CN111054819B - 一种深杯形薄壁件的精确塑性成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深杯形薄壁件的精确塑性成形方法。采用复合旋压成形工艺进行加工。首先计算厚度较大的板料毛坯尺寸，然后分别采用拉深旋压得到厚壁浅杯形件，采用流动旋压得到薄壁深杯形件，采用切边旋压对零件口部进行修边及采用车床对零件底部厚度进行切削，得到精确成形的薄壁深杯形零件。与冲压拉深成形工艺和切削加工方法相比，采用本发明的成形方法有效地减少了工装数量，提高了加工效率和零件成形精度等质量指标。

Description

一种深杯形薄壁件的精确塑性成形方法
技术领域
本发明涉及机械工程的特种加工领域，尤其涉及一种深杯形薄壁件的精确塑性成形方法。
背景技术
所谓深杯形件是指不能通过一次拉深成形得到的冲压件，而精确成形是指其成形后的外形尺寸形状达到较高精度。深杯形薄壁件在工程上的应用比较广泛，有直接作为零件使用的，也有作为中间坯料使用的。
当前常规的深杯形薄壁件的制作方法，比较多的是采用板料毛坯进行冲压拉深成形，但由于深杯形件的拉深系数均超过材料的极限拉深系数，因此要采用多次拉深，制造多套拉深模具，而且常需要采用中间退火工艺，导致加工周期和成本的增加。
不管拉深次数的多与少，拉深成形工艺终究存在一些不可避免的缺点，比如壁厚精度较差、壁厚均匀性低，外形直线度、椭圆度较差等，而且拉深成形时材料往往在拉应力作用下变形，容易导致内部晶粒组织性能降低，出现微裂纹倾向增加等。
深杯形薄壁件也可以采用棒料切削的方法制备，不仅要切除大量的材料，造成材料浪费，加工效率低下，而且由于将棒料内部的纤维切断，降低了材料的力学性能。还会因为薄壁件装夹容易变形，需要较为特殊的卡具，进一步增加了加工成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种深杯形薄壁件的精确塑性成形方法。与冲压拉深成形工艺和切削加工方法相比，采用本发明的成形方法，有效地减少了工装数量，提高了加工效率和零件成形精度等质量指标。
本发明通过下述技术方案实现：
一种深杯形薄壁件的精确塑性成形方法：
步骤一：计算材料体积及板料毛坯初始直径步骤
已知深杯形薄壁件的尺寸为：外径d、壁厚t0、高度h，查冲压手册确定口部修边余量δ；材料体积为：V≈π(h+δ+0.25d)dt0；板料毛坯初始直径为：D0＝2[V/(πt0)]1/2；
关于步骤一详细解读：已知深杯形薄壁件的尺寸为：外径d、壁厚t0、高度h，根据这些数据可以在冲压手册上查到零件成形的口部修边余量δ。因为是薄壁杯形件，直壁部分的中径与外径近似相等，而且底部圆弧过渡区的直角简化对材料整体体积的影响可以忽略，则材料体积计算公式为：V≈π(h+δ+0.25d)dt0。板料毛坯初始直径为：D0＝2[V/(πt0)]1/2。材料的一次拉深成形的极限拉深系数m一般为0.46～0.6，深杯形薄壁件的拉深系数d/D0均小于材料的极限拉深系数，无法一次拉深成形。
步骤二：调整板料毛坯尺寸步骤
设板料厚度增加量为△t，确定拉深系数m之后可得△t＝(4Vm2/π-d2t0)/[d2(1-m2)]；则板料厚度：t1＝t0+△t，在材料厚度标准系列中选择稍厚的标准厚度，并根据实际选定的板料厚度t1修正△t值，最后依据修正后的△t确定板料毛坯的直径：D＝[(4V/π+△td2)/t1]1/2；
关于步骤二详细解读：为了提高拉深系数达到一次拉深成形的目的，设板料毛坯的厚度比零件原始壁厚t0增加△t，以减小板料毛坯直径。根据材料拉深性能的好与差在极限拉深系数0.46～0.6中分别选取较小值和较大值作为选用的拉深系数。确定拉深系数m之后可得△t＝(4Vm2/π-d2t0)/[d2(1-m2)]。进一步便可求得板料毛坯的尺寸，厚度：t1＝t0+△t，若此厚度t1在材料厚度标准系列中并不存在，则选择稍厚的标准厚度，并根据实际选定的板料厚度t1修正△t值，最后依据修正后的△t确定板料毛坯的直径：D＝[(4V/π+△t d2)/t1]1/2。
