一种内旋压成形方法与流程

本发明涉及一种内旋压成形方法，属于旋压成形技术领域。

背景技术：

外旋压是一种传统的旋压工艺技术，采用外旋压技术可以生产长度长、带有外加强筋的筒形回转体零件，具有效率高、可进行加热旋压、可加工曲母线形及锥形零件等特点。但是，外旋压模具长度要求长于产品长度，制造难度大、装调精度低、生产成本高，最重要的是，采用外强力旋压工艺成形带有内环向加强筋的产品必须采用分瓣模具，每生产一件产品必须重新拆装模具，生产效率极低，不适合批量生产，已经无法满足国防工业产品低成本、高效率、高精度、高质量的要求。

内旋压技术是一种较新的旋压技术，采用内旋压技术可生产带有内环向加强筋的筒形回转体零件，具有产品精度高、成品率高、生产效率高等特点，具有一定的先进性。但是，内旋压技术模具长度要求长于产品长度，制造难度大、装调精度低、生产成本高，最重要的是，采用此工艺仅能生产长度在1m以内的产品，如果产品过长，工件外表面与模具接触面积过大，摩擦力大，工件将无法脱模，无法应用于国防工业发展所需的大直径高精度长筒形零件的生产。

现有的内旋压设备如图1所示，(其中旋压机床身01、芯模02、旋轮03、工件04、平衡轮机构05、螺钉06、压料环07、旋轮臂08、侧向滑架09)所示，采用侧向l型悬臂式单旋轮内旋压机构，旋轮03的轴、径向进给均通过侧向滑架09带动固连在其上的l型旋轮臂08在电机驱动下整体轴、径向移动实现，旋轮臂过长，单轮旋压刚性极低，无法实现自动对心旋压，并且旋压力较小，无法进行厚壁难成形材料的旋压加工，无法满足高精产品的加工。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种高效率、高精度、低成本、可以使用较短环状芯模即可连续成形较长尺寸的长筒形产品的内旋压成形方法。

本发明的技术解决方案：一种内旋压成形方法，通过以下步骤实现：

第一步，加工一端带有外凸工艺环的直筒形结构的毛坯；

毛坯壁厚t1依据筒体减薄率计算确定，毛坯长度根据体积不变原则并考虑预留工艺余量由产品综合计算所得，其外径φd依据内旋压胀径规律确定。具体设计通过以下步骤实现：

a1.1、根据筒体减薄率分配原则确定毛坯厚度t1，

筒体减薄率分配原则为不超过极限减薄率；

a1.2、确定毛坯的理论长度l，

根据最终产品结构和步骤a1.1确定的毛坯厚度t1，依据旋压体积不变原则得到毛坯理论长度，毛坯的外凸工艺环一端安装定位余量，另一端预留工艺余量，防止口部变形剧烈影响产品精度；一般安装定位余量为40mm左右，工艺余量为20～40mm。

a1.3、利用公式确定毛坯外径φd，其中φd1为最终产品的外径，ε为旋压胀径量，为毛坯与模具间隙，其中旋压胀径量与材料物理性能有关，可通过试验摸索确定，而毛坯与模具间隙一般取0.4～0.6mm。

加工：将从厂家采购的无缝管材通过车削方法加工成预定尺寸、形状，带有外凸工艺环一端要求连接环两侧面均相对毛坯外表面具有较高的垂直度，另一端外圆可倒角，便于毛坯安装。

毛坯加工尺寸、精度要求可以如下，也可根据具体需要进行调整：

外凸工艺环厚度：一般为6mm；

外凸工艺环外径：毛坯外径φd+12mm

外凸工艺环两侧面相对毛坯外表面垂直度：一般为0.1mm

壁厚公差：一般为0.2mm

直径公差：一般为0.3mm。

第二步，毛坯去应力处理；

针对具体材料选择去应力处理工艺，降低材料强度，符合旋压要求。

第三步，确定旋压轨迹，

旋压轨迹包括入旋段、定位段、筒体段；

设计入旋段、定位段和筒体段成形方式，设计筒体段旋压的减薄率、压下量，完成旋压轨迹设计，确定成形过程。

a3.1、入旋段采用普通内旋压方式成形，即牵引机构不动，旋轮向主轴方向运动；

入旋段的长度及工艺为内旋压工艺的公知技术，也可采用如下工艺，其入旋点应在模具内且距模具端面5～10mm，轨迹形式为长15mm，入旋起点压下量为-0.5mm，入旋终点达到定位段压下量的斜坡形式；

