一种变壁厚曲母线零件的旋压方法与流程

1.本发明涉及一种变壁厚曲母线零件的旋压方法，属于管件精密成形领域。


背景技术：

2.变壁厚曲母线空心零件是沿轴线方向母线曲率不断发生变化的管件，管件端部直径非线性减小、整个变母线区域的壁厚也通常成非线性变化特点，并有定量的壁厚变化要求。该类型零件在航空航天、军工等领域具有广泛的应用，比如发动机保护罩、运载火箭发动机喷管、炮弹战斗部等。随着航空航天以及军工领域的发展，对曲母线空体构件局部壁厚提出越来越高的定量化要求，并且一些零件呈现两侧曲母线缩口结构特征，对曲母线变壁厚零件的成形工艺提出越来越高的要求。
3.曲母线变壁厚两侧带缩口几何结构管件的加工方法主要有：圆管热/温/冷缩径、带芯棒旋压加焊接、液压成形、卷焊等成形工艺。其中比较常用的有缩径成形和带芯棒旋压。
4.公开号为cn102327911a的中国专利给出了金属管材的缩颈方法，通过利用芯轴与缩颈套之间的配合将管材局部直径缩小。但是，由于后续芯棒需要拔出，通过该方法无法对两头带缩颈结构的管件进行整体成形。
5.此外，传统的热缩径整体成形工艺采用缩径模具进行轴向加压，通过缩径模具型腔轴向和径向的压应力作用，使得零件端部不断地发生缩径。该方法能够有效保证缩径结构的外部结构和尺寸，但是该方法所需要的轴向力较大，并且无法对缩径区的壁厚进行定量化控制。
6.上述两种成形工艺可以解决对壁厚控制要求不严格以及只有单侧曲母线结构设计的中空管件的成形问题，但是对于壁厚需要定量化精确控制以及两侧均有曲母线结构的管件无法进行加工。


技术实现要素：

7.为了解决现有成形工艺存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于复合旋压成形加工变壁厚曲母线零件的旋压方法，解决两侧带有缩口特征的变壁厚曲母线零件难以实现壁厚精确控制以及带芯轴旋压最终成形后芯轴无法取出的问题，适用于两侧带曲母线结构的中空零件的整体成形。
8.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
9.一种变壁厚曲母线零件的旋压方法，旋压成形的方法包括坯料结构尺寸定量化设计、强旋加工过渡管坯、终旋加工缩口结构，其中：
10.所述强旋加工过渡管坯为芯轴、芯轴旋转轴承、旋转动力源、旋轮ⅰ的精确动作配合，采用带芯轴支撑的旋压方式，芯轴的两端沿轴线方向设有芯轴旋转轴承，芯轴的一端与旋转动力源连接，开动旋转动力源，带动初始坯料旋转，采用旋轮ⅰ对初始坯料的外壁进行旋压，控制旋轮ⅰ的旋压压下量和进给量，以计算获得的过渡管坯外壁曲线作为目标轮廓进
行旋压成形，获得过渡管坯；
11.所述终旋加工缩口结构为旋转夹持结构、旋轮ⅱ的精确动作配合，取出芯轴后，采用无芯轴的旋压方式，过渡管坯的中部通过旋转夹持机构固定，并带动过渡管坯进行旋转运动，采用旋轮ⅱ对过渡管坯的缩口段外壁进行旋压，控制旋轮ⅱ的旋压压下量和进给量，以最终零件的外壁曲线作为第二道次旋压的轮廓曲线，设置旋压速度、进给量，开展旋压变形，获得最终成形变壁厚曲母线管件。
12.所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，初始坯料、过渡管坯的设计基于体积相等原理和塑性变形体积不变原理，通过最终零件结构尺寸反算过渡管坯的结构尺寸，进行初始坯料的壁厚、直径、长度的计算。
13.所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，最终零件外壁曲线和最终零件内壁曲线分别表示为f
fo
(x)和f
fi
(x)，计算获得的过渡管坯外壁曲线和过渡管坯内壁曲线分别表示为f
to
(x)和f
ti
(x)，根据体积相等原理，满足关系式：
[0014][0015]
