外径为D_out=520mm，内径为D_in=500mm，被加工筒形件壁厚t₀=10mm，被加工筒形件轴向长度L=150mm。在本实施案例的旋压过程中，坯料壁厚减薄量为4mm，即对轮旋压中内外两旋轮减薄量均为2mm，距被加工筒形件下端15mm处沿被加工筒形件环向均布分布四个直径φ=10mm的螺纹孔，用于被加工筒形件300跟芯模400的固定。

本实施例中的芯模400采用调质处理的42CrMo钢，调质处理后其硬度>45HRC，芯模400装卡被加工筒形件300凹槽的宽度为w=10mm，深度h₁=30mm，凹槽两侧壁厚w₁=20mm，凹槽两侧有四对直径均为φ=10mm的螺纹孔，用于连接被加工筒形件。芯模400底面有六个直径为20mm的螺纹孔，用于其与旋压机芯轴的固定，使得芯模随旋压机芯轴保持同步转动。

β的确定：

β为本申请中旋轮的关键参数，β角与被加工筒形件材料性能与被加工筒形件减薄量等相关。本实施例中采用对轮旋压过程中，被加工筒形件最大扩径口部与被加工筒形件中心线倾角为γ=42°，则β角的范围为0≤β≤42°。然后采用二分法来逐步确定能够很好地抑制被加工筒形件扩径的最佳β角为15°。

旋轮、芯模和被加工筒形件的安装：

将被加工筒形件300装入芯模400凹槽固定后，以被加工筒形件300下表面所在圆的中心为基准坐标点（0，0，0），则以芯模内外表面分别为基准确定旋轮200初始位置，通过芯模400确定第一对外旋轮与芯模接触点的初始位置坐标为（260，0，25），第一对内旋轮与芯模接触点的初始位置坐标为（250，0，25），第一对外旋轮和内旋轮与被加工筒形件的接触位置坐标分别为（280，0，25）和（230，0，25）。根据各旋轮沿周向互呈120°可知，第二对外旋轮和内旋轮与被加工筒形件的接触位置坐标分别为（-140，242.487，25）和（-115，199.186，25）；第三对外旋轮和内旋轮与被加工筒形件的接触位置坐标分别为（-140，-242.487，25）和（-115，-199.186，25）。

基于旋轮的大型筒形件旋压工艺：

确定了旋轮200与被加工筒形件300的接触位置后，就可进行对轮旋压，旋压中采用一道次旋压成形，旋压中内外两旋轮在径向进给量均为2mm，芯模转速为Rev=180r/min，旋轮进给比为1 mm/r，即进给速度v=3mm/s，旋轮安装角α=0°，对轮旋压中三对旋轮均采用直线轨迹进给，旋压中在芯模、坯料和旋轮接触面涂抹二硫化钼润滑剂以减小摩擦。三对旋轮完全压入被加工筒形件的过程设置为4s，以防压入过快造成被加工筒形件拉裂、扭转等缺陷。

如图8所示，采用二分法获得的最佳β=15°的非对称旋轮在对轮旋压中扩径缺陷不明显；且如图9所示，通过此非对称旋轮能够顺利成形出末端无扩口缺陷的最终构件。与现有技术组中对称旋轮相同工艺参数下进行单道次旋压时（如图6所示）相比，被加工筒形件扩径缺陷明显改善且未出现实施例2中β=0°的防扩部旋轮进行旋压时所产生的周向失稳而导致圆度变差的缺陷。

对轮旋压中采用二分法获得的最佳β=15°的旋轮能够很好地控制被加工筒形件扩径的机理如图10所示。可以发现非对称旋轮的倾斜面能够抑制被加工筒形件扩口的继续扩张，扩口坯料能够沿着非对称旋轮的倾斜面继续向前流动，从而使得旋压过程得以继续顺利进行，最终成形出被加工筒形件只有轻微扩口的对轮旋压构件。

实施例4

本实施例是借助二分法逐步确定具有最佳β角度（6°）的旋轮200来有效控制D406A高强钢大型筒形件对轮旋压中的扩径缺陷。

旋轮、芯模和被加工筒形件的设计：

本实施例中的旋轮200采用GCr15轴承钢，其热处理后硬度可达52HRC，与坯料接触面的摩擦系数为0.8Ra，旋轮最大外径D₀=137.5mm，旋轮鼻尖圆角半径ρ=8mm，旋轮主体201顶部至旋轮鼻尖203底部的高度H0=20mm，环状防扩部202在轴向上的投影高度H₁=40mm。

被加工筒形件300以D406A高强钢筒形件作为对轮旋压材料，弹性模量E=197.5GPa，泊松比v=0.27，密度ρ=7800kg/m³，屈服强度σ_0.2=507MPa，其外径为D_out=520mm，内径为D_in=500mm，被加工筒形件壁厚t₀=10mm，被加工筒形件轴向长度L=150mm。在本实施案例的旋压过程中，坯料壁厚减薄量为4mm，即对轮旋压中内外两旋轮减薄量均为2mm，距被加工筒形件下端15mm处沿被加工筒形件环向均布分布四个直径φ=10mm的螺纹孔，用于被加工筒形件跟芯模的固定。

本实施例中的芯模400采用调质处理的42CrMo钢，调质处理后其硬度>45HRC，芯模400装卡被加工筒形件300凹槽的宽度为w=10mm，深度h₁=30mm，凹槽两侧壁厚w₁=20mm，凹槽两侧有四对直径均为φ=10mm的螺纹孔，用于连接被加工筒形件。芯模400底面有六个直径为20mm的螺纹孔，用于其与旋压机芯轴的固定，使得芯模400随旋压机芯轴保持同步转动。

