大径厚比大弓高比封头冲旋成型装置及冲旋方法
【专利摘要】本发明涉及一种大径厚比大弓高比封头冲旋成型装置及冲旋方法。成型装置包括由立柱与顶梁构成的机床门架、底座、横梁、双旋轮架、旋转台、筒形模具、环形压板夹具等部分。旋转台安装在机床底座上，筒形模具安装在旋转台上，待加工的工件则紧密装卡在筒形模具上，可以实现工件与模具随旋转台同步旋转。在横梁的左右两侧各有一个旋轮架，其上装有旋压工具旋轮。旋轮的垂直方向和水平方向进给是通过步进电机和丝杠来实现的。采用双旋轮结构可以增加旋压成形过程中的工件受力稳定性，降低振动对加工过程的影响。旋压方法是双旋轮分别从左右两侧的工件周边向中心沿对称弧形进给挤压工件成形。本设备简单、无需冲压成鼓，成形过程稳定，能避免大径厚比大弓高比封头成型过程中发生失稳的现象，从而能实现大径厚比大弓高比封头整体精密成型。
【专利说明】大径厚比大弓高比封头冲旋成型装置及冲旋方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种大径厚比大弓高比封头冲旋成型装置及冲旋方法。
【背景技术】
[0002] 航天工业加工封头最常用的一种方法是瓜瓣式拼接成型方法，即将一个大型封头 分成若干瓣，先将各分辨逐一冲压成形，再采用氩弧焊或搅拌摩擦焊拼接成一个整体封头。 航天工业的发展，对构件的结构尺寸、精度及整体性能提出更加苛刻的要求。实现这类构件 的大尺寸、薄壁化、轻量化及整体成形成为制造工艺的新趋势。这种瓜瓣式拼接成型加工方 法冲压成形过程中在保证各分瓣性能的一致性方面存在困难，同时由于焊接工艺始终存在 焊缝，焊缝与母材的力学性能会存在一定的差异，薄壁构件也大大增加了焊接工艺的困难。
[0003]目前国内利用有模旋压法(模压法）能成功旋制直径约为2000mm，径厚比少于300 的封头，但是随着工件径厚比增加到约为400时，工件表面在旋制成形过程中局部区域产 生起皱失稳，严重时甚至开裂导致封头制造失败。
[0004]旋压技术的发展给封头制造提供了新工艺方法，1.有模封头旋压法即利用芯模加 旋轮将工件逐点碾压，使金属板材产生塑性变形从而达到成形封头的目的。2.二步法封 头旋压，分压鼓和翻遍两道工序，压鼓是采用冲压的方法利用压鼓机将圆形平板工件由里 向外冲压，每冲压一次操作机将工件转动一个角度，直至冲压成形；翻边是将有模旋压中的 芯模换内旋压辊(成形辊)，配合外旋压辊(压力轮）将第一步压鼓得到的半成品旋压成封头 形。现有这两种方法都是采用大尾顶将工件的中心约束在芯模上，主轴带动芯模和工件转 动，旋轮将工件沿碾压成形。目前国内运用有模旋压法最大能够旋制直径约为2000mm，径厚 比不超过300的封头曲面构件，当工件径厚比增加到400时，工件表成形过程中局部区域 产生起皱失稳，严重时边缘产生翘曲或波浪式起皱。
【发明内容】
[0005]针对现有有模旋压工艺(工件中心约束，周边为自由端)，在加工大径厚比大弓高 比薄壁封头过程中极其容易起皱、翘曲等失稳现象，本发明特提供一种工件周边约束的大 径厚比大弓高比封头冲旋装置及冲旋方法。