其中，l表示缩口段轴向长度，mm；根据公式(1)并结合过渡管坯内壁直径和零件非缩径区内壁直径的相等关系，求解获得过渡管坯外壁曲线f
to
(x)。
[0016]
所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，初始坯料的计算原理，初始坯料外壁曲线表示为f
io
(x)，根据塑性变形体积不变原理，满足关系式：
[0017][0018]
其中，li表示初始坯料轴向长度，mm；在满足公式(2)的前提下，确定初始坯料外壁曲线f
io
(x)和初始坯料轴向长度li。
[0019]
所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，通过强旋加工的方式进行过渡管坯的加工，进行坯料的定位-定量分配。
[0020]
所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，通过旋压的方式对过渡管坯进行局部缩径成形，在不改变管件轴向长度的前提下，实现变壁厚管件的成形。
[0021]
所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，根据初始坯料的几何尺寸加工直径尺寸符合要求的芯轴，动力源带动芯轴进而带动初始坯料做稳定的自转运动，旋压起始点为初始坯料中间位置，并且采用双向同时旋压的方式，使两个方向轴向旋压分力达到平衡。
[0022]
所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，根据最终零件中段的几何结构和尺寸设计旋转夹持机构，并通过旋转夹持机构实现过渡管坯的自转运动，旋压的起始点为缩径区最大直径处，控制旋压参数，使过渡管坯只发生直径减小变形而无轴向伸长。
[0023]
所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，该方法实现双侧带缩口结构的管件的高精度成形，具体包括如下步骤：
[0024]
(1)测量最终零件的最大外径和最大内径，将零件最大内径作为过渡管坯的内径数值，结合轴向尺寸相等以及塑性变形体积不变原理，进行过渡管坯外轮廓的计算，最后结合强旋工艺中旋压压下量以及体积不变原理进行初始坯料的设计，确定初始坯料的直径和壁厚，进而计算获得初始坯料轴向长度；
[0025]
(2)根据初始坯料的内径和长度进行芯轴的设计和加工，通过动力源带动芯轴进而带动初始坯料自转，设置两侧的旋轮同时接触初始坯料的中间位置，根据旋压工艺设置旋压压下量和进给速度，在轴向限制模块、旋轮和芯轴的共同作用下，实现过渡管坯的制备；
[0026]
(3)将过渡管坯取下并固定至旋转装夹机构上，改变旋轮角度工艺参数，并将旋轮调整到缩径起始点位置，开动旋转装夹机构并执行旋轮运动，按照最终零件外轮廓设计进行旋压成形。
[0027]
本发明的设计思想是：
[0028]
本发明通过最终零件几何结构及尺寸、塑性变形体积不变原理，计算获得具有差厚特征的过渡管坯，进一步计算获得初始圆筒形坯料的尺寸；然后对初始圆筒坯料进行带有芯轴作为内支撑的强旋变形，实现过渡管坯的预制备；然后按照最终零件制定旋压轨迹以及旋压工艺，并开展旋压成形，最终实现指定结构和尺寸管件的成形。借助几何结构的精确计算以及旋压轮轨迹及旋压力等的精确控制，有效保证两侧曲母线管件壁厚变化的精确控制，成形精度和成形效率高。
[0029]
本发明的优点及有益效果如下：
[0030]
1、相比较于传统的缩径成形工艺，本发明采用两道次复合旋压成形工艺，可以实现缩径区各个位置的壁厚定量、精确控制，成形后零件内壁满足尺寸要求，不需要车削加工等辅助工艺，有效缩短工艺流程。
[0031]
2、相比较于传统的分体旋压加焊接的成形工艺，本发明终旋压成形采用无芯轴支撑的设计，实现两端曲母线管件的成形，有效防止零件使用过程中焊缝缺陷潜在的威胁，提高零件的使役性能。
