卷焊筒形件对轮旋压加工方法
【专利摘要】一种卷焊筒形件对轮旋压加工方法，利用普通立式车床，将传统的车刀更换为对轮旋压工装，采用了对轮旋压加工的方法，在旋轮径向力与轴向力的共同作用下，经过多道次旋压，迫使筒形件坯料受力变形、材料流动成形为所需尺寸的旋压工件，实现该类薄壁铝合金筒形结构产品的对轮旋压成形；在改善焊缝性能的同时，保证了筒形结构件的完整，达到使用性能要求。本发明采用内外表面同时加工的工艺方法有效的提高了筒形件的内外表面精度，提高了纵焊缝的机械性能，有效的提高了筒形件的安全性与可靠性，并且由于变形区具有对称性，从而使工件残余应力状态得到明显改善，筒形件形状和尺寸精度较高。
【专利说明】卷焊筒形件对轮旋压加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及旋压制造行业，具体是采用卷焊方法加工出筒形件后，利用自制工装进行对轮旋压加工，成形筒形件旋压结构件。
【背景技术】
[0002]随着我国航空、航天技术以及国民经济的迅速发展，对薄壁筒形件的需求也越来越多、越来越迫切，例如某筒形件零部件:
[0003]零件材料为3A21铝合金，封闭的筒形结构，具有轮廓尺寸大、壁厚薄、易变形、精度要求高等加工难题。
[0004]经过调研，市场上类似结构零件的加工主要采取三套方案:1、锻件机加，2、板料卷焊，3、筒形件坯料旋压，上述三种方案存在以下几点不足:
[0005]1、采用锻件机加，所需锻件尺寸大于40kg，最终产品4.0kg,材料利用率仅为10%，粗车、半精车、精车之间需要进行多次时效去除残余应力，需要多次装卡找正，薄壁零件容易变形机加难度很大，人工及研制成本很高。
[0006]2、采用板料卷焊成形，使用3A21铝板作为原材料，在卷焊过程中，筒形件的圆度、直线度等尺寸要求较高，无法得到可靠保证，同时由于存在纵焊缝，筒形件的性能降低，该筒形件工作环境为高温高压，存在较大的安全隐患。在卷焊加工中，需要增加探伤、退火、机械打磨焊缝等工序，增加了制造成本。
[0007]3、筒形件坯料旋压成形，需要制作多套芯模和其它配套工装，大大增加了芯模生产和管理的成本(约占总成本的10%?20%)，由于工件的内表面在受旋轮压力的同时沿芯模滑动，其精度由旋压芯模保证，产品的内表面几何精度较差，小批量单件生产，旋压成形没有优势，劳动强度很大，生产效率低，成本很高。
[0008]德国MT(MAN Technologie)股份公司最早提出对轮旋压原理，并进行了系统研究。1991年该公司委托位于德国多特蒙德的蒂森机械工程公司负责建造出了欧洲最大的立式结构对轮旋压机，已成功应用于欧洲航天局阿里安5号火箭助推器壳体的制造上。国内没有对轮旋压的相关研究，且对于筒形件的加工均采用上述三种工艺进行加工。
【发明内容】
[0009]为克服现有技术中存在的加工精度低，成本高的不足，本发明提出了一种卷焊筒形件对轮旋压加工方法。
[0010]本发明的具体过程是:
[0011]第一步，板料毛坯卷焊筒形件。
[0012]第二步，加工加强环。对卷焊筒形件一端的内表面和外表面进行减薄加工，形成了卷焊筒形件的加强环。所述的加强环为直筒状，该加强环的长度为20?40mm。在减薄加工所述加强环时，卷焊筒形件内表面和外表面的减薄率分别为20?45%。所述加强环的外圆周表面与卷焊筒形件的外圆周表面之间通过锥面过渡，该锥面的角度需小于旋轮攻角。[0013]第三步，安装旋轮。将筒形件坯料装夹在车床工作台中心部位，并使筒形件的跳动量小于1mm。将四个旋轮分别安装在对轮旋压工装上的轮旋安装轴上，并使位于对轮旋压工装上的定位轴一侧的两个旋轮组成第一对旋压轮组，使位于对轮旋压工装上的定位轴另一侧的两个旋轮组成第二对旋压轮组。调整所述两对旋压轮组，使四个旋轮的中心线均与卷焊筒形件主轴轴线平行，并且四个旋轮的中心线和筒形件的中心线位于同一垂直面。所述两对旋压轮组中，分别有一个旋轮为外旋压轮，有一个旋轮为内旋压轮；所述外旋压轮用于成形筒形件的外圆周表面，所述内旋压轮用于成形筒形件的内圆周表面。
