CN118417413B - 一种不锈钢超薄壁壳体旋压加工技术 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及旋压加工的技术领域，公开了一种不锈钢超薄壁壳体旋压加工技术，S1、将旋压芯模安装于旋压机主轴上，旋压机三个旋轮轴向错距3mm～4mm、沿芯模周向均布安装；S2、将不锈钢旋压毛坯安装于芯模上，在旋压毛坯尾端使用尾顶盘施加一个顶紧力，通过旋压机主轴带动芯模及旋压毛坯旋转，转速为180r/min～220r/min；S3、旋压机旋轮移动到旋压毛坯尾端位置，先径向进给，到达对旋压毛坯设定的压下量后，沿轴向旋压机主轴端进给，轴向进给率为0.5mm/r～1.5mm/r，到达设定位置后径向退回起始高度，再轴向退回到起始位置，进行下一次循环，经过2次循环，将旋压毛坯旋压加工成壁厚0.7mm～0.9mm的薄壁壳体，加工效率高、加工精度高、加工质量稳定、加工成本低。
Description
技术领域
本发明涉及旋压加工的技术领域，尤其涉及一种不锈钢超薄壁壳体旋压加工技术。
背景技术
强力旋压是公认的制造薄壁壳体件最有效的加工方法之一，强力旋压的精度不低于切削加工，并且其材料利用率和机械性能均优于切削加工，因此，旋压成形技术在航空、航天以及兵器工业等行业中得到越来越多的应用。
金属材料在冷旋压过程都会出现加工硬化和晶粒细化的现象，毛坯经过旋压后与同等壁厚下其它方式加工的产品相比强度会比其他加工要好很多，金属材料的回弹性能、抗拉强度越大，越会降低材料成型后的精度，材料硬度越低，旋压成型后的外表表面质量越好。而不锈钢材料虽然具有较好的冷加工性能，但其较高的硬度以及较高的回弹性等使得不锈钢的旋压加工难度大，加工精度难以控制，想要实现对不锈钢的高精度加工一是选择压力大精度高的旋压机，二是选择低进给缓慢加工的加工方式，但这两种方式都会使得加工成本过高。因此，选择一种加工成形质量高、生产成本低、高效率的加工工艺成为不锈钢超薄壁壳体加工的一大难题。
发明内容
本发明目的在于提供一种不锈钢超薄壁壳体旋压加工技术，以解决现有不锈钢薄壁壳体旋压困难的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种不锈钢超薄壁壳体旋压加工技术，包括以下步骤：
S1、将旋压芯模安装于旋压机主轴上，旋压机三个旋轮轴向错距3mm～4mm、沿芯模周向均布安装；
S2、将不锈钢旋压毛坯安装于芯模上，在旋压毛坯尾端使用尾顶盘施加一个顶紧力，通过旋压机主轴带动芯模及旋压毛坯旋转，转速为180r/min～220r/min；
S3、旋轮移动到旋压毛坯尾端位置，先径向进给，到达对旋压毛坯设定的压下量后，沿轴向旋压机主轴端进给，轴向进给率为0.5mm/r～1.5mm/r，到达设定位置后径向退回起始高度，再轴向退回到起始位置，进行下一次循环，经过2次循环，将旋压毛坯旋压加工成壁厚0.7mm～0.9mm的薄壁壳体。
通过对加工参数和旋压工艺的优化改进，不仅解决不锈钢薄壁壳体难加工的问题，而且提供了一种加工效率高、加工精度高、加工质量稳定、加工成本低的不锈钢薄壁壳体加工技术，经过旋压不锈钢薄壁壳体，材料强度更高，使用性能更好，加工出的薄壁壳体壁厚均匀，椭圆度低。
所述的薄壁壳体壁厚0.7mm～0.9mm，外径范围为50mm～150mm。
所述旋压毛坯与芯模间隙0.05mm～0.15mm，旋压过程整体减薄率70%～75%。
优选的，在步骤S3中一共采用了两次三轮错距旋压，其中同一旋轮在第一次错距旋压中的旋轮压下量为第二次的错距旋压中的选轮压下量的1.5～2.5倍。