附图说明
[0032]
图1为本发明过渡管坯设计的示意图。
[0033]
图2为本发明初始坯料设计的示意图。
[0034]
图3为本发明设计的初始坯料示意图。
[0035]
图4为本发明进行的过渡管坯成形示意图。
[0036]
图5为本发明最终获得的零件示意图。
[0037]
图6为实施例零件图。
[0038]
图7为本发明预成形和终成形对比图。
[0039]
图中：f
io
(x)表示初始坯料外壁曲线，f
to
(x)表示过渡管坯外壁曲线，f
ti
(x)表示过渡管坯内壁曲线，f
fo
(x)表示最终零件外壁曲线，f
fi
(x)表示最终零件内壁曲线，ti表示初始坯料壁厚，δt表示旋压最大压下量，li表示初始坯料轴向长度，1-初始坯料，2-芯轴旋转轴承，3-芯轴，4-旋轮ⅰ，5-过渡管坯，6-旋转动力源，7-最终成形变壁厚曲母线管件，8-旋轮ⅱ，9-旋转夹持机构。
具体实施方式
[0040]
在具体实施过程中，本发明设计了一种变壁厚曲母线零件的旋压方法，结合塑性变形体积不变原理和最终零件几何结构特征，通过对初始圆筒形坯料进行带芯轴旋压，实
现定量化差厚圆管形坯料的预制备；然后对旋轮的轨迹进行定量计算，并按照计算轨迹参数进行旋压变形，最终实现两侧带缩口结构的变壁厚曲母线管的加工。
[0041]
整个方法实现的基础是通过最终零件结构尺寸以及体积不变原理反算出过渡管坯和初始坯料的结构和尺寸。如图1-图2所示，最终零件外壁曲线和最终零件内壁曲线分别表示为f
fo
(x)和f
fi
(x)，计算获得的过渡管坯外壁曲线和过渡管坯内壁曲线分别表示为f
to
(x)和f
ti
(x)，根据体积相等原理，满足关系式：
[0042][0043]
其中，l表示缩口段轴向长度，mm(图6)。根据公式(1)并结合过渡管坯内壁直径和零件非缩径区内壁直径的相等关系，可以求解获得过渡管坯外壁曲线f
to
(x)。
[0044]
如图2所示，初始坯料的计算原理，初始坯料外壁曲线表示为f
io
(x)，根据塑性变形体积不变原理，满足关系式：
[0045][0046]
其中，li表示初始坯料轴向长度，mm(图2)。在满足公式(2)的前提下，过渡管坯外壁直径具有多种可能，但是结合旋压最大压下量δt以及最终零件非缩径区的壁厚关系，最终可以确定初始坯料外壁曲线f
io
(x)和初始坯料轴向长度li。
[0047]
如图3-图7所示，在过渡管坯以及初始坯料的几何结构和尺寸确定之后，进行初始坯料1、芯轴旋转轴承2、芯轴3等坯料和设备零部件的加工，同时制定旋压工艺参数，分别开展第一步强旋分配坯料和第二步旋压成形最终零件。
[0048]
如图4所示，在强旋分配坯料环节，采用带芯轴3支撑的旋压方式，芯轴3的两端沿轴线方向设有芯轴旋转轴承2，芯轴3的一端与旋转动力源6连接，开动旋转动力源6，带动初始坯料1旋转，采用旋轮ⅰ4对初始坯料1的外壁进行旋压，控制旋轮ⅰ4的旋压压下量和进给量，以计算获得的过渡管坯外壁曲线f
to
(x)作为目标轮廓进行旋压成形，最终获得过渡管坯5。
[0049]
如图5所示，在旋压成形最终零件环节，取出芯轴3后，采用无芯轴的旋压方式，过渡管坯5的中部通过旋转夹持机构9固定，并带动过渡管坯5进行旋转运动，采用旋轮ⅱ8对过渡管坯5的缩口段外壁进行旋压，控制旋轮ⅱ8的旋压压下量和进给量，以最终零件的外壁曲线f
fo
(x)作为第二道次旋压的轮廓曲线，设置旋压速度、进给量等参数，开展旋压变形，获得最终成形变壁厚曲母线管件7。
[0050]
以下结合附图和实施例对本发明做详细说明，但是本发明并不限于下述一种变壁厚曲母线零件的成形，对于其他具有单侧曲母线以及不同尺寸的双侧曲母线变壁厚、等厚管类零件等成形同样适用。
[0051]
实施例1：
[0052]
