一种热辅助多旋轮旋压成形高筋薄壁筒形件的方法

1.本发明属于金属塑性加工技术领域，具体涉及一种热辅助多旋轮旋压成形高筋薄壁筒形件的方法。


背景技术：

2.高筋薄壁筒形件因其整体化、轻量化、高性能等特性，已被广泛应用于航空、航天等领域。近年来，国内外学者通过创新性的改革，成功实现了筋部结构的塑性成形，提高了基体与筋部结构的连接精度，保证了成形后高筋薄壁筒形件结构的可靠性。
3.目前，适用于高筋薄壁筒形件塑性成形的方式主要有：锻造成形和包络成形两种。
4.一、锻造成形：申请公布号为cn 113020516 a的中国专利申请文件中，公开了一种带凸缘结构的不等厚金属件板锻造方法及模具：先对板料进行拉深预成形将板料成形为筒形坯料，然后通过凸模外侧模具的运动剪挤筒形坯料外侧，使得材料发生剪切变形，形成带凸缘的筒形件，最后成形出带外筋的结构件。该工艺结合了拉深工艺和凸模的剪挤作用，实现了高筋薄壁筒形件的一体化成形。但是该工艺对于设备和坯料厚度的要求较高。
5.二、包络成形：申请公布号为cn 110918843 a的中国专利申请文件中，公开了一种薄壁高筋散热构件空间包络成形制造方法：通过包络模做空间包络运动，在约束模具的共同作用下，发生连续增量塑性变形，实现了薄壁板和筋部材料的协调变形。但包络成形对于其模具的要求较高，而且由于高筋薄壁筒形件因其自身结构特性，在镦挤成形方面受到了很大的限制。
6.综上所述，现有技术中用于成形高筋薄壁筒形件的工艺均因无法摆脱构件尺寸对模具的依赖而存在一定的局限性，并且不能保证筒形件基体与高筋结构一体化成形后的构件质量。