步骤三：芯模结构及工装步骤
芯模的主体结构为带连接法兰的圆柱体，法兰尺寸根据机床主轴连接孔位置确定，芯模的圆柱体直径ф等于深杯形薄壁件的内径，即ф＝(d－2t0)，圆柱体的长度L比深杯形薄壁件的高度h及修边余量δ之和大50mm以上；再选用一个标准圆弧旋轮、两个标准双锥面旋轮、一个切边旋轮及一个普通尾顶块；将芯模通过法兰安装在机床主轴上；尾顶块安装在机床尾座上；将两个双锥面旋轮对称安装在机床的两个多工位旋轮座上，将一个标准圆弧旋轮和一个切边旋轮对称安装在机床的两个多工位旋轮座上；
关于步骤三详细解读：主要是需要针对要加工的深杯形薄壁件专门设计一个旋压芯模，芯模的主体结构为带连接法兰的圆柱体，法兰尺寸根据机床主轴连接孔位置设计，芯模圆柱体直径ф等于深杯形薄壁件的内径，即ф＝(d－2t0)，圆柱体的长度L比深杯形薄壁件的高度h及修边余量δ之和大50mm以上；复合旋压过程中使用的旋轮均为标准圆弧旋轮及双锥面旋轮，可以直接选用；旋压过程中使用的尾顶块也是普通平面结构，可以延用一般旋压尾顶块。将芯模安装在机床主轴上；尾顶块安装在机床尾座上；将两个双锥面旋轮对称安装在机床的两个多工位旋轮架上，将一个标准圆弧旋轮安装在机床的一个多工位旋轮架上。
步骤四：拉深旋压成形步骤
用尾顶块将由步骤二得到的平板毛坯对中顶紧在芯模上，采用单个圆弧旋轮进行单道次拉深旋压成形，其中圆弧旋轮与芯模在半径方向的间距等于毛坯厚度t1；开动机床主轴旋转，通过圆弧旋轮由尾顶块向芯模方向的逐步进给，使平板毛坯变形为浅杯形工件，此时浅杯形件的壁厚为t1；
步骤五：流动旋压成形步骤
转动多工位旋轮架，使两个双锥面旋轮转动到工作位，两个双锥面旋轮对称布置在芯模两侧，通过双锥面旋轮由尾顶块向芯模方向的逐渐进给，使浅杯形工件的壁部厚度减小，成为壁厚为t0的深杯形薄壁件；双锥面旋轮与芯模在半径方向的间距，由所需的旋压道次及其减薄率决定；采用一次流动旋压成形或者多道次流动旋压成形，取决于工件壁厚的减薄率(t1－t0)/t1；若总壁厚减薄率大于45％时，则应分多道次流动旋压成形，每道次减薄率为30～45％；当原壁厚t1较大，即工件壁厚的总减薄率大于45％时，每道次取上限45％；原壁厚t1较小，即工件壁厚的减薄率小于45％时，每道次取下限30％。
步骤六：口部修边步骤
按零件，即深杯形薄壁件的高度尺寸要求，将其口部多余材料切除，得到最终所需要的深杯形薄壁件；若对深杯形薄壁件底部厚度有要求，再将多余厚度去除。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)有利于改善零件的外形质量，提高壁厚尺寸精度和壁厚均匀性，改善零件椭圆度、直线度等指标；
(2)保留了完整的材料变形流线组织，有利于提高构件的强度和疲劳寿命；
(3)旋压成形时材料在压应力下变形，有利于得到较好的内部微观组织和零件使用性能；
(4)有效减少了工装数量，节约工装成本。
(5)与冲压拉深成形工艺相比，可以提高加工精度1～2个等级。。
附图说明
图1是本发明塑性成形方法中所涉及的深杯形薄壁件结构示意图。
图2是本发明深杯形薄壁件的精确塑性成形工艺流程简图。
图3是本发明芯模结构示意图。
图4是本发明的工装安装示意图。
图5是本发明拉深旋压过程示意图。
图6是本发明流动旋压过程示意图。
图7是本发明修边旋压过程示意图。
图4中附图标记：芯模1；尾顶块2；毛坯3；圆弧旋轮4；双锥面旋轮51、52；切边旋轮6；多工位旋轮座71、72。其中芯模安装在机床的主轴上，多工位旋轮座安装在机床的两个独立移动平台上，尾顶块安装在机床尾座上。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例1
