CN113953367A - 适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具及设备，旋压模具包括碾环模芯和复合丝杠机构；复合丝杠机构对应连接碾环模芯；复合丝杠机构包括：主动轴丝杠，螺纹装配于碾环模芯的轴心处；转盘，两个转盘分别设置于主动轴丝杠的两端；从动轴丝杠，多个从动轴丝杠沿主动轴丝杠的周向均布，并与碾环模芯螺纹装配；从动轴丝杠将碾环模芯产生的轴向位移转换为自转运动。采用复合丝杠机构对碾环模芯进行驱动，通过主动丝杠和转盘进行传动，实现了旋压模具的周向转动和轴向移动的复合运动，有效解决了成形过程中模具所需轴向位移空间较大、成形工件长度受限的问题，实现了较长、较大、较复杂回转体工件的复合成形。

Description

适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具及设备

技术领域

本发明属于旋压成形技术领域，具体涉及一种适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具及设备。

背景技术

旋压成形工艺作为一种精度较高、单位成形力较大的成形工艺被广泛用于回转体零件的加工。目前，针对薄壁回转体工件已有的旋压成形方式包括外旋压成形和内旋压成形，外旋压成形工艺是将旋压模具作为工件内支撑，旋轮从工件外表面进行碾压产生逐点塑性成形效果，而内旋压成形工艺则相反，将旋压模具包覆工件外表面作为外支撑，旋轮从工件内表面碾压成形。外旋压成形一般需要大于或接近于工件长度的芯模作为金属约束体，优点是模具刚性较高，机床功率较大，可以成形大尺寸工件，缺点是模具体积重量较大，装卸不便，材料受周向挤压作用会产生胀径效果，尺寸精度降低，而且较大的接触面积容易增加模具与工件间的摩擦力导致脱模困难；内旋压成形依靠外形面包覆支撑，可以有效提高成形精度，但是受限于模具长度和制造难度，不能成形较大尺寸的工件。

无论是哪种成形方式，都是依靠模具、工件、旋轮的组合运动产生旋轮与工件接触点在工件表面的螺旋线运动，从而将成形作用覆盖整个工件。外旋压成形和内旋压成形都是依靠整体模具作为接触面进行成形，这就决定了模具与工件的一一对应性，模具通用互换性较差，极大降低了经济效益，而且增加了生产现场工装的管理成本。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中的不足，提供一种通用性较强，能够作用于较大工件的旋压模具。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，所述旋压模具包括碾环模芯和复合丝杠机构；

所述碾环模芯用于旋压毛坯的内壁，使毛坯产生塑性变形；

所述复合丝杠机构对应连接所述碾环模芯，使所述碾环模芯沿所述复合丝杠机构进行轴向位移和周向公转；

所述复合丝杠机构包括：

主动轴丝杠，螺纹装配于所述碾环模芯的轴心处，以通过传递旋转扭矩驱动所述碾环模芯产生轴向位移；

转盘，两个所述转盘分别设置于所述主动轴丝杠的两端，以通过传递旋转扭矩驱动所述碾环模芯产生周向公转；

从动轴丝杠，多个所述从动轴丝杠沿所述主动轴丝杠的周向均布，并与所述碾环模芯螺纹装配，以使所述碾环模芯与所述转盘同步公转；

所述从动轴丝杠将所述碾环模芯产生的轴向位移转换为自转运动。

如上所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，优选，所述旋压模具还包括引导机构，所述引导机构与所述碾环模芯同轴安装在所述复合丝杠机构上，以与所述碾环模芯同步运动；所述引导机构沿径向挤压毛坯的内壁，对所述碾环模芯与毛坯进行对心。

如上所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，优选，所述引导机构设置为两个，两个所述引导机构对应设置在所述碾环模芯的两侧；