优选的，在旋压加工前对不锈钢毛坯进行脱氢退火，退火温度为450℃～600℃，保温时间为3.5h～4.5h。
选用水剂冷却液，冷却液以30～80 L/min的流量喷射在旋压工作区域，将旋压温度控制在25～40 ℃，同时在芯模和旋压毛坯之间均匀涂抹MoS2润滑油。
进一步的，本发明还包括毛坯旋压力检测及旋压控制方法，其控制步骤如下：
S31、旋轮的旋压力包括第一旋轮、第二旋轮以及第三旋轮的轴向和径向力，其中，将第一旋轮旋压时的轴向力记为 将第一旋轮旋压时的轴向力记为，径向力记为，第二旋轮的轴向力记为，径向力记为，第三旋轮的轴向力记为，径向力记为，设定压力采集最小的间隔时间△t1以及压力调整的最小间隔时间△t2，其中△t1=0.125=△t2，△t1和△t2的单位为s，V为旋压机主轴转速，单位取r/s；
S32、按照步骤S1和S2设定旋压加工参数，再按照旋压加工参数进行错距旋压加工，每次错距旋压时按照设定的间隔时间对每个旋轮的径向力和轴向力进行采集记录；
S33、对三个旋轮的径向力比值和轴向力比值进行检测，计算第一旋轮与第二旋轮之间的径向力之比和第二旋轮与第三旋轮之间的径向力之比；
=/ ；
=/；
计算第一旋轮与第二旋轮之间的轴向力之比和第二旋轮与第三旋轮之间的轴向力之比；
=/ ；
=/；
表示第n个压力采集间隔时间下第一旋轮的径向力数据，表示时刻下第一旋轮的轴向力数据，n为从1开始的正整数，n为1时是初始时刻；
S34、通过、、 以及对三个旋轮的轴向力和径向力进行反馈控制。
所述步骤S34还包括如下步骤；
S341、起旋时在旋压毛坯的起始端记录、、 以及的值，记录的起始端长度占旋压毛坯初始长度的5%～11%，再求得、 、 以及的平均值作为参考值；
S342、通过对、、以及 的值检测，对旋压力实施调控。
其中，在旋压开始后，将第一旋轮的轴向力和第二旋轮的径向力作为参考值，并记录每次的采集值。
在芯模安装前，对芯模表面进行轴向滑动打磨加工，滑动打磨采用高目数打磨带沿芯模轴向进行滑动打磨，并沿芯模四周最终完成芯模整个圆柱面的滑动打磨。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明不仅解决不锈钢薄壁壳体难加工的问题，而且提供了一种加工效率高、加工精度高、加工质量稳定、加工成本低的不锈钢薄壁壳体加工技术，经过旋压不锈钢薄壁壳体，材料强度更高，使用性能更好。
2、本发明通过对三个旋轮的径向力和轴向力进行复合判断，能有效的减少因毛坯初始壁厚不均、应力、表面硬度过高等毛坯差异性带来的加工质量问题，有效保持三旋轮错距旋压时的旋压稳定性，避免旋轮干涉，确保旋压时金属的顺畅流动，提高加工质量，同时，若毛坯不存在这些问题时也不影响毛坯的正常加工，能有效简化旋压加工工艺，提高旋压加工质量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的加工结构示意图；
图2为本发明的加工结构右视结构示意图；
图3为本发明加工用的旋轮结构示意图；
图4为本发明的加工成品示意图；
图5为本发明中旋轮的轴向分布状态图。
附图标记所代表的为：1-旋压机主轴，2-芯模，3-尾顶盘，4-旋压毛坯，5-旋轮，501-第一旋轮，502-第二旋轮，503-第三旋轮，6-旋轮前角，7-旋轮圆角，8-旋轮后角。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1至图5所示，一种不锈钢超薄壁壳体旋压加工技术，提供一台具有旋轮5轴向和径向旋压力检测的强力旋压设备，包括如下加工步骤：