[0014]第四步，建立旋轮原点。
[0015]分别以筒形件上端面向两外侧的延长线与该筒形件两外侧最大外径延长线的交点为坐标原点0#，形成了第一对旋压轮组中外旋压轮和第二对旋压轮组中外旋轮的坐标原点Op自所述坐标原点O #向工作台的方向为Y方向的正向。
[0016]分别以筒形件上端面向两内侧的延长线与该筒形件两内侧最大外径延长线的交点为坐标原点O ?，形成了第一对旋压轮组中内旋压轮和第二对旋压轮组中内旋压轮的坐标原点O内。自所述坐标原点O @向工作台的方向为Y方向的正向。
[0017]第五步，对轮旋压。旋压时，以筒形件的径向为X方向，以筒形件的轴向为Y方向。设定工作台主轴转速为120转/分钟。通过三个道次对所述筒形件对轮旋压成形。
[0018]具体旋压过程为:
[0019]I第一道次旋压:两个外旋轮的初始位置分别位于各坐标原点O,处。两个内旋轮的初始位置分别位于坐标原点O ?处。第一道次对筒形件壁的减薄量为总减薄量的50?60%，通过两个外旋轮和两个内旋轮均匀减薄；两对旋压轮组进给至距筒形件装夹夹具20?30mm处停止。
[0020]两对旋压轮组中的外旋轮回到坐标原点0#处,两对旋压轮组中的内旋轮回到坐标原点ο?处。四个旋轮分别沿X方向向筒形件壁处移动，进行二道次旋压，所述四个旋轮分别沿X方向向筒形件壁处移动的距离为第一道次中的单面减薄量与第二道次中的单面减薄量之和；
[0021]II第二道次旋压:
[0022]第二道次对筒形件壁的减薄量为总减薄量的30?35%，通过两个外旋轮和两个内旋轮均匀减薄；两对旋压轮组进给至距筒形件装夹夹具20?30mm处停止。两对旋压轮组中的外旋轮回到坐标原点0#处，两对旋压轮组中的内旋轮回到坐标原点0?处。四个旋轮分别沿X方向向筒形件壁处移动，进行第三道次旋压；所述四个旋轮分别沿X方向向筒形件壁处移动的距离为第一道次中的单面减薄量和第二道次中的单面减薄量与第三道次中的单面减薄量之和。
[0023]III第三道次旋压:
[0024]第三道次对筒形件壁的减薄量为总减薄量的10?15%，通过两个外旋轮和两个内旋轮均匀减薄；两对旋压轮组进给至距筒形件装夹夹具20?30mm处停止。完成对该筒形件的对轮旋压加工。
[0025]两对旋压轮组中的外旋轮回到坐标原点O #处，两对旋压轮组中的内旋轮回到坐标原点O @处。
[0026]第五步，后续处理。采用常规方法对该筒形件切除翻边余料、时效处理和表面修難
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[0027]在三个道次的旋压加工时，两对旋压轮组的进给速度在X方向均为Omm/min，在Y方向均为50mm/min。
[0028]本发明用普通立式车床，将传统的车刀更换为对轮旋压工装，采用了对轮旋压加工的方法，利用铝合金材料在一定塑性加工过程中，由于加工硬化，焊缝的强度和韧性显著提高，性能得到很大改善这一特性，使用板料卷焊筒形件作为毛坯，在旋轮径向力与轴向力的共同作用下，经过多道次旋压，迫使筒形件坯料受力变形、材料流动成形为所需尺寸的旋压工件，实现该类薄壁铝合金筒形结构产品的对轮旋压成形；在改善焊缝性能的同时，保证了筒形结构件的完整，达到使用性能要求。
[0029]本发明使用多道次对轮旋压，能够成型铝合金卷焊筒形件，有效提高卷焊筒形件的纵焊缝性能。与现有技术比较，本发明具有以下特点:
[0030]1.采用内外表面同时加工的工艺方法有效的提高了筒形件的内外表面精度。
[0031]2.原理简单，原材料费用、工装设计制造费用、设备运行费用低，加工容易，生产成本低。