技术实现要素：

7.为解决现有技术中存在的以上不足，本发明旨在提供一种热辅助多旋轮旋压成形高筋薄壁筒形件的方法，以达到针对高强度、室温条件下塑性变形能力差的材料，仍能实现高筋结构和薄壁筒形件基体的高质量一体化成形的目的。
8.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种热辅助多旋轮旋压成形高筋薄壁筒形件的方法，基于筒形件热旋成形工艺，首先采用流动旋轮对筒形件坯料进行分段式减薄；其次采用剪切旋轮对筒形件坯料堆积处施加局部剪切变形，并同时控制流动旋轮与剪切旋轮同步轴向进给对筒形件坯料施加径向约束，直至形成高筋薄壁筒形件。
9.作为本发明的限定，剪切旋轮包括两者之间夹角为90
°
的上剪切工作面和下剪切工作面，并且，上剪切工作面和下剪切工作面之间通过外凸型圆弧剪切角过渡连接。
10.作为本发明的进一步限定，流动旋轮包括通过圆弧工作面过渡连接的第一倒角面和第二倒角面，并且，倒角面与流动旋轮侧工作面之间通过退出角过渡连接。
11.作为本发明的再进一步限定，基于筒形件热旋成形工艺，采用反旋方式，该方法包
括以下步骤：s1、制备筒坯，对原始筒形件端面机加工，制备形成一端带有轮齿形的筒形件坯料；s2、安装模具：将筒形件坯料以凹凸配合方式装夹至数控旋压机的芯轴处；再将剪切旋轮、流动旋轮装配于数控旋压机的旋轮架上；最后，将火焰喷枪装配于数控旋压机上，并使火焰喷枪的喷嘴与筒形件坯料塑性变形区域相对应；s3、热辅助流动成形：调整流动旋轮使其圆弧工作面与筒形件坯料的表面垂直接触，启动数控旋压机并进行参数设定后，首先令筒形件坯料在芯轴带动下旋转运动，同时利用火焰喷枪对筒形件坯料塑性变形区域加热；然后控制流动旋轮对筒形件坯料进行分段式减薄，制备阶梯状筒形件；s4、剪切成形：调整剪切旋轮使其圆弧工作面位于筒形件阶梯处，同时调整流动旋轮使其外凸型圆弧剪切角与未减薄段表面相接触；延续步骤s3中筒形件坯料的旋转状态，再控制剪切旋轮、流动旋轮以同步速度v进行阶段式轴向进给运动，分段对筒形件进行剪切成形，直至制备形成高筋薄壁筒形件；s5、卸料操作：将剪切旋轮、流动旋轮径向退出，执行旋轮卸载操作后，脱模取件，将成形的高筋薄壁筒形件自芯轴上卸出。
12.作为本发明的更进一步限定，该方法中装配于数控旋压机主轴上的芯轴包括同轴心设置的芯轴本体和芯轴底座，其中，芯轴底座临近芯轴本体装配面的一端固设有定位台阶；所述定位台阶的端面处均匀开设有多个凹槽。
13.作为本发明的更进一步限定，该方法中剪切旋轮与流动旋轮的设置数量相同，均为1～3个。
14.本发明在热辅助旋压成形基础上，实现了流动旋压与剪切成形的有效结合，即通过结合不同特征旋轮的成形方式，最终实现了高筋结构和薄壁筒形件基体的一体化成形。由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的有益效果是：其一、成形过程中外加热场有效提高了材料的塑性，能够解决因采用高强度、室温条件下塑性变形能力差的材料而导致高筋结构和筒形件基体一体化成形困难的问题；其二、剪切旋轮包括可以分离材料的剪切角和辅助材料径向转移的上剪切工作面和下剪切工作面，利用剪切角对筒形件坯料剪切分离的同时，上剪切工作面和下剪切工作面可分别辅助材料的径向流动控制（成形高筋结构）和材料的轴向流动控制（成形薄壁筒形件基体）；其三、利用流动旋轮对筒形件坯料进行分段式减薄，可以初步实现筒件减薄和材料堆积，在剪切成形过程中可以保证筋部结构的刚度，而且有效增加了筋部结构与筒形件基体部分的连接强度；其四、在剪切成形中，流动旋轮的圆弧工作面与筒形件坯料表面垂直接触，并与剪切旋轮同步轴向进给，一方面可以保证筒形件坯料的刚度，防止筒形件坯料起皱失稳的情况发生；另一方面流动旋轮的第二倒角面与剪切旋轮的上剪切工作面相配合，可对剪切成形的外筋起挤压、矫形作用，能够消除外筋的溜背结构，使筋部壁厚分布更加均匀，避免外筋在成形过程中翘曲；
其五、利用流动旋轮替代传统模具，摆脱了传统工艺中结构件成形普遍局限于约束模具的现状，仅需通过控制剪切旋轮运动轨迹和背压模具的相对位置，即可成形不同形状特征的高筋薄壁筒形件，具有很强的通用性和功能性。
15.综上所述，本发明实现了热旋流动成形和剪切成形的有效结合，解决了高筋结构和筒形件基体一体化成形困难（尤其是镁合金、钛合金等室温条件下塑性变形能力差的材料），极大程度地提高了材料的利用率，有利于推动复杂构件高性能精确成形制造的进步、满足航空航天运载装备对先进成形制造技术的需求。
附图说明
16.下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。