a3.2、定位段采用普通内旋压方式成形；

定位段的长度及工艺为内旋压工艺的公知技术，也可采用如下工艺，长度30mm，压下量与产品第一段压下量一致，定位段旋压完成后即开始张力旋压，即旋轮轴向位置不动，牵引机构牵引毛坯沿与主轴相反方向依据设定速度运动；

a3.3、筒体段采用直线轨迹，压下量依据产品厚度、旋压反弹量确定，其中，旋压反弹量通过试验摸索确定，筒体段长度依据体积不变原则由产品计算所得；

第四步，复合旋压，

安装毛坯，以旋压轨迹为基础设计旋压程序，将牵引机构移动到预定起旋位置，开始旋压，以旋压轨迹为基础编制旋压程序使顶料、预旋转、沿预定轨迹旋压、停止等动作自动执行；

具体旋压过程如下：

a4.1、将毛坯通过压料环安装在旋压设备的牵引机构上，模具安装在模具传动筒内腔前端，牵引机构带动毛坯轴向运动至模具内；

将旋压毛坯吊装至牵引机构与模具之间，由压料环将外凸工艺环压紧在牵引机构端面，将毛坯放入模具中至毛坯轴向中线与模具端面平齐，通过压料环调整毛坯轴向位置并固定，实现径向和轴向定位；

a4.2、加工入旋段，

牵引机构静止，旋轮机构向主轴方向运动，采用内旋工艺加工入旋段；

a4.3、加工定位段，

牵引机构轴向静止，旋轮机构向主轴方向轴向运动，采用内旋工艺根据最终产品结构加工定位段；

定位段旋压完成后即开始张力旋压，即旋轮轴向位置不动，牵引机构牵引毛坯沿与主轴相反方向依据设定速度运动。

a4.4、筒体段加工，

旋轮机构轴向静止，牵引机构牵引毛坯沿与主轴相反方向轴向运动，旋轮机采用内旋工艺加工筒体；

旋压过程由牵引机构牵引毛坯实现轴向张力，由安装在旋轮臂上的旋轮径向进给实现内旋压；其中牵引机构毛坯安装部位采用轴承，实现毛坯安装后可在毛坯与模具接触的摩擦力作用下随模具转动，同时牵引机构内部中空用于旋轮臂通过，在同一条轴线上实现两种轴向运动；牵引机构通过丝杠由安装在进给箱上的伺服电机驱动，可实现轴向位置、运动速度的精确和可编程控制；而旋轮臂安装在旋轮臂座上，一同通过丝杠由安装在进给箱上的伺服电机驱动，可实现轴向位置、运动速度的精确和可编程控制。

第五步，对第四步旋压成形的筒体进行机加和热处理。

车削加工：将产品以外径为基准找正后切去两端余量并进行孔、槽等特殊结构加工，使产品满足设计要求。

热处理：针对具体材料选择去最终热处理工艺，保证产品热处理状态满足设计要求。

所述的内旋压设备，包括主轴箱、模具传动筒、旋轮机构、牵引机构、压料环和数控机床床身，旋轮机构包括旋轮头机构、旋轮径向结构、旋轮臂、旋臂座、轴向进给结构，牵引机构包括牵引机构转动体、牵引机构转动体轴承、牵引机构座、牵引机构轴向进给结构，模具传动筒安装在数控机床主轴上，模具安装在模具传动筒内腔前端，牵引机构转动体通过牵引机构转动体轴承安装在牵引机构座内，牵引机构座安装在数控机床床身的导轨上，毛坯通过压料环安装在牵引机构转动体上，牵引机构座通过牵引机构轴向进给结构实现轴向运动，旋轮臂后端与旋臂座固连、前端与旋轮头机构固连，旋轮径向进给结构安装在旋轮臂内腔中，旋轮头机构与旋轮径向进给结构连接，旋臂座安装在数控机床床身的导轨上，与轴向进给结构连接。