[0032]3.使用现有车床设备，将传统芯模更换为旋轮，节约了芯模的制造、管理费用(约占总成本的20%)，同时不需要安装芯模，有效降低了工人的劳动强度。
[0033]4.依靠材料塑性变形，对卷焊筒形件的纵焊缝进行了强化，提高了纵焊缝的机械性能，有效的提高了筒形件的安全性与可靠性。
[0034]5.由于变形区具有对称性，从而使工件残余应力状态得到明显改善，筒形件形状和尺寸精度较高。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1是对轮旋压加工原理示意图。
[0036]图2是本发明的流程图。图中:
[0037]1.外旋轮；2.内旋轮；3.轮旋安装轴；4.筒形件。
【具体实施方式】
[0038]实施例1
[0039]本实施例是用于加工3A21薄壁卷焊铝合金筒形件对轮旋压方法。选择板料为3A21铝合金，毛坯壁厚tQ=20mm，直径D=0 500mm。
[0040]本实施例的具体过程是:
[0041]第一步，板料毛坯卷焊筒形件。采用半自动MIG焊的方法将板料卷焊成筒形件4。焊接用的焊丝为直径Φ2mm的HS321，焊接电流为180A-250A ;焊后对内外焊缝进行打磨，使该焊缝与母材齐平。用卷板机校形，使所述筒形件的圆度< 3mm，同时对纵焊缝进行探伤，该焊缝性能须符合旋压要求。
[0042]第二步，加工加强环。旋压前对卷焊筒形件4 一端的内表面和外表面进行减薄加工，形成了卷焊筒形件的加强环，以便进行对轮旋压。所述的加强环为直筒状，该加强环的长度为20?40mm。在减薄加工所述加强环时，卷焊筒形件内表面和外表面的减薄率分别为20?45%。所述加强环的外圆周表面与卷焊筒形件的外圆周表面之间通过锥面过渡，该锥面的角度需小于旋轮攻角。本实施例中，所述加强环的内表面和外表面各减薄7mm，最终厚度为6mm，减薄率均为35%，总减薄率70% ;所述加强环的长度20mm，坡口角度为25°。
[0043]本实施例中，通过加强环能够防止在对轮旋压过程中坯料的扭曲变形，从而降低精度。
[0044]第三步，安装旋轮。将筒形件坯料装夹在车床工作台中心部位，并使筒形件的跳动量小于Imm0
[0045]将对轮旋压工装安装在车床的刀具架上。所述的对轮旋压工装采用申请号为2013106763204的发明专利申请中公开的对轮旋压工装。所述的旋轮采用R8/30。旋轮。在申请号为2013106763204的发明专利申请中公开的对轮旋压工装，包括定位轴、横梁、竖梁、支架和旋轮；定位轴安装在横梁长度方向对称中心处的定位轴安装孔内；四组贯通横梁的竖梁安装孔分别位于横梁的两端和定位轴安装孔的两侧，并且所述四组竖梁安装孔的中心线均垂直于该横梁的侧表面；四根竖梁的一端分别套装在横梁上，并分别固定在所述横梁的两端和定位轴安装孔的两侧；在安装竖梁时，通过选择横梁上四组竖梁安装孔中不同的安装孔，以调节所述竖梁之间的间距，从而满足加工工件的需要；四个支架的一端分别安装在竖梁上的支架安装孔内，所述支架的另一端分别安装有旋轮。在所述竖梁的一端有贯通的与横梁配合的连接孔，另一端有贯通的支架安装孔；所述分别位于竖梁两端的连接孔和支架安装孔均位于该竖梁的同一表面。
[0046]安装旋轮时，将四个旋轮分别安装在对轮旋压工装上的轮旋安装轴3上，并使位于对轮旋压工装上的定位轴一侧的两个旋轮组成第一对旋压轮组，使位于对轮旋压工装上的定位轴另一侧的两个旋轮组成第二对旋压轮组。调整所述两对旋压轮组，使四个旋轮的中心线均与卷焊筒形件主轴轴线平行，并且四个旋轮的中心线和筒形件的中心线位于同一垂直面。所述两对旋压轮组中，分别有一个旋轮为外旋压轮1，有一个旋轮为内旋压轮2 ;所述外旋压轮用于成形筒形件的外圆周表面，所述内旋压轮用于成形筒形件的内圆周表面。
