CN108580638B - 一种大长径比薄壁铝合金异形构件旋压成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航天用大长径比薄壁铝合金异形构件壳体旋压成形方法，属于贮箱成形技术领域。本发明采用圆板坯料直接精密数控旋压成形大长径比铝合金异形构件壳体，无需预成形及中间热处理等辅助工序；通过工艺设计及精确控制，采用先循环交替进行11道次热强旋‑热普旋成形、然后进行1道次热强旋整型的旋压路径，只需使用一套旋压模，一次装卡，在一个数控程序内即可实现大长径比薄壁铝合金异形构件壳体的精密旋压成形，从而缩短工艺流程，提高生产效率，并可大幅提高构件的成形精度，成形后的异形件壳体内型面与理论型面样板单边间隙小于0.1mm，壁厚差小于0.2mm。

Description

一种大长径比薄壁铝合金异形构件旋压成形方法

技术领域

本发明涉及一种航天用大长径比薄壁铝合金异形构件旋压成形方法，属于贮箱成形技术领域。所述的大长径比薄壁铝合金异形构件中的“大长径比”是指构件毛坯的总高度与其最大直径的比值不小于1.8；所述的“异形构件”是指构件的型面轮廓类别数量不小于2，比如构件的型面轮廓为包括圆弧型面和直筒型面，薄壁是指构件的壁厚不大于2mm。

背景技术

针对长径比≥1.5、壁厚≤2mm的大长径比薄壁铝合金异形构件，一般采用以下两种方式成形：方案1为使用多套旋压模具、不经历机械加工将原材料通过多次旋压工序成形为目标构件；方案2为将原材料采用冲压工艺预成形、然后经旋压终成形为构件毛坯、最后再加工减薄成为目标构件。

采用方案1成形目标构件至少需要2～3套旋压模具，而且旋压工序之间需要反复进行热处理，生产效率较低，同时制造成本较高；另外，较多的旋压工序必然使构件经历反复装卡，引发中心错位，变形严重，导致构件成形后其口部圆度、直筒段的直线度较差，同时壁厚精度不易控制。采用方案2成形的目标构件其型面轮廓度和壁厚精度可控，但较厚的板材冲压预成形需要较大吨位的设备，同时冲压过程需要的工序、模具较多，且冲压后的毛坯壁厚不均匀且不易控制；另外，采用方案2成形目标构件，制造工序较多，比如冲压后获得的预成形件需经历退火处理以减缓/消除残余应力，同样降低了生产效率，增加了制造成本。综上所述，方案1和方案2均存在重复装卡、生产效率低以及生产成本较高等一系列问题，但相对于方案1，采用方案2制备的目标构件可保证其圆度、直线度以及壁厚精度。

前面已经提及，为保证目标构件精度，国内针对长径比≥1.5的薄壁铝合金异形构件壳体毛坯一般采用冲压预成形和旋压终成形相结合的方案，由一块铝合金板坯直接旋压成形为长径比≥1.5的航天用大长径比薄壁铝合金异形构件壳体毛坯还很少见，主要难点是变形抗力大，板料不易贴胎，直筒段靠近端部位置易出现旋压裂纹导致失效；另外，由于目标构件具有较长的直筒段，其结构特点决定了旋压成形过程扩径效应显著；此外，旋压过程中随着直筒段不断延伸，构件极易出现鼓包等缺陷。现有技术的经验是采用铝合金圆板先进行多道次冲压预成形、然后再进行旋压终成形，中间还要进行退火热处理等工序。这种方法工序较多，增加了制造成本，同时反复装卡后构件变形严重，精度不可避免有所下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种大长径比薄壁铝合金异形构件壳体毛坯由板材直接旋压成形的方法，该方法能够克服现有技术中的工序较多、增加成本而且精度下降的问题。本发明采用将等壁厚的铝板直接旋压成形为大长径比铝合金异形构件壳体毛坯、然后再机械加工为薄壁铝合金异形构件的工艺路线；无需预成形及中间热处理等辅助工序，直接由铝板整体旋压成形。

本发明的技术方案为：

一种大长径比薄壁铝合金异形构件旋压成形方法，该方法的步骤包括：

(1)制备旋压模具；

所述的旋压模具包括下面的空心圆柱和上面的空心半球；空心半球的顶端为平面，定义空心圆柱的底端为大端面，空心半球的顶端平面为小端面；

(2)制备铝合金圆板；

(3)首先利用旋压设备的尾顶将步骤(2)中准备的铝合金圆板固定到步骤(1)制作的旋压模具的小端面上，然后对旋压模具和铝合金圆板进行加热；

(4)将步骤(3)中的铝合金圆板旋压至预设形状，得到毛坯件；

(5)将步骤(4)得到的毛坯件从旋压模具上卸下，然后对毛坯件进行热处理，然后进行机械加工，得到大长径比薄壁铝合金异形构件。

以该异形构件中空心半球的底端中心作为原点建立坐标系，该异形构件在YZ方向的半径相等，X方向为该异形构件的高度方向，且Y、Z方向空心半球型面的最大直径即为该异形构件的最大直径(记录为a)、X方向半球型面的高度加上圆柱型面的高度即为异形构件的总高度(记录为b)，b/a即为该异形构件的长径比，本发明中异形构件的长径比不小于1.8。