[0006]-种工件周边约束的薄壁大弓高封头旋压成形装置，包括立柱1、横梁2、顶梁3、 旋轮架4、液压伸缩杆5、旋轮6、垂直丝杠7、垂直步进电机8、水平丝杠9、水平步进电机10、 环形压板11、工件12、螺栓13、筒形模具14、旋转台15、蜗杆16、涡轮17、圆柱滚子轴承18、 套筒19、推力球轴承20、底座21、平衡导行轮22,其中，门架由顶梁3连接左右两立柱1组 成，在两立柱中央位置留有矩形长凹槽，在凹槽内安装了垂直丝杠7及直线步进电机8,垂 直丝杠7下端连接直线步进电机；旋转台上方安装筒形模具14,旋转台15的旋转主轴通过 圆柱滚子轴承18、套筒19、推力球轴承20安装在底座21上；平衡导行轮22安装在底座21 上；平衡导行轮22安装在底座21上，横梁连接左右两边的垂直丝杠，位于顶梁下方；横梁 左右两立柱之间，中点的左右两侧分别装有一个旋轮架4 ;旋轮架下方设有旋轮6 ; 所述横梁内安装有两套水平电机10和水平丝杠9,左右两水平丝杠通过螺栓和轴承固 定在横梁内，在丝杠末端通过联轴器与水平电机输出轴连接，分别用于控制左右旋轮架水 平方向的进给； 所述筒形模具上方通过环形压板11和螺栓13紧密装卡工件12,成形对工件12周边的 有效约束； 所述旋转台15的旋转主轴与蜗轮17连接，蜗杆16与涡轮17配合传递调节旋转台转 速；通过调节电机的转速，实现对不同转速的需求。
[0007]所述平衡导行轮22共4个，均匀安装在底座21的一确定圆周上，与旋转台导向槽 接触，起导向作用，防止旋转台旋转过程中左右摆动。
[0008]所述旋轮架内安装液压伸缩杆5,液压伸缩杆可以改变旋轮的伸出长度。
[0009]所述旋轮6，为不同圆角半径旋轮或不同形状旋轮。
[0010] 所述筒形模具可以更换的，改变模具的大小可实现不同直径封头的加工，这对实 现一机多尺寸封头生产是非常有益的。
[0011] 具体旋压方法为：将工件12固定在筒形模具14上，旋轮6按封头母线轨迹进给， 挤压工件12,逐渐将工件成形12'形状；工件在旋压过程中随旋轮6进给向不断向筒形模 具14底部凸，两个旋轮在工件上表面，分别从工件的左右两周边向中心沿对称弧形进给挤 压工件，工件在冲旋过程中随旋轮进给形成于旋轮轨迹一致的曲面形状，经多道次冲旋，最 终精密创成高质量封头12' '。
[0012] 在大弓高比封头成形过程中，液压伸缩杆是非常必要的，可以实现旋轮垂直方向 大行程进给，避免横梁大行程进给过程中与筒形模具发生机械干涉。
[0013]大径厚比大弓高比封头冲旋装置从运动角度来看分为：1.旋转运动；2.垂直方向 运动；3.水平方向运动。旋转运动包括旋转台、筒形模具及工件三者相互连接在一起，同步 转动；垂直方向运动包括横梁的垂直方向进给及旋轮垂直方向进给，旋轮在液压伸缩杆作 用下的伸缩运动；水平方向运动是指旋轮支架、旋轮的水平进给。旋轮的垂直方向进给与旋 轮水平方向的进给运动都是通过数控系统来完成的，通过编写程序，编好的程序下达给控 制器，控制器以脉冲信号方式传递给步进电机驱动器，驱动器为步进电机提供电力，驱使步 进电机完成要求的进给运动。程序控制弧线运动，工件在旋转台作用下做旋转运动，三个运 动复合成球面螺旋运动，从而实现封头的成型。
[0014]所述封头冲旋成型装置的特点是不采用现有封头旋压设备工件中心约束，周边无 约束自由变形的成形方式，而是采用工件周边施加约束固定的方式，改善了封头旋压过程 中周边自由变形，不可控的缺点及工件容易发生变形失稳等工艺缺陷。从而能实现大径厚 比大弓高比封头不失稳整体均匀成型。
[0015]所述的工件约束方式是通过环形压板配合螺栓将工件周边紧密固定在筒形模具 上。
[0016]所述的旋轮运动轨迹是通过电机带动垂直丝杠和水平丝杠转动从而推动横梁和 旋轮架分别沿垂直和水平方向运动复合成封头母线轨迹。
