CN107497914A - 法兰约束旋压成型装置及工艺方法 - Google Patents

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赵亦希
刘若凡
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/14—Spinning
    • B21D22/16—Spinning over shaping mandrels or formers

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Abstract

本发明提供了一种法兰约束旋压成型装置，包含旋轮、约束装置、尾顶以及芯模；其中旋轮与约束装置构成法兰约束机构，旋轮位于约束装置上端；约束装置包含直母线或者曲线轴对称辊轮结构；尾顶与芯模构成夹持单元。本发明还提供了一种利用上述的法兰约束旋压成型装置进行法兰约束旋压成型的工艺方法，包含以下步骤：步骤S1：将板料夹持在夹持单元上；步骤S2：将约束装置设置在板料的下侧；步骤S3：所述旋轮沿所述板料上的预设路径运动，完成所述板料的旋压成型。本发明提出了面向复杂结构件的薄板双面法兰约束的多道次旋压成型方案，解决了传统旋压中容易出现严重起皱的问题。

Description

法兰约束旋压成型装置及工艺方法
技术领域
本发明涉及板料塑性加工技术领域，具体地，涉及一种法兰约束旋压成型装置及工艺方法。
背景技术
旋压是板料单点的连续塑性成型方法，成型过程中板料被压在芯模上，随着摩擦力作用跟着机床主轴高速旋转，旋轮在控制***的作用下沿预定轨迹运动，通过精确的位移控制，板料在旋轮作用下逐渐贴模成型，得到整体无缝的回转体构件。通过旋压工艺得到整体构件相对于拼焊成型具有成型精度高、残余应力小、生产成本低、柔性高等突出优点，因此广泛应用在压力容器、化工容器、火箭壳体、人造卫星等产品成型制造。
随着运载装备的轻量化和整体化的设计需求，大型结构产品采用旋压整体成型制造，同时新的高强度材料不断被应用到旋压产品中。为此，目前旋压成型朝向大型化、薄壁化的方向发展。旋压属于大应变、非线性变形问题，成型过程复杂，对大型化高强度材料旋压过程，材料容易出现失稳起皱和开裂的问题，尤其是大径厚比薄壁构件加工。在大径厚比薄壁构件旋压过程中，随着旋轮的进给，由于法兰区周向压应力的逐渐增大以及整体较低的结构刚度，法兰区材料会开始出现波纹现象。这种波纹到成型后期，由于薄的板坯结构刚度不足，塑性变形引起的周向压应力积累到一定程度，板料周向压缩应力大于临界值，就会出现法兰起皱缺陷，导致后续旋压成型无法继续进行。为了防止旋压成型中出现法兰起皱缺陷，通常使用多道次成型，但是多道次成型带来工艺路径设计复杂，加工繁琐，以及随着道次增加导致的成型部分材料被拉薄严重的问题。除了多道次成型工艺外，利用法兰约束装置也是控制法兰起皱的一种有效方式，尤其对于薄壁构件，可以大幅增强法兰区结构刚度，增加材料抗起皱能力，扩大旋压成型窗口，减少成型道次。
通过对现有技术的检索发现，在法兰约束旋压成型装置方面，专利文献CN104525671A公开了一种用于对带挡板的封头进行成型的装置以及成型方法。芯模上口直径100mm，下口直径20.6mm，高度41mm，板坯厚度1mm，采用带挡板的一道次普旋成型工艺，所成型封头零件径厚比100，弓高比0.4，成型后壁厚最大减薄率为10.02％。该成型装置提供了一种使用环形挡板方式的单边法兰约束成型方法，在一定程度上起到了增加法兰区结构刚度、增加材料抗起皱能力的作用。但是工作时板料只有单侧存在法兰约束，在旋轮作用区一侧板坯和旋轮之间依然存在很大的间隙，成型过程中在这一侧依然存在发生起皱的可能。
在双面法兰约束工艺的应用方面也有一些相关文献。文献：Ahmed K I,Gadala MS,El-Sebaie M G.Deep spinning of sheet metals[J].International Journal ofMachine Tools&Manufacture,2015,97:72-85。该文献中，杯形件芯模直径48mm，板坯厚度1.5mm，采用双面法兰约束一道次成型，带有约束装置的旋轮对板料法兰施加双边约束，并沿芯模母线方向进给，在双面法兰约束的压力作用下，板坯发生连续变形。这种方法的缺点是约束装置和旋轮被固定在一起，无法调节约束力或约束间隙，材料减薄严重，并且只适用于单道次的直母线构件成型，无法实现多道次成型以及约束间隙的调节，不能适用于曲母线件旋压成型中。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种法兰约束旋压成型装置及工艺方法。