所述的步骤(1)中，所述的旋压模具中空心圆柱的底端即大端面带有垭口，该垭口用于与旋压设备进行连接，所述的旋压模具中空心半球的底端外径与空心圆柱的外径一致，空心半球的底端内径与空心圆柱的内径一致，空心半球的壁厚与空心圆柱的壁厚一致；空心半球与空心圆柱组合而成的外型面与待成形异形构件壳体毛坯的内型面一致。

所述的步骤(1)中，空心半球顶端即小端面的平面直径为Φ60～80mm；空心半球的最大直径比待成形异形构件壳体相对应的最大直径小2～4mm；空心圆柱的高度比待成形异形构件壳体相对应的直线段高度大30～50mm；所述的旋压模具的内表面带有加强筋。

所述的步骤(2)中，制备铝合金圆板的方法为：从规格为800mm×800mm的方形铝板上切取直径为Φ620～750mm的铝合金圆板。

所述的步骤(3)中，利用旋压设备的尾顶将铝合金圆板固定到旋压模具上时使铝合金圆板的圆心与旋压模具的空心半球顶端小端面的平面的中心重合，且铝合金圆板与旋压模具的空心半球顶端小端面的平面紧密贴合；旋压模具的加热温度为70～120℃，铝合金圆板的加热温度为280～320℃。

所述的步骤(4)中，将铝合金圆板旋压至预设形状的过程为：旋压过程中先从尾顶边缘处即小端面的边缘进行，第一阶段采用强力旋压和普通旋压相结合的方式，设置11道次的旋轮运动轨迹，每一道次均包含强力旋压过程和普通旋压过程。旋轮在每一道次的运动轨迹中均通过普通旋压使铝合金板坯收径；同时旋轮在每一道次的运动轨迹中均通过强力旋压使铝合金圆板逐渐与旋压模具表面贴合。第一阶段旋轮11道次运动轨迹结束后，铝合金圆板与旋压模具表面的最大间隙不大于0.3mm。在第一阶段11道次的旋压过程结束后，进行第二阶段的1道次强力旋压以对异形构件壳体毛坯进行精整。第二阶段的强力旋压起始位置距圆柱段与圆弧段相切处约130～160mm，从而使铝合金圆板与旋压模具表面完全贴合；圆柱段与圆弧段相切处也就是空心半球与空心圆柱的交界位置。

旋压过程中，全旋程的加热温度为320～380℃；旋压模具转速为120～160r/min；普通旋压时旋轮进给比f＝1.6～2.2，强力旋压时旋轮进给比f＝1.0～1.2，旋压时单道次减薄率为8％～10％；旋轮圆角半径R为16～20mm。

旋压过程采用氧-乙炔喷枪补偿加热且在全旋程中喷枪数量逐渐减少，其中，第一阶段旋压过程的前4道次(1)、(2)、(3)、(4)采用3把喷枪加热，第5道次至第8道次(5)、(6)、(7)、(8)采用2把喷枪补偿加热，第9和10道次(9)、(10)采用1把喷枪补偿加热，第11道次(11)无喷枪补偿加热；第二阶段的旋压整型过程(12)也无喷枪补偿加热。在第11和12道次(第12道次即为第二阶段的强力旋压)旋压结束前且距大端面口部20～30mm时，均设置旋轮提前旋出，使构件口部形成一段法兰翻边。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用圆板坯料直接精密数控旋压成形大长径比铝合金异形构件壳体，无需预成形及中间热处理等辅助工序；通过工艺设计及精确控制，采用首先第一阶段交替进行多道次热强旋-热普旋、然后第二阶段热强旋整型的旋压路径，只需使用一套旋压模，一次装卡，在一个数控程序内即可实现大长径比铝合金异形构件壳体的精密旋压成形，从而缩短工艺流程，提高生产效率，并可大幅提高构件的成形精度，成形后的异形构件内型面与理论型面样板单边间隙小于0.1mm，壁厚差小于0.2mm。

(2)本发明实现了大长径比铝合金异形构件壳体的整体旋压成形，提高了产品可靠性，并解决了由铝合金圆板一次旋压成形为大长径比铝合金异形构件壳体过程中的变形抗力大、变形不均匀、回弹大、不易贴胎等技术难题。

(3)本发明设计了首先循环交替进行11道次热强旋-热普旋成形、然后进行1道次热强旋整型的旋压路径，同时匹配合理的工艺参数，消除了大长径比铝合金异形构件旋压过程中极易出现的“扩径”效应及异形构件大端面极易出现的“旋压裂纹”等缺陷。

(4)本发明设置了合理的第二阶段热强旋整型特征起始位置，消除了大长径比铝合金异形构件旋压过程中直线段极易出现的局部“鼓包”缺陷。

(5)本发明采用旋压过程进行补偿加热的氧-乙炔喷枪数量逐渐合理减少的方案，避免了旋压模具出现过度“热胀”效应从而降低构件精度；另外，旋至第一阶段第11道次时停止补偿加热，利用构件的余热和变形热完成构件剩余部分的旋压，可节约能源，旋压结束后，工件温度在160～200℃，工件可较容易脱模，提高了工件装卸效率，待温度冷却到室温后，内型面完全能满足加工尺寸要求。

