CN110479841B

CN110479841B - 大型横高筋薄壁环件多道次多向旋轧成形方法

Info

Publication number: CN110479841B
Application number: CN201910712181.3A
Authority: CN
Inventors: 韩星会; 华林; 田端阳; 胡亚雄; 杨思伟
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2019-08-02
Filing date: 2019-08-02
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2039-08-02
Also published as: CN110479841A

Abstract

本发明涉及一种大型横高筋薄壁环件多道次多向旋轧成形方法，包括以下步骤：S1、将环形毛坯和环形推板套在约束模上，关于环形毛坯轴向中面对称的两旋轮分别与毛坯两端面紧密接触，使约束模和环形毛坯之间产生作用力，保证约束模能带动环形毛坯和旋轮稳定旋转；S2、约束模绕自身轴线做旋转运动，并带动环形毛坯和旋轮绕各自轴线做旋转运动，同时两旋轮沿轨迹做进给运动，使环形毛坯产生连续局部塑性变形直至整体成形；S3、当成形件形状为目标横高筋薄壁环件时，约束模停止转动，两旋轮退回到初始位置，并通过环形推板将制得的目标横高筋薄壁环件从约束模上推出。本发明通过多道次局部成形大型横高筋薄壁环件，具有显著的节能节材、降低生产成本、提高生产率、减小成形力的效果。

Description

大型横高筋薄壁环件多道次多向旋轧成形方法

技术领域

本发明涉及异形截面环件的精密轧制成形方法，更具体地说，涉及一种大型横高筋薄壁环件多道次多向旋轧成形方法。

背景技术

在航空、航天等制造领域，结构轻量化是减少能源消耗、提升飞行器续航能力的重要途径。因此，飞机、火箭、飞船等重大装备上广泛应用了大量的薄壁结构件，例如机舱、机翼、发动机外罩。为了提高这些结构件的强度，通常在其表面上设有加强筋。大型横高筋薄壁环件作为飞机、火箭等重型装备上典型的核心承载构件，对其成形精度和性能要求极其苛刻。对于这类大型横高筋薄壁环件，目前主要有焊接、铆接、切削三种方法。焊接方法是先分开制造薄壁矩形环件与加强筋，再将加强筋焊接在矩形环件上，但焊接方法性能差、成本高，难以满足高端装备高性能制造的要求。铆接方法也是先分开制薄壁矩形环件与加强筋，再用大量铆钉将加强筋和矩形环件铆接在一起。铆接方法不仅增加了构件的重量，还降低了加强筋和矩形环件之间的连接强度。切削方法是对矩形截面环形毛坯进行车削加工，从而加工出目标大型横高筋薄壁环件。但是，切削方法存在材料利用率低、零件回弹变形大、金属流线不连续等问题，使零件的成形精度和力学性能大大降低。塑性成形工艺具有显著的节能节材、加工效率高、成形性能优异等特点，逐渐成为高端装备结构件整体制造的主要发展趋势。受零件外形尺寸限制，采用传统的锻造方法很难成形出这类大型横高筋薄壁环件。因此，迫切需要找到一种有效的塑性成形方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种大型横高筋薄壁环件多道次多向旋轧成形方法，，显著地改善了大型横高筋薄壁环件内部组织和力学性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种大型横高筋薄壁环件多道次多向旋轧成形方法，包括以下步骤：

S1、将环形毛坯和环形推板套在约束模上，关于环形毛坯轴向中面对称的两旋轮分别与毛坯两端面紧密接触，使约束模和环形毛坯之间产生作用力，保证约束模能带动环形毛坯和旋轮稳定旋转；

S2、约束模绕自身轴线做旋转运动，并带动环形毛坯和旋轮绕各自轴线做旋转运动，同时两旋轮沿轨迹做进给运动，使环形毛坯产生连续局部塑性变形直至整体成形，其成形分三个阶段：

S21、第一成形阶段；通过控制两旋轮运动轨迹和进给速度，对环形毛坯的侧壁进行多道次轴向旋轧成形；旋轧过程中，两旋轮沿轴向从环形毛坯两端向中间运动，侧壁处产生轴向压缩、径向延伸的塑性变形，从而在环形毛坯的外周面上形成一条横筋；

S22、第二成形阶段；通过控制两旋轮运动轨迹和进给速度，对第一阶段挤出的横筋进行多道次径向旋轧成形；旋轧过程中，横筋厚度逐渐减小、高度逐渐增加，从而达到预设的形状；

