CN117086181A - 一种薄壁回转体构件的旋压成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于回转体构件制造技术领域，具体涉及一种薄壁回转体构件的旋压成形装置及方法，装置包括回转台、环形件夹具、模具和旋压机构，环形件夹具用于夹持筒形件；模具的上表面为凸起状的回转曲面，筒形件围绕模具的外周；旋压机构包括若干可在三维坐标系中调节位置的工具头，工具头包括旋轮，旋轮与筒形件滚动接触，用于将筒形件贴合于模具的上表面，使用本装置，以筒形件作为旋压坯料，通过缩径旋压进行收口，成形大型曲面回转体构件，以筒形件为坯料进行缩径收口旋压可以避免焊接产生的各种局部变形缺陷、工装精度问题，也可以避免应力集中和性能不均匀性，所需设备简单，不需要进行额外的拼焊等工艺步骤，提高了整体箱底的成形效率。

Description

一种薄壁回转体构件的旋压成形装置及方法

技术领域

本发明属于回转体构件制造技术领域，具体涉及一种薄壁回转体构件的旋压成形装置及方法。

背景技术

燃料箱底的封头是属于标准的回转体构件，旋压工艺则是专门成形回转体零件的一种金属成形加工方法，用于制造类似于圆锥体、曲母线等复杂外形零件。该工艺通过使金属板材在弯曲之前受到压力和旋转的复合作用来实现。这种工艺可以生产高精度且表面质量好的零件，并且在能源、航空航天、汽车等行业有着广泛应用。在航天领域，旋压工艺通常用于制造液氧、液氢等燃料箱和发动机部件的壳体，以及大型天线反射器等组件。燃料箱底需承受内部燃料箱底的压力载荷、运输使用过程中的碰撞振动载荷和燃料箱在使用过程中面临的温度变化，在设计和制造燃料箱底封头时需要充分考虑以上几点受载情况，并且燃料箱底封头需要具有足够的刚度和强度，以减轻震动和振动对其造成的影响，还需要进行必要的检测和评估，以验证燃料箱底封头的受载性能和耐久性。

目前常见的大型薄壁箱底成形常见的成形方式有：瓜瓣拉深-拼焊式和板料焊接-旋压式两种方式。瓜瓣拉深-拼焊式将轧制板坯先进行拉深成形为瓜瓣状，随后将每个瓜瓣部分拼焊成为一个箱底整体。板料焊接-旋压式是提前制备多块预制板坯，由于现有技术无法一次成形大型板坯，只能通过焊接的方式制备成大型板坯，最后通过封头旋压的方式成形大型薄壁箱底。

众所周知，焊接部位由于焊接的瞬时高温，导致工件局部受热膨胀，材料组织发生变化。并且该过程需要进行多次焊接操作，焊接道次会随着箱底直径增大而逐步增加。焊接的不均匀性，容易产生形状偏差和性能不均匀性。最终影响到工件的装配精度和性能不均匀性，从而影响零件的服役寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种薄壁回转体构件的旋压成形装置及方法，以筒形件为坯料进行缩径收口旋压可以避免焊接产生的各种局部变形缺陷、工装精度问题，也可以避免应力集中和性能不均匀性。

本发明提供的一种薄壁回转体构件的旋压成形装置，包括：

回转台；

设置于回转台上的环形件夹具，所述环形件夹具用于夹持筒形件；

设置于环形件夹具上的模具，所述模具的上表面为凸起状的回转曲面，所述筒形件围绕模具的外周；以及

旋压机构，所述旋压机构包括若干可在三维坐标系中调节位置的工具头，所述工具头包括旋轮，所述旋轮与筒形件滚动接触，用于将筒形件贴合于模具的上表面。

可选地，所述模具的上表面为椭圆抛物面或球面。

可选地，所述环形件夹具与模具的外侧配合紧固筒形件。

可选地，所述模具靠近环形件夹具处的直径不小于3m。

可选地，所述模具靠近环形件夹具处的直径为3-10m。

可选地，所述工具头还包括车刀。

一种薄壁回转体构件的旋压成形方法，包括以下步骤：

使用所述的薄壁回转体构件的旋压成形装置，先将筒形件通过环形件夹具和模具配合紧固，所述环形件夹具围绕于模具的外周，设置好旋轮轨迹参数，开启回转台和旋压机构，对筒形件进行多道次初期收口旋压，形成锥筒件；

