CN113894198A - 一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，具体步骤为：进行旋压模具仿形，在旋压模具上夹装零件毛坯；确定最终零件具体参数，根据最终零件具体参数确定旋压加工的旋压道次、旋压道次起点、滚轮圆弧和道次间距，对零件毛坯进行第一次多道次旋压，检测零件毛坯拉伸量，进行第一次热处理，其中旋压时，零件毛坯的转速200r/min～250r/min，进给比0.8mm/r‑2mm/r，滚轮圆弧半径为3mm～6mm；第一次热处理后，再进行第二次多道次旋压，进行二次热处理，贴膜精旋，得到最终零件。本发明的多道次扩口旋压成型工艺的成型精度高，回弹小，首次实现了高温合金(GH2150)的多道次旋压成型。

Description

一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺
技术领域
本发明属于旋压成型技术领域，具体属于一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺。
背景技术
航空工业用的薄壁回转体钣金零件多采用传统的卷焊+涨型成形方式加工，但采用此种成型工艺存在零件自身强度低、成型精度差容易回弹、材料利用率低、容易产生裂纹等缺点。旋压成形因少无切屑而具有材料利用率高的特点，且旋压后的零件尺寸及形位公差小，强度、硬度及抗疲劳性能显著提高，凭借这一其他工艺方法所不能比拟的优势，旋压技术在钣金成型加工中应用较为广泛。
旋压成型在实际应用中也存在旋压成型理论基础薄弱，实际多以经验加工为主，故存在加工风险大，实际应用范围小的缺点，目前旋压成型工艺主要应用在铝、铜、不锈钢等材料的零件加工过程中，航空用高温合金零件强度高，加工抗力大，常规旋压加工易出现回弹、撕裂、起皱等问题，所以旋压加工在高温合金成型加工应用极少。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，对常规多道次旋压加工工艺进行改进，实现直筒类高温合金毛坯材料的多道次旋压成型，将其加工成图纸所需型面零件。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，具体步骤为：
S1进行旋压模具仿形，在旋压模具上夹装零件毛坯；
S2确定最终零件具体参数，根据最终零件具体参数确定旋压加工的旋压道次、旋压道次起点、滚轮圆弧和道次间距，对零件毛坯进行第一次多道次旋压，检测零件毛坯拉伸量，进行第一次热处理，其中旋压时，零件毛坯的转速200r/min～250r/min，进给比0.8mm/r-2mm/r，滚轮圆弧半径为3mm～6mm；
S3第一次热处理后，进行第二次多道次旋压，第二次热处理，贴膜精旋，得到最终零件。
进一步的，步骤S1中，滚轮圆弧切点与旋压模具型面安全距离为1.8mm。
进一步的，步骤S2中，所述旋压道次为17次。
进一步的，步骤S2中，所述旋压道次起点为零件毛坯端头起旋，每道次逐步向内压型。
进一步的，所述道次间距为滚轮圆弧半径的1～2倍。
进一步的，步骤S2中，第一次多道次旋压后，零件毛坯拉伸量小于25％。
进一步的，步骤S2中，所述第一次热处理在600℃±30℃条件下，进行30min炉冷退火。
进一步的，步骤S3中，第二次热处理在600℃±30℃条件下，进行30min炉冷退火。
进一步的，步骤S3中，所述精旋时，旋压模具与滚轮间隙0.7mm，滚轮圆弧半径为2mm，零件毛坯的转速200r/min～250r/min，进给比0.8mm/r-2mm/r。
进一步的，每道次加工完成后检查零件毛坯边缘是否产生毛刺，若产生毛刺进行打磨后进行下一道次加工。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，通过选用较不锈钢材料旋压加工时半径更小的滚轮、调节零件毛坯具有更高的转速，并在旋压加工过程中进行多次退火处理，成功解决了高温合金材料旋压加工中所遇到的各类难题，首次实现了高温合金(GH2150)的多道次旋压成型。
本发明的多道次扩口旋压成型工艺的成型精度高，表面光洁度好，回弹小，采用涨型成型此类高温合金零件型面轮廓度基本在1mm以上，本发明采用多道次旋压成型零件经过检测型面轮廓度为0.58mm，型面轮廓度越小表示零件型面越接近产品理论尺寸，加工质量越高，可以明显提高产品使用性能，提高使用寿命。
本发明的多道次扩口旋压成型工艺的加工效率高，直接将直筒毛坯旋压成为零件，旋压成型加工时间不超过2小时，完整加工周期不超过5天，而传统的涨型成型工艺加工此类零件先需要采用分段分别成型，再焊接为整体，再整体精校型，完整加工周期需要25～30天，采用本发明工艺所需零件的加工周期缩短80％，可以极大地降低产品加工成本。
本发明的多道次扩口旋压成型工艺的需求模具数量少，采用旋压成型工艺只需要一套旋压成型模具即可以加工成型，而采用涨型工艺，分别需要一套分段成型模具、焊接夹具、整体成型模具，模具成本降低60％，降低加工成本。