所述主动轴丝杠和所述从动轴丝杠均为滚珠丝杠，所述碾环模芯与所述引导机构均通过滚珠筒对应连接所述主动轴丝杠和所述从动轴丝杠。

如上所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，优选，所述引导机构包括：

引导盘，所述引导盘与所述主动轴丝杠和所述从动轴丝杠螺纹装配；

第一活塞杆，多个所述第一活塞杆沿所述引导盘的外周面均布，并沿所述引导盘的径向延伸；

V型支架，所述V型支架转动连接在所述第一活塞杆的末端，以在所述引导盘轴线所处的平面上进行转动；

橡胶履带，所述橡胶履带设置在所述V型支架上，所述橡胶履带其上带面对应抵触毛坯内壁，以沿毛坯内壁进行滑动。

如上所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，优选，所述引导机构还包括转向机构，所述转向机构包括：

弧形槽，在所述V型支架的其中一端设有弧形槽；

第三活塞杆，所述第三活塞杆固连在所述第一活塞杆上，并沿第一活塞杆轴向伸缩，所述第三活塞杆的末端滑动装配于所述弧形槽内，并沿所述弧形槽所对应圆弧的径向对所述弧形槽施加挤压力。

如上所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，优选，所述V型支架包括：

支撑柱，所述支撑柱的中部铰接在所述第一活塞杆上；

n形件，所述n形件有两个，两个所述n形件的两端均固连在所述支撑柱的外壁、并呈V形分布，橡胶履带通过轴承对应安装在两个所述n形件之间；

在所述V型支架任意一端的两个n形件之间设置滑块，所述滑块上开设有弧形槽。

如上所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，优选，所述碾环模芯包括：

模芯盘，所述模芯盘与所述主动轴丝杠和所述从动轴丝杠螺纹装配；

环状芯模，所述环状芯模同心套接于所述模芯盘的外部；

第二活塞杆，多个所述第二活塞杆在所述模芯盘的外周面上均布，并沿所述模芯盘的周向支撑所述环状芯模的内壁。

如上所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，优选，所述第二活塞杆和所述环状芯模通过连接螺栓连接，所述第二活塞杆通过泄放阀门连接液压站，并随所述螺栓旋紧伸张以吸入液压油，对所述模芯盘和所述环状芯模形成支撑。

如上所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，优选，所述连接螺栓包括连接体、上螺栓和下螺栓，上螺栓和下螺栓分布设置于所述连接体的两端，所述上螺栓螺纹连接在所述环状芯模的内壁；所述下螺栓螺纹连接在所述第二活塞杆的活塞端；

所述上螺栓转动连接在所述连接体的一端，所述下螺栓转动连接在所述连接体的另一端。

一种适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压设备，包括上述任一旋压模具；

所述旋压设备还包括机床，所述机床上设有用于装配毛坯的安装工位，所述旋压模具的其中一端伸入毛坯内部，并对应装配在所述机床上，所述机床设有对应主动轴丝杠的第一驱动设备、对应转盘的第二驱动设备；

所述旋压设备还包括尾顶和旋轮，所述尾顶对应顶触在所述旋压模具另一端的转盘上，所述旋轮顶触在毛坯外表面上。

有益效果：本发明采用复合丝杠机构对碾环模芯进行驱动，通过主动丝杠和转盘进行传动，实现了旋压模具的周向转动和轴向移动的复合运动，有效解决了成形过程中模具所需轴向位移空间较大、成形工件长度受限的问题，实现了较长、较大、较复杂回转体工件的复合成形。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明所提供具体实施例中旋压设备的结构示意图；

