一种基于球面旋轮的锥台圆柱组合形薄壁件无模旋压方法与流程

本发明属于金属板材旋压成形技术领域，特别是涉及一种基于球面旋轮的锥台圆柱组合形薄壁件无模旋压方法。

背景技术：

旋压成形因其具有高效、低成本、高材料利用率等特点，被广泛应用于航空、航天、汽车等工业领域。自从近代旋压技术问世以来，国内外学者对常规回转体零件的旋压成形开展了很多研究工作，经过不断完善，圆截面旋压工艺精确稳定成形理论已经有了很大发展。随着科技的发展，关于旋压成形技术与理论的研究，已经深入到无芯模旋压成形，而无芯模旋压时，工件悬空并有较大自由度，变形条件相对复杂，且成形较难控制。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于球面旋轮的锥台圆柱组合形薄壁件无模旋压方法，首次引入球面旋轮，同时以特定的旋轮路径轨迹进行旋压成形，能够有效提高产品设计和预研阶段的锥台圆柱组合形薄壁件的加工效率，能够进一步发挥无模旋压技术在产品预研和试制阶段的制造柔性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于球面旋轮的锥台圆柱组合形薄壁件无模旋压方法，包括如下步骤：

步骤一：选定一台数控旋压机，将圆形板坯装夹到数控旋压机的主轴与尾顶之间，保证圆形板坯、主轴及尾顶三者的轴向中心线相重合；

步骤二：在数控旋压机上安装上自制的球面旋轮，且球面旋轮的径向边沿加工有圆倒角，圆倒角与球面旋轮的主体球面之间为平滑相切过渡；调整球面旋轮的高度，使球面旋轮、圆形板坯、主轴及尾顶四者的轴向中心线处于同一水平面内，且球面旋轮的轴向中心线与主轴的轴向中心线相平行；

步骤三：控制球面旋轮沿z轴移动，直到球面旋轮的球面弧顶与圆形板坯的旋压表面相接触，并将该接触点记为球面旋轮的z向起始定位点，且球面旋轮的z向起始定位点的坐标计算公式为zbcsr＝-t0，式中，zbcsr为球面旋轮的z向起始点定位点坐标，t0为圆形板坯的厚度；

步骤四：控制球面旋轮沿x轴移动，并将球面旋轮的径向尺寸最大点记为x向起始定位点，且球面旋轮的x向起始定位点的坐标计算公式为xbcsr＝rs，其中，rs＝(rs+δ)-(lb-rb)tanβ，式中，xbcsr为球面旋轮的x向起始定位点坐标，rs为球面旋轮的x向起始定位点与主轴轴向中心线的垂直距离，rs为主轴的半径，δ为成形件的锥面拐点与主轴外表面的最小间隙，lb为球面旋轮的轴向厚度，rb为球面旋轮的径向边沿圆倒角的半径，β为成形件的纵截面半锥角；然后将计算得到的xbcsr输入数控旋压机的系统中；

步骤五：确定球面旋轮与成形件锥台段在完成全部变形时的球面旋轮上最终接触点，并计算球面旋轮上最终接触点在旋压成形初始阶段的坐标，其计算公式为lt＝rb-rb·sinβ+t0和rt＝rs+δ-lt·tanβ，式中，lt为球面旋轮上最终接触点在旋压成形初始阶段的z向坐标，rb为球面旋轮的半径，β为成形件的锥台段的纵截面半锥角，t0为圆形板坯的厚度，rt为球面旋轮上最终接触点在旋压成形初始阶段的x向坐标，rs主轴的半径，δ为成形件的锥面拐点与主轴外表面的最小间隙；然后将计算得到的lt和rt输入数控旋压机的系统中；

步骤六：确定成形件锥台段在完成全部变形时球面旋轮上最终接触点的x向位移和z向位移，其计算公式为ma-x＝ra-rt和ma-z＝ma-x/tanβ，式中，ma-x为成形件锥台段在完成全部变形时球面旋轮上最终接触点的x向位移，ra为成形件锥台段在完成全部变形时球面旋轮上最终接触点与主轴轴向中心线的垂直距离，rt为球面旋轮上最终接触点在旋压成形初始阶段的x向坐标，ma-z为成形件锥台段在完成全部变形时球面旋轮上最终接触点的z向位移，β为成形件的锥台段的纵截面半锥角；然后将计算得到的ma-x和ma-z输入数控旋压机的系统中；

步骤七：将成形件锥台段在完成全部变形时球面旋轮上最终接触点与主轴轴向中心线的垂直距离设定为成形件圆柱段的半径值，同时设定成形件圆柱段在完成全部变形时的z向位移，且z向位移设定值要大于成形件圆柱段的轴向深度预设值；再将球面旋轮的x向起始定位点设为成形件圆柱段的成形接触点；然后将设定好的参数输入数控旋压机的系统中；

步骤八：启动数控旋压机，按照系统生成的加工程序执行无模旋压成形过程，直到将圆形板坯加工成为锥台圆柱组合形的成形件。

所述球面旋轮固连在一根转轴的端部，球面旋轮与转轴的轴向中心线相重合，在转轴上套装有两组推力轴承，推力轴承通过螺母进行轴向限位，转轴通过推力轴承与旋轮安装架相连接，球面旋轮在旋轮安装架上具有回转自由度。

本发明的有益效果：

本发明的基于球面旋轮的锥台圆柱组合形薄壁件无模旋压方法，首次引入球面旋轮，同时以特定的旋轮路径轨迹进行旋压成形，能够有效提高产品设计和预研阶段的锥台圆柱组合形薄壁件的加工效率，能够进一步发挥无模旋压技术在产品预研和试制阶段的制造柔性。