[0047]第四步，建立旋轮原点。
[0048]分别以筒形件上端面向两外侧的延长线与该筒形件两外侧最大外径延长线的交点为坐标原点O,，形成了第一对旋压轮组中外旋压轮和第二对旋压轮组中外旋压轮的坐标原点0#。自所述坐标原点O#向工作台的方向为Y方向的正向。
[0049]分别以筒形件上端面向两内侧的延长线与该筒形件两内侧最大外径延长线的交点为坐标原点O ?，形成了第一对旋压轮组中内旋压轮和第二对旋压轮组中内旋压轮的坐标原点O内。自所述坐标原点O @向工作台的方向为Y方向的正向。
[0050]第五步，对轮旋压。旋压时，设定工作台主轴转速为120转/分钟。以筒形件的径向为X方向，以筒形件的轴向为Y方向。通过三道次对所述筒形件对轮旋压成形。
[0051]具体旋压过程为:
[0052]1、第一道次旋压:两个外旋轮I的初始位置分别位于各坐标原点0#处。两个内旋轮2的初始位置分别位于坐标原点O ?处。第一道次对筒形件壁的减薄量为总减薄量的50?60%，本实施例中第一道次对筒形件壁的减薄量为8mm，两个外旋轮和两个内旋轮各单面减薄4mm。启动立式车床，该立式车床主轴转速为120转/分钟。两对旋压轮组的进给速度:在X方向为Omm/min,在Y方向为50mm/min。两对旋压轮组进给至距筒形件装夹夹具20?30mm处停止。[0053]两对旋压轮组中的外旋轮回到坐标原点O,处，两对旋压轮组中的内旋轮回到坐标原点ο?处。四个旋轮分别沿X方向向筒形件壁处，进行第二道次旋压。所述四个旋轮分别沿X方向向筒形件壁处移动的距离为第一道次中单面减薄量与第二道次单面减薄量之和。本实施例中，四个旋轮分别沿X方向向筒形件壁处移动6_。
[0054]2、第二道次旋压:
[0055]第二道次对筒形件壁的减薄量为总减薄量的30?35%，本实施例中第二道次对筒形件壁的减薄量为4mm,两个外旋轮和两个内旋轮各单面减薄2mm。启动立式车床,该立式车床主轴转速为120转/分钟。两对旋压轮组的进给速度:在X方向为Omm/min，在Y方向为50mm/min。两对旋压轮组进给至距筒形件装夹夹具20?30mm处停止。
[0056]两对旋压轮组中的外旋轮回到坐标原点O #处，两对旋压轮组中的内旋轮回到坐标原点O ?处。四个旋轮分别沿X方向向筒形件壁处移动，进行第三道次旋压。
[0057]所述四个旋轮分别沿X方向向筒形件壁处移动的距离为第一道次中单面减薄量和第二道次单面减薄量与第一道次中的单面减薄量之和。本实施例中，四个旋轮分别沿X方向向筒形件壁处移动7_。
[0058]3、第三道次旋压:
[0059]第三道次对筒形件壁的减薄量为总减薄量的10?15%，本实施例中第三道次对筒形件壁的减薄量为2mm,两个外旋轮和两个内旋轮各单面减薄1mm。启动立式车床,该立式车床主轴转速为150转/分钟。两对旋压轮组的进给速度:在X方向为Omm/min，在Y方向为50mm/min。两对旋压轮组进给至距筒形件装夹夹具20?30mm处停止。完成对该筒形件的对轮旋压加工。
[0060]两对旋压轮组中的外旋轮回到坐标原点O #处，两对旋压轮组中的内旋轮回到坐标原点O @处。
[0061]第五步，后续处理。所述后续处理包括对该筒形件的切除翻边余料、时效处理和表面修整。具体是，通过机加方式切除该筒形件上的翻边余料。采用常规的热处理方法进行时效处理。对经过时效处理的筒形件按技术要求进行表面修整。
【权利要求】