图2为本发明所提供具体实施例中碾环模芯的结构示意图；

图3为本发明所提供具体实施例中复合丝杠机构的结构示意图；

图4为本发明所提供具体实施例中引导机构的结构示意图；

图5为本发明所提供具体实施例中弧形槽的装配示意图；

图6为本发明所提供具体实施例中连接螺栓的结构示意图。

图中：1、机床；2、安装工位；3、装配螺栓；4、毛坯；5、旋轮；6、复合丝杠机构；7、碾环模芯；8、引导机构；9、尾顶；6-1、主动轴丝杠；6-2、转盘；6-3、从动轴丝杠；7-1、环状芯模；7-2、第二活塞杆；7-3、连接体；7-4、模芯盘；7-5、下螺栓；7-6、上螺栓；8-1、橡胶履带；8-2、轴承；8-3、支撑柱；8-4、n形件；8-5、第一活塞杆；8-6、弧形槽；8-7、第三活塞杆；8-8、滑块；8-9、引导盘。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1-6所示，一种适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，旋压模具包括碾环模芯和复合丝杠机构6；碾环模芯用于旋压毛坯4的内壁，使毛坯4产生塑性变形；复合丝杠机构6对应连接碾环模芯，使碾环模芯沿复合丝杠机构6进行轴向位移和周向公转；复合丝杠机构6包括：主动轴丝杠6-1，螺纹装配于碾环模芯的轴心处，以通过传递旋转扭矩驱动碾环模芯产生轴向位移，使碾环模芯沿主动轴丝杠6-1进行轴向运动；转盘6-2，两个转盘6-2分别设置于主动轴丝杠6-1的两端，以通过传递旋转扭矩驱动碾环模芯产生周向公转；从动轴丝杠6-3，多个从动轴丝杠6-3沿主动轴丝杠6-1的周向均布，并与碾环模芯螺纹装配，通过从动轴丝杠6-3限定碾环模芯与转盘6-2的相对位置，以使碾环模芯与转盘6-2同步公转；从动轴丝杠6-3将碾环模芯产生的轴向位移转换为自转运动，在碾环模芯进行轴向运动的同时，碾环模芯的沿从动轴丝杠6-3轴向运动，从动轴丝杠6-3将轴向的运动转换自身的自转，从而保证碾环模型在进行轴向移动时不会因受力产生偏载，保证碾环模芯与复合丝杠机构之间的同轴度。

在本实施例中，从动轴丝杠6-3可以为6个、4个、3个、2个等，并关于主动轴丝杠周向均布。

在本发明的另一可选实施例中，旋压模具还包括引导机构8，引导机构8与碾环模芯同轴安装在复合丝杠机构6上，以与碾环模芯同步运动，具体的，引导机构8和碾环模芯与复合丝杠机构的装配结构的装配结构相同；引导机构8沿径向挤压毛坯4的内壁，引导机构8用于对碾环模芯进行导向，并对碾环模芯与毛坯4进行对心。解决了旋压过程中存在的未变形材料区和已变形材料区材料失稳的现象，使碾环模芯和旋轮5之间的材料塑性变形区均匀稳定，提高了旋压成形精度，可以提高毛坯4圆度和对中程度，消除旋压过程中的椭圆现象。

在本发明的另一可选实施例中，两个引导机构8对应设置在碾环模芯的两侧，以在碾环模芯沿轴向坐往复运动时进行导向，优选，主动轴丝杠6-1和从动轴丝杠6-3均为滚珠丝杠，碾环模芯与引导机构8均通过滚珠筒对应连接主动轴丝杠6-1和从动轴丝杠6-3。

本发明采用滚珠丝杠控制引导机构8和碾环模芯的位移，可实现高精度数字化控制，实现了旋压模具轴向、周向、径向位移控制的集成，提高了工装的成形能力。

在本发明的另一可选实施例中，引导机构8包括：引导盘8-9，引导盘8-9与主动轴丝杠6-1和从动轴丝杠6-3螺纹装配，装配形式与碾环模芯相同。

第一活塞杆8-5，多个第一活塞杆8-5沿引导盘8-9的外周面均布，并沿引导盘8-9的径向延伸；V型支架，V型支架转动连接在第一活塞杆8-5的末端，以在随引导盘8-9轴线所处的平面上进行转动；橡胶履带8-1，橡胶履带8-1设置在V型支架上，橡胶履带8-1上带面对应抵触毛坯4内壁，以沿毛坯4内壁进行滑动。通过第一活塞杆8-5对V形支架进行支撑，以对毛坯4提供径向支撑力，V型支架上设有橡胶履带8-1，在进行轴向移动的同时，通过橡胶履带8-1在毛坯4内部进行滑动，减少摩擦力，提高轴向移动的流畅度。