(6)本发明工艺简单，易于实现，具有较强的实用性。

(7)本发明提供一种大长径比薄壁铝合金异形构件壳体旋压成形方法，包括，步骤1，设计并制造旋压模具；步骤2，准备旋压坯料，其直径为Φ620～750mm的铝合金圆板；步骤3，使用旋压设备尾顶将旋压坯料固定到所属旋压模具上并预热模具和坯料，分别达到70～120℃、280～320℃时停止加热；步骤4，将铝合金圆板旋压至预设形状；旋压过程中先从尾顶边缘处进行第一阶段循环交替强力旋压-普通旋压，设置了11道次的旋轮运动轨迹，然后进行第二阶段1道次强力旋压以对异形构件壳体毛坯进行精整，并最终使铝合金圆板与旋压模具完全贴合。步骤5，卸下成形的铝合金旋压件并进行热处理；步骤6，将铝合金旋压件机械加工成为大长径比薄壁异形构件壳体。本发明无需任何预成形及中间热处理等辅助工序；通过工艺设计及精确控制，采用先第一阶段交替进行多道次热强旋-热普旋、第二阶段热强旋整型的旋压路径，只使用一套旋压模、一次装卡、在一个数控程序内即可实现大长径比薄壁铝合金异形构件壳体的精密旋压成形，从而缩短工艺流程，提高生产效率，并可大幅提高构件成形精度。

附图说明

图1为本发明的异形构件结构及坐标系示意图；

图2a为本发明的旋压模具结构大端面和小端面的示意图；

图2b为为本发明的旋压模具的垭口示意图；

图3为本发明的铝合金圆板固定到旋压模具的示意图；

图4a为本发明的第一阶段旋压过程中旋轮轨迹的示意图；

图4b为本发明的第一阶段旋压过程中普通旋压的行程示意图；

图4c为本发明的第一阶段旋压过程中强力旋压的行程示意图；

图4d为本发明的第二阶段旋压过程的示意图；

图5a为本发明的旋压过程中旋压过程结束时铝合金圆板与旋压模具完全贴合的示意图；

图5b为图5a中B处的局部放大示意图。

具体实施方式

一种大长径比薄壁铝合金异形构件壳体旋压成形方法，该方法的步骤包括：

(1)制备旋压模具；

所述的旋压模具包括下面的空心圆柱和上面的空心半球；空心半球的顶端为平面，定义圆柱的底端为大端面，半球的顶端平面为小端面；

(2)制备铝合金圆板；

(3)首先利用旋压设备的尾顶将步骤(2)中准备的铝合金圆板固定到步骤(1)制作的旋压模具上，然后对旋压模具和铝合金圆板进行加热；

(4)将步骤(3)中的铝合金圆板旋压至预设形状；

(5)将步骤(4)得到的旋压件从旋压模具上卸下，然后对旋压件进行热处理，然后进行机械加工，得到大长径比薄壁铝合金异形构件。

以该异形构件中空心半球的底端中心作为原点建立坐标系，该异形构件在YZ方向的半径相等，X方向为该异形构件的高度方向，且Y、Z方向空心半球型面的最大直径即为该异形构件的最大直径、X方向半球型面的高度加上圆柱型面的高度即为异形构件的总高度，异形构件的总高度与其最大直径的比值即为其长径比，本发明中异形构件的长径比不小于1.8。

所述的步骤(1)中，所述的旋压模具中空心圆柱的底端带有垭口，该垭口用于与旋压设备进行连接，所述的旋压模具中空心半球的底端外径与空心圆柱的外径一致，空心半球的底端内径与空心圆柱的内径一致，空心半球的壁厚与空心圆柱的壁厚一致；空心半球与空心圆柱组合而成的外型面与待成形异形构件壳体毛坯的内型面一致。

所述的步骤(1)中，空心半球顶端的平面直径为Φ60～80mm；空心半球的最大直径比待成形异形构件壳体相对应的最大直径小2～4mm；空心圆柱的高度比待成形异形构件壳体相对应的直线段高度大30～50mm；所述的旋压模具的内表面带有加强筋。

所述的步骤(2)中，制备铝合金圆板的方法为：从规格为800mm×800mm的方形铝板上切取直径为Φ620～750mm的铝合金圆板。

所述的步骤(3)中，利用旋压设备的尾顶将铝合金圆板固定到旋压模具上时使铝合金圆板的圆心与旋压模具的顶端平面的中心重合，且铝合金圆板与旋压模具的顶端平面紧密贴合；旋压模具的加热温度为70～120℃，铝合金圆板的加热温度为280～320℃。