β的确定：

β为本申请中旋轮的关键参数，β角与被加工筒形件材料性能与被加工筒形件减薄量等相关。本实施例中采用对轮旋压过程中，被加工筒形件最大扩径口部与被加工筒形件中心线倾角为γ=23°，则β角的范围为0≤β≤23°。然后采用二分法来逐步确定能够很好地抑制被加工筒形件扩径的最佳β角为6°。

旋轮、芯模和被加工筒形件的安装：

将被加工筒形件300装入芯模400凹槽固定后，以被加工筒形件300下表面所在圆的中心为基准坐标点（0，0，0），则以芯模400内外表面分别为基准确定旋轮初始位置，通过芯模400确定第一对外旋轮与芯模接触点的初始位置坐标为（260，0，25），第一对内旋轮与芯模接触点的初始位置坐标为（250，0，25），第一对外旋轮和内旋轮与被加工筒形件的接触位置坐标分别为（280，0，25）和（230，0，25）。根据各旋轮沿周向互呈120°可知，第二对外旋轮和内旋轮与被加工筒形件的接触位置坐标分别为（-140，242.487，25）和（-115，199.186，25）；第三对外旋轮和内旋轮与被加工筒形件的接触位置坐标分别为（-140，-242.487，25）和（-115，-199.186，25）。

基于旋轮的大型筒形件旋压工艺：

确定了旋轮200与被加工筒形件300的接触位置后，就可进行对轮旋压，旋压中采用一道次旋压成形，旋压中内外两旋轮在径向进给量均为2mm，芯模转速为Rev=180r/min，旋轮进给比为1 mm/r，即进给速度v=3mm/s，旋轮安装角α=0°，对轮旋压中三对旋轮均采用直线轨迹进给，旋压中在芯模、坯料和旋轮接触面涂抹二硫化钼润滑剂以减小摩擦。三对旋轮完全压入被加工筒形件的过程设置为4s，以防压入过快造成被加工筒形件拉裂、扭转等缺陷。

如图11所示，采用二分法获得的最佳β=6°的旋轮200在对轮旋压中扩径缺陷不明显；且如图12所示，通过此旋轮200能够顺利成形出末端无扩口缺陷的最终构件。与现有技术组中对称旋轮相同工艺参数下进行单道次旋压时（如图6所示）相比，被加工筒形件扩径缺陷明显改善且未出现实施例2中β=0°的防扩部旋轮进行旋压时所产生的周向失稳而导致圆度变差的缺陷。

上述实施例表明，本发明通过设计带有一定倾角斜面的非对称旋轮能很好抑制对轮旋压过程中扩径缺陷，同时又能避免直壁非对称旋轮对筒形件口部的过度约束而造成的口部失稳，有利于保证旋压进行的顺利进行和减少筒形件材料的浪费，从而显著提高对轮旋压效率并能大大降低生产成本。在实际生产加工过程中，可根据筒形件扩口程度而适当调整非对称旋轮的非对称侧斜面倾角和高度来有效控制不同材料和不同规格尺寸筒形件非对称旋压过程中口部的扩径缺陷。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种旋轮，包含旋轮主体，其特征在于，所述旋轮主体一端设置有沿轴向方向延伸的环状防扩部，该所述环状防扩部的外表面与旋轮主体的中心轴形成β角，该β角为锐角；

且0＜β≤γ，γ为被加工筒形件的最大扩径口部与其中心线倾角；

所述环状防扩部在轴向上的投影高度为H1，1.2L1＜H1＜1.5L1，L1为被加工筒形件的扩口处轴向最大长度；

其中，所述旋轮主体包含设置于旋轮主体外侧中部的旋轮鼻尖，所述旋轮鼻尖的圆角半径为ρ，5mm≤ρ≤15mm，旋轮主体顶部至旋轮鼻尖底部的高度为H0，15mm≤H0≤30mm。

2.一种旋压组件，至少包含一对如权利要求1所述的旋轮。

3.如权利要求2所述的旋压组件，其特征在于，还包含设置有一凹槽的芯模，该芯模通过凹槽安装被加工筒形件。

4.一种旋压工艺，其特征在于，利用如权利要求2或3所述的旋压组件进行加工，包含如下步骤：

提供多对旋轮，每一对旋轮包含内旋轮和外旋轮；

提供芯模；

将被加工筒形件安装于所述芯模；

确定旋轮与被加工筒形件的接触位置，形成待加工组件；以及

将上述待加工组件安装于旋压机进行旋压加工。

5.如权利要求4所述的工艺，其特征在于，所述提供多对旋轮步骤中包含对所述环状防扩部的外表面与中心轴的角度β的确定，确定方法具体包含：

确定被加工筒形件的最大扩径口部与其中心线倾角为γ，则0＜β≤γ；以及

采用二分法确定β的值。

6.如权利要求4所述的工艺，其特征在于，所述芯模由带有一宽度w、深度h1的用于安装被加工筒形件的凹槽组成，凹槽宽度与被加工筒形件壁厚相等，凹槽两侧壁厚均为w1；

所述确定旋轮与被加工筒形件的接触位置具体包含以下步骤：

以所述芯模的内外表面分别为基准确定旋轮初始位置，通过芯模确定旋轮与芯模接触点的初始位置坐标为（X0，Y0，Z0）；以及

被加工筒形件安装于旋压机上后，外旋轮与被加工筒形件的接触位置为（X0+w1*cosθi，Y0+w1*sinθi，Z0），内旋轮与被加工筒形件的接触位置为（X0-w1*cosθi，Y0-w1*sinθi，Z0）；

其中，i=1，2，3；X0是旋轮沿芯模水平方向的坐标值，Y0是旋轮沿芯模垂直水平方向的坐标值，Z0是旋轮沿芯模轴向的坐标值；θ为旋轮与水平轴夹角。

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