针对不同内径的毛坯或工件，只需对第一活塞杆8-5的伸缩量进行调整即可，提高了引导机构的通用性，使引导机构的适用面更广。

在本发明的另一可选实施例中，引导机构8还包括转向机构，转向机构包括：弧形槽8-6，至少在V型支架的其中一端设有弧形槽8-6；第三活塞杆8-7，第三活塞杆8-7固连在第一活塞杆8-5上，并沿第一活塞杆8-5轴向伸缩，第三活塞杆8-7的末端滑动装配于弧形槽8-6内，并沿弧形槽8-6所对应圆弧的径向对弧形槽8-6施加挤压力，弧形槽8-6所对应圆弧的圆心位于第三活塞杆8-7上，第三活塞杆8-7始终向弧形槽8-6施加挤压力，使第三活塞杆8-7的末端具有与弧形槽8-6的顶点重合的运动趋势；V型支架可通过支撑柱8-3旋转，使橡胶履带8-1形成对应毛坯4内壁的柔性支撑，在毛坯4内部不平整时可进行旋转倾斜；同时，第三活塞杆8-7末端滑动装配于弧形槽8-6，通过挤压力使弧形槽8-6顶点与第三活塞杆8-7末端相互重合的复位趋势，以带动V型支架进行复位。

在本发明的另一可选实施例中，V型支架包括：支撑柱8-3，支撑柱8-3的中部铰接在第一活塞杆8-5上；具体地，第一活塞杆8-5端部设有安装套，支撑柱8-3套接在安装套内以形成转动连接。n形件8-4，n形件8-4有两个，两个n形件8-4的两端固连在支撑柱8-3的外壁，两个n形件8-4呈V形分布，两个n形件8-4的中部设有对应橡胶履带8-1的轴承8-2，橡胶履带8-1通过轴承8-2对应安装在两个n形件8-4之间；在V型支架任意一端的两个n形件8-4之间设置滑块8-8，滑块8-8上开设有弧形槽8-6。第三活塞杆8-7的下端通过安装座固连在第一活塞杆8-5上。

在一些实施例中，其中，第一活塞杆8-5和第二活塞杆7-2为液压杆，第三活塞杆8-7为气弹簧支撑杆。

在本发明的另一可选实施例中，碾环模芯包括：模芯盘7-4，模芯盘7-4与主动轴丝杠6-1和从动轴丝杠6-3螺纹装配；环状芯模7-1，环状芯模7-1同心套接于模芯盘7-4的外部；第二活塞杆7-2，多个第二活塞杆7-2在模芯盘7-4的外周面上均布，并沿模芯盘7-4的径向支撑环状芯模7-1的内壁。通过第二活塞杆7-2对环状芯模提供支撑力，同时可依据旋压件尺寸大小和母线形状，分段设计不同形状的环状芯模7-1进行替换，极大提高了模具的经济效益。

在本发明的另一可选实施例中，第二活塞杆7-2和环状芯模7-1通过连接螺栓连接，第二活塞杆7-2通过泄放阀门连接液压站，并随螺栓旋紧伸张以吸入液压油，对模芯盘7-4和环状芯模7-1形成支撑。

可根据实际需要进行环状芯模7-1尺寸的选择，只需根据不同尺寸进行第二活塞杆7-2伸缩量调整即可，提高了模具的通用性，便于就那些更换。

在本发明的另一可选实施例中，连接螺栓包括连接体7-3、上螺栓7-6和下螺栓7-5，上螺栓7-6和下螺栓7-5分布设置于连接体7-3的两端，上螺栓7-6螺纹连接在环状芯模7-1的内壁；下螺栓7-5螺纹连接在第二活塞杆7-2的活塞端；

优选，上螺栓7-6转动连接在连接体7-3的一端，下螺栓7-5转动连接在连接体7-3的另一端。具体步骤为，使用扳手固定连接体7-3，将上半部分螺栓旋入环状芯模7-1螺纹孔内至紧固；随后将下半部分螺栓缓慢旋入第二活塞杆7-2的活塞端中，在旋合过程中，第二活塞杆7-2逐渐跟随上升，液压油被吸入液压缸内，直至旋紧停止，此时闭合泄放阀门，断开液压站，即可使第二活塞杆7-2具有支撑力，第二活塞杆7-2伸缩长度可根据需要进行调整，也可通过液压站给予第二活塞杆7-2压力，使第二活塞杆7-2支撑力可调。采用双头活动连接螺栓连接环状芯模7-1和液压伸缩机构，可解决多点位装配不同心问题，大幅提高模具和旋转轴心的同轴度和模具刚度，并使得芯模装卸方便。