S1、进行芯模2的安装并调整配合公差，将旋压使用的所述芯模2安装于旋压机主轴1上，调整所述芯模2圆周跳动，使尾部即靠近所述旋压机主轴1一端的圆跳动公差小于0.03mm，远离所述旋压机主轴1的一端圆跳动公差小于0.05mm，调整所述芯模2水平和垂直方向直线跳动小于0.05mm，进行旋轮5的选择，选用规格相同的三个所述旋轮5。
S2、将不锈钢旋压毛坯4安装于芯模2上，在所述旋压毛坯4尾端使用尾顶盘3施加一个顶紧力，通过主轴带动所述芯模2及所述旋压毛坯4旋转，转速范围为180r/min～220r/min。
S3、旋压机旋轮5移动到所述旋压毛坯4尾端位置，先径向进给，到达对旋压毛坯4设定的压下量后，沿轴向旋压机主轴1端进给，轴向进给率为0.5mm/r～1.5mm/r到达设定位置后径向退回起始高度，再轴向退回到起始位置，进行下一次循环，经过2次循环，将旋压毛坯4旋压加工成壁厚0.7mm～0.9mm的薄壁壳体。
进一步地，在步骤S3中一共采用了两次三轮错距旋压，其中同一旋轮5在第一次错距旋压中的旋轮5压下量为第二次的错距旋压中的选轮压下量的1.5～2.5倍，通过对首次旋压减薄率的控制能有效的提高旋压毛坯4成型后的圆度。
有益地，所述旋压毛坯4与芯模2间隙0.05mm～0.15mm，旋压过程整体减薄率70%～75%，最终加工出的薄壁壳体壁厚范围为0.7mm～0.9mm，外径范围为50mm～150mm。
在本实施例中，进行壁厚2.6mm的15-5PH不锈钢旋压毛坯4旋压时，将旋压所使用的芯模2进行安装，再选用旋压所需的旋轮5，所述旋轮5的规格为旋轮前角6为20°、旋轮圆角7为R4、旋轮后角8为3°，安装所述旋轮5，调整所述旋轮5的跳动公差小于0.02mm，三个旋轮5采用错距布置，错距为3.5mm；
先将旋压所需的芯模2进行安装并调整芯模2的圆跳动公差，再将壁厚2.6mm的15-5PH不锈钢旋压毛坯4安装于芯模2，在旋压毛坯4尾端使用尾顶盘3施加一个顶紧力，通过旋压机主轴1带动芯模2及旋压毛坯4旋转，转速为200r/min；
旋压机旋轮5移动到旋压毛坯4尾端位置，先径向进给，到达对旋压毛坯4设定的压下量后，三个旋轮5压下量分别为：1.7mm、1.46mm、1.05mm，沿轴向向旋压机主轴1端进给，进给率0.8mm/r，进给长度530mm，轴向进给结束后，径向退回起始高度，再轴向退回到起始位置，进行下一次循环，第二次循环三个旋轮5压下量分别为：0.84mm、0.66mm、0.48mm，沿轴向向旋压机主轴1端进给，进给率0.9mm/r，进给长度1040mm，轴向进给结束后，径向退回起始高度，再轴向退回到起始位置。
旋压加工完成后，得到如图4所示的成品，其中T=0.7mm～0.75mm、D=100mm、L=1000mm，加工完成后的成品力学性能好，能有效将薄壁壳体壁厚的厚度差控制在0.05mm内，实现对薄壁壳体的高精度加工，同时，采用了一种整体减薄率高的旋压方式，使得旋压毛坯4的初始长度较低，毛坯的整体尺寸较小，能有效降低旋压前的毛坯热处理工艺难度，旋压毛坯4退火后，更容易使得旋压毛坯4各处的组织均匀，便于获得力学性能好的旋压毛坯4。