所述的步骤(4)中，将铝合金圆板旋压至预设形状的过程为：旋压过程中先从尾顶边缘处即小端面的边缘进行，第一阶段强力旋压和普通旋压相结合，设置了11道次的旋轮运动轨迹。旋轮在每一道次的运动轨迹中均通过普通旋压使铝合金板坯收径；同时旋轮在每一道次的运动轨迹中均通过强力旋压使铝合金圆板逐渐与旋压模具表面贴合。第一阶段旋轮11道次运动轨迹结束后，铝合金圆板与旋压模具表面的最大间隙不大于0.3mm。在第一阶段11道次的旋压过程结束后，设计了第二阶段的1道次强力旋压以对异形构件壳体毛坯进行精整。第二阶段的强力旋压起始位置距圆柱段与圆弧段相切处约130～160mm，从而使铝合金圆板与旋压模具完全贴合。

在旋压过程中，采用氧-乙炔喷枪补偿加热且在全旋程中喷枪数量逐渐减少，其中，第一阶段旋压过程的前4道次(1)、(2)、(3)、(4)采用3把喷枪加热，第5道次至第8道次(5)、(6)、(7)、(8)采用2把喷枪补偿加热，第9和10道次(9)、(10)采用1把喷枪补偿加热，第11道次(11)无喷枪补偿加热；第二阶段的旋压整型过程(12)也无喷枪补偿加热，利用构件的余热和变形热完成构件后续阶段的旋压。

旋压过程中，全旋程的加热温度为320～380℃；旋压模具转速为120～160r/min；普通旋压时旋轮进给比f＝1.6～2.2，强力旋压时旋轮进给比f＝1.0～1.2，旋压时单道次减薄率为8％～10％；旋轮圆角半径R为16～20mm。

在第一阶段第11道次及第二阶段1道次旋压结束前且距大端面口部20～30mm时，均设置旋轮提前旋出，使构件口部形成一段法兰翻边。

一种大长径比薄壁铝合金异形构件旋压成形方法，大长径比薄壁铝合金异形构件壳体，以该异形构件中空心半球的底端中心作为原点建立坐标系，如附图1所示，该异形构件壳体在YZ方向的半径相等，X方向为该异形构件的高度方向，且Y、Z方向半球型面的最大直径即为该异形构件的最大直径(记录为a)、X方向半球型面的高度加上圆柱型面的高度即为异形构件的总高度(记录为b)，异形构件的总高度与其最大直径的比值即为其长径比(b/a)，本发明中异形构件的长径比不小于1.8。

该方法的步骤包括：

(1)制备旋压模具；

所述的旋压模具为包括下面的空心圆柱和上面的空心半球；圆柱的底端带有垭口，该垭口用于与旋压设备进行连接，空心半球的底端外径与空心圆柱的外径一致，空心半球的底端内径与空心圆柱的内径一致，空心半球的壁厚与空心圆柱的壁厚一致；空心半球与空心圆柱组合而成的外型面与待成形异形构件壳体毛坯的内型面一致。

空心半球的顶端为平面，空心半球顶端平面的直径为Φ60～80mm；

空心半球的最大直径比待成形异形构件相对应的最大直径小2～4mm；

空心圆柱的高度比待成形异形构件相对应的直线段高度大30～50mm；

所述的旋压模具的内表面带有加强筋；

定义圆柱的底端为大端面，半球的顶端平面为小端面，如附图2a和图2b所示；

(2)准备旋压坯料，从规格为800mm×800mm的方形铝板上切取直径为Φ620～750mm的铝合金圆板；

(3)首先利用旋压设备的尾顶将步骤(2)中准备的铝合金圆板固定到步骤(1)制作的旋压模具上，即使铝合金圆板的圆心与旋压模具的顶端平面的中心重合，且铝合金圆板与旋压模具的顶端平面紧密贴合；然后对旋压模具和铝合金圆板进行加热，旋压模具的加热温度为70～120℃，铝合金圆板的加热温度为280～320℃；

(4)开始旋压；

将步骤(3)中的铝合金圆板旋压至预设形状，即待成形异形构件壳体毛坯的内型面与旋压模具的外型面完全贴合；

具体旋压过程为：旋压过程中先从尾顶边缘处即小端面的边缘进行，第一阶段强力旋压和普通旋压相结合，设置了11道次的旋轮运动轨迹，即铝合金圆板在第一阶段旋压变形过程中的实时动态变化情况，如附图4a所示。每一道次均包含强力旋压过程和普通旋压过程。旋轮在每一道次的运动轨迹中均通过普通旋压使铝合金板坯收径，如附图4b所示；其中第1道次的普旋收径量为m，后续10道次的普旋收径量均为n，考虑到旋压起始阶段铝合金圆板的刚度较好，在确保板坯不发生褶皱的前提下，其普旋收径量越大越好；而随着旋压过程的进行，板坯的刚度降低，为确保旋压变形过程的稳定性，其后续10道次的普旋收径量保持一致并适当降低，因此m＞n，且m值为85～90mm，n值为65～70mm。同时旋轮在每一道次的运动轨迹中均通过强力旋压使铝合金圆板逐渐与旋压模具表面贴合，基于前一道次普通旋压的显著收径效果，后一道次的强力旋压行程可以逐渐增加，即如果设置11道次的强力旋压行程分别为a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k，则a＜b＜c＜d＜e＜f＜g＜h＜i＜j＜k，如附图4c所示，其中a值为45～50mm，从b→k，均比其前一数值增加4～6mm，即b值为49～56mm，c值为53～62mm，后续数值以此类推。如上所述，第一阶段旋轮11道次运动轨迹结束后，铝合金圆板与旋压模具表面的最大间隙不大于0.3mm。为了减缓/消除异形构件壳体毛坯的扩径效应，同时为了消除异形构件壳体毛坯的局部***等缺陷，在第一阶段11道次的旋压过程结束后，设计了第二阶段的1道次强力旋压以对异形构件壳体毛坯进行精整。第二阶段的强力旋压起始位置距圆柱段与圆弧段相切处约130～160mm，即第二阶段强力旋压起始位置A处与其左侧标注的相切位置之间的距离为130～160mm，如附图4d所示，从而使铝合金圆板与旋压模具完全贴合，如附图5a和图5b所示。