在一些实施例中，连接螺栓为双头螺栓，其两端的螺纹互为反向。

在本发明的另一可选实施例中，环状芯模7-1外径根据工件内径而定，强力旋压成形过程中可采用“轮胎型”芯模，即外形面包括碾环中间段、引料前角和引料后角，其中随着环状芯模7-1轴向位移，与旋压毛坯4内表面间产生相对水平摩擦运动，预变形的材料经过引料前角进入碾环中间段，在旋轮5碾压作用下开始产生塑性变形，变形材料产生显著加工硬化，其弹性模量会显著提高，已变形材料经过引料后角的圆弧过渡作用，缓慢释放弹性变形应变，增加了产品的尺寸稳定性。环状芯模7-1内表面开设有均布的12个内螺纹孔，用于与连接体7-3进行连接紧固，并传递旋转运动的扭矩。另外，在普旋过程中，依据工件内型面要求，环状芯模7-1也可设计为贴合工件内型面的曲母线芯模，采用组合式旋压芯模可减小旋压模具的占用空间，降低制造成本和管理成本，同时可以实现变截面曲母线舱体和等截面直母线舱体的复合旋压成形，提高了旋压模具的利用效率。

通过连接螺栓及液压站带动第二伸缩杆，实现了旋压模具张力可控，搭配组合式旋压芯模，可优化旋压毛坯4材料变形区的受力状态，提高旋压成形精度，尤其优化旋压件的圆度，改善旋压件同轴度问题。

本发明还提供一种适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压设备，包括上述任一的旋压模具；旋压设备还包括机床1，机床1上设有同于装配毛坯4的安装工位2，具体地，安装工位2设有螺孔，毛坯4通过装配螺栓3固连在安装工位2上，旋压模具的其中一端伸入毛坯4内部，并对应装配在机床1上，机床1设有对应主动轴丝杠6-1的第一驱动设备、对应转盘6-2的第二驱动设备；第一驱动设备、第二驱动设备可以为电机，具体地，电机主轴通过齿轮传动或者链传动的形式对主动轴丝杠或者转盘6-2进行驱动，旋压设备还包括尾顶9，尾顶9对应顶触在旋压模具另一端的转盘6-2上，旋轮5顶触在毛坯4外表面上。

上述旋压设备通过如下工艺方案实现薄壁回转体工件的旋压成形。成形目标工件为等截面直筒型件，采用强力旋压工艺成形：例如：目标工件的具体参数如下：

(1)长度：2200mm；

(2)壁厚：7mm；

(3)内径：525mm；

(4)圆度：0.5mm；

(5)直线度：1mm/2200mm；

(6)材料：6061铝合金。

第一步，毛坯4设计与加工。

首先根据工件壁厚和材料选择合适的壁厚减薄率，按照经济性原则，毛坯4在满足旋压成形质量前提下应尽可能选取短厚坯料，6061铝合金选择总减薄率为65％，则毛坯4壁厚确定为20mm。毛坯4设计依据金属材料塑性变形等体积法则进行计算，实施例1的目标工件体积V₁为25738cm³，推算得出毛坯4长度为752mm，加上20％工艺余量，计算得出的毛坯4长度约为902mm，工艺法兰环外径为665mm，厚度30mm。采用机加工制备毛坯4，确保毛坯4全长范围内的直线度优于0.3mm，全截面上的圆度优于0.2mm。机加后的毛坯4需进行去应力退火，退火温度为350℃，保温1小时后随炉冷却至100℃以下，出炉空冷至室温。