图1为本发明所提及的深杯形薄壁件示意图；
材料为08钢，零件外径d＝80mm，壁厚t0＝0.6mm，高度h＝110mm。按本发明成形工艺的流程进行计算和设计，如图2所示：
(1)查手册可知修边余量：δ＝5mm，于是材料体积：V≈π(h+δ+0.25d)dt0＝20347mm3；板料毛坯初始直径：D0＝2[V/(πt0)]1/2≈208mm。拉深系数：80/208≈0.38，小于一次拉深成形的极限拉深系数0.46～0.6，无法一次拉深成形。
(2)由于08钢的拉深性能比较好，选取拉深系数m＝0.46进行后续设计，板坯厚度增加量：△t＝(4Vm2/π-d2t0)/[d2(1-m2)]＝0.33mm，板坯厚度：t1＝t0+△t＝0.93mm。在实际厚度系列中选取t1＝1.0mm。于是修正后△t＝0.4mm，板坯直径：D＝[(4V/π+△t d2)/t1]1/2≈170mm。
(3)设计旋压芯模：
由于零件高度h＝110mm，修边余量δ＝5mm，取旋轮避让距离85mm，于是芯模有效长度为L＝200mm。芯模直径ф按零件内径设计，即ф＝d－2t0＝80－2*0.6＝78.8mm。
芯模结构如图3所示。
图4为本发明的工装安装示意图，其中芯模安装在机床的主轴上，多工位旋轮座安装在机床的两个独立移动平台上，尾顶块安装在机床尾座上。
(4)拉深旋压成形：将圆弧旋轮与芯模在半径方向的间距调整为1.0mm，圆弧旋轮由右向左进给得到壁厚为t1即1.0mm的浅杯形工件。如图5所示。
(5)流动旋压成形：由于浅杯形工件的壁厚t1为1.0mm，最终零件壁厚为0.6mm，厚度减薄率为40％，位于最佳道次减薄率30～45％范围之内，因此可以单道次流动旋压成形。将两个双锥面旋轮转动至工作位，并将旋轮与芯模在半径方向的间距调整为t0即0.6mm，旋轮由右向左进给得到直壁部分厚度t0为0.6mm的深杯形薄壁件。如图6所示。
(6)按照零件高度要求，用切边旋轮将口部多余的长度余量δ切除，如图7所示。由于底部实际厚度t1＝1.0mm比零件设计厚度t0＝0.6mm略大一点，不影响使用。
实施例2
图1为本发明所提及的深杯形薄壁件示意图；
材料为25钢，零件外径d＝120mm，壁厚t0＝0.8mm，高度h＝350mm。按本发明成形工艺的流程进行计算和设计，如图2所示：
(1)查手册可知修边余量：δ＝12mm，于是材料体积：V≈π(h+δ+0.25d)dt0＝118164mm3；板料毛坯初始直径：D0＝2[V/(πt0)]1/2≈434mm。拉深系数：120/434≈0.28，小于一次拉深成形的极限拉深系数0.46～0.6，无法一次拉深成形。
(2)由于25钢的拉深性能比较差，选取拉深系数m＝0.6进行后续设计，板坯厚度增加量：△t＝(4Vm2/π-d2t0)/[d2(1-m2)]＝4.63mm，板坯厚度：t1＝t0+△t＝5.43mm。在实际厚度系列中选取t1＝6.0mm。于是修正后△t＝5.2mm，板坯直径：D＝[(4V/π+△t d2)/t1]1/2≈194mm。
(3)设计旋压芯模：
由于零件高度h＝350mm，修边余量δ＝12mm，取旋轮避让距离88mm，于是芯模有效长度为L＝450mm。芯模直径ф按零件内径设计，即ф＝d－2t0＝120－2*0.8＝118.4mm。
芯模结构如图3所示。
图4为本发明的工装安装示意图，其中芯模安装在机床的主轴上，多工位旋轮座安装在机床的两个独立移动平台上，尾顶块安装在机床尾座上。
(4)拉深旋压成形：将圆弧旋轮与芯模在半径方向的间距调整为6.0mm，旋轮由右向左进给得到壁厚为6.0mm的浅杯形工件；如图5所示。