实施例2，本实施例基于实施例1，在本实施的旋压加工过程中，旋压过程整体减薄率高，在旋压减薄后期对金属流动控制的难度较大，在加工生产中常出现裂纹、起皮等情况，进一步的，在旋压加工前对不锈钢毛坯进行脱氢退火，退火温度为450℃～600℃，保温时间为3.5h～4.5h，用于消除不锈钢毛坯内的应力，同时也对旋压毛坯4进行脱氢从而有效降低旋压毛坯4内的夹杂物，减小裂纹、起皮等情况的发生，进一步的确保毛坯加工后壁厚的均匀性，提高加工成品率以及加工后产品质量。
进一步地，在旋压变形区金属的温度容易升高，为控制旋压时的旋压温度，通过选用水剂冷却液，冷却液以30～80 L/min的流量喷射在旋压工作区域，使旋轮5、旋压毛坯4和芯模2得到充分冷却，将旋压温度控制在25～40 ℃，从而提高工件精度和模具的表面质量，同时在芯模2和旋压毛坯4之间均匀涂抹MoS2润滑油，防止表面接触导致粘连，达到消除粘附摩擦、提高薄壁壳体的内表面质量以及加工完成后工件容易脱模的效果。
需要说明的是，在强力旋压减薄过程中，金属毛坯在每次旋压加工后其表面硬度都会有所提高，而其塑性和延展性都会降低，旋压毛坯4存在的缺陷在旋压过程中也会逐渐被暴露出来，在整体减薄率高的旋压加工中，越是靠近加工后期，金属的材料硬化越严重，金属流动越难以控制，目前的解决方案是通过在多道次的旋压减薄的过程中加入热处理软化工艺，在减薄率还不算高的时候对旋压毛坯4进行软化处理，软化后再进行后续的旋压加工步骤，从而效降低不锈钢加工硬化引起的表面质量问题，但该方式在初次旋压结束后旋压毛坯4的整体长度明显增大，后续的热处理难度增大，同样也将整个旋压工艺复杂化，影响加工效率和加工成本。
进一步地，旋压加工时不同毛坯在材料力学性能以及尺寸精度上都会存在一定差异，这些差异都会导致加工结束后薄壁壳体出现误差，本实施例进一步提供一种毛坯旋压力检测及旋压控制方法，通过对旋压机上三个旋轮的旋压力检测并对旋轮5的压力控制来实现，其具体步骤如下：
S31、旋轮的旋压力包括第一旋轮501、第二旋轮502以及第三旋轮503的轴向和径向力，其中，将第一旋轮501旋压时的轴向力记为，径向力记为，第二旋轮502的轴向力记为，径向力记为，第三旋轮503的轴向力记为，径向力记为，设定压力采集最小的间隔时间△t1以及压力调整的最小间隔时间△t2，其中△t1=0.125=△t2，△t1和△t2的单位为s，V为旋压机主轴转速，单位取r/s；
S32、按照步骤S1和S2设定旋压加工参数，再按照旋压加工参数进行错距旋压加工，每次错距旋压时按照设定的间隔时间对每个旋轮的径向力和轴向力进行采集记录，将第一旋轮501的轴向力和第三旋轮503的径向力作为参考值，该参考值，可以初步的判断旋压毛坯的应力、尺寸偏差等情况，并记录每次的采集值；
S33、对三个旋轮的径向力比值和轴向力比值进行检测，计算第一旋轮501与第二旋轮502之间的径向力之比和第二旋轮502与第三旋轮503之间的径向力之比；
=/；
=/；
计算第一旋轮501与第二旋轮502之间的轴向力之比和第二旋轮502与第三旋轮503之间的轴向力之比；
=/；
=/；
表示第n个压力采集间隔时间下第一旋轮501的径向力数据，表示时刻下第一旋轮501的轴向力数据，n为从1开始的正整数，n为1时是初始时刻；
S34、通过、、以及对三个旋轮的轴向力和径向力进行反馈控制。
其中，可主动调节的旋压力包括，第一旋轮501的径向力、第二旋轮502的轴向力和径向力以及第三旋轮503的轴向力，其控制方法如下：
S341、起旋时在旋压毛坯的起始端记录、、以及的值，记录的起始端长度占所述旋压毛坯4初始长度的 5%～11%，再求得、、以及的平均值作为参考值；