第二步，分解旋压工艺类型，设计芯模。如图1所示，目标工件(毛坯)为直母线强力旋压件，通体采用“轮胎型”环状芯模7-1进行成形。环状芯模7-1外径依据目标工件的内径进行设计，考虑装模间隙Δt₁和材料变形组织的回弹效应Δt₂，环状芯模7-1外径设计为524.5mm，碾环芯模的中间段长度为100mm，引料前角半径为30mm，引料后角半径为30mm，环状芯模7-1内径设计为284.5mm，单边120mm厚度既满足连接内螺纹长度要求，又满足模具刚度要求。连接螺栓采用M24螺纹连接，单边螺纹长度达到80mm，保证连接强度。

采用的第二活塞杆7-2的单边伸缩长度范围为0mm-70mm，可满足内径为150mm-290mm范围内的环状芯模7-1使用。第二活塞杆7-2处于最低点处的外轮廓内径为150mm，此时液压缸内油腔体积最小，液压站控制油液通过泄放阀门全部排出。复合丝杠机构6中的主动轴丝杠6-1直径设计为60mm，以保证刚度，从动轴丝杠6-3的直径设计为30mm。引导机构8的橡胶履带8-1宽度设计为100mm，沿圆周方向采用弧形设计，使得其在液压伸缩系统内撑杆的作用下产生弹性变形，紧贴工件内型面，起到良好的引导作用。

第三步，安装组合式旋压模具和毛坯4。首先组装碾环模芯7，利用行车吊装环状芯模7-1，采用连接螺栓进行连接，具体步骤为：

1)使用扳手固定连接体7-3，将上半部分螺栓旋入环状芯模7-1螺纹孔内至紧固；

2)随后将下半部分螺栓缓慢旋入液压伸缩机构的内撑杆中，在旋合过程中，内撑杆逐渐跟随上升，液压油被吸入液压缸内，直至旋紧停止。

设置引导机构8和碾环模芯7间的间距，位于旋压设备前端的引导机构8和碾环模芯7之间设置100mm间距，位于旋压设备后的引导机构8和碾环模芯7之间设置200mm间距，依据设置的间距调整滚珠螺母在丝杠轴上的位置，依次将其组装至复合丝杠机构6轴上，装配顺序从机床1主轴端至尾顶9端依次为后引导机构8-碾环模芯7-前引导机构8。将组装好的复合丝杠机构6、前后引导机构8、碾环模芯7安装到机床1主轴上，主动轴丝杠6-1和转盘6-2分别与机床1主轴不同的传动轴连接，另一端与机床1尾顶9相连。通过控制主动轴丝杠6-1和转盘6-2的复合转动，实现引导机构8和碾环模芯的水平位移进给：当转盘6-2固定不动时，主动轴丝杠6-1转动，将旋转运动转化为引导机构8和碾环模芯的水平位移；当转盘6-2转动，主动轴丝杠6-1相对转盘6-2产生正旋转运动时(主动轴丝杠6-1转速快于转盘6-2时)，引导机构8和碾环模芯7产生旋转和位移叠加运动。通过组合运动方式的控制，将引导机构8和碾环模芯7移动至机床1主轴端。

将毛坯4吊装至旋压模具上，法兰环端面紧贴机床1主轴端面连接体7-3，采用连接螺栓将毛坯4与连接体7-3进行连接，通过调节连接螺栓的紧固程度，可实现毛坯4的自动对中。

如果毛坯4与环状芯模7-1的间隙设计值较小，也可采用相反的安装顺序，即先安装毛坯4，后安装复合丝杠机构6，安装复合丝杠机构6前将引导机构8和碾环模芯7移动到尾顶9端，保证其位于工件外，随后利用复合丝杠机构6轴反向进给，将其旋入工件内表面，往机床1主轴端移动，这样可以保证毛坯4与旋转轴的同心度和旋压模具的贴模程度。

随后，多自由度引导机构8的液压伸缩机构控制内撑杆将橡胶履带8-1紧贴毛坯4内表面，由转向系统通过弧形槽8-6控制V形支架转向适应曲母线工件内型面。通过均布于周向的液压内撑杆，液压缸内的压力相同，使得毛坯4轴心产生二次对中效果，较大程度提高毛坯4安装精度，并在旋压过程中持续通过液压伸缩机构控制内撑杆作用力，将对中效果一直延续至旋压成形过程中，提高旋压成形稳定性。