所述的旋轮头机构由旋轮头主体、楔铁和三组周向均匀分布的旋轮组件组成，每组旋轮组件包括支撑滚动体、旋轮、连杆和连杆轴，旋轮头主体与旋轮臂的前端固连，楔铁为截面为三角楔形结构，连杆的一端与支撑滚动体连接、另一端通过连杆轴连接在旋轮头主体上，旋轮安装在连杆中部，支撑滚动体压在楔铁的斜面上，楔铁后端与旋轮径向进给结构固连。

所述的楔铁截面为正三角形，三个顶点倒圆。

所述的旋轮头机构中相邻连杆之间弹簧连接。

所述的轴向进给结构包括轴向进给丝杠和轴向进给驱动电机组成。

所述的牵引机构轴向进给结构包括牵引机构轴向进给丝杠和牵引机构轴向进给驱动电机组成。

所述的旋轮径向进给结构包括旋轮径向进给丝杠和旋轮径向进给驱动电机组成。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明采用内旋压技术结合张力旋压技术，通过张力旋压的引入解决了采用传统的内旋压成形，工件过长，工件外表面与模具接触面积过大，摩擦力大，工件无法脱模的问题，实现了长筒体的高效、快速、精密、低成本成形；

(2)本发明实现采用较短的环状芯模即可成形长度2m以内的长筒形零件，大幅降低长筒体模具制造难度和制造成本，避免了长模具刚度低、使用精度低的问题，降低了模具装调难度，提高了使用精度，为成形高精度产品提供了保证；

(3)本发明通过张力旋压优化了产品直线度精度和圆度精度，通过内旋压优化产品直径精度和壁厚精度，并通过模具精度的提高进一步提高了产品整体精度，从而获得了高于传统内旋压、外旋压的精度；

(4)本发明采用旋压设备可实现在同一条轴线上实现两种轴向运动，为内旋压、张力旋压复合工艺采用牵引机构提供运动空间，实现了内旋压牵引机构和旋轮机构共轴线且相互独立运动，为实现复合旋压工艺提供了保证；

(5)本发明旋压设备采用了特殊的120°对称三旋轮结构，在旋臂长度达到2m、强力旋压力达到十余吨的情况下旋轮头机构能自动对心并获得平衡的受力，大幅提高了旋压系统刚度；

(6)本发明旋压设备总体设计上采用内置径向驱动系统的集束式悬臂结构，解决了旋轮机构功能部件多，工作空间狭小的问题；

(7)本发明旋压设备利用楔铁和旋轮组件配合，将可精确数控的轴、径向运动转化旋轮头径向运动，实现了旋轮径向进给的可精确数控，从而实现了旋轮在狭小空间中精确的轴、径向运动转化，满足了旋轮径向进给量的精确控制；

(8)本发明旋压设备采用旋轮座作为旋轮头机构和旋轮臂整体轴向运动载体，可实现数字化精确控制的轴向进给运动，实现了旋轮轴向、径向进给功能在同一机构上的集成，为内旋压工艺中实现轴向进给提供了保证。

附图说明

图1为现有内旋压设备结构示意图；

图2为本发明制备工艺图；

图3为本发明毛坯结构图；

图4为本发明旋压设备示意图；

图5为本发明旋轮机构结构示意图；

图6为本发明旋轮机构与牵引机构配合示意图；

图7为本发明旋轮头结构示意图；

图8为本发明楔铁和旋轮组件配合示意图；

图9为本发明旋压轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。

加工筒体产品，其制造长度为1300mm，厚度为10mm，外径为550mm，工艺环外径为562mm，材料为5a06铝合金。

加工工艺如图2所示，通过以下步骤实现：

1、毛坯设计

将旋压毛坯5设计为如图3所示的一端带有外凸工艺环的直筒形结构，其壁厚t1依据加强筋段和蒙皮段减薄率计算确定，毛坯5长度根据体积不变原则并考虑预留工艺余量由产品综合计算所得，其外径φd依据内旋压胀径规律确定。具体过程如下：

(1)确定筒体段减薄率分配，分配原则是不超过极限减薄率。根据产品最终厚度可知，5a06铝合金内旋时极限减薄率在40％以内，并且压下量在10％以上可以实现胀径贴合模具，因而设计筒体段减薄率34.8％，确定毛坯5厚度t1为11.5mm，符合减薄率分配原则；

