大型薄壁叉形环件约束径轴向轧制成形方法与流程

本发明涉及大型薄壁零件成形制造领域，更具体地说，涉及一种大型薄壁叉形环件约束径轴向轧制成形方法。

背景技术：

大型薄壁叉形环件在航空航天领域具有重要应用，其制造技术是国际高端装备制造技术研究的前沿。大型薄壁叉形环件具有几何结构复杂、三个方向的叉形长度长、壁厚薄的特点。目前，大型薄壁叉形环件主要采用整体机械加工的方法和焊接方法进行制造。整体机械加工方法是通过大型机床将矩形环坯直接加工成大型薄壁叉形环件。该方法加工难度大、材料利用率低、加工效率低、生产成本高，且机械加工会切断坯料的金属流线，无法制造高性能环件。焊接方法是将大型薄壁叉形环件分为若干个部件，先加工各个部件，再通过焊接的方法制造出大型薄壁叉形环件，该方法严重削弱了环件的力学性能和服役寿命。

环件径轴向轧制成形方法是一种使环件直径扩大、壁厚减小的成形方法。由于径轴向轧制中驱动辊、芯辊和轴向轧辊对环件约束不充分，所以难以成形形状复杂和壁厚较薄的环件。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种大型薄壁叉形环件约束径轴向轧制成形方法，包括以下步骤：

s1、将矩形环坯放入主动辊和芯辊之间，所述主动辊为轴向截面为l型的环件，所述芯棍的端部为锥形，所述主动辊的轴线和的芯辊轴线平行，所述主动辊上方设置有轴向轧辊；所述轴向轧辊为回转体，其包括成形部分和连杆部分，所述成形部分用于成形薄壁叉形环件两叉中间的形状；连杆部分用于和轴向轧辊机构固定，轴向轧辊轴线与主动辊轴线相交，轴向轧辊位于芯辊进给方向一侧，轴向轧辊轴线位于芯辊进给方向所在的平面内；

s2、位于主动辊一侧的轴向轧辊沿主动辊径向方向移动到矩形环坯上方，主动辊带动矩形环坯绕中心轴以转速n1作匀速转动，芯辊以速度v1沿径向方向做进给运动挤压矩形环坯内壁，使矩形环坯内外表面成形、高度增加，实现环坯金属轴向重新分配；

s3、轴向轧辊以转速n2绕自身轴线作匀速转动，当芯辊进给量达到δh时，轴向轧辊以速度v2垂直向下做直线进给运动挤压矩形环坯上端面；在主动辊、芯辊和轴向轧辊的共同作用下，矩形环坯金属向三者构成的型腔中流动形成叉形环件；

s4、当芯辊和轴向轧辊同时运动到预定位置时，约束径轴向轧制成形结束，主动辊、芯辊和轴向轧辊停止转动，轴向轧辊首先垂直向上运动，当整个轴向轧辊高于主动辊上端面时，轴向轧辊停止向上运动，开始沿主动辊径向方向后退，直至整个轴向轧辊运动到主动辊外表面以外，接着芯辊沿径向方向后退，最后顶料杆垂直向上运动将叉形环件顶出。

上述方案中，所述主动辊内表面与大型薄壁叉形环件外表面和下端面匹配，且主动辊直立部分的高度大于大型薄壁叉形环件高度，主动辊水平向内凸出部分的厚度大于矩形环坯厚度。矩形环坯外径小于主动辊内径，矩形环坯内径、高度和在模具型腔中的轴向方向位置通过计算确定，保证矩形环坯在成形过程中不失稳并能完全充填。

上述方案中，在主动辊水平向内凸出部分沿圆周方向均布多个用于安装顶料杆的弧形通孔。

上述方案中，所述轴向轧辊轴线和水平面的夹角α为0°～15°。

上述方案中，步骤s2中轴向轧辊和主动辊的转动方向相同，且轴向轧辊的转速n2和主动辊的转速n1满足方程(1)

n1r＝n2[(r-e)sinα+hcosα](1)