(5)流动旋压成形：由于浅杯形工件的壁厚为6.0mm，最终零件壁厚为0.8mm，厚度减薄率为86.7％，大于最佳道次减薄率30～45％的上限，因此要多道次流动旋压成形。因初始厚度6.0mm较大，第一道次减薄率可取上限，即45％，以后各道次壁厚减薄率逐渐减小并且间隔逐渐增大，最后一道次使壁厚减薄到0.8mm。可设计各道次的壁厚减薄率分别为：45％、42％、38％、33％，各道次流动旋压后的壁厚(即两个双锥面旋轮与芯模在半径方向的间距)分别为：3.30mm、1.91mm、1.19mm、0.8mm。旋轮分别由右向左进给，得到高度逐渐增加、最终直壁部分厚度为0.8mm的深杯形薄壁件。如图6所示。
(6)按照零件高度要求，用切边旋轮将口部多余的长度余量切除，如图7所示。由于底部实际厚度t1＝6.0mm比零件设计厚度t0＝0.8mm相差较大，若影响零件使用，则可以用车床将底部厚度车削至0.8mm。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种深杯形薄壁件的精确塑性成形方法，其特征在于：
步骤一：计算材料体积及板料毛坯初始直径步骤
已知深杯形薄壁件的尺寸为：外径d、壁厚t0、高度h，查冲压手册确定口部修边余量δ；材料体积为：V≈π(h+δ+0.25d)dt0；板料毛坯初始直径为：D0＝2[V/(πt0)]1/2；
步骤二：调整板料毛坯尺寸步骤
设板料厚度增加量为△t，确定拉深系数m之后可得△t＝(4Vm2/π-d2t0)/[d2(1-m2)]；则板料厚度：t1＝t0+△t，在材料厚度标准系列中选择标准厚度，并根据实际选定的板料厚度t1修正△t值，最后依据修正后的△t确定板料毛坯的直径：D＝[(4V/π+△t d2)/t1]1/2；
步骤三：芯模结构及工装步骤
芯模的主体结构为带连接法兰的圆柱体，法兰尺寸根据机床主轴连接孔位置确定，芯模的圆柱体直径ф等于深杯形薄壁件的内径，即ф＝(d－2t0)，圆柱体的长度L比深杯形薄壁件的高度h及修边余量δ之和大50mm以上；再选用一个标准圆弧旋轮、两个标准双锥面旋轮、一个切边旋轮及一个尾顶块；将芯模通过法兰安装在机床主轴上；尾顶块安装在机床尾座上；将两个双锥面旋轮对称安装在机床的两个多工位旋轮座上，将一个标准圆弧旋轮和一个切边旋轮对称安装在机床的两个多工位旋轮座上；
步骤四：拉深旋压成形步骤
用尾顶块将由步骤二得到的平板毛坯对中顶紧在芯模上，采用单个圆弧旋轮进行单道次拉深旋压成形，其中圆弧旋轮与芯模在半径方向的间距等于毛坯厚度t1；开动机床主轴旋转，通过圆弧旋轮由尾顶块向芯模方向的逐步进给，使平板毛坯变形为浅杯形工件，此时浅杯形件的壁厚为t1；
步骤五：流动旋压成形步骤
转动多工位旋轮座，使两个双锥面旋轮转动到工作位，两个双锥面旋轮对称布置在芯模两侧，通过双锥面旋轮由尾顶块向芯模方向的逐渐进给，使浅杯形工件的壁部厚度减小，成为壁厚为t0的深杯形薄壁件；双锥面旋轮与芯模在半径方向的间距，由所需的旋压道次及其减薄率决定。
2.根据权利要求1所述深杯形薄壁件的精确塑性成形方法，其特征在于：还包括一个口部修边步骤：按零件，即深杯形薄壁件的高度尺寸要求，将其口部多余材料切除，得到最终所需要的深杯形薄壁件；若对深杯形薄壁件底部厚度有要求，再将多余厚度去除。
3.根据权利要求1所述深杯形薄壁件的精确塑性成形方法，其特征在于：所述流动旋压成形步骤中，所述由所需的旋压道次及其减薄率决定是指，采用一次流动旋压成形或者多道次流动旋压成形，取决于工件壁厚的减薄率(t1－t0)/t1；若总壁厚减薄率大于45％时，则应分多道次流动旋压成形，每道次减薄率为30～45％；当原壁厚t1较大，即工件壁厚的总减薄率大于45％时，每道次取上限45％；原壁厚t1较小，即工件壁厚的减薄率小于45％时，每道次取下限30％。
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