第四步，设计旋压成形工艺参数。直筒段轨迹依据多道次强力旋压成形轨迹设计，旋轮5压下量和进给比参数按照材料胀径量而定。在本实施例中，毛坯4壁厚20mm成形至成品壁厚7mm的过程，分为三道次强力旋压成形，壁厚变化为20mm→14mm→9mm→7mm，对应的道次壁厚减薄率分别为30％、35.7％、22.2％，碾环模芯7的转速设置为35r/min，进给速度设置为70mm/min，对应的进给比为2，其他工艺参数与本领域公知的6061铝合金强力旋压成形参数相类似。

第五步，旋压成形。具体包括：

(1)按照设定的压下量和道次减薄分配系数，编制旋压程序，包括主动轴丝杠6-1转速、转盘6-2转速、各活塞杆张力控制程序、旋轮5压下量和轴向位移控制。

(2)旋压芯模转速由转盘6-2对应的驱动轴控制，转盘6-2转速设置为35r/min，同时要保证环状芯模7-1轴向位移速度(进给速度)达到70mm/min，则主动轴丝杠6-1转速相对于转盘6-2所要产生的转速增量要满足70mm/min的轴向位移速度要求，具体转速需要根据滚珠丝杠参数而定。旋压模具的轴向位移需与旋轮5匹配，保证变形材料区域始终位于芯模和旋轮5之间。

(3)按照工件直母线形状，将多自由度引导机构8转向液压系统的压力值设置为固定值，调整液压伸缩机构内撑作用力和橡胶履带8-1转向，使橡胶履带8-1紧贴工件内型面，保证工件旋压段在旋压过程中的自动对心和稳定可靠。

(4)按照设计的工艺顺序进行复合旋压成形。首先使环状芯模和毛坯4旋转，旋轮5从毛坯4靠近机床1主轴端的起旋坡口处开始下压，随后旋轮5和碾环模芯7以同样的进给速度向尾顶9端移动，引导机构8跟随移动，碾环模芯7与毛坯4之间产生的相对运动为沿轴线方向的滑动摩擦运动，其转速与毛坯4一致，周向上不产生相对运动。

第六步，工艺边修整。将旋压好的带工艺余量的工件从机床1上卸载下来，采用机械加工去除工艺余量至最终产品尺寸。

综上所述，本发明提供了一种适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具及设备，本发明通过分析分解旋轮5、旋压毛坯4、旋压模具的轴向、径向、周向运动，在外旋压成形的基础上重新设计旋压模具，利用复合丝杠机构6、液压伸缩系统机构、多自由度引导机构8等组成旋压模具，使旋压模具具备轴向、径向、周向的多自由度位移能力，从而实现了可替换短芯模的组合式外旋压模具，满足强力旋压、剪切旋压、普旋等多种旋压成形工艺的通用互换性，并且优化了成形精度和成形效率，实现了直筒型和曲母线型回转体工件的高效精密成形，大大提高了旋压模具的经济效益，并实现了旋压模具的柔性制造。适用于短的环状芯模7-1，可大幅减小材料变形区域与模具的接触面积，从而大幅减小摩擦力和机床1成形功率，同时可提高机床1单位面积的成形加工能力，提高设备加工容限。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本发明实施例对此并不进行限定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，其特征在于，所述旋压模具包括碾环模芯和复合丝杠机构；

所述碾环模芯用于旋压毛坯的内壁，使毛坯产生塑性变形；

所述复合丝杠机构对应连接所述碾环模芯，使所述碾环模芯沿所述复合丝杠机构进行轴向位移和周向公转；

所述复合丝杠机构包括：

主动轴丝杠，螺纹装配于所述碾环模芯的轴心处，以通过传递旋转扭矩驱动所述碾环模芯产生轴向位移；

转盘，两个所述转盘分别设置于所述主动轴丝杠的两端，以通过传递旋转扭矩驱动所述碾环模芯产生周向公转；

从动轴丝杠，多个所述从动轴丝杠沿所述主动轴丝杠的周向均布，并与所述碾环模芯螺纹装配，以使所述碾环模芯与所述转盘同步公转；

所述从动轴丝杠将所述碾环模芯产生的轴向位移转换为自转运动。

2.根据权利要求1所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，其特征在于，所述旋压模具还包括引导机构，所述引导机构与所述碾环模芯同轴安装在所述复合丝杠机构上，以与所述碾环模芯同步运动；所述引导机构沿径向挤压毛坯的内壁，对所述碾环模芯与毛坯进行对心。