[0017]所述旋轮垂直方向能实现远行程进给，为了避免在进行大弓高（弓高：封头底部到 顶部的垂直距离)封头成形进给过程中横梁与模具发生干涉，造成设备破坏。通过设计一套 液压伸缩杆，以增加旋轮伸出长度，实现大弓高封头加工。
[0018] 所述工件的转动，是通过工件固定在筒形模具上，筒形模具安装在旋转台上，工件 随旋转台转动来实现的。
[0019] 所述旋转台的转速是可以调节的，改变蜗轮蜗杆的传动比可以实现不同电机转速 的输处。这对成形不同精度和效率的封头提供了方便。
[0020] 该装置突出优点是：采用不同于现有有模旋压机及二步法封头旋压机的工件中心 约束，周边为自由端的设计方式，本设计设置的了筒形旋转工作台，利用环形压板和螺栓将 工件的周边约束而中心不约束的方式成形大径厚比大弓高比封头。工件的装卡方法及工件 周边的约束方式是本装置及旋压方法的突出特征。这样的约束方式给工件周边施加了有效 外约束，改善了现有封头旋压装置工件周边无约束，工件周边自由变形不可控造成工件变 形过程中容易起皱失稳的缺点。装置简单，无压鼓机、操作机、旋压翻边机，包括压鼓，翻边 在内的所有工艺都可以在通过控制旋轮轨迹完成。旋轮在液压伸缩杆及横梁配合作用下能 实现垂直方向大行程进给，实现加工大弓高封头。通过增加工件周边固定，形成有效约束， 成形过程中工件周边不能自由变形，能很好抑制工件变形失稳现象。整个成形过程中，两个 旋轮在工件上表面，分别从工件的左右两边向中心弧形进给，挤压工件，经多道次冲旋工 件成型。
[0021] 利用大型有限元软件模拟本发明装置冲旋成型封头发现，封头直径约为 3000mm，径厚比为550时成形过程稳定，工件表面未出现起皱失稳现象。由此对比可知：利 用本发明的冲旋装置和冲旋方法加工大径厚比封头较有模旋压法有优势。同时在确定封头 直径约为3000mm径厚比为300时，分别模拟不同弓高比封头有模旋压法成型和封头冲旋成 型，发现利用有模旋压法成形封头时，当封头弓高比增加到1/5时，随旋轮进给的推进，工 件刚度变小，工件边缘出现翘曲，而且翘曲成形过程中不消失积累严重，影响封头成形。由 于本发明装置在分析有模旋压法翘曲原理的基础上，采用约束法抑制工件边缘刚度随旋轮 进给迅速减少，本发明装置设计了工件周边约束，对工件周边施加有效外约束。利用本发明 装置冲旋成形封头，封头弓高比达到1/3时，冲旋过程未见异样状况，成形过程稳定，工件 变形流畅。由此对比可知：用本发明的冲旋装置和冲旋方法加工大弓高比封头较有模旋压 法效果好。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1是本发明封头冲旋装置的构示意图； 图2是本发明封头冲旋装置的工件工作状态局部示意图； 图3是本发明封头冲旋装置工件最终成型示意图。
【具体实施方式】
[0023]本发明是一种大径厚比大弓高比大弓高封头冲旋成型装置 参照图1，机床门架包括立柱1和顶梁3,顶梁3连接左右两立柱1，立柱槽内安装有垂 直丝杆7和垂直步进电机8,垂直丝杠7连接横梁2,横梁2内分别安装有水平丝杠9和水 平步进电机10,在横梁2上通过水平丝杆连接两个旋轮架4,旋轮架4下端安装有旋轮6,旋 轮架4内置了液压伸缩杆结构5,工件12通过环形压板13和螺栓11固定在筒形模具上端 面，筒形模具14装在旋转台15上，旋转台15的旋转主轴通过与蜗轮17连接，蜗杆16与涡 轮17配合传递调节旋转台转速，旋转台15的旋转主轴通过圆柱滚子轴承18、套筒19、推力 球轴承20安装在底座21上。