如图1-图7所示，本实施例针对一种变壁厚曲母线零件的旋压方法如下：
[0053]
第一步，进行过渡管坯以及初始坯料的结构尺寸计算
[0054]
如图6所示，分析零件的结构及特征，零件具有两侧曲母线变壁厚的特征，整体长度为2644mm，最大直径为φ500mm，曲母线结构轴线长度为720mm，缩径部位内壁半径为
r1530mm，缩径部位外壁半径为r1700mm。零件缩径区外壁曲母线方程为x2+(y+1450)2＝17002，零件缩径区内壁曲母线方程为x2+(y+1296)2＝15302，过渡管坯内壁曲线方程表示为y＝234mm；根据体积相等原理，计算得到过渡管坯外壁曲母线方程为x2+(y-32927.6)2＝32677.62；当旋压最大压下量δt设置为20mm时，计算得到的初始坯料外径为φ540mm，壁厚为36mm，长度约为306mm。
[0055]
第二步，根据第一步的计算结果进行坯料加工
[0056]
如图3-图4所示，根据初始坯料内径φ468mm进行芯轴3的设计和加工，并将初始坯料1、芯轴旋转轴承2、旋转动力源6进行装配，开动旋压设备进行旋压，芯轴3转速设置为1000转/分，旋轮ⅰ4的压下量设置为20mm，轴向进给速度设置为2mm/s，直至获得结构和尺寸满足要求的过渡管坯5，通过第二步实现预成形(图7上半部)。
[0057]
第三步，如图5-图6所示，取出芯轴3，将过渡管坯5装夹到旋转夹持机构9上，设置旋转工艺参数，开动旋转夹持机构9，使过渡管坯5旋转，转速设置为1200转/分，根据旋压件外形尺寸设置旋轮ⅱ8的运行轨迹，旋轮ⅱ8的轴向进给速度设置为3mm/s，直至获得最终成形变壁厚曲母线管件7，停止实验设备，取下最终成形变壁厚曲母线管件7，完成整个成形过程，通过第三步实现终成形(图7下半部)。
[0058]
实施结果表明，本发明方法相比较于传统的缩径成形工艺，可以实现壁厚的定量化调控；相比较于普通旋压成形单侧带缩口结构管件再焊接的成形方式，有效避免焊接缺陷，保证零件的一致性和表面质量。借助旋压设备的精确控制系统和坯料结构尺寸的精确计算，有效保证零件尺寸精度和表面质量，提高成形精度和效率，尤其适用于两侧带曲母线结构并且对壁厚变化具有严格要求的管件加工。

技术特征：
1.一种变壁厚曲母线零件的旋压方法，其特征在于，旋压成形的方法包括坯料结构尺寸定量化设计、强旋加工过渡管坯、终旋加工缩口结构，其中：所述强旋加工过渡管坯为芯轴、芯轴旋转轴承、旋转动力源、旋轮ⅰ的精确动作配合，采用带芯轴支撑的旋压方式，芯轴的两端沿轴线方向设有芯轴旋转轴承，芯轴的一端与旋转动力源连接，开动旋转动力源，带动初始坯料旋转，采用旋轮ⅰ对初始坯料的外壁进行旋压，控制旋轮ⅰ的旋压压下量和进给量，以计算获得的过渡管坯外壁曲线作为目标轮廓进行旋压成形，获得过渡管坯；所述终旋加工缩口结构为旋转夹持结构、旋轮ⅱ的精确动作配合，取出芯轴后，采用无芯轴的旋压方式，过渡管坯的中部通过旋转夹持机构固定，并带动过渡管坯进行旋转运动，采用旋轮ⅱ对过渡管坯的缩口段外壁进行旋压，控制旋轮ⅱ的旋压压下量和进给量，以最终零件的外壁曲线作为第二道次旋压的轮廓曲线，设置旋压速度、进给量，开展旋压变形，获得最终成形变壁厚曲母线管件。2.根据权利要求1所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，其特征在于，初始坯料、过渡管坯的设计基于体积相等原理和塑性变形体积不变原理，通过最终零件结构尺寸反算过渡管坯的结构尺寸，进行初始坯料的壁厚、直径、长度的计算。3.根据权利要求2所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，其特征在于，最终零件外壁曲线和最终零件内壁曲线分别表示为f
fo
x和f
fi
x，计算获得的过渡管坯外壁曲线和过渡管坯内壁曲线分别表示为f