根据本发明提供的法兰约束旋压成型装置，包含旋轮、约束装置、尾顶以及芯模；
其中旋轮与约束装置构成法兰约束机构，旋轮位于约束装置上端；
约束装置包含直母线或者曲线轴对称辊轮结构；
尾顶与芯模构成夹持单元。
优选地，还包含驱动***，所述驱动***包含以下模块：
间隙调节模块：调节旋轮与约束装置之间间隙；
进给模块：控制旋轮与约束装置的运动轨迹。
本发明还提供了一种利用上述的法兰约束旋压成型装置进行法兰约束旋压成型的工艺方法，包含以下步骤：
步骤S1：将板料夹持在夹持单元上；
步骤S2：将约束装置设置在板料的下侧；
步骤S3：所述旋轮沿所述板料上的预设路径运动，完成所述板料的旋压成型。
优选地，步骤S3中，驱动***控制：
--约束装置与旋轮在轴向与径向方向上保持同步进给；
--约束装置与旋轮之间的间隙保持为定值。
优选地，步骤S3中，约束装置按以下方式运动：
--绕自身对称轴连续滚动运动；
--沿轴向方向直线间歇式滑动运动。
优选地，约束装置预设位置为旋轮对应板料位置的正下方；
旋轮与约束装置构成的法兰约束机构对板料进行双面约束。
优选地，所述约束装置与旋轮之间的间隙不大于板料厚度的1.5倍。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提出了面向复杂结构件的薄板双面法兰约束的多道次旋压成型方案，解决了传统旋压中容易出现严重起皱的问题。
2、本发明减少了复杂结构件旋压成型所需道次，抑制了因多道次引起的构件厚度减薄过大问题，改善了壁厚分布均匀性。
3、本发明提供的工艺方法容易实现，生产柔性好，能够大幅提高生产效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中板料成型装置的结构示意图；
图2为法兰约束装置预设位置与旋轮位置的示意图；
图3为成型中旋轮起到的法兰上侧约束作用示意图；
图4为成型中法兰约束装置起到的法兰下侧约束作用示意图
图5为本发明的实施例一的成型路径示意图；
图6为本发明的实施例二的成型路径示意图。
图中示出：板料1，旋轮2，约束装置3，尾顶4，芯模5，成型路径6。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，实施例中，本发明提供的法兰约束旋压成型装置包含旋轮2、约束装置3、尾顶4以及芯模5。尾顶4与芯模5构成夹持单元，用于夹持板料1；旋轮2与约束装置3构成法兰约束机构，其中约束装置3包含直母线或者曲线轴对称辊轮结构。使用时，旋轮2位于板料1上方，约束装置3位于板料1下方，旋轮2、约束装置3分别起到法兰上侧约束作用、法兰下侧约束作用。所述法兰约束旋压成型装置还包含驱动***，驱动***一方面在结构上连接旋轮2与约束装置3，另一方面还包含了以下模块：用于调节旋轮2与约束装置3之间间隙的间隙调节模块；用于控制旋轮2与约束装置3的运动轨迹的进给模块。如图2所示，约束装置3预设位置为旋轮2对应板料1位置的正下方，以保证成型过程中实现法兰上、下两侧的双面约束。如图3所示，成型过程中旋轮2由驱动***控制按预设轨迹运动对板料1进行加工，法兰上侧由于旋转平直部分的支撑而避免起皱向上侧发生。如图4所示，成型过程中约束装置3由驱动***控制与旋轮2保持沿芯模5轴向方向上的恒定间隙运动，法兰下侧由于约束装置3的支撑而避免起皱向下侧发生，达到防止起皱缺陷产生的目的。