(2)依据最终产品结构和已经确定的毛坯厚度t1，依据旋压体积不变原则计算毛坯5理论长度为1000mm，外凸工艺环一端需预留40mm长度余量用于安装定位，另一端需预留20-40mm工艺余量，防止口部变形剧烈影响产品精度，因而确定毛坯长度l为1080mm，加上外凸工艺环长度，毛坯5总长为1086mm。

(3)毛坯5外径φd主要由产品外径、旋压胀径量、毛坯5与模具3间隙三个参数确定，其中旋压胀径量与材料物理性能有关，通过试验摸索确定可知为0.3mm，而毛坯5与模具3间隙取0.4mm，故毛坯5外径φd设计为549.3mm。

(4)毛坯加工：将从厂家采购的无缝管材通过车削方法加工成预定尺寸、形状，带有外凸工艺环一端要求连接环两侧面均具有较高平面度精度，另一端外圆倒2×30°倒角，便于毛坯安装。

毛坯5加工尺寸、精度要求如下：

外凸工艺环厚度：6mm；

外凸工艺环外径：毛坯外径φd+12mm

外凸工艺环两侧平面度：0.1mm

壁厚公差：0.2mm；

直径公差：0.3mm；

2、去应力处理

根据铝合金热处理相关标准规范，采用如下热处理制度对毛坯5进行热处理，以降毛坯5强度，符合旋压要求：

热处理设备：铝合金热处理炉，控温精度不大于±5mm；

升温方式：随炉升温；

保温温度：320℃；

保温时间：1.5h；

冷却方式：随炉冷却至260℃后出炉。

3、旋压轨迹设计

设计如图9所示的旋压轨迹，包括入旋段501、定位段502和筒体段503，设计各段旋压的减薄率、压下量，完成旋压轨迹设计，确定成形过程。

具体过程如下：

(1)入旋段501采用内旋压方式成形，即牵引机构不动，旋轮向主轴方向运动，其入旋点在模具内且距模具端面10mm，轨迹形式为长15mm，入旋起点压下量为-0.5mm，入旋终点达到定位段压下量的斜坡形式；

(2)定位段502采用内旋压方式成形，长度30mm，压下量与筒体段503压下量一致，定位段旋压完成后即开始张力旋压，即旋轮轴向位置不动，牵引机构牵引毛坯沿与主轴相反方向依据设定速度运动；

(3)筒体段503采用直线轨迹，压下量依据产品厚度、旋压反弹量确定，其中，旋压反弹量通过试验摸索确定为0.2mm，压下量取4.2mm，筒体段503长度依据体积不变原则由产品计算所得。

4、复合旋压

将按照步骤2去应力处理得到的毛坯5安装到旋压设备上，按照步骤3确定的旋压轨迹进行复合旋压。

旋压设备如图4所示，包括主轴箱1、模具传动筒2、旋轮机构、牵引机构9、压料环10和数控机床床身11，模具传动筒2安装在数控机床主轴上，模具3安装在模具传动筒2内腔前端，旋轮机构、牵引机构9安装在数控机床床身11上。

牵引机构9如图6所示，包括牵引机构转动体901、牵引机构转动体轴承902、牵引机构座903、牵引机构轴向进给丝杠904和牵引机构轴向进给驱动电机905，牵引机构转动体901通过牵引机构转动体轴承902安装在牵引机构座903内，牵引机构座903安装在数控机床床身11的导轨上，毛坯5通过压料环10安装在牵引机构转动体901上，牵引机构座903通过牵引机构轴向进给丝杠904和牵引机构轴向进给驱动电机905实现轴向运动。