[0024]参照图2,利用这种冲旋方法，通过将工件12固定在筒形模具14上，旋轮6按封头 母线轨迹进给，挤压工件12逐渐将工件成形12'形状，多道次冲旋，最终成型大径厚比大弓 高比封头12''。
【权利要求】
1. 大径厚比大弓高比封头冲旋成型装置，包括立柱（1)、横梁（2)、顶梁（3)、旋轮架 (4)、液压伸缩杆（5)、旋轮（6 )、垂直丝杠（7 )、垂直步进电机（8 )、水平丝杠（9 )、水平步进电 机（10)、环形压板（11)、工件（12)、螺栓（13)、筒形模具（14)、旋转台（15)、蜗杆（16)、涡轮 (17)、圆柱滚子轴承（18)、套筒（19)、推力球轴承（20)、底座（21)、平衡导行轮（22)，其特征 在于，门架由顶梁（3)连接左右两立柱（1)组成，在两立柱中央位置留有矩形长凹槽，在凹 槽内安装了垂直丝杠（7)及垂直步进电机（8)，垂直丝杠（7)下端通过联轴器连接垂直步进 电机（8);旋转台上方安装筒形模具（14)，旋转台（15)的旋转主轴通过圆柱滚子轴承（18)、 套筒（19)、推力球轴承（20)安装在底座（21)上，平衡导行轮（22)安装在底座（21)上；横 梁（2)连接在左右两边的垂直丝杠上，位于顶梁下方；横梁左右两立柱之间，中点的左右两 侧分别装有一个旋轮架（4);旋轮架下方设有旋轮（6); 所述横梁内安装有两套水平步进电机（10 )和水平丝杠（9 )，分别用于控制左右旋轮架 水平方向的进给；水平丝杠（9) 一端通过轴承、轴承座与螺栓固定在横梁内，另一端通过联 轴器与固定在横梁上的步进电机输入轴相连； 所述筒形模具上方通过环形压板（11)和螺栓（13)紧密装卡工件（12)，成形对工件周 边的有效约束； 所述旋转台（15)的旋转主轴与蜗轮（17)连接，蜗杆（16)与涡轮配合传递调节旋转台 转速。
2. 根据权利要求1所述的大径厚比大弓高比封头冲旋成型装置，其特征在于，所述平 衡导行轮（22)共4个，均匀安装在底座（21)的圆周上，与旋转台导向槽接触，起导向作用， 防止旋转台旋转过程中左右摆动。
3. 根据权利要求1所述的大径厚比大弓高比封头冲旋成型装置，其特征在于，所述旋 轮架内安装液压伸缩杆（5 )，液压伸缩杆改变旋轮的伸出长度。
4. 根据权利要求1所述的大径厚比大弓高比封头冲旋成型装置，其特征在于，所述旋 轮，为不同圆角半径旋轮或不同形状旋轮。
5. 根据权利要求1所述的大径厚比大弓高比封头冲旋成型装置，其特征在于，所述筒 形模具可更换。
6. 大径厚比大弓高比封头冲旋成型装置的冲旋方法，其特征在于，将工件（12)固定在 筒形模具（14)上，两个旋轮在工件上表面，分别从工件的左右两周边向中心沿对称弧形进 给，挤压工件，逐渐将工件冲旋成所需的形状（12'）；工件在冲旋过程中随旋轮进给形成与 旋轮轨迹一致的曲面形状，经多道次冲旋，最终精密创成高质量封头（12' '）。
7. 根据权利要求6所述的大径厚比大弓高比封头冲旋成型装置的冲旋方法，其特征在 于，所述两个旋轮的旋轮运动轨迹是通过垂直步进电机带动垂直丝杠和水平步进电机带动 水平丝杠转动，从而推动横梁和旋轮架分别沿垂直和水平方向运动，复合成封头母线轨迹。
【文档编号】B21D22/16GK104275378SQ201410570884
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】李新和, 胡兴佳, 卜佳南, 俞大辉, 骆亚洲, 周磊, 罗不凡 申请人:中南大学