然后，对锥筒件进一步旋压，并逐渐向模具的上表面贴合，形成回转体粗品；

拆下回转体粗品进行固溶处理，调整工件的组织性能，为后续贴模旋压提供条件；

更换旋轮的尺寸和轨迹参数，重新调整回转台的转速，对回转体粗品进行修行旋压，得到的旋压的回转体的贴合精度、壁厚分布和表面质量达到要求，得到薄壁回转体构件。

可选地，所述锥筒件的锥度为25°-35°。

可选地，所述回转体粗品呈两端开口的结构或一端封口的结构。

可选地，薄壁回转体构件的旋压成形方法，还包括：对筒形毛坯件进行环轧开坯，通过环轧的方式制备筒形件；随后热处理消除加工应力，提高筒形件的延展性和可加工性能，便于后续的旋压成形。

本发明的有益效果是，通过开启回转台使固定的在其上的环形件夹具、模具和筒形件同步转动，旋压机构上的旋轮在筒形件的外表面滚压，与模具配合进行滚轧，使筒形件逐渐蠕变，厚度逐渐变薄，逐渐形成端部收口的薄壁回转体构件，薄壁回转体构件可以是燃料箱底的封头，以筒形件为坯料进行缩径收口旋压可以避免焊接产生的各种局部变形缺陷、工装精度问题，也可以避免应力集中和性能不均匀性，也方便后续的箱底组装的工作，并且所需设备简单，不需要进行额外的拼焊等工艺步骤，提高了整体箱底的成形效率，同时，可以实现更薄的壁厚和更低的重量，有利于空天器件轻量化发展。

如果采用现有的旋压装置加工薄壁回转体构件，基本采用的是以圆形板件为坯料，需要从中间旋压，逐渐过渡到边缘，是扩径减薄的过程，会因为靠近边缘的部分过度延展，出现裂痕，影响产品结构强度，也会限制薄壁回转体构件直径，难以制造一些大型燃料箱底的封头。

另外，相对直接熔铸获得大型薄壁回转体构件，通过环轧筒形件可以有效消除内部微观缺陷保证了构件的延伸率更好的实现筒形件收口旋压，不仅能使工件获得高硬度和高光洁度的表面，同时能显著提高工件的疲劳强度极限和扭转强度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的旋压成形装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的环件轧机的轧制原理图；

图3为本发明实施例提供的回转体构件的成型过程图。

图中：11、回转台；12、环形件夹具；13、模具；21、旋轮；31、筒形件；32、锥筒件；33、回转体粗品；34、薄壁回转体构件；41、主轧辊；42、芯辊；43、导向辊。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明实施例提供的一种薄壁回转体构件的旋压成形装置，包括：回转台11、设置于回转台11上的环形件夹具12、设置于环形件夹具12上的模具13以及旋压机构，环形件夹具12用于夹持筒形件31；模具13的上表面为凸起状的回转曲面，筒形件31围绕模具13的外周；旋压机构包括若干可在三维坐标系中调节位置的工具头，工具头包括旋轮21，旋轮21与筒形件31滚动接触，用于将筒形件31贴合于模具13的上表面。

与现有技术相比，本发明提供的薄壁回转体构件34的旋压成形装置，通过开启回转台11使固定的在其上的环形件夹具12、模具13和筒形件31同步转动，旋压机构上的旋轮21在筒形件31的外表面滚压，与模具13配合进行滚轧，使筒形件31逐渐蠕变，厚度逐渐变薄，逐渐形成端部收口的薄壁回转体构件34，薄壁回转体构件34可以是燃料箱底的封头，以筒形件31为坯料进行缩径收口旋压可以避免焊接产生的各种局部变形缺陷、工装精度问题，也可以避免应力集中和性能不均匀性，也方便后续的箱底组装的工作，并且所需设备简单，不需要进行额外的拼焊等工艺步骤，提高了整体箱底的成形效率，同时，可以实现更薄的壁厚和更低的重量，有利于空天器件轻量化发展。