1.一种卷焊筒形件对轮旋压加工方法，其特征在于，具体过程是: 第一步，板料毛坯卷焊筒形件: 第二步，加工加强环:对卷焊筒形件一端的内表面和外表面进行减薄加工，形成了卷焊筒形件的加强环；所述的加强环为直筒状，该加强环的长度为20~40mm ;在减薄加工所述加强环时，卷焊筒形件内表面和外表面的减薄率分别为20~45% ;所述加强环的外圆周表面与卷焊筒形件的外圆周表面之间通过锥面过渡，该锥面的角度需小于旋轮攻角； 第三步，安装旋轮:将筒形件坯料装夹在车床工作台中心部位，并使筒形件的跳动量小于Imm ;将四个旋轮分别安装在对轮旋压工装上的轮旋安装轴上，并使位于对轮旋压工装上的定位轴一侧的两个旋轮组成第一对旋压轮组，使位于对轮旋压工装上的定位轴另一侧的两个旋轮组成第二对旋压轮组；调整所述两对旋压轮组，使四个旋轮的中心线均与卷焊筒形件主轴轴线平行，并且四个旋轮的中心线和筒形件的中心线位于同一垂直面；所述两对旋压轮组中，分别有一个旋轮为外旋压轮，有一个旋轮为内旋压轮；所述外旋压轮用于成形筒形件的外圆周表面，所述内旋压轮用于成形筒形件的内圆周表面； 第四步，建立旋轮原点:所述旋轮原点包括坐标原点O,和坐标原点;所述坐标原点0#是第一对旋压轮组中外旋压轮和第二对旋压轮组中外旋轮的坐标原点，所述坐标原点O@是第一对旋压轮组中内旋压轮和第二对旋压轮组中内旋轮的坐标原点； 第五步，对轮旋压；旋压时，以筒形件的径向为X方向，以筒形件的轴向为Y方向； 设定工作台主轴转速为120转/分钟；通过三个道次对所述筒形件对轮旋压成形； 具体旋压过程为: I第一道次旋压:两个外旋轮的初始位置分别位于各坐标原点0#处；两个内旋轮的初始位置分别位于坐标原点O #处；第一道次对筒形件壁的减薄量为总减薄量的50~60%，通过两个外旋轮和两个内旋轮均匀减薄；两对旋压轮组进给至距筒形件装夹夹具20~30mm处停止； 两对旋压轮组中的外旋轮回到坐标原点0#处，两对旋压轮组中的内旋轮回到坐标原点0#处；四个旋轮分别沿X方向向筒形件壁处移动，进行二道次旋压； II第二道次旋压: 第二道次对筒形件壁的减薄量为总减薄量的30~35%，通过两个外旋轮和两个内旋轮均匀减薄；两对旋压轮组进给至距筒形件装夹夹具20~30mm处停止；两对旋压轮组中的外旋轮回到坐标原点0#处，两对旋压轮组中的内旋轮回到坐标原点O @处；四个旋轮分别沿X方向向筒形件壁处移动，进行第三道次旋压； III第三道次旋压: 第三道次对筒形件壁的减薄量为总减薄量的10~15%，通过两个外旋轮和两个内旋轮均匀减薄；两对旋压轮组进给至距筒形件装夹夹具20~30mm处停止；完成对该筒形件的对轮旋压加工； 两对旋压轮组中的外旋轮回到坐标原点0#处，两对旋压轮组中的内旋轮回到坐标原点O内处； 第五步，后续处理；采用常规方法对该筒形件切除翻边余料、时效处理和表面修整；在三个道次的旋压加工时，两对旋压轮组的进给速度在X方向均为Omm/min，在Y方向均为 50mm/mino
2.如权利要求1所述卷焊筒形件对轮旋压加工方法，其特征在于，第一道次旋压结束后，所述四个旋轮分别沿X方向向筒形件壁处移动的距离为第一道次中的单面减薄量与第二道次中的单面减薄量之和；第二道次旋压结束后，所述四个旋轮分别沿X方向向筒形件壁处移动的距离为第一道次中的单面减薄量和第二道次中的单面减薄量与第三道次中的单面减薄量之和。
3.如权利要求1所述卷焊筒形件对轮旋压加工方法，其特征在于，所述旋轮原点坐标原点0#分别以筒形件上端面向两外侧的延长线与该筒形件两外侧最大外径延长线的交点为坐标原点O,,自所述坐标原点0#向工作台的方向为Y方向的正向；所述坐标原点分别以筒形件上端面向两 内侧的延长线与该筒形件两内侧最大外径延长线的交点为坐标原点O内，自所述坐标原点O内向工作台的方向为Y方向的正向。
【文档编号】B21D22/14GK103736807SQ201410003627
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】曹学文, 杨延涛, 张立武, 韩冬, 尚勇, 牟少正, 温树斌, 李增辉, 熊然, 李楼, 罗卉, 胡新娟, 肖立军, 黄向斌, 李玉龙 申请人:西安航天动力机械厂