一种板体复合成型的旋压方法及装置与流程

本发明涉及金属塑性加工中旋压成形技术领域，具体的，涉及一种板体复合成型的旋压方法及装置。

背景技术：

封头零件是旋压工艺中的典型零件，作为压力容器中的主要承压部件，通过旋压成形后的封头可以得到整体化的结构，力学性能较瓜瓣拼焊式封头更加均匀，已被广泛应用于锅炉、卫星、核反应堆、火箭贮箱箱底以及其它各类压力化工容器设备中。封头本身的性能参数和尺寸精度直接关系到设备的安全性和可靠性，因此封头的形状、尺寸和壁厚的控制显得尤为重要。

旋压作为弹塑性大变形过程，涉及到几何非线性、材料非线性、边界条件非线性，成形过程十分复杂，容易出现失稳起皱导致成形失败，或者出现过度剪薄使得零件均匀性较差，对整个旋压过程的进行精密的质量精度控制也显得非常困难。壁厚均匀性和贴膜度通常作为评价旋压成形构件的质量的精度评价指标，厚度不均、贴膜度差也是旋压成形中最为常见的问题。传统的旋压工艺选择等厚度板作为初始板坯，成形工艺可以分为普通旋压和剪切旋压，剪切旋压中壁厚剪薄遵循正弦规律，对于半锥角不断变化的构件，减薄率随着半锥角的减小而增大，使得封头零件的壁厚均匀性很差，但由于成形过程属于强力旋压，板坯能够较好的贴合芯模，贴膜度较好；在普通旋压的过程中，板坯的直径会发生明显的收缩或扩张，由于法兰边弱刚度的特点，成形过程极易产生起皱或者开裂现象，另外，法兰边的成形阻碍也使得旋轮前方产生金属堆积，增大了板坯成形的拉应力，导致旋轮作用区域的板坯出现拉薄现象，成形后的构件腰部会出现一定的减薄现象，壁厚均匀性较差，贴膜度也难以保障。因此，传统的加工工艺已经难以满足旋压构件精密化精细化的制造需求。

关于旋压精密成形方法的研究，目前多是集中在轨迹的设计分析和关键工艺参数的优化。文献：黄成龙.普通旋压成形质量分析及控制研究[D].华南理工大学,2015.采用直径为mm、1.8mm厚1060-O纯铝板，研究发现首道次采用中部起旋轨迹更有利于零件壁厚分布，采用R25-12复合型面旋轮更有利于降低普旋零件的减薄率。利用神经网络和遗传算法相结合的方法对影响壁厚的工艺参数进行了优化，壁厚减薄率减小至16.22％。该工艺方法的缺点是基于普旋工艺自身的特点，所以成形后的构件难以避免的出现了减薄，减薄率达16.22％，由于忽略了初始板坯的壁厚分配预处理，壁厚均匀性依然难以保证。

在旋压的板坯预成型方面，目前多采用铸造、冲压以及铣削加工的工艺，文献：刘陶.镁合金筒体件旋压成形工艺研究[D].重庆大学,2010.提出用预成型铸坯进行旋压塑性成形；文献：阴中炜,张绪虎,周晓建,等.大型薄壁铝合金半球壳体旋压成形工艺研究[J].材料科学与工艺,2013,21(4):127-130.采用冲压预成型和旋压相结合的工艺方法制造大型薄壁球形贮箱壳体。其缺点在于，铸造和冲压使得工艺规划更加复杂繁琐，而铣削加工难以满足壁厚差别较小的预成型板坯，制造精度难以保证。

技术实现要素：

本发明针对旋压精密成形现有技术的缺陷和不足，提出了一种板体复合成型的旋压方法及装置，简化了旋压板坯的预成型工艺，旋轮的碾压作用使得板坯沿着径向距离重新分配厚度，可以增强法兰边的抗失稳能力，有效的避免成形过程中的起皱开裂现象，易于实现，并且可以提高材料的利用率，同时可以显著的提高壁厚均匀性和贴膜度，兼顾旋压工艺的成形精度和效率。

根据本发明的一个方面，提供了一种板体复合成型的旋压方法，所述方法分为预成型阶段(第1-2步)和旋压成型阶段(第3步)，步骤如下：

第1步：将预成形芯模连接在芯模驱动单元上，将等厚度板坯固定在预成形芯模上；沿机床主轴方向施加液压压力给尾顶，使尾顶和预成形芯模夹持板坯；板坯的边缘部分由板坯夹持单元夹持，以防止板坯的边缘部分在成形过程中翘曲；

第2步：芯模驱动单元驱动预成形芯模高速旋转，板坯由预成形芯模带动转动；旋轮驱动单元驱动预成形旋轮进给使得板坯贴膜预成形芯模，然后沿着预成形芯模的径向和轴向匀速进给；同时控制预成形旋轮与预成形芯模的间隙，利用多道次轨迹碾压板坯以控制板坯沿径向距离的壁厚分布，直到板坯成形结束，制得预制坯；