如果采用现有的旋压装置加工薄壁回转体构件34，基本采用的是以圆形板件为坯料，需要从中间旋压，逐渐过渡到边缘，是扩径减薄的过程，会因为靠近边缘的部分过度延展，出现裂痕，影响产品结构强度，也会限制薄壁回转体构件34直径，难以制造一些大型燃料箱底的封头。

另外，相对直接熔铸获得大型薄壁回转体构件34，通过环轧筒形件31可以有效消除内部微观缺陷保证了构件的延伸率更好的实现筒形件31收口旋压，不仅能使工件获得高硬度和高光洁度的表面，同时能显著提高工件的疲劳强度极限和扭转强度。

需要说明的是，本实施例中的附图1对称省略了另一半结构，其中的虚线为对称线，也为回转台11的旋转轴。

本实施例中，筒形件31可以呈直筒型，也可以为锥筒型。

本实施例中，模具13的上表面为椭圆抛物面或球面。

具体地，模具13的上表面是用于筒形件31贴合的凸起面，包括部分径向侧面，其从径向侧面到顶部，直径非线性逐渐变小，需要说明的是，模具13靠近环形件夹具12的径向侧面为直筒形，方便后期装配。

进一步地，模具13的上表面和下表面均为椭圆抛物面或球面，形如倒置的锅。

本实施例中，环形件夹具12与模具13的外侧配合紧固筒形件31，如此，加工得到的薄壁回转体构件34的边缘与模具13能够紧密贴合，能够减少后期修形操作，可以使薄壁回转体构件34的边缘符合设计要求。

环形夹具12的具体构造方式：工件（筒形件31）下端加工出一段小台阶，环形夹具12加工出一段压边圈，通过紧固螺钉拧紧压住工件的台阶。模具13下部带有一段法兰边，紧固螺钉将环形夹具12固定在模具13下边的法兰边上，使得模具13、工件和环形夹具12三者紧固在一起。夹爪14仅需加紧模具13即可完成所需的工装。

本实施例中，模具13靠近环形件夹具12处的直径不小于3m，也就是，模具13的径向侧面的直径不小于3m，因而，采用本旋压成形装置加工得到的薄壁回转体构件34，其边缘处的内径不小于3m，适合于制造收口式的大型薄壁回转体构件34，如航天器的液氧、液氢等燃料箱底的封头。

优选地，模具13靠近环形件夹具12处的直径为3-10m，从而能够使用目前适宜的材料，制造大部分的燃料箱底的封头。

当所需的燃料箱底封头的直径过大，达到十几米，甚至更大，以为则材料由筒形件31直接变为封头件（燃料箱底的封头），则材料的减薄率更大，受限于目前材料的性质，很容易产生折叠和裂缝，则可以先使用一个模具13直径达到要求的旋压成形装置，制造出端部不封闭的回转体构件，然后根据此回转体构件收口处的尺寸，选择具体适合模具13的另一旋压成形装置，用另外的筒形件31旋压成剩余的部分，经过边缘裁切修整，通过焊接的方式将两部分连接，从而形成符合要求的燃料箱底封头。

本实施例中，工具头还包括车刀。具体地，旋压机构上的旋轮21可以更换成车刀，可以对工件（薄壁回转体构件34）局部位置进行加工精整，实现旋压车削同设备进行，避免二次装夹所产生的误差，减少了装夹道次的同时完成多工序加工，保证了箱底的加工精度。