旋压过程中，全旋程的加热温度为320～380℃；旋压模具转速为120～160r/min；普通旋压时旋轮进给比f＝1.6～2.2，强力旋压时旋轮进给比f＝1.0～1.2，旋压时单道次减薄率为8％～10％；旋轮圆角半径R为16～20mm。特别地，旋压过程采用氧-乙炔喷枪补偿加热，考虑到旋压模具的储热-导热功效(氧-乙炔喷枪提供的热量一部分直接加热板坯，另一部分被旋压模具吸收、储存后在旋压后续道次向板坯导热)以及尽量减低旋压模具的“热胀效应”(旋压模具的材质为金属，具有显著的“热胀冷缩效应”，即随着旋压模具温度的升高，其将出现膨胀现象)，在全旋程中喷枪数量逐渐减少，其中，第一阶段旋压过程的前4道次(1)、(2)、(3)、(4)采用3把喷枪加热，第5道次至第8道次(5)、(6)、(7)、(8)采用2把喷枪补偿加热，第9和10道次(9)、(10)采用1把喷枪补偿加热，第11道次(11)无喷枪补偿加热；第二阶段的旋压整型过程(12)也无喷枪补偿加热。另外，在第11和12道次旋压结束前且距大端面口部20～30mm时，均设置旋轮提前旋出，使构件口部形成一段法兰翻边，如附图4d和5b所示；

(5)将步骤(4)得到的旋压件从旋压模具上卸下，然后对旋压件进行去应力退火热处理；

(6)将经过步骤(5)后的铝合金旋压件进行机械加工，最终成为大长径比薄壁铝合金异形构件。

一种大长径比薄壁铝合金异形构件旋压成形方法，包括，

步骤1，设计并制造旋压模具1，其结构为半球型面+直线段，其半球型面的最大直径比待成形异形构件壳体相对应的最大直径小2～4mm；直线段的高度比待成形异形构件壳体相对应的直线段高度大30～50mm；另外，旋压模具为空心、内部带有加强筋结构且外部带有Φ60～80mm平底小端的模具。

步骤2，准备旋压坯料，从规格为800mm×800mm的方形铝板上切取直径为Φ620～750mm的铝合金圆板2。

步骤3，预热旋压模具和坯料，利用旋压设备的尾顶3、将铝合金圆板2固定到旋压模具1上并对旋压模具1和铝合金圆板2进行加热，直至将旋压模具1加热至70～120℃、将铝合金圆板2加热至280～320℃为止。

步骤4，将所述铝合金圆板2旋压至预设形状；旋压过程中先从尾顶边缘处(即小端面的边缘)进行，第一阶段强力旋压和普通旋压相结合，设置了11道次的旋轮运动轨迹。旋轮在每一道次的运动轨迹中均通过普通旋压使铝合金板坯收径；同时旋轮在每一道次的运动轨迹中均通过强力旋压使铝合金圆板逐渐与旋压模具表面贴合。第一阶段旋轮11道次运动轨迹结束后，铝合金圆板与旋压模具表面的最大间隙不大于0.3mm。在第一阶段11道次的旋压过程结束后，设计了第二阶段的1道次强力旋压以对异形构件壳体毛坯进行精整。第二阶段的强力旋压起始位置距圆柱段与圆弧段相切处约130～160mm，从而使铝合金圆板与旋压模具完全贴合。

步骤5，卸下成形的铝合金旋压件4并对其进行去应力退火热处理。

步骤6，将热处理后的铝合金旋压件4进行机械加工成为大长径比薄壁铝合金异形构件。

旋压过程中旋轮圆角半径R为16～20mm。

所述步骤4中，旋压过程采用氧-乙炔喷枪补偿加热且在全旋程中喷枪数量逐渐减少，其中，第一阶段旋压过程的前4道次(1)、(2)、(3)、(4)采用3把喷枪加热，第5道次至第8道次(5)、(6)、(7)、(8)采用2把喷枪补偿加热，第9和10道次(9)、(10)采用1把喷枪补偿加热，第11道次(11)无喷枪补偿加热；第二阶段的旋压整型过程(12)也无喷枪补偿加热。