本发明还提供了一种利用上述的法兰约束旋压成型装置进行法兰约束旋压成型的工艺方法，所述工艺方法包含以下步骤：步骤S1：将板料1夹持在夹持单元上；步骤S2：将约束装置3设置在板料1的下侧；步骤S3：所述旋轮2沿所述板料1上的预设路径运动，完成所述板料1的旋压成型。在步骤S3中，驱动***一方面控制约束装置3与旋轮2在轴向与径向方向上保持同步进给；另一方面控制约束装置3与旋轮2之间的间隙保持为定值。约束装置3按以下方式运动：绕自身对称轴连续滚动运动；沿轴向方向直线间歇式滑动运动。约束装置3预设位置为旋轮2对应板料1位置的正下方，且与板料1接触；旋轮2与约束装置3构成的法兰约束机构对板料1进行双面约束。优选例中，约束装置3预设位置和旋轮2之间的间隙允许存在一定的偏差，但是约束装置3与旋轮2之间的间隙不大于板料1厚度的1.5倍。
实际操作过程中，板料1夹持在夹持单元上，通过尾顶4与芯模5的夹持保持板料1的稳固性，针对不同尺寸板料1，只要不影响旋轮2对齐加工即可。当旋轮2、约束装置3调节至分别位于板料1的上、下两侧时，初始化驱动***中的进给模块，进给模块可以采用可编程***实现，用户输入相应的参数对其初始化，包括成型加工路径、加工数据等。进给模块根据相应的参数，驱动旋轮2沿板料1上的预设路径运动，约束装置3沿芯模5轴向与旋轮2保持固定的间隙运动，在运行至预设位置后，旋轮2与约束装置3在板料1上进行双面法兰约束旋压成型加工。实施例中，旋轮2与约束装置3之间的间隙通过驱动***的间隙调节模块控制调整，优选例中，旋轮2与约束装置3之间的间隙的调整也可以通过纯机械的方式实现，比如螺纹调节或者齿条调节机构等，但操作过程将变得更加复杂。
实施例一：如图5所示，图中的预设成型路径6为一个半球壳体构件的六道次成型轨迹，本实施例中半球壳体件直径为140mm，顶部平面处直径30mm，高度68.4mm。尾顶4的压紧力为4000KN；板坯1的材料为铝合金2024-O态，直径200mm，厚度1.8mm；法兰约束装置3为直径40mm的圆柱辊轮，长度80mm；旋轮2的圆角半径为10mm。采用普旋成型工艺，成型时旋轮2与芯模5之间的间隙为1.8mm，旋轮2与法兰约束装置3之间的间隙为2mm，成型过程所用进给比为0.5mm/r。本实施例通过六道次完成半球壳体构件的成型，所需道次数少于同样轨迹设计条件下传统旋压所需的八个道次。并且所得到的半球壳体件成型壁厚最大减薄率为24％，壁厚均匀性优于传统旋压工艺所得构件的35％。
实施例二：如图6所示，本实施例与实施例一基本相同，不同的是，本实施例中的板料1直径为195mm，成型路径6为八道次。本实施例通过八道次完成半球壳体构件的成型，与传统旋压成型所用道次数目和板料尺寸完全一致。对比发现：同样条件下，双面法兰约束工艺得到的半球壳体件壁厚均匀性优于传统旋压工艺，最大减薄率为27％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种法兰约束旋压成型装置，其特征在于，包含旋轮、约束装置、尾顶以及芯模；
其中旋轮与约束装置构成法兰约束机构，旋轮位于约束装置上端；
约束装置包含直母线或者曲线轴对称辊轮结构；
尾顶与芯模构成夹持单元。
2.根据权利要求1所述的法兰约束旋压成型装置，其特征在于，还包含驱动***，所述驱动***包含以下模块：
间隙调节模块：调节旋轮与约束装置之间间隙；
进给模块：控制旋轮与约束装置的运动轨迹。
3.一种利用权利要求1或2所述的法兰约束旋压成型装置进行法兰约束旋压成型的工艺方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1：将板料夹持在夹持单元上；
步骤S2：将约束装置设置在板料的下侧；
步骤S3：所述旋轮沿所述板料上的预设路径运动，完成所述板料的旋压成型。
4.根据权利要求3所述的工艺方法，其特征在于，步骤S3中，驱动***控制：
--约束装置与旋轮在轴向与径向方向上保持同步进给；
--约束装置与旋轮之间的间隙保持为定值。
5.根据权利要求3所述的工艺方法，其特征在于，步骤S3中，约束装置按以下方式运动：
--绕自身对称轴连续滚动运动；
--沿轴向方向直线间歇式滑动运动。
6.根据权利要求4所述的工艺方法，其特征在于，约束装置预设位置为旋轮对应板料位置的正下方；
旋轮与约束装置构成的法兰约束机构对板料进行双面约束。
7.根据权利要求5所述的工艺方法，其特征在于，所述约束装置与旋轮之间的间隙不大于板料厚度的1.5倍。
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