S23、第三成形阶段；通过控制两旋轮运动轨迹和进给，对环形毛坯的横筋以外部分进行多道次轴向旋轧成形；旋轧过程中，两旋轮沿轴向从环形毛坯横筋向两端运动，横筋以外部分厚度不断减薄、轴向高度逐渐增加，从而达到预设的尺寸要求；

S3、当成形件形状为目标横高筋薄壁环件时，约束模停止转动，两旋轮退回到初始位置，并通过环形推板将制得的目标横高筋薄壁环件从约束模上推出。

上述方案中，在步骤S1中，环形毛坯的内径等于目标大型横高筋薄壁环件的内径D₁，环形毛坯的高度h远小于约束模的高度，环形毛坯的外径为D₂；环形毛坯的外形尺寸通过式(1)计算得到：

其中，大型横高筋薄壁环件的横筋以外部分厚度为t，大型横高筋薄壁环件上端面到横筋上端面的距离为a，大型横高筋薄壁环件下端面到横筋下端面的距离为b，横筋高度为c，横筋厚度为f。

上述方案中，在步骤S1中，旋轮进给时其端面与水平面之间的夹角θ满足：

其中，m为旋轮架到旋轮端面的距离，d为旋轮直径。

上述方案中，在步骤S1中，环形推板的内径等于约束模的外径，环形毛坯端面与环形推板之间的间隙e满足：

上述方案中，在步骤S21中，当旋轮轴向进给时，左、右两旋轮进给速度的比值为

当旋轮径向进给时，左、右两旋轮的进给速度始终相等。

上述方案中，在步骤S22中，当两旋轮轴向、径向进给时，其速度始终相等。

上述方案中，在步骤S23中，当旋轮轴向进给时，左、右两旋轮进给速度的比值为

旋轮径向进给时，左、右两旋轮的进给速度始终相等。

实施本发明的大型横高筋薄壁环件多道次多向旋轧成形方法，具有以下有益效果：

1、通过多道次局部成形大型横高筋薄壁环件，具有显著的节能节材、降低生产成本、提高生产率、减小成形力的效果。

2、轧制成形的大型横高筋薄壁环件表面质量好，几何精度高，而且获得了细密的晶粒组织和完整的金属流线，显著地改善了大型横高筋薄壁环件内部组织和力学性能。

3、轧制过程中两旋轮始终对称，起到阻碍金属轴向流动的作用，省去了约束金属轴向流动的模具，且在两旋轮的作用下，两旋轮之间的金属主要沿环件径向向外流动，使环件外周面容易形成薄壁高筋。

4、两旋轮尺寸较小、运动空间大、通用性好。通过调整两旋轮的运动轨迹，可旋轧出不同规格的横高筋薄壁环件。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为制得大型横高筋薄壁环件的毛坯纵截面示意图；

图2为大型横高筋薄壁环件的纵截面示意图；

图3为双旋轮旋轧成形大型高筋薄壁环件的整体示意图；

图4为旋轮三维示意图；

图5为双旋轮多道次轴向旋轧成形目标环件侧壁的示意图；

图6为双旋轮多道次径向旋轧成形目标环件横筋的示意图；

图7为双旋轮多道次轴向旋轧成形目标环件蒙皮的示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-图7所示，本发明的大型横高筋薄壁环件的精密轧制成形方法包括以下步骤：

S1，获得环形毛坯2，毛坯2为矩形截面环件，可通过镦粗、铸造、冲孔、冲连皮、挤压、平端面和车削的方法制得。采用本发明方法制得的零件为大型横高筋薄壁环件8。如图1、2所示，毛坯2的高度为h，毛坯2的内径为D₁，毛坯2的外径

其中，大型横高筋薄壁环件的内径为D₁，横筋以外部分厚度为t，目标环件上端面到横筋上端面的距离为a，目标环件下端面到横筋下端面的距离为b，横筋高度为c，横筋厚度为f。在本发明的一个优选实例中，大型横高筋薄壁环件8的尺寸如下：D₁＝3000mm，t＝5mm，f＝10mm，a＝20mm，b＝40mm，c＝30mm，因此环件毛坯2的尺寸可确定为：D₁＝3000mm，D₂＝3022mm，h＝30mm。

S2，如图3所示，将环形毛坯2和环形推板3水平套在约束模1上，环形毛坯2的内径等于约束模1的外径，环形坯料2与环形推板3之间的间隙e＝30mm，环形推板3的内径等于约束模1的外径。再将两旋轮4、5对称安装在环形毛坯2的两端面上，旋轮4、5侧面圆弧半径为5mm，旋轮4、5端面直径为40mm，旋轮架到旋轮4、5端面的距离为10mm。