17.图1为本发明实施例中筒形件坯料分阶段减薄的特征示意图；图2为本发明实施例中筒形件坯料流动剪切成形的特征示意图；图3为本发明实施例中成形高筋薄壁筒形件的工艺流程图；图4为本发明实施例中剪切旋轮的结构示意图；其中，图4a为剪切旋轮的结构关系俯视图；图4b为剪切旋轮的结构关系剖视图；图5为本发明实施例中流动旋轮的结构示意图；其中，图5a为流动旋轮的结构关系主视图；图5b为剪切旋轮的结构关系左视图；图6为本发明实施例中芯轴的结构示意图；其中，图6a为芯轴的结构关系主视图；图6b为芯轴的结构关系左视图；图中：1、剪切旋轮；2、流动旋轮；3、火焰喷枪；4、芯轴；5、筒形件坯料；101、双向沉头孔；102、上剪切工作面；103、下剪切工作面；104、外凸型圆弧剪切角；201、通孔；202、第一倒角面；203、第二倒角面；204、圆弧工作面；205、侧工作面；401、芯轴本体；402、芯轴底座；403、定位台阶；404、圆弧形凹槽。
具体实施方式
18.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和理解本发明，并不用于限定本发明。
19.实施例一种热辅助多旋轮旋压成形高筋薄壁筒形件的方法本实施例在现有热旋成形工艺的基础上结合剪切成形工艺，利用不同功能的旋轮组，对筒形件坯料5分段式减薄后再进行剪切成形处理，实现了筒形件基体的流动成形和多道高筋结构的剪切成形。该方法具体包括以下步骤：s1、制备筒坯：将待加工的原始筒形件进行机加工，对其端部沿周向均匀加工多个轮齿结构，制备形成一端带有齿形的筒形件坯料5。其中，本实施例中选用由镁合金、钛合金等室温条件下塑性变形能力差的材料制成的原始筒形件。
20.s2、安装模具：将筒形件坯料5以凹凸配合方式装夹至数控旋压机的芯轴4处后，再将剪切旋轮1、流动旋轮2装配于数控旋压机的旋轮架上，并调整剪切旋轮1、流动旋轮2与筒形件坯料5的相对位置。最后，将火焰喷枪3装配于数控旋压机上，并使火焰喷枪3的喷嘴与筒形件坯料5塑性变形区域相对应。
21.如图6a和图6b所示，装配于数控旋压机主轴上的芯轴4包括同轴心设置的芯轴本
体401和芯轴底座402。其中，芯轴底座402一侧端部沿周向均匀分布有多个螺纹孔，通过螺栓可实现与机床主轴的连接；芯轴底座402另一侧端部固设有定位台阶403，并且定位台阶403临近芯轴本体401装配面的端面上均匀开设有四个圆弧形凹槽404。成形过程中，通过圆弧形凹槽404与筒形件坯料5的凸起结构配合，能够保证筒形件坯料5在芯轴4带动下进行周向旋转。
22.本实施例步骤s1中对筒形件坯料5加工的凸起结构，其长度和宽度均略小于圆弧形凹槽404的尺寸，以便筒形件坯料5在芯轴4上的装卸。
23.其中，剪切旋轮1主要用于对筒形件坯料5的壁厚平面施加局部剪切变形，使筒形件坯料5的材料发生剪切分离。如图4a和图4b所示，剪切旋轮1为中空回转体结构的双锥形旋轮，其法向上均匀开设有多个双向沉头孔101，利用紧固螺栓能与旋轮架固定连接；其周向上设有通过外凸型圆弧剪切角104过渡连接的上剪切工作面102和下剪切工作面103，并且上剪切工作面102和下剪切工作面103之间的夹角为90
°
。其中，外凸型圆弧剪切角104的圆角直径r=0.1～0.5mm。
24.流动旋轮2沿轴向周期性压下和空程运动，兼具在流动成形阶段对筒形件坯料5减薄和剪切成形阶段对筒形件坯料5施加径向压力的多重作用。如图5a和图5b所示，流动旋轮2为双锥形旋轮，其中心开设有用于连接旋轮架的通孔201；其周向上设有通过圆弧工作面204过渡连接的第一倒角面202和第二倒角面203，并且，第一倒角面202、第二倒角面203与流动旋轮2的侧工作面205之间均通过退出角过渡连接。
25.需要说明的，数控旋压机上剪切旋轮1与流动旋轮2的设置数量相同，均为1～3个。本实施例中，剪切旋轮1共设有2个，且呈对称分布安装在数控旋压机的旋轮架上；流动旋轮2也设有2个，分别与剪切旋轮1一一对应。
26.s3、热辅助流动成形：启动数控旋压机，通过数控系统设定流动旋轮2轨迹，利用火焰喷枪3对筒形件坯料5塑性变形区域加热，然后控制流动旋轮2对筒形件坯料5分段式减薄。
27.具体为：首先，利用数控旋压机调整旋轮架的位置，直至流动旋轮2的圆弧工作面204与筒形件坯料5的表面垂直接触，具体如图1所示。然后，启动数控旋压机，设定进给比的范围为0.1～2，并采用反旋方式，令筒形件坯料5在芯轴4带动下周向旋转，同时利用火焰喷枪3对筒形件坯料5塑性变形区域加热。达到材料的成形温度后，控制流动旋轮2径向压下t，并沿筒形件坯料5轴向进给x1，对筒形件坯料5进行减薄；接着控制流动旋轮2远离筒形件坯料5，空程进给x2；以恒定的轴向进给速度，沿筒形件坯料5轴向周期性加载三次、卸载两次，制备形成厚度呈阶梯状分布的筒形件坯料5，具体如图1所示。
28.s4、剪切成形：延续步骤s3中筒形件坯料5的旋转状态，并通过数控系统设定流动旋轮2、剪切旋轮1的轨迹，控制流动旋轮2、剪切旋轮1对筒形件坯料5剪切成形。