旋压过程中全旋程的加热温度为320～380℃。

所述步骤4中，在第11和12道次旋压结束前且距大端面口部20～30mm时，均设置旋轮提前旋出，使构件口部形成一段法兰翻边。

所述步骤4中，旋压模具1在旋压过程中的转速为120～160r/min。

所述步骤4中，旋压过程中普旋时旋轮进给比：f＝1.6～2.2，强旋时旋轮进给比：f＝1.0～1.2。

旋压过程中单道次减薄率为8％～10％。

本发明提供一种大长径比薄壁铝合金异形构件旋压成形方法，该方法可以由铝合金圆板经一次装卡后、在一个数控程序内得到符合要求的大长径比铝合金异形构件壳体毛坯，产品尺寸精度高，生产效率高，实现了大长径比铝合金异形构件壳体一次旋压成形。

本发明提供一种大长径比薄壁铝合金异形构件旋压成形方法，该方法可以由铝合金圆板经一次装卡后、在一个数控程序内得到符合要求的大长径比铝合金异形构件壳体毛坯，产品尺寸精度高，生产效率高，实现了大长径比铝合金异形构件壳体一次旋压成形。

本发明的一种大长径比薄壁铝合金异形构件旋压成形方法，包括如下步骤：

(1)制造旋压模具，所制作的旋压模具为半球型面+直线段，其半球型面的最大直径比待成形异形构件壳体相对应的最大直径小2～4mm；直线段的高度比待成形异形构件壳体相对应的直线段高度大30～50mm；另外，旋压模具为空心、内部带有加强筋结构且外部带有Φ60～80mm平底小端的模具。

(2)准备旋压坯料，利用体积不变原理(旋压坯料的体积与待成形异形构件壳体毛坯的体积相等)计算旋压坯料规格并从800mm×800mm的方形铝板上切取直径为Φ620～750mm的铝合金圆板，圆板的厚度为14～18mm。

(3)利用旋压设备的尾顶、将步骤(2)中提及的铝合金圆板固定到步骤(1)制作的旋压模具上并对旋压模具和铝合金圆板进行预热，加热方式为氧-乙炔喷枪加热，加热时间为10～20min，旋压模具的加热温度为70～120℃、铝合金圆板的加热温度为280～320℃。

(4)开始按照设定程序进行旋压，具体为：旋压模具和铝合金圆板一起旋转，转速为120～160r/min，旋压模具和板坯上均涂抹MoS₂(二硫化钼)润滑，旋轮按照设定曲线进行纵向进给，旋压路径经多次实验确定为第一阶段强力旋压和普通旋压相结合，设置了11道次的旋轮运动轨迹。旋轮在每一道次的运动轨迹中均通过普通旋压使铝合金板坯收径；同时旋轮在每一道次的运动轨迹中均通过强力旋压使铝合金圆板逐渐与旋压模具表面贴合。第一阶段旋轮11道次运动轨迹结束后，铝合金圆板与旋压模具表面的最大间隙不大于0.3mm。在第一阶段11道次的旋压过程结束后，设计了第二阶段的1道次强力旋压以对异形构件壳体毛坯进行精整，从而使铝合金圆板与旋压模具完全贴合。普通旋压(简称普旋)的特点是在变形过程中主要改变毛坯的直径(缩小或扩大)，壁厚变化较小；强力旋压(简称强旋)的特点是变形过程中伴随着毛坯壁厚明显减薄。即本发明的方法是先从尾顶边缘处(即小端面的边缘)进行，第一阶段强力旋压-普通旋压相结合，设置了11道次的旋轮运动轨迹，即铝合金圆板在第一阶段旋压变形过程中的实时动态变化情况。每一道次均包含强力旋压过程和普通旋压过程。旋轮在每一道次的运动轨迹中均通过普通旋压使铝合金板坯收径；其中第1道次的普旋收径量为m，后续10道次的普旋收径量均为n，考虑到旋压起始阶段铝合金圆板的刚度较好，在确保板坯不发生褶皱的前提下，其普旋收径量越大越好；而随着旋压过程的进行，板坯的刚度降低，为确保旋压变形过程的稳定性，其后续10道次的普旋收径量保持一致并适当降低，因此m＞n，且m值为85～90mm，n值为65～70mm。同时旋轮在每一道次的运动轨迹中均通过强力旋压使铝合金圆板逐渐与旋压模具表面贴合，基于前一道次普通旋压的显著收径效果，后一道次的强力旋压行程可以逐渐增加，即如果设置11道次的强力旋压行程分别为a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k，则a＜b＜c＜d＜e＜f＜g＜h＜i＜j＜k，其中a值为45～50mm，从b→k，均比其前一数值增加4～6mm，即b值为49～56mm，c值为53～62mm，后续数值以此类推。如上所述，第一阶段旋轮11道次运动轨迹结束后，铝合金圆板与旋压模具表面的最大间隙不大于0.3mm。为了减缓/消除异形构件壳体毛坯的扩径效应，同时为了消除异形构件壳体毛坯的局部***等缺陷，在第一阶段11道次的旋压过程结束后，设计了第二阶段的1道次强力旋压以对异形构件壳体毛坯进行精整。第二阶段的强力旋压起始位置距圆柱段与圆弧段相切处约130～160mm，即第二阶段强力旋压起始位置A处与其左侧标注的相切位置之间的距离为130～160mm，从而使铝合金圆板与旋压模具完全贴合。道次减薄率：8～10％(道次减薄率指每道次的壁厚减薄率，即旋压变形前板坯厚度、变形后板坯厚度的差值与旋压变形前板坯厚度的比值)，保持较低的道次强旋变形量，避免了旋轮前材料堆积，确保材料贴模良好，降低出现明显的法兰前倾、板料“反背”的几率。另外，在第11和12道次旋压结束前且距大端面口部20～30mm时，均设置旋轮提前旋出，使构件口部形成一段法兰翻边，有利于后续机械加工车削工艺定位台阶。在不超过旋压设备能力的前提下，第一阶段交替多次进行热强旋-热普旋过程的普旋阶段，采用较大的进给比，既有利于快速收径，也可以避免过多材料向切向流动导致材料过分减薄；而在第一阶段强旋及第二阶段强旋整型时则采用较小的进给比；普旋时旋轮进给比：f＝1.6～2.2，强旋时旋轮进给比：f＝1.0～1.2。(旋轮进给比是芯模每转一圈，旋轮纵向进给的距离，表示为旋轮纵向进给速度/芯模转速)旋压过程中应一直保持连续加热，保证工件温度在320～380℃。