附图说明

图1为圆形板坯装夹示意图；

图2为圆形板坯旋压成形过程示意图；

图3为图2中i部放大图；

图4为球面旋轮的结构示意图；

图5为成形件的实物图；

图中，1—主轴，2—尾顶，3—圆形板坯，4—球面旋轮，5—成形件，6—转轴，7—推力轴承，8—螺母。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本实施例中，数控旋压机的型号为ps-cncsxy-5，数控旋压机内置西门子数控系统，主轴1的转速设为200r/min；圆形板坯3的外径为100mm，圆形板坯3的板厚为2.05mm，圆形板坯3的材质为6061-o态铝合金；成形件5的锥台段初始横截面圆半径为25mm，成形件5的锥台段的轴向深度为16mm，成形件5的圆柱段的轴向深度为15mm，成形件5的锥台段的纵截面半锥角为25°，成形件5的实物图如图5所示。

一种基于球面旋轮的锥台圆柱组合形薄壁件无模旋压方法，包括如下步骤：

步骤一：选定一台数控旋压机，将圆形板坯3按图1所示装夹到数控旋压机的主轴1与尾顶2之间，保证圆形板坯3、主轴1及尾顶2三者的轴向中心线相重合；

步骤二：在数控旋压机上安装上自制的球面旋轮4，且球面旋轮4的径向边沿加工有圆倒角，圆倒角与球面旋轮4的主体球面之间为平滑相切过渡；调整球面旋轮4的高度，使球面旋轮4、圆形板坯3、主轴1及尾顶2四者的轴向中心线处于同一水平面内，且球面旋轮4的轴向中心线与主轴1的轴向中心线相平行；

步骤三：控制球面旋轮4沿z轴移动，如图2、3所示，直到球面旋轮4的球面弧顶与圆形板坯3的旋压表面相接触，并将该接触点记为球面旋轮4的z向起始定位点，且球面旋轮4的z向起始定位点的坐标计算公式为zbcsr＝-t0，式中，zbcsr为球面旋轮4的z向起始点定位点坐标，t0为圆形板坯3的厚度；

步骤四：控制球面旋轮4沿x轴移动，如图2、3所示，并将球面旋轮4的径向尺寸最大点记为x向起始定位点，且球面旋轮4的x向起始定位点的坐标计算公式为xbcsr＝rs，其中，rs＝(rs+δ)-(lb-rb)tanβ，式中，xbcsr为球面旋轮4的x向起始定位点坐标，rs为球面旋轮4的x向起始定位点与主轴1轴向中心线的垂直距离，rs为主轴1的半径，δ为成形件5的锥面拐点与主轴1外表面的最小间隙，lb为球面旋轮4的轴向厚度，rb为球面旋轮4的径向边沿圆倒角的半径，β为成形件5的纵截面半锥角；然后将计算得到的xbcsr输入数控旋压机的系统中；

步骤五：如图2、3所示，确定球面旋轮4与成形件5锥台段在完成全部变形时的球面旋轮4上最终接触点，并计算球面旋轮4上最终接触点在旋压成形初始阶段的坐标，其计算公式为lt＝rb-rb·sinβ+t0和rt＝rs+δ-lt·tanβ，式中，lt为球面旋轮4上最终接触点在旋压成形初始阶段的z向坐标，rb为球面旋轮4的半径，β为成形件5的锥台段的纵截面半锥角，t0为圆形板坯3的厚度，rt为球面旋轮4上最终接触点在旋压成形初始阶段的x向坐标，rs主轴1的半径，δ为成形件5的锥面拐点与主轴1外表面的最小间隙；然后将计算得到的lt和rt输入数控旋压机的系统中；

步骤六：如图2、3所示，确定成形件5锥台段在完成全部变形时球面旋轮4上最终接触点的x向位移和z向位移，其计算公式为ma-x＝ra-rt和ma-z＝ma-x/tanβ，式中，ma-x为成形件5锥台段在完成全部变形时球面旋轮4上最终接触点的x向位移，ra为成形件5锥台段在完成全部变形时球面旋轮4上最终接触点与主轴1轴向中心线的垂直距离，rt为球面旋轮4上最终接触点在旋压成形初始阶段的x向坐标，ma-z为成形件5锥台段在完成全部变形时球面旋轮4上最终接触点的z向位移，β为成形件5的锥台段的纵截面半锥角；然后将计算得到的ma-x和ma-z输入数控旋压机的系统中；

步骤七：如图2、3所示，将成形件5锥台段在完成全部变形时球面旋轮4上最终接触点与主轴1轴向中心线的垂直距离设定为成形件5圆柱段的半径值，同时设定成形件5圆柱段在完成全部变形时的z向位移，且z向位移设定值要大于成形件5圆柱段的轴向深度预设值；再将球面旋轮4的x向起始定位点设为成形件5圆柱段的成形接触点；然后将设定好的参数输入数控旋压机的系统中；

步骤八：启动数控旋压机，按照系统生成的加工程序执行无模旋压成形过程，直到将圆形板坯3加工成为锥台圆柱组合形的成形件5，经实测，成形件5的尺寸和形状精度均在0.05mm以内。

如图4所示，所述球面旋轮4固连在一根转轴6的端部，球面旋轮4与转轴6的轴向中心线相重合，在转轴6上套装有两组推力轴承7，推力轴承7通过螺母8进行轴向限位，转轴6通过推力轴承7与旋轮安装架相连接，球面旋轮4在旋轮安装架上具有回转自由度。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。