S342、通过对、、以及的值检测，对旋压力实施调控，在旋压过程中，当第三旋轮503的径向力增大时，增大第二旋轮502的径向力，同时将第一旋轮501的径向力增大，确保径向力比值维持在趋近于、的参考值的状态，在同一旋轮上单独改变其径向力的同时其轴向力也会发生相应的变化，其中第一旋轮501的轴向力不进行主动调节，对第二旋轮502轴向力和径向力进行联动调节，使第二旋轮502的径向力保持并控制第三旋轮503的轴向力改变，使轴向力比值维持在趋近于和的参考值的状态。
通过对三旋轮之间旋压力平稳控制，能有效避免错距加工中旋轮干涉问题，使得旋压过程中金属的流动更加顺畅，能进一步的提高旋压加工质量，提高加工后薄壁筒壳体的力学性能。
需要说明的是，第一旋轮501的轴向进给速度恒定，轴向力不可调，根据设定的进给速度进行加工，第二旋轮502的轴向力和径向力均可调，第二旋轮502在三轮错距旋压中主要起到的是一个过渡作用，通过调节第二旋轮502的轴向力和径向力来协调三个旋轮之间的旋压力，通过第二旋轮502与其余两个旋轮的协调控制，能有效解决毛坯差异带来的加工质量问题还能防止三轮错距旋压时的旋压干涉问题，从而稳定控制错距旋压时的金属流动效果，提高加工质量，第三旋轮503的轴向力可调径向力不可调，在每次错距旋压加工过程中，第三旋轮503到旋压毛坯表面的距离决定该次错距旋压的最终旋压间隙，因此该间隙决定了旋压后薄壁筒形件的成型尺寸质量。
有益地，本实施例通过对三个旋轮之间的轴向和径向力监测，并控制三个旋轮之间的错距旋压力，通过对三轮之间错距旋压力的控制能有效提高错距时旋压的稳定性，更好的控制金属的流动，降低高减薄率带来的旋压难度，在旋压加工时，每个旋压毛坯之间都会存在或大或小的差异性，这些差异性最终影响旋压毛坯的加工质量，通过对三个旋轮之间的反馈调控能有效的控制三旋轮错距加工时金属流动的稳定性，从而能有效提高旋压加工后的毛坯质量。
实施例3，本实施例基于实施例1，正旋时，在旋压毛坯4的切线方向上，旋压毛坯4的旋压区和靠近旋压区的成形区受压应力作用，该压应力会对旋压毛坯4施加一个扭转力，该扭转力过大会在一定程度上造成旋压毛坯4的扭转变形，为减小整个旋压加工过程中毛坯的扭转变形，二次错距旋压的主轴转动方向与初次错距旋压时的主轴转向相反，用于减小旋压时的扭转变形，提高旋压筒体的基体试片力学性能。
有益地，在实际操作中芯模2的加工是通过车削完成，车削时，芯模2上因为车刀而加工出环状的刀痕，在车削加工完成后会对芯模2进行打磨使其表面粗糙度达到加工标准，但现有的打磨方式打磨后在芯模2表面产生的是回转纹路，使得芯模2表面轴线方向的摩擦系数会大于切线方向的摩擦系数。
进一步地，在芯模2安装前，对芯模2表面进行轴向滑动打磨加工，滑动打磨采用高目数打磨带沿芯模2轴向进行滑动打磨，并沿芯模2四周最终完成芯模2整个圆柱面的滑动打磨，打磨完成后在微观层面上芯模2表面会产生许多沿轴向的纹路，在涂抹润滑油后，这些纹路能有效的将芯模2与旋压毛坯4之间的润滑油进行轴向的导引，便于润滑油的轴向流动，能有效的防止润滑油在芯模2与旋压毛坯4之间富集，防止影响旋压毛坯4的内壁光滑，也能更好的对旋压毛坯4进行润滑。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种不锈钢超薄壁壳体旋压加工方法，其特征在于包括：包括以下步骤：
S1、将旋压芯模（2）安装于旋压机主轴（1）上，旋压机三个旋轮（5）轴向错距3mm～4mm并沿芯模（2）周向均布安装；
S2、将不锈钢旋压毛坯（4）安装于芯模（2）上，在旋压毛坯（4）尾端使用尾顶盘（3）施加一个顶紧力，通过旋压机主轴（1）带动芯模（2）及旋压毛坯（4）旋转，转速为180r/min～220r/min；