29.由于筒形件坯料5减薄段的存在，剪切成形只能从靠近芯轴底座402的一侧开始成形，具体为：首先利用数控旋压机调整旋轮架的位置，直至流动旋轮2的圆弧工作面204与未减薄段筒形件表面垂直接触，剪切旋轮1的外凸型圆弧剪切角104与筒形件坯料5堆积处的端面相接触。因本实施例中需要剪切成形两道环形外筋，故如图2所示，流动旋轮2预先与筒形件坯料5a点堆积处的表面垂直接触，剪切旋轮1的下剪切工作面103与筒形件坯料5a点右侧减薄段平面接触，令剪切旋轮1的外凸型圆弧剪切角104位于a点右侧减薄段平面与a点左
侧未减薄段的阶梯处。
30.然后，筒形件坯料5在延续步骤s3中的旋转状态下，控制剪切旋轮1、流动旋轮2以同步速度v进行轴向进给运动，轴向进给距离不得大于x
2-0.6t，成形第一道环形外筋。
31.第一道环形外筋成形后，对剪切旋轮1、流动旋轮2分别实行退刀运动，防止对成形的环形外筋造成破坏，然后在依据上述过程执行对刀操作，对筒形件坯料5b点堆积处剪切成形第二道环形外筋，该剪切成形过程与第一道环形外筋的剪切成形过程相同。
32.s4、卸料操作：将剪切旋轮1、流动旋轮2径向退出后，执行旋轮卸载操作；然后脱模取件，采用数控旋压机液压缸顶出的方式，将高筋薄壁筒形件自芯轴4上脱离，完成卸料操作。
33.需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种热辅助多旋轮旋压成形高筋薄壁筒形件的方法，基于筒形件热旋成形工艺，其特征在于：首先采用流动旋轮对筒形件坯料进行分段式减薄；其次采用剪切旋轮对筒形件坯料堆积处施加局部剪切变形，并同时控制流动旋轮与剪切旋轮同步轴向进给对筒形件坯料施加径向约束，直至形成高筋薄壁筒形件。2.根据权利要求1所述的一种热辅助多旋轮旋压成形高筋薄壁筒形件的方法，其特征在于：剪切旋轮包括两者之间夹角为90
°
的上剪切工作面和下剪切工作面，并且，上剪切工作面和下剪切工作面之间通过外凸型圆弧剪切角过渡连接。3.根据权利要求2所述的一种热辅助多旋轮旋压成形高筋薄壁筒形件的方法，其特征在于：流动旋轮包括通过圆弧工作面过渡连接的第一倒角面和第二倒角面，并且，倒角面与流动旋轮侧工作面之间通过退出倒角过渡连接。4.根据权利要求3所述的一种热辅助多旋轮旋压成形高筋薄壁筒形件的方法，其特征在于：基于筒形件热旋成形工艺，采用反旋方式，该方法包括以下步骤：s1、制备筒坯，对原始筒形件端面机加工，制备形成一端带有轮齿形的筒形件坯料；s2、安装模具：将筒形件坯料以凹凸配合方式装夹至数控旋压机的芯轴处；再将剪切旋轮、流动旋轮装配于数控旋压机的旋轮架上；最后，将火焰喷枪装配于数控旋压机上，并使火焰喷枪的喷嘴与筒形件坯料塑性变形区域相对应；s3、热辅助流动成形：调整流动旋轮使其圆弧工作面与筒形件坯料的表面垂直接触，启动数控旋压机并进行参数设定后，首先令筒形件坯料在芯轴带动下旋转运动，同时利用火焰喷枪对筒形件坯料塑性变形区域加热；然后控制流动旋轮对筒形件坯料进行分段式减薄，制备阶梯状筒形件；s4、剪切成形：调整剪切旋轮使其外凸型圆弧剪切角位于筒形件阶梯处，同时调整流动旋轮使其圆弧工作面与未减薄段表面垂直接触；延续步骤s3中筒形件坯料的旋转状态，再控制剪切旋轮、流动旋轮以同步速度v进行阶段式轴向进给运动，分段对筒形件进行剪切成形，直至制备形成高筋薄壁筒形件；s5、卸料操作：将剪切旋轮、流动旋轮径向退出，执行旋轮卸载操作后，脱模取件，将成形的高筋薄壁筒形件自芯轴上卸出。5.根据权利要求4所述的一种热辅助多旋轮旋压成形高筋薄壁筒形件的方法，其特征在于：该方法中装配于数控旋压机主轴上的芯轴包括同轴心设置的芯轴本体和芯轴底座，其中，芯轴底座临近芯轴本体装配面的一端固设有定位台阶；所述定位台阶的端面处均匀开设有多个凹槽。6.根据权利要求4或5所述的一种热辅助多旋轮旋压成形高筋薄壁筒形件的方法，其特征在于：该方法中剪切旋轮与流动旋轮的设置数量相同，均为1～3个。

技术总结
本发明属于金属塑性加工技术领域，公开了一种热辅助多旋轮旋压成形高筋薄壁筒形件的方法，该方法基于筒形件热旋成形工艺，首先采用流动旋轮对筒形件坯料进行分段式减薄；再采用剪切旋轮对筒形件坯料堆积处施加局部剪切变形实现材料分离，并通过与剪切旋轮同步轴向进给的流动旋轮对筒形件坯料施加径向约束，直至形成高筋薄壁筒形件。本发明通过对热辅助流动旋压和剪切成形进行有效结合，解决了高筋结构和筒形件基体一体化成形困难（尤其是镁合金、钛合金等室温塑性变形能力差的材料），改善了剪切成形当中的外筋结构，极大程度地提高了材料的利用率，有利于推动复杂构件高性能精确成形制造的进步、满足航空航天运载装备对先进成形制造技术的需求。成形制造技术的需求。成形制造技术的需求。


技术研发人员：樊晓光 姚毅 詹梅 马飞 许泉 高鹏飞
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2021.12.13
技术公布日：2022/3/8