其中，r为锻件两叉形中间表面上某一点到主动辊轴线的距离，h为锻件两叉形中间表面上某一点到轴向轧辊顶点所在水平面的距离，e为轴向轧辊顶点到主动辊轴线的距离，α为轴向轧辊轴线和水平面的夹角。

上述方案中，芯辊在进给过程中，矩形环坯高度增加，当矩形环坯的上端面距主动辊底面距离等于锻件两叉形中间弧底到其底面距离时，此时的芯辊进给量δh为最小，当芯辊进给量δh大于该最小值时，轴向轧辊开始向下进给挤压环坯上端面。

实施本发明的大型薄壁叉形环件约束径轴向轧制成形方法，具有以下有益效果：

(1)大型薄壁叉形环件约束径轴向轧制成形方法通过芯辊和轴向轧辊分别在径向方向和轴向方向进行连续局部成形，径向方向和轴向方向的成形力均较小。

(2)约束径轴向轧制成形方法能够将矩形环坯直接成形为大型薄壁叉形环件，实现其近净成形，材料利用率高、生产效率高、成本低。

(3)大型薄壁叉形环件约束径轴向轧制成形方法可以细化材料内部晶粒组织，形成连续分布的金属流线，进而提高大型薄壁叉形环件的力学性能和服役寿命。

(4)大型薄壁叉形环件约束径轴向轧制成形方法柔性好，可以成形不同规格的大型薄壁叉形环件。

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为大型薄壁叉形环件径轴向包络成形原理示意图；

图2为芯辊进给量为时坯料充填情况和各部件位置示意图；

图3为大型薄壁叉形环件径轴向包络成形完全充填示意图；

图4为大型薄壁叉形环件示意图；

图5为大型薄壁叉形环件锻件示意图；

图6为大型薄壁叉形环件矩形环坯意图；

图7为主动辊示意图；

图8为芯辊示意图；

图9为轴向轧辊示意图。

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1-9所示，在本发明的大型薄壁叉形环件约束径轴向轧制成形方法包括以下步骤：

(1)将矩形环坯2放入主动辊4和芯辊3中间，位于主动辊4一侧的轴向轧辊1沿主动辊4径向方向移动到矩形环坯2上方，如图1所示。主动辊4带动矩形环坯2绕中心轴以转速n1作匀速转动，芯辊3以速度v1沿径向方向做进给运动挤压矩形环坯2内壁，使矩形环坯2内外表面成形、高度增加，实现环坯2金属轴向重新分配。

(2)轴向轧辊1以转速n2绕自身轴线作匀速转动，当芯辊3进给量达到δh时，轴向轧辊1以速度v2垂直向下做直线进给运动，开始和矩形环坯2上端面接触，如图2所示。在主动辊4、芯辊3和轴向轧辊1的共同作用下，金属向三者构成的型腔中流动形成叉形，直至完全充填，如图3所示。

(3)当芯辊3和轴向轧辊1同时运动到预定位置时，约束径轴向轧制成形结束，主动辊4、芯辊3和轴向轧辊1停止转动，轴向轧辊1首先垂直向上运动。当整个轴向轧辊1高于主动辊4上端面时，轴向轧辊1停止向上运动，开始沿主动辊4径向方向后退，直至整个轴向轧辊1运动到主动辊4外表面以外。接着芯辊3沿径向方向后退，最后顶料杆5垂直向上运动将叉形环件顶出。

(4)叉形环件锻件设计。在目标大型薄壁叉形环件内表面、外表面和端面增加5mm的机械加工余量，并在其上端面沿叉形延长线方向设计3mm厚的飞边得到锻件。

(5)步骤(1)中矩形环坯2的外径和锻件外径相等，为5022mm。通过有限元模拟，矩形环坯2的内径、高度和在模具型腔中的轴向方向位置分别确定为4800mm、120mm和128mm，保证矩形环坯2在成形过程中不失稳并能完全充填。矩形环坯2材料是7075高强铝合金，在放入主动辊4之前需要加热450℃并涂抹润滑剂。