第3步：将制得的预制坯固定在目标芯模上，芯模驱动单元驱动目标芯模高速旋转，旋轮驱动单元驱动旋压旋轮按照设定的轨迹轴向和径向进给，从目标芯模的小端沿着目标芯模的母线运动至目标芯模的大端，当预制坯完全成形贴合目标芯模后，旋压成形结束。

优选地，所述方法包括两个阶段，分别为预成形阶段和旋压成形阶段，其中：第1步和第2步为预成型阶段，第3步为施压成型阶段；板坯经过预成型阶段得到预制坯，预制坯经过施压成型阶段得到最终目标零件，在两个阶段只需更换预成型芯模成目标芯模、预成型旋轮成施压旋轮，在同一机床上按时间顺序进行即能实现。

优选地，第2步中，所述的轨迹即为预成形旋轮与预成型芯模的间隙；预成形旋轮与预成型芯模的间隙为连续变化的间隙，其间隙值根据剪旋规律和普旋减薄率设计，并采用分道次循序渐进逐步进给的控制方法。

根据本发明的另一个方面，提供了一种板体复合成型的旋压装置，所述装置包括：预成形芯模、目标芯模、预成形旋轮、旋压旋轮、尾顶、板坯夹持单元、旋轮驱动单元、芯模驱动单元，其中：

在预成形阶段：预成形旋轮置于板坯的上方；预成形芯模置于板坯的下方；尾顶受到沿机床主轴方向的液压力，和预成形芯模配合以夹紧板坯；板坯夹持单元由螺栓固定在预成形芯模上，用于夹持板坯的边缘以防止翘曲；预成形芯模与芯模驱动单元相连接并由芯模驱动单元驱动高速旋转；预成形旋轮与旋轮驱动单元相连接，预成形旋轮由旋轮驱动单元驱动并沿设定成形轨迹进给；

在旋压成形阶段：旋压旋轮置于板坯的上方，目标芯模置于所述预制坯的下方；尾顶受到沿机床主轴方向的液压力，和目标芯模配合以夹紧所述预制坯；目标芯模与芯模驱动单元相连接并由芯模驱动单元驱动高速旋转，旋压旋轮与旋轮驱动单元相连接，旋压旋轮由旋轮驱动单元驱动并按照设定的多道次旋压轨迹沿机床的轴向和径向匀速进给，直至旋压成形结束。

优选地，所述的预成形芯模的型面为矩形，或者为边缘倒圆角的矩形，或者为圆弧形。

优选地，所述的板坯夹持单元为环带状，板坯夹持单元的内径小于板坯的外径、外径大于板坯的外径；板坯夹持单元通过螺栓固定在预成形芯模上。

优选地，所述的预成形旋轮和旋压旋轮的边缘为半圆弧状结构；对于材料流动明显的成形过程，预成形旋轮和旋压旋轮的数量为多个；预成形旋轮和旋压旋轮的材料均选用磨具钢。

优选地，所述的目标芯模为旋压成形过程中最终的芯模，其截面为椭圆形。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明简化了板坯预成型的工艺，并可以有效提高材料利用率，其制造精度也可以得到保障；

(2)本发明更合理的分配板坯的壁厚，避免剪旋和普旋工艺所带来的壁厚不均的现象，有利于提高法兰的抗失稳能力，有效的改善了旋压构件的成形精度；

(3)本发明变形方式更加灵活多变，自动化程度高，能够同时兼顾板坯成形的精度和效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的板体复合成型的施压装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例的一种双旋轮无预翻边的成形加工示意图；

图3为本发明一实施例的一种带预翻边的成形加工示意图；

图4为本发明一实施例的一种带预成形的成形加工示意图；

图5为本发明的实施例一的成形路径示意图；

图6为本发明的实施例二的成形路径示意图；

图中：1为板坯，2为预成形旋轮，3为预成形芯模，4为成形轨迹，5为尾顶，6为板坯夹持单元。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种板体复合成型的旋压装置用于对板坯1进行旋压预成形，所述装置包括：板坯夹持单元6、预成形旋轮2、预成形芯模3、尾顶5、芯模驱动单元(图1中未示)以及旋轮驱动单元(图1中未示)，其中：

预成形旋轮2设置于板坯1的上方；预成形芯模3设置于板坯1的下方；尾顶5受到沿机床主轴方向的液压力，和预成形芯模3配合以夹紧板坯1；预成形芯模3与芯模驱动单元相连接并由芯模驱动单元驱动高速旋转；板坯夹持单元6由螺栓固定在预成形芯模3上，用于夹持板坯1的边缘防止翘曲；预成形旋轮2由旋轮驱动单元驱动并沿着设定成形轨迹4(图1中未示)进给。