S3，如图3所示，约束模1绕自轴做旋转运动，旋转速度为w₁，带动环形毛坯2、旋轮4和旋轮5旋转，旋轮4、5的旋转速度为w₂。同时，旋轮4、5还按一定的轨迹做进给运动，在约束模1和旋轮4、5的共同作用下，环件毛坯2产生轴向压缩、径向伸长的连续局部变形，环件毛坯2变形主要分三个阶段。

S4，环件变形第一阶段如图5所示，旋轮4、5与水平面间的夹角α＝60°，旋转速度w₂＝240r/min。旋轮4按图5所示的O→2→1→O→3→1→O→4→1→O→5→O'的轨迹做进给运动，旋轮5按图5所示的O→7→6→O→8→6→O→9→6→O→10→O'的轨迹做进给运动。旋轮4、5轴向进给时，v₁＝0.5mm/s，v₂＝0.9mm/s；旋轮4、5径向进给时，v₁＝v₂＝0.9mm/s。通过多道次轴向旋轧成形，在环形毛坯2的外周面上挤出与一条横筋，从而得到环件6。变形前毛坯形状和旋轮位置在图中用虚线表示。

S5，环件变形第二阶段如图6所示，旋轮4、5与水平面间的夹角β＝45°，旋转速度w₂＝240r/min。旋轮4按图6所示的O→2'→1'→O→3'→1'→O→4'→O'的轨迹做进给运动，旋轮5按图6所示的O→6'→5'→O→7'→5'→O→8'→O'的轨迹做进给运动。旋轮4、5轴向和径向进给时，其速度均为0.9mm/s。通过对第一阶段挤出的横筋进行多道次径向旋轧成形，使横筋厚度逐渐减小、高度逐渐增加，从而得到环件7。变形前毛坯形状和旋轮位置在图中用虚线表示。

S6，环件变形第三阶段如图7所示，旋轮4、5与水平面间的夹角α＝60°，旋转速度w₂＝240r/min，旋轮4,5的进给速度分别为v₁、v₂。旋轮4按图7所示的O→2″→1″→O→3″→1″→O→4″→O'的轨迹做进给运动，旋轮5按图7所示的O→6″→5″→O→7″→5″→O→8″→O'的轨迹做进给运动。旋轮4、5轴向进给时，v₁＝0.5mm/s，v₂＝0.9mm/s；旋轮4、5径向进给时，v₁＝v₂＝0.9mm/s。通过对环件的横筋以外部分进行多道次轴向旋轧成形，使横筋以外部分厚度不断减薄、轴向高度逐渐增加，从而目标横高筋薄壁环件8。变形前毛坯形状和旋轮位置在图中用虚线表示。

S7，当环形毛坯形状达到预设要求时，约束模1停止转动，旋轮4、5停止进给并退回到初始位置。液压驱动环形推板3沿其轴向运动，将制得的大型横高筋薄壁环件8从约束模1上挤出。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种大型横高筋薄壁环件多道次多向旋轧成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的大型横高筋薄壁环件多道次多向旋轧成形方法，其特征在于，在步骤S1中，环形毛坯的内径等于目标大型横高筋薄壁环件的内径D₁，环形毛坯的高度h远小于约束模的高度，环形毛坯的外径为D₂；环形毛坯的外形尺寸通过式(1)计算得到：

3.根据权利要求1所述的大型横高筋薄壁环件多道次多向旋轧成形方法，其特征在于，在步骤S1中，旋轮进给时其端面与水平面之间的夹角θ满足：

其中，m为旋轮架到旋轮端面的距离，d为旋轮直径。

4.根据权利要求2所述的大型横高筋薄壁环件多道次多向旋轧成形方法，其特征在于，在步骤S1中，环形推板的内径等于约束模的外径，环形毛坯端面与环形推板之间的间隙e满足：

5.根据权利要求2所述的大型横高筋薄壁环件多道次多向旋轧成形方法，其特征在于，在步骤S21中，当旋轮轴向进给时，左、右两旋轮进给速度的比值为

当旋轮径向进给时，左、右两旋轮的进给速度始终相等。

6.根据权利要求1所述的大型横高筋薄壁环件多道次多向旋轧成形方法，其特征在于，在步骤S22中，当两旋轮轴向、径向进给时，其速度始终相等。

7.根据权利要求2所述的大型横高筋薄壁环件多道次多向旋轧成形方法，其特征在于，在步骤S23中，当旋轮轴向进给时，左、右两旋轮进给速度的比值为

旋轮径向进给时，左、右两旋轮的进给速度始终相等。