(6)步骤(1)中主动辊4为l型环件，其内表面与步骤(2)中锻件外表面和下端面匹配，且l型主动辊4直立部分的高度大于锻件最大高度，为480mm；l型主动辊4水平向内凸出部分的厚度大于坯料厚度，为159mm。在l型主动辊4型腔水平向内凸出部分沿圆周方向均布6个弧形通孔用于安装顶料杆5，弧形通孔的内径比锻件底部内径大1mm，外径比锻件底面外径小1mm，每个弧形通孔弧度为30°。矩形环坯2放入主动辊4型腔之前，主动辊4需预热到250℃并涂抹润滑剂。

(7)步骤(1)中芯辊3是一个分为两部分的回转实体，分别是芯辊3上部分和下部分。芯辊3上部分成形锻件内表面，该部分轴截面和锻件内表面的形状匹配；下部分连杆固定在芯辊3机构上，该部分直径为300mm。当芯辊3进给到预定位置时，连杆外径和主动辊4底面内孔之间有17mm的间距。开始轧制之前，芯辊3需要预热250℃并涂抹润滑剂。

(8)步骤(2)中轴向轧辊1是一个分为两部分的回转实体，分别是成形部分102和连杆部分101。成形部分102用于成形锻件两叉中间的形状，该部分根据锻件两个叉形中间的形状进行设计，其轴截面和锻件两个叉形中间的形状完全匹配；连杆部分101用于和轴向轧辊1机构固定，其直径为200mm。当轴向轧辊1进给到预定位置时，连杆部分101和主动辊4上端面之间的最小距离为78mm。轴向轧辊1轴线和水平面的夹角α＝15°，轴向轧辊1顶点到主动辊4轴线的距离为e＝2.2m。轴向轧辊1可以绕自身轴线转动，并在轴向轧辊1机构的带动下沿锻件轴线方向和径向方向运动。轴向轧辊1在开始运动之前需要预热250℃并涂抹润滑剂。

(9)步骤(2)中轴向轧辊1绕自身轴线转动，轴向轧辊1和主动辊4的转动方向相同，主动辊4的转速n1＝5r/min，锻件两叉形中间表面上一点到主动辊4轴线的距离r＝2.5m，到轴向轧辊1顶点所在水平面的距离为h＝0.37m，轴向轧辊1的转速n2通过方程(1)得到。

(10)步骤(2)中轴向轧辊1开始向下运动时的芯辊3进给量δh范围根据有限元模拟确定。芯辊3在进给的过程中，矩形环坯2高度增加，当矩形环坯2的上端面距主动辊4底面距离大于锻件两叉形中间弧底到底面距离时，此时的芯辊3进给量δh为最小值，该最小值通过有限元模拟确定为20mm。当芯辊3进给量δh大于该最小值时，轴向轧辊1开始向下进给并且和坯料上端面接触。

本发明通过主动辊、芯辊和轴向轧辊的约束和耦合运动，使环件金属向主动辊、芯辊和轴向轧辊构成的型腔中流动，直至环件截面完全充填。约束径轴向轧制成形方法是一种径向和轴向均进行连续局部塑性成形的新方法，具有成形力小的特点。该方法可以将矩形环坯直接成形为形状复杂的环件，材料利用率高、生产效率高、环件性能优良。由于主动辊的约束作用，约束径轴向轧制成形方法可以成形高精度薄壁环件。同时，由于轴向轧辊位于主动辊一侧，可以径向来回移动，与主动辊完全独立，且轴向轧辊尺寸远小于大型薄壁叉形环件尺寸，因此，约束径轴向轧制成形方法柔性好，可以成形不同规格的大型薄壁叉形环件，是有潜力的大型薄壁复杂环件成形新技术。目前，还没有关于大型薄壁叉形环件约束径轴向轧制成形方法的报道。本发明专利提出了一种大型薄壁叉形环件约束径轴向轧制成形方法，有效解决了大型薄壁叉形环件制造技术难题。

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。