(5)大长径比铝合金异形构件壳体旋压件贴模后，再脱模卸料较困难，而且冷却后严重缩径，外表面加工余量减小。为了避免这种不利情况的出现，第一阶段第11道次(11)及第二阶段的旋压整型过程(12)也无喷枪补偿加热。利用构件的余热和变形热完成构件后续阶段的旋压。旋压结束后，工件温度在160～200℃，工件可较容易脱模，待温度冷却到室温后，内型面完全能满足加工尺寸要求。然后按照要求进行热处理，再机械加工成为大长径比薄壁铝合金异形构件。

在上述大长径比薄壁铝合金异形构件壳体精密旋压成形方法中，铝合金圆板抗拉强度σ_b≥315MPa。

在上述大长径比薄壁铝合金异形构件壳体精密旋压成形方法中，旋压过程中旋轮圆角半径R为16～20mm(R指旋轮工作圆角半径)，采用双旋轮同步旋压。

实施例

以下给出一个具体的实施案例，本实施案例中大长径比铝合金异形构件壳体精密旋压成形方法中壳体原材料为5A06铝合金，长径比为1.8，半球型面最大内径为Ф340～342mm，壁厚为1.5₀+0.20mm。以下为整体精密旋压成形的具体过程：

(1)制造旋压模具，所制作的旋压模具型面为半球+直线段，其最大直径和总高度分别为Φ336mm、690mm，另外，旋压模具为空心、内部带有加强筋结构且外部带有Φ60～80mm平底小端面的模具，如图2a和图2b所示。

(2)准备旋压坯料，利用体积不变原理计算旋压坯料规格并从800mm×800mm的方形铝板上切取直径为Φ720mm的铝合金圆板，圆板的厚度为16mm。

(3)利用旋压设备的尾顶3、将5A06铝合金圆板2固定到旋压模具1上并对旋压模具1和铝合金圆板2进行预热，如图3所示，加热方式为氧-乙炔喷枪加热，加热时间为10～20min，直至将旋压模具1加热至120℃、将铝合金圆板2加热至300℃为止。

(4)开始按照设定程序进行旋压，主轴转速为140r/min，旋压模具1和板坯上都涂抹MoS₂润滑，如附图4a、4b所示，旋轮按照设定曲线进行纵向进给，第一阶段强力旋压和普通旋压相结合，设置了11道次的旋轮运动轨迹。每一道次均包含强力旋压过程和普通旋压过程。旋轮在每一道次的运动轨迹中均通过普通旋压使铝合金板坯收径；同时旋轮在每一道次的运动轨迹中均通过强力旋压使铝合金圆板逐渐与旋压模具表面贴合。第一阶段旋轮11道次运动轨迹结束后，铝合金圆板与旋压模具表面的最大间隙不大于0.18mm。在第一阶段11道次的旋压过程结束后，设计了第二阶段的1道次强力旋压以对异形构件壳体毛坯进行精整，从而使铝合金圆板与旋压模具完全贴合。道次减薄率：8％，其中在第11和12道次旋压结束前且距大端面口部25mm时，均设置旋轮提前旋出，使构件口部形成一段法兰翻边，普旋时旋轮进给比：f＝2，强旋时旋轮进给比：f＝1.1。

(5)第一阶段第11道次(11)及第二阶段的旋压整型过程(12)也无喷枪补偿加热，利用构件的余热和变形热完成构件后续阶段的旋压，如附图5a和图5b所示。旋压结束后，退出尾顶3，卸下铝合金旋压件4。成形后的异形构件壳体毛坯内型面与理论型面样板单边间隙小于0.1mm，壁厚差小于0.2mm。按照要求进行热处理，然后将铝合金旋压件4进行机械加工；