3.根据权利要求2所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，其特征在于，所述引导机构设置为两个，两个所述引导机构对应设置在所述碾环模芯的两侧；

所述主动轴丝杠和所述从动轴丝杠均为滚珠丝杠，所述碾环模芯与所述引导机构均通过滚珠筒对应连接所述主动轴丝杠和所述从动轴丝杠。

4.根据权利要求3所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，其特征在于，所述引导机构包括：

引导盘，所述引导盘与所述主动轴丝杠和所述从动轴丝杠螺纹装配；

第一活塞杆，多个所述第一活塞杆沿所述引导盘的外周面均布，并沿所述引导盘的径向延伸；

V型支架，所述V型支架转动连接在所述第一活塞杆的末端，以在所述引导盘轴线所处的平面上进行转动；

橡胶履带，所述橡胶履带设置在所述V型支架上，所述橡胶履带其上带面对应抵触毛坯内壁，以沿毛坯内壁进行滑动。

5.根据权利要求4所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，其特征在于，所述引导机构还包括转向机构，所述转向机构包括：

弧形槽，在所述V型支架的其中一端设有弧形槽；

第三活塞杆，所述第三活塞杆固连在所述第一活塞杆上，并沿第一活塞杆轴向伸缩，所述第三活塞杆的末端滑动装配于所述弧形槽内，并沿所述弧形槽所对应圆弧的径向对所述弧形槽施加挤压力。

6.根据权利要求5所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，其特征在于，所述V型支架包括：

支撑柱，所述支撑柱的中部铰接在所述第一活塞杆上；

n形件，所述n形件有两个，两个所述n形件的两端均固连在所述支撑柱的外壁、并呈V形分布，橡胶履带通过轴承对应安装在两个所述n形件之间；

在所述V型支架任意一端的两个n形件之间设置滑块，所述滑块上开设有弧形槽。

7.根据权利要求1所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，其特征在于，所述碾环模芯包括：

模芯盘，所述模芯盘与所述主动轴丝杠和所述从动轴丝杠螺纹装配；

环状芯模，所述环状芯模同心套接于所述模芯盘的外部；

第二活塞杆，多个所述第二活塞杆在所述模芯盘的外周面上均布，并沿所述模芯盘的周向支撑所述环状芯模的内壁。

8.根据权利要求7所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，其特征在于，所述第二活塞杆和所述环状芯模通过连接螺栓连接，所述第二活塞杆通过泄放阀门连接液压站，并随所述螺栓旋紧伸张以吸入液压油，对所述模芯盘和所述环状芯模形成支撑。

9.根据权利要求8所述的适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压模具，其特征在于，所述连接螺栓包括连接体、上螺栓和下螺栓，上螺栓和下螺栓分布设置于所述连接体的两端，所述上螺栓螺纹连接在所述环状芯模的内壁；所述下螺栓螺纹连接在所述第二活塞杆的活塞端；

所述上螺栓转动连接在所述连接体的一端，所述下螺栓转动连接在所述连接体的另一端。

10.一种适用于剪普复合旋压成形的多自由度旋压设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的旋压模具；

所述旋压设备还包括机床，所述机床上设有用于装配毛坯的安装工位，所述旋压模具的其中一端伸入毛坯内部，并对应装配在所述机床上，所述机床设有对应主动轴丝杠的第一驱动设备、对应转盘的第二驱动设备；

所述旋压设备还包括尾顶和旋轮，所述尾顶对应顶触在所述旋压模具另一端的转盘上，所述旋轮顶触在毛坯外表面上。

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