本实施例中，所述预成形旋轮2的数量可选一至多个，一般以一至三个最为常用。对于制备厚度变化明显的变厚度板坯，旋压过程中材料流动性明显，建议采用多个预成形旋轮2。

本实施例中，所述预成形旋轮2的边缘为半圆弧状结构。

本实施例中，所述预成形芯模3的型面可选择矩形、边缘倒圆角的矩形，以及圆弧形。

本实施例中，所述预成形旋轮2和预成形芯模3的材料均选用模具钢。

如图2所示，当所述预成形旋轮2的个数为两个时：

两个预成形旋轮2均定位于板坯1的上方，且两个预成形旋轮2沿板坯1轴线的距离可相同或者错开一定的距离；预成形芯模3定位于板坯1的下方；

先由芯模驱动单元驱动预成形芯模3高速旋转，再由旋轮驱动单元驱动两个预成形旋轮2沿着设定的轨迹曲线径向进给，使板坯1变成不等厚板坯，达到塑性成型的目的。

如图3所示，当所述预成形芯模3的型面为边缘倒圆角的矩形时：

预成形芯模3定位于板坯1的下方，并与板坯1接触定位；预成形旋轮2定位于板坯1的上方；

预成形芯模3和尾顶5夹持并带动板坯1高速旋转；预成形旋轮2先沿其径向距离使板坯1贴合预成形芯模3，实现预翻边以防止后续碾压产生翘曲；然后，预成形旋轮2沿设定的预成形旋轮2与预成形芯模3的间隙进给，旋制不等厚板坯，达到塑性成型的目的。

如图4所示，当所述预成形芯模3的型面为圆弧形时：

预成形芯模3定位于板坯1的下方，并与板坯1接触定位；预成形旋轮2定位于板坯1的上方；

预成形旋轮2由旋轮驱动单元驱动后进给，使板坯1逐次贴膜圆弧形型面的预成型芯模3；然后，控制预成形旋轮2与预成形芯模3的间隙，进给方式为逐次渐进，逐步实现变厚度板坯的塑性成型。

利用上述装置和各种成型形式，通过以下工艺步骤实现对板坯1的成形加工：

第1步：将预成形芯模3固定连接在芯模驱动单元上，通过定位销把等厚度板坯1固定在预成形芯模3上，沿着机床主轴方向施加液压压力给尾顶5，使得尾顶5和预成形芯模3夹持板坯1；

第2步：板坯1的边缘部分由板坯夹持单元6夹持，以防止板坯1的边缘部分在成形过程中翘曲；

第3步：芯模驱动单元驱动预成形芯模3高速旋转，板坯1由预成形芯模3带动转动；先控制预成形旋轮2进给使得板坯1贴合预成形芯模3，然后沿着预成形芯模3的径向距离匀速进给；同时控制预成形旋轮2与预成形芯模3的间隙，采用多道次成形轨迹4碾压板坯1控制板坯1沿径向距离的壁厚分布，直到板坯1成形结束，制得预制坯；

第4步：将制得的预制坯通过定位销安装固定在目标芯模上，把旋压碾压过的板坯面与目标芯模定位接触；启动芯模驱动单元，旋压旋轮按照设定的轨迹轴向和径向进给，从目标芯模的小端沿着母线运动至目标芯模的大端，当预制坯完全成形至完全贴合目标芯模后，旋压成形结束。

本发明的整个成形过程包括为两个阶段，即预成形阶段和旋压成形阶段，初始板坯经过预成型阶段制得变厚度板坯，变厚度板坯用于旋压成形阶段制得最终目标零件，在两个阶段需要更换芯模(即预成形芯模、目标芯模)和旋轮(即预成形旋轮、旋压旋轮)，可在同一机床上按时间顺序进行。

下面通过两个实施例对成形工艺作进一步说明。

实施例一：

如图5所示，图中的成形轨迹4为变间隙曲线形状，在板坯1的下方为预成型芯模3，预成型芯模3和尾顶5带动板坯1旋转，旋轮驱动单元带动预成形旋轮2沿着板坯1径向进给，为使板坯1成形时有良好的塑性流动，成形轨迹4进给时采用循序渐进的加载方式，如此往复碾压板坯1得到变厚度板坯，成形过程中板坯1的边缘由板坯夹持单元6所夹持，防止翘曲。

实施例二：

如图6所示，本实施例与上述的实施例一基本相同，不同的是，本实施例中的预成型芯模3为圆弧形型面芯模，预成形旋轮2在板坯1上进行碾压成形时，成形轨迹4的间隙是沿着弧形法向的距离，这种旋制变厚度板坯的方法，使得成型后得到带有预成型的变厚度板坯。

本发明简化了板坯预成型的工艺，并有效提高材料利用率，其制造精度也得到保障；更合理的分配板坯的壁厚，避免剪旋和普旋工艺所带来的壁厚不均的现象，有利于提高法兰的抗失稳能力，有效的改善了旋压构件的成形精度；变形方式更加灵活多变，自动化程度高，能够同时兼顾板坯成形的精度和效率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。