旋轮机构如图5、6所示，包括旋轮头机构4、旋轮径向进给丝杠12、旋轮径向进给驱动电机13、旋轮臂6、旋臂座7、轴向进给丝杠14、进给箱8和轴向进给驱动电机15，进给箱8固定在数控机床床身11尾端，其内部安装有轴向进给驱动电机15，其中心线与机床主轴中心线重合；旋臂座7安装在数控机床床身11的导轨上，其中心线与机床主轴中心线重合，通过轴向进给丝杠14与进给箱8相连，可由数控编程驱动轴向进给丝杠14使旋臂座7作速度、位置精确控制的轴向进给运动；旋轮臂6通过螺钉固定在旋臂座7上，其中心线与机床主轴中心线重合，其分成若干段，采用螺栓连接，其内部中空，用于安放旋轮径向进给驱动电机13，并可在分段处拆卸维护；旋轮径向进给驱动电机13固定在旋轮臂6内腔靠近旋轮头机构4一端；旋轮径向进给丝杠12一端与旋轮头机构4固连，另一端通过旋轮径向进给驱动电机13安装在旋轮臂6内腔，可由数控编程驱动旋轮径向进给丝杠12运动。

旋轮头机构4如图7所示，由三组周向均匀分布的旋轮组件、旋轮头主体406和楔铁401组成，每组旋轮组件包括支撑滚动体402、旋轮403、连杆404和连杆轴405，旋轮头主体406通过螺钉与旋轮臂6固连，旋轮403通过连杆404和连杆轴405连接在旋轮头主体406上，相邻连杆404之间连有弹簧，其作用是使旋轮在自然状态时保持缩紧；旋轮径向进给丝杠12与楔铁401一端连接。连杆404为三连杆结构，用来连接支撑滚动体402和旋轮头主体406，将楔铁401的轴向运动传递给旋轮403。

楔铁401如图8所示，截面为正三角形的三角楔形结构，三个顶点倒圆，有效防止相邻支撑滚动体402之间的运动干涉，楔铁401放置在旋轮头主体406的内部、三个连杆之间，通过旋轮径向进给丝杠12与放置在旋臂内部的伺服电机相连接，伺服电机驱动丝杠转动，进而带动楔铁10轴向运动；而楔铁401轴向运动时，3个斜面与连杆404前端连接的支撑滚动体402接触实现旋轮403的径向运动，楔铁401的轴向运动量与旋轮403的径向进给量之间可经过数学计算，成一定的比例关系，并反映在数控程序控制中，实现了旋轮403径向进给可数控编程控制。

旋压过程由牵引机构9牵引毛坯5实现轴向张力，由安装在旋轮臂6上的旋轮403实现内旋压；其中牵引机构9上毛坯5安装部位采用轴承，实现毛坯5安装后可在毛坯5与模具3接触的摩擦力作用下随模具3转动，同时牵引机构9内部中空用于旋轮臂6通过，在同一条轴线上实现两种轴向运动；牵引机构9通过丝杠由安装在进给箱8上的伺服电机驱动，可实现轴向位置、运动速度的精确和可编程控制；而旋轮臂6安装在旋轮臂座7上，一同通过丝杠由安装在进给箱8上的伺服电机驱动，可实现轴向位置、运动速度的精确和可编程控制。

工作时，将毛坯5通过压料环10，通过螺接方式压紧在牵引机构9上，以旋压轨迹为基础设计旋压程序，将牵引机构9移动到预定起旋位置，开始旋压。旋压程序执行完毕，将工件拆下。

具体过程如下：

(1)毛坯5吊装至牵引机构9与模具3之间，由压料环10将外凸工艺环压紧在牵引机构9端面，将毛坯5放入模具3中至毛坯5轴向中线与模具端面平齐，通过压料环10调整毛坯轴向位置并固定，实现径向和轴向定位；

(2)压轨迹为基础编制旋压程序使顶料、预旋转、沿预定轨迹旋压、停止等动作自动执行，基本工艺参数如下：

主轴转速：100r/min；

入旋段内旋进给速度：60mm/min；

定位段内旋进给速度：80mm/min；

牵引速度：80mm/min。

(3)旋压程序开始旋压；

(4)执行完毕，用吊车吊紧产品，拆卸压料环10，拆卸产品。

5、加工

将产品以外径为基准找正后切去两端余量，使产品满足设计要求。

6、热处理

根据铝合金热处理相关标准规范，采用如下热处理制度对毛坯5进行热处理，以降毛坯5强度，符合旋压要求：

热处理设备：铝合金热处理炉，控温精度不大于±5mm；

升温方式：随炉升温；

保温温度：320℃；

保温时间：1.5h；

冷却方式：随炉冷却至260℃后出炉。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。