本实施例中，旋压机构包括三轴桁架和设置于三轴桁架上的若干机械手，图中未示，工具头可更换的安装在机械手上，如此，可以对工具头进行三维坐标调整位置。

本实施例中，请参阅图2，有些时候筒形件31的规格并不满足直接旋压加工的要求，需要整形和扩径，因此需要使用到环件轧机，环件轧机可以是旋压成形装置配套组件，环轧轧机包括主轧辊41、芯辊42和两个对称设置的导向辊43，主轧辊41在旋转的同时，还在该辊与位置不动的芯辊42圆心连线的方向上运动，即压下运动，两辊间的辊缝决定了环件的壁厚，当主轧辊41以适当的转速和移动速度向芯辊42靠近时，在两辊间的环件上产生轧制力，并使环件转动，当轧制力满足环件的锻透条件时，环件在与主轧辊41接触点切线方向上延伸，使环件直径增大，左右导向辊43的作用为保持轧制过程的平稳及环件的圆度。

在一个具体的实施例中，以10m直径整体箱体分两个曲面回转体构成部为例：第一步成形整体箱底的下部1.5m部分的，第二部成形整体箱体中部的1.5m部分，将下部1.5m部分的曲面回转体和中部1.5m部分的曲面回转体进行焊接成整体箱底，其高度为3mm，开口直径3.8m；

整体箱底的下部1.5m的曲面回转体成形思路：

1.采用2219铝合金材料，首先环轧出内径φ9980mm，厚度70-80mm，高度800mm的筒形件坯料；

2.加工切削筒形件坯料，内径加工到φ10000mm，外径加工到φ10060mm，底部加出高80mm凸出5mm的台阶；

3.将直筒坯料在相应的锥筒模具上，贴膜旋压至25°-35°的锥筒；

4.锥筒件进行热处理退火消除加工硬化，提高工件的可加工性能；

5.更换锥筒模具，改为整体箱底的封头形状的模具，进行缩径贴膜旋压，成形大型曲面回转体构件；

6.整体箱底进行固溶；

7.对整体箱底进行精确修形，最终壁厚成形6mm。整体箱底下部1.5m的曲面回转体的上部口径＜φ7000mm，下部口径为φ10000mm；整体箱底的中部1.5m的曲面回转体成形思路与下部1.5m的曲面回转体思路相同，最终成形上部口径＜φ3800mm。

一种薄壁回转体构件的旋压成形方法，包括以下步骤：

使用所述的薄壁回转体构件的旋压成形装置，先将筒形件31通过环形件夹具12和模具13配合紧固，所述环形件夹具12围绕于模具13的外周，设置好旋轮21轨迹参数，开启回转台11和旋压机构，对筒形件31进行多道次初期收口旋压，形成锥筒件32；

然后，对锥筒件32进一步旋压，并逐渐向模具13的上表面贴合，形成回转体粗品33；

拆下回转体粗品33进行固溶处理，调整工件的组织性能，为后续贴模旋压提供条件；

更换旋轮21的尺寸和轨迹参数，重新调整回转台11的转速，对回转体粗品33进行修行旋压，得到的旋压的回转体的贴合精度、壁厚分布和表面质量达到要求，得到薄壁回转体构件34。

通过采用筒形件31作为旋压坯料，通过缩径旋压，将筒形件31端口进行收口，最终成形出大型回转体构件，如航天器的液氧、液氢等燃料箱底的封头。相比于现有技术，以筒形件31为坯料进行缩径收口旋压可以避免焊接产生的各种局部变形缺陷、工装精度问题，也可以避免应力集中和性能不均匀性，所需设备简单，不需要进行额外的拼焊等工艺步骤，提高了整体箱底的成形效率。同时，可以实现的更薄的壁厚和更低的重量，有利于空天器件轻量化发展。

本实施例中，锥筒件32的锥度为25°-35°，优选地，锥筒件32的锥度为30°。

对于大型整体箱底旋压，所需要的工件高度为1000mm以上，一般的环轧的坯料高度也在800mm左右，而超过800mm的工件则需要通过旋挤的方式将工件进行拉长，而若是直接将800mm以上的大型回转体工件，若是直接进行缩径贴膜旋压，导致工件上部产生明显的收口失稳现象；若是采用先将直筒旋压至25°-35°锥筒后：可以将锥筒工件通过旋挤的方式拉成工件达到所需要的高度；可降低后续收口贴膜旋压过程的缩径量，有效避免了工件上部的端面收口失稳现象。