to
x和f
ti
x，根据体积相等原理，满足关系式：其中，l表示缩口段轴向长度，mm；根据公式(1)并结合过渡管坯内壁直径和零件非缩径区内壁直径的相等关系，求解获得过渡管坯外壁曲线f
to
x。4.根据权利要求2所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，其特征在于，初始坯料的计算原理，初始坯料外壁曲线表示为f
io
x，根据塑性变形体积不变原理，满足关系式：其中，l
i
表示初始坯料轴向长度，mm；在满足公式(2)的前提下，确定初始坯料外壁曲线f
io
x和初始坯料轴向长度l
i
。5.根据权利要求1所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，其特征在于，通过强旋加工的方式进行过渡管坯的加工，进行坯料的定位-定量分配。6.根据权利要求1所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，其特征在于，通过旋压的方式对过渡管坯进行局部缩径成形，在不改变管件轴向长度的前提下，实现变壁厚管件的成形。7.根据权利要求1所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，其特征在于，根据初始坯料的几何尺寸加工直径尺寸符合要求的芯轴，动力源带动芯轴进而带动初始坯料做稳定的自转运动，旋压起始点为初始坯料中间位置，并且采用双向同时旋压的方式，使两个方向轴向旋压分力达到平衡。8.根据权利要求1所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，其特征在于，根据最终零件中段的几何结构和尺寸设计旋转夹持机构，并通过旋转夹持机构实现过渡管坯的自转运动，
旋压的起始点为缩径区最大直径处，控制旋压参数，使过渡管坯只发生直径减小变形而无轴向伸长。9.根据权利要求1所述的变壁厚曲母线零件的旋压方法，其特征在于，该方法实现双侧带缩口结构的管件的高精度成形，具体包括如下步骤：(1)测量最终零件的最大外径和最大内径，将零件最大内径作为过渡管坯的内径数值，结合轴向尺寸相等以及塑性变形体积不变原理，进行过渡管坯外轮廓的计算，最后结合强旋工艺中旋压压下量以及体积不变原理进行初始坯料的设计，确定初始坯料的直径和壁厚，进而计算获得初始坯料轴向长度；(2)根据初始坯料的内径和长度进行芯轴的设计和加工，通过动力源带动芯轴进而带动初始坯料自转，设置两侧的旋轮同时接触初始坯料的中间位置，根据旋压工艺设置旋压压下量和进给速度，在轴向限制模块、旋轮和芯轴的共同作用下，实现过渡管坯的制备；(3)将过渡管坯取下并固定至旋转装夹机构上，改变旋轮角度工艺参数，并将旋轮调整到缩径起始点位置，开动旋转装夹机构并执行旋轮运动，按照最终零件外轮廓设计进行旋压成形。

技术总结
本发明涉及一种变壁厚曲母线零件的旋压方法，属于管件精密成形领域。该方法结合塑性变形体积不变原理和最终零件几何结构特征，通过对初始圆筒形坯料进行带芯轴旋压，实现定量化差厚圆管形坯料的预制备；然后对旋轮的轨迹进行定量计算，并按照计算轨迹参数进行旋压变形，最终实现两侧带缩口结构的变壁厚曲母线管的加工。该方法相比较于传统的缩径成形工艺，可以实现壁厚的定量化调控；相比较于普通旋压成形单侧带缩口结构管件再焊接的成形方式，有效避免焊接缺陷，保证零件的一致性和表面质量。借助旋压设备的精确控制系统和坯料结构尺寸的精确计算，有效保证零件尺寸精度和表面质量，提高成形精度和效率。提高成形精度和效率。提高成形精度和效率。


技术研发人员：李厚平 张振浩 丁双翼
受保护的技术使用者：沈阳中科金成制造科技有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/7