附图说明
图1零件毛坯图；
图2本发明最终零件图；
图3本发明旋压滚轮道次设计；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，具体步骤为：
(1)使用机床对旋压模具进行仿形，设计滚轮圆弧切点与旋压模具型面安全距离为1.8mm，避免旋压过程中过切，伤及零件毛坯和模具，仿形完成后装夹零件毛坯并夹紧，涂抹润滑油，准备加工；
(2)最终零件加工为大端直径为ΦBmm，小端直径为ΦAmm,高度hmm,壁厚ξmm的喇叭筒形零件，根据上述尺寸参数确定旋压加工时的旋压道次、旋压道次起点、滚轮圆弧、各道次的间距以及机床主轴转速和进给等参数，并将上述参数输入机床，其中机床主轴转速：200～250r/min，进给：0.8～2mm/r；滚轮圆弧：半径3～6mm；
(3)在旋压模具的大端端面和旋压模具内圆对刀后开始按设定参数以及旋压道次进行旋压加工，每道次加工完成后检查零件边缘，若产生毛刺应打磨去除后方可进行下一道次加工，避免零件边缘产生细微裂纹后继续扩口旋压造成零件撕裂。
(4)第一次多道次旋压加工后，检测零件大端口部材料拉伸量，为避免继续拉伸材料导致零件大端口部撕裂，取下零件进行第一次退火，以消除加工应力，若不进行退火后续道次零件极易产生裂纹而报废。
(5)第一次退火后，再进行第二次多道次旋压加工，为降低加工抗力减少回弹，提高零件表面光洁度和提高成型精度，进行第二次退火，第二次退火后进行贴模精旋，滚轮和模具间隙设置为0.7mm，滚轮更换为圆弧半径为2mm滚轮，进给设置为0.8mm/r，转速不变进行一道次旋压加工进行精校型，得到图纸所需型面零件。
实施例1
旋压成型工艺过程和旋压道次轨迹设计如下：
1.零件基本状态：
零件毛坯为直筒形，材料为高温合金(GH2150)，厚度ξ1.8mm，筒体直径ΦA 378mm,高度h475mm,筒体上有一条纵向氩弧焊焊缝，最终零件加工成大端直径为ΦB 457mm、小端直径为ΦA 368mm、高度h475mm、壁厚ξ1.8mm、大端圆弧R100mm的喇叭筒形零件，零件毛坯和喇叭筒形零件如图1、2所示：
2.加工参数选择和设定如下：
机床主轴转速：200r/min，进给：0.8mm/r；滚轮圆弧：圆弧半径3mm；
3.滚轮轨迹设计具体为：
3.1道次设计：旋压时滚轮往复滚压零件型面的轨迹统称为道次，旋压加工过程中所加工零件表面光洁度、成型精度、是否会产生裂纹、撕裂等问题与道次设计是否合理关系极为密切；通常在旋压零件为易成型材料如铝、铜等或型面简单，变形量较小时采用单道次旋压，一次成型；但在旋压难加工材料，零件型面复杂，零件变形量大时常采用多道次旋压加工，本次加工零件材料为高温合金(GH2150)，材料强度高，加工抗力大，成型易回弹，零件型面比较复杂，所以采用多道次旋压加工较为合理，将直筒形零件毛坯的直径由ΦA378mmmm扩口到ΦB457mm，拉伸量超过30％，壁厚减薄不允许超过80％，因此经过计算和试验采用17道次旋压加工。
3.2旋压道次起点选择：多道次旋压成型轨迹设计可以选择从理论内型面圆弧端点起旋型面，也可以从毛坯端头开始起旋加工，由于尚无成熟的此类型高温合金零件旋压案例，我们开展了加工试验，经过试验发现从内型起旋，加工过程中由于高温合金材料容易回弹，毛坯端头向内卷曲，从内向外旋压过程中毛坯端头向内卷曲逐步严重，最终导致毛坯端头卷曲严重包裹滚轮圆弧，将毛坯端头撕裂，故道次轨迹设计为从毛坯端头起旋，每道次逐步向内压型。
3.3滚轮圆弧选择：在多道次旋压时为便于材料拉伸变形，滚轮圆弧选择偏大，选用大圆弧滚轮加工较好，根据我们加工不锈钢、铝等材料经验，滚轮圆弧选用4～6倍坯料壁厚，但考虑到高温合金材料的硬、易回弹的特点，为了更便于材料塑料变形，我们倾向选用更小圆弧滚轮，在毛坯旋压试验过程中分别进行了圆弧半径分别为2mm、3mm、4mm三种圆弧的加工试验，经过比较圆弧半径为3mm圆弧加工零件回弹小，表面光洁度高，而圆弧半径为2mm圆弧滚轮则容易造成零件开裂，圆弧半径为4mm圆弧滚轮加工毛坯回弹较大，故选用圆弧半径为3mm圆弧滚轮进行加工。
3.4道次间距设计：道次间距是指每道次滚轮轨迹之间的间隙，为减少旋压过程中成型变形不均匀导致零件型面精度不足和成型过程中变形剧烈变化导致毛坯产生裂纹的问题，我们将旋压轨迹设计为和零件最终型面尺寸相同的等距线；而道次间距的具体数值与旋压滚轮圆弧尺寸有直接关系，较小的道次间隙会导致旋压次数过多，导致零件壁厚较薄，冷作硬化加剧，而较大的道次间距会导致零件材料包裹的滚轮圆弧上，可能会撕裂零件，经过加工试验，道次间距不超过滚轮圆弧1～2倍为佳，故道次间距设计为4mm。
4.旋压加工
在旋压模具的大端端面和旋压模具内圆对刀后开始按设定参数以及旋压道次进行旋压加工，每道次加工完成后检查零件边缘，若产生毛刺应打磨去除后方可进行下一道次加工，避免零件边缘产生细微裂纹后继续扩口旋压造成零件撕裂。