本实施例中，回转体粗品33呈两端开口的结构或一端封口的结构，具体可以根据材料和加工的薄壁回转体构件34的规格确定，大多数情况下回转体粗品33呈两端开口的结构，上端开口是缩径形成。

本实施例中，薄壁回转体构件34的旋压成形方法，还包括：对筒形毛坯件进行环轧开坯，通过环轧的方式制备筒形件31；随后热处理消除加工应力，提高筒形件31的延展性和可加工性能，便于后续的旋压成形。如此，通过环轧处理筒形件31可以有效消除内部微观缺陷保证了构件的延伸率更好的实现筒形件31收口旋压，也可以制得符合规格的筒形件31。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的保护范围限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本申请中一个或多个实施例旨在涵盖落入本申请的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种薄壁回转体构件的旋压成形装置，其特征在于，包括：

回转台（11）；

设置于回转台（11）上的环形件夹具（12），所述环形件夹具（12）用于夹持筒形件（31）；

设置于环形件夹具（12）上的模具（13），所述模具（13）的上表面为凸起状的回转曲面，所述筒形件（31）围绕模具（13）的外周；以及

旋压机构，所述旋压机构包括若干可在三维坐标系中调节位置的工具头，所述工具头包括旋轮（21），所述旋轮（21）与筒形件（31）滚动接触，用于将筒形件（31）贴合于模具（13）的上表面。

2.根据权利要求1所述的薄壁回转体构件的旋压成形装置，其特征在于，所述模具（13）的上表面为椭圆抛物面或球面。

3.根据权利要求1所述的薄壁回转体构件的旋压成形装置，其特征在于，所述环形件夹具（12）与模具（13）的外侧配合紧固筒形件（31）。

4.根据权利要求1所述的薄壁回转体构件的旋压成形装置，其特征在于，所述模具（13）靠近环形件夹具（12）处的直径不小于3m。

5.根据权利要求1所述的薄壁回转体构件的旋压成形装置，其特征在于，所述模具（13）靠近环形件夹具（12）处的直径为3-10m。

6.根据权利要求1所述的薄壁回转体构件的旋压成形装置，其特征在于，所述工具头还包括车刀。

7.一种薄壁回转体构件的旋压成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用如权利要求1-6任一项所述的薄壁回转体构件的旋压成形装置，先将筒形件（31）通过环形件夹具（12）和模具（13）配合紧固，所述环形件夹具（12）围绕于模具（13）的外周，设置好旋轮（21）轨迹参数，开启回转台（11）和旋压机构，对筒形件（31）进行多道次初期收口旋压，形成锥筒件（32）；

然后，对锥筒件（32）进一步旋压，并逐渐向模具（13）的上表面贴合，形成回转体粗品（33）；

拆下回转体粗品（33）进行固溶处理，调整工件的组织性能，为后续贴模旋压提供条件；

更换旋轮（21）的尺寸和轨迹参数，重新调整回转台（11）的转速，对回转体粗品（33）进行修行旋压，得到的旋压的回转体的贴合精度、壁厚分布和表面质量达到要求。

8.根据权利要求7所述的薄壁回转体构件的旋压成形方法，其特征在于，所述锥筒件（32）的锥度为25°-35°。

9.根据权利要求7所述的薄壁回转体构件的旋压成形方法，其特征在于，所述回转体粗品（33）呈两端开口的结构或一端封口的结构。

10.根据权利要求7所述的薄壁回转体构件的旋压成形方法，其特征在于，还包括：

对筒形毛坯件进行环轧开坯，通过环轧的方式制备筒形件（31）；随后热处理消除加工应力，提高筒形件（31）的延展性和可加工性能，便于后续的旋压成形。