在本实施例中，采用一套旋压模具、经过一次装卡实现了将圆板坯料直接旋压成形为大长径比铝合金异形构件壳体毛坯，工艺流程少，生产效率高；通过采取先第一阶段交替进行多次热强旋-热普旋、第二阶段热强旋整型的旋压路径，同时结合匹配的旋压工艺参数(如旋压温度、进给比、道次减薄率、主轴转速等)，避免了旋压过程中出现显著扩径、旋压裂纹、不贴膜等现象；另外，通过第二阶段旋压整型避免异形构件直线段出现鼓包缺陷；获得的大长径比异形构件壳体旋压件精度较高，其内型面与理论型面样板单边间隙小于0.1mm，壁厚差小于0.2mm，经后续热处理、机械加工后成为内径为Ф340mm，长径比为1.8，壁厚为

的大长径比薄壁铝合金异形构件。与传统冲压预成形和旋压终成形相结合的工艺路径相比，本发明的工艺流程少，生产效率至少提高50％；另外，大长径比异形构件壳体旋压件型面检测结果表明，本发明的成形精度较高，旋压件内型面与理论型面样板单边最大间隙为0.08mm，最大壁厚差为0.14mm。

Claims (1)

1.一种大长径比薄壁铝合金异形构件壳体旋压成形方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)制备旋压模具，所述的旋压模具为待成形铝合金异形构件的阳模模具；

(2)制备铝合金圆板；

(3)首先利用旋压设备的尾顶将步骤(2)中准备的铝合金圆板固定到步骤(1)制作的旋压模具上，然后对旋压模具和铝合金圆板进行加热；

(4)将步骤(3)中的铝合金圆板旋压至预设形状，得到毛坯件；

(5)将步骤(4)得到的毛坯件从旋压模具上卸下，然后对毛坯件进行热处理，然后进行机械加工，得到大长径比薄壁铝合金异形构件；

所述的薄壁是指构件的壁厚不大于2mm；

所述的铝合金异形构件包括下面的空心圆柱和上面的空心半球，空心半球的顶端面为平面；

所述的步骤(1)中，旋压模具包括下面的空心圆柱和上面的空心半球；空心半球的顶端为平面，定义空心圆柱的底端为大端面，空心半球的顶端平面为小端面；

以该异形构件中空心半球的底端中心作为原点建立坐标系，该异形构件壳体在YZ方向的半径相等，X方向为该异形构件的高度方向，且Y、Z方向空心半球型面的最大直径即为该异形构件的最大直径，记录为a，X方向半球型面的高度加上圆柱型面的高度即为异形构件的总高度，记录为b，b/a即为该异形构件的长径比，异形构件的长径比不小于1.8；

所述的步骤(1)中，所述的旋压模具中空心圆柱的底端即大端面带有垭口，该垭口用于与旋压设备进行连接，所述的旋压模具中空心半球的底端外径与空心圆柱的外径一致，空心半球的底端内径与空心圆柱的内径一致，空心半球的壁厚与空心圆柱的壁厚一致；空心半球与空心圆柱组合而成的外型面与待成形异形构件壳体毛坯的内型面一致；

所述的步骤(1)中，空心半球顶端平面即小端面的平面直径为Φ60～80mm；空心半球的最大直径比待成形异形构件壳体相对应的最大直径小2～4mm；空心圆柱的高度比待成形异形构件壳体相对应的直线段高度大30～50mm；所述的旋压模具的内表面带有加强筋；

所述的步骤(2)中，制备铝合金圆板的方法为：从规格为800mm×800mm的方形铝板上切取直径为Φ620～750mm的铝合金圆板；

所述的步骤(3)中，利用旋压设备的尾顶将铝合金圆板固定到旋压模具上时使铝合金圆板的圆心与旋压模具的空心半球顶端小端面的平面的中心重合，且铝合金圆板与旋压模具的空心半球顶端小端面的平面紧密贴合；旋压模具的加热温度为70～120℃，铝合金圆板的加热温度为280～320℃；

所述的步骤(4)中，将铝合金圆板旋压至预设形状的过程为：旋压过程中先从小端面的边缘进行，包括第一阶段的11道次的旋压和第二阶段的1道次的旋压；

第一阶段的11道次的旋压均采用强力旋压和普通旋压相结合的方式，强力旋压的行程逐道次增加，普通旋压的收径量第一道次大于后续的10道次，后续10个道次普通旋压收径量均相同；第二阶段的1道次的旋压采用强力旋压，第二阶段的强力旋压起始位置距空心半球的底端面130～160mm；

所述的强力旋压和普通旋压的加热温度均为320～380℃；强力旋压和普通旋压时的旋压模具转速均为120～160r/min；普通旋压时旋轮进给比f＝1.6～2.2，强力旋压时旋轮进给比f＝1.0～1.2，强力旋压时单道次减薄率为8％～10％；强力旋压和普通旋压时的旋轮圆角半径R均为16～20mm。

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