具体的，如图3所示，以initial进刀点，设置进刀点与毛坯端面安全高度B为20mm，进刀点与零件旋转中心距离X为150mm，距离模具端面高度G为100mm，进刀高度C为1.8mm(安全高度B、旋转中心距离X、模具端面高度G、进刀高度C保证滚轮不切入零件主体、不与模具发生碰撞即可)，旋压轨迹设计为模具型面的等距线，道次间距4mm，前面道次允许旋压轨迹走直线，但最后5道次为保证成型精度必须走圆弧轨迹旋压，在I第1道次、H第5道次、F第10道次、E第15道次、D第17道次为清理重新润滑点，在加工该几个道次前先检查零件表面是否有材料碎屑，若存在及时进行清理，润滑油涂抹不充分及时添加，如不存在该情况，上述点允许直接加工。最后一道次加工完成后滚轮走至退刀点final,主轴停止转动加工结束，退刀点距离零件旋转中心Y为170mm，模具端面高度G为100mm(退刀点Y、G点设计与进刀点距离尺寸设计同理，不发生碰撞、干涉即可)。滚轮旋压型面外轨迹，可以按图中轨迹，也可以走重合轨迹。
4.1.每道次旋压加工完成后，检测零件大端口部材料拉伸量，经检测第7道次旋压加工完成时，零件大端口部材料拉伸量超过17％，接近材料拉伸量的极限25％，因此第一次多道次旋压次数为7道次，第一次多道次旋压结束后零件在600℃±30℃条件下炉冷退火30min，以消除加工应力，若不进行退火后续道次零件极易产生裂纹而报废，在再进行第二次多道次旋压，第二次多道次旋压为10道次。
4.2.第17道次旋压加工后进行零件型面轮廓度检测，发现轮廓度超过1.3mm，这主要是由于加工硬化导致材料回弹，故在在600℃±30℃，再次进行30min炉冷退火，消除材料加工应力，退火后再进行一次贴模的精旋，经过退火和精旋后型面精度达到0.58mm达到设计图要求；
精旋时，滚轮和模具间隙设置为0.7mm，滚轮更换为圆弧半径为2mm滚轮，进给设置为0.8mm/r，转速不变进行一道次贴模旋压加工进行精校型，经过再次优化后最终加工成合格产品。

Claims (10)

1.一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，其特征在于，具体步骤为：
S1进行旋压模具仿形，在旋压模具上夹装零件毛坯；
S2确定最终零件具体参数，根据最终零件具体参数确定旋压加工的旋压道次、旋压道次起点、滚轮圆弧和道次间距，对零件毛坯进行第一次多道次旋压，检测零件毛坯拉伸量，进行第一次热处理，其中旋压时，零件毛坯的转速200r/min～250r/min，进给比0.8mm/r-2mm/r，滚轮圆弧半径为3mm～6mm；
S3第一次热处理后，进行第二次多道次旋压，第二次热处理，贴膜精旋，得到最终零件。
2.根据权利要求1所述的一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，其特征在于，步骤S1中，滚轮圆弧切点与旋压模具型面安全距离为1.8mm。
3.根据权利要求1所述的一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，其特征在于，步骤S2中，所述旋压道次为17次。
4.根据权利要求1所述的一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，其特征在于，步骤S2中，所述旋压道次起点为零件毛坯端头起旋，每道次逐步向内压型。
5.根据权利要求1所述的一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，其特征在于，所述道次间距为滚轮圆弧半径的1～2倍。
6.根据权利要求1所述的一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，其特征在于，步骤S2中，第一次多道次旋压后，零件毛坯拉伸量小于25％。
7.根据权利要求1所述的一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，其特征在于，步骤S2中，所述第一次热处理在600℃±30℃条件下，进行30min炉冷退火。
8.根据权利要求1所述的一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，其特征在于，步骤S3中，第二次热处理在600℃±30℃条件下，进行30min炉冷退火。
9.根据权利要求1所述的一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，其特征在于，步骤S3中，所述精旋时，旋压模具与滚轮间隙0.7mm，滚轮圆弧半径为2mm，零件毛坯的转速200r/min～250r/min，进给比0.8mm/r-2mm/r。
10.根据权利要求1所述的一种高温合金筒形零件多道次扩口旋压成型工艺，其特征在于，每道次加工完成后检查零件毛坯边缘是否产生毛刺，若产生毛刺进行打磨后进行下一道次加工。
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