S3、旋轮（5）移动到旋压毛坯（4）尾端位置，先径向进给，到达对旋压毛坯（4）设定的压下量后，沿轴向旋压机主轴（1）端进给，轴向进给率为0.5mm/r～1.5mm/r，到达设定位置后径向退回起始高度，再轴向退回到起始位置，进行下一次循环，经过2次循环，将旋压毛坯（4）旋压加工成壁厚0.7mm～0.9mm的薄壁壳体；
还包括如下步骤：
S31、旋轮的旋压力包括第一旋轮（501）、第二旋轮（502）以及第三旋轮（503）的轴向和径向力，其中，将第一旋轮（501）旋压时的轴向力记为，径向力记为，第二旋轮（502）的轴向力记为，径向力记为，第三旋轮（503）的轴向力记为，径向力记为，设定压力采集最小的间隔时间△t1以及压力调整的最小间隔时间△t2，其中△t1=0.125=△t2，△t1和△t2的单位为s，V为旋压机主轴转速，单位取r/s；
S32、按照步骤S1和S2设定旋压加工参数，再按照旋压加工参数进行错距旋压加工，每次错距旋压时按照设定的间隔时间对每个旋轮（5）的径向力和轴向力进行采集记录；
S33、对三个旋轮（5）的径向力比值和轴向力比值进行检测，计算第一旋轮（501）与第二旋轮（502）之间的径向力之比和第二旋轮（502）与第三旋轮（503）之间的径向力之比；
=/；
=/；
计算第一旋轮（501）与第二旋轮（502）之间的轴向力之比和第二旋轮（502）与第三旋轮（503）之间的轴向力之比；
=/；
=/；
表示第n个压力采集间隔时间下第一旋轮（501）的径向力数据，表示第n个压力采集间隔时间下第一旋轮（501）的轴向力数据，n为从1开始的正整数，n为1时是初始时刻；
S34、通过、、以及对三个旋轮的轴向力和径向力进行反馈控制；
所述步骤S34还包括如下步骤；
S341、起旋时在旋压毛坯的起始端记录、、以及的值，记录的起始端长度占旋压毛坯初始长度的5%～11%，再求得、、以及的平均值作为参考值；
S342、通过对、、以及的值检测，对旋压力实施调控。
2.根据权利要求1所述的一种不锈钢超薄壁壳体旋压加工方法，其特征在于：所述的薄壁壳体壁厚0.7mm～0.9mm，外径范围为50mm～150mm。
3.根据权利要求1所述的一种不锈钢超薄壁壳体旋压加工方法，其特征在于：所述旋压毛坯（4）与芯模（2）间隙0.05mm～0.15mm，旋压过程整体减薄率70%～75%。
4.根据权利要求1所述的一种不锈钢超薄壁壳体旋压加工方法，其特征在于：在步骤S3中一共采用了两次三轮错距旋压，其中同一旋轮在第一次错距旋压中的旋轮压下量为第二次的错距旋压中的选轮压下量的1.5～2.5倍。
5.根据权利要求1所述的一种不锈钢超薄壁壳体旋压加工方法，其特征在于：在旋压加工前对不锈钢毛坯进行脱氢退火，退火温度为450℃～600℃，保温时间为3.5h～4.5h。
6.根据权利要求1所述的一种不锈钢超薄壁壳体旋压加工方法，其特征在于：选用水剂冷却液，冷却液以30～80 L/min的流量喷射在旋压工作区域，将旋压温度控制在25～40℃，同时在芯模和旋压毛坯之间均匀涂抹MoS2润滑油。
7.根据权利要求1所述的一种不锈钢超薄壁壳体旋压加工方法，其特征在于：在芯模安装前，对芯模表面进行轴向滑动打磨加工，滑动打磨采用高目数打磨带沿芯模轴向进行滑动打磨，并沿芯模四周最终完成芯模整个圆柱面的滑动打磨。
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