一种在复杂曲面空心封闭零件上向外翻制直边孔的装置及方法与流程

本发明涉及板管类零件精密成形技术领域，具体为一种在复杂曲面空心封闭零件上向外翻制直边孔的装置及方法。

背景技术：

封闭的管状、板状或者其他形状空心构件与其他零件连接时通常需要翻制直边孔，翻孔通常包括装配孔、定位孔、电泳涂漆孔等，该种带有直边孔的零件广泛应用与航空、航天、核电以及汽车制造业等领域，例如汽车副车架即为典型的空心零件上翻制各种类型孔与其他部件连接，通常采用内高压工艺成形管件，然后液压冲孔的方式成形翻孔，再例如核电行业应用环形管件上加工多个向外直边翻孔的方式与其他部件进行后续焊接，用以传导液态介质进行能量交换。

而传统工艺主要有普通冲头直接冲孔、薄壁管无模渐进翻孔等。对于封闭的管状或者其他异形空心构件翻孔时，常采用普通冲孔方法由管件外侧直接冲孔，中国专利申请CN201510360700.6公布了此种工艺成形方法，但问题是该成形工艺只能实现向内翻孔，而无法实现空心封闭零件向外翻孔，而空心封闭零件通常需要与外部其他部件进行焊接等连接方式，需要向外的翻孔侧壁作为连接媒介；并且复杂曲面的翻孔，由于翻孔基面带有弧度和一定的拐角，不同位置的材料翻孔后应变量不同，瞬时的冲头直接翻孔会造成翻孔边缘局部开裂，影响产品的刚度和使用寿命。

中国专利申请CN201510167803.0公布了一种采用无模渐进的翻孔工艺，该方法通过直径较小的工具头的高速自转运动和相匹配的围绕翻孔中心轴的周向运动，以局部小面积接触的方式逐渐成形翻孔，该技术能够成形普通工艺很难实现的复杂表面的翻孔，但是其成形效率低，成形工具运动复杂，且对辅助设备要求较高，另外，局部非对称单点接触状态造成翻孔区受力不均匀、成形精度难以保证等问题。

此外，以上两种工艺方法中，翻孔装置与零件之间的摩擦方式均为滑动摩擦，摩擦力较大，摩擦条件较差，容易造成翻孔内壁划伤和尺寸精度差等问题。另外较大的摩擦力会伴随着相应的摩擦热，该热量积累到一定程度会加剧翻孔侧壁材料氧化，降低零件表面质量和孔壁耐腐蚀性能等问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术在翻孔工艺中，尤其是在空心封闭零件上翻孔时存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种在复杂曲面空心封闭零件上向外翻制直边孔的装置及方法，本发明翻孔方式独特、成形装置简单、生产效率高、成形质量优异、加工难度低。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种在复杂曲面空心封闭零件上向外翻制直边孔的装置，该装置为机械组合结构，包括滚针套、滚针和芯轴；其中：所述滚针套套装于所述芯轴外侧，滚针套的侧壁上开有四个周向均匀分布的型腔，该型腔内放置所述滚针并对所述滚针进行限位；所述芯轴与所述滚针的侧表面相接触；所述芯轴在机床的带动下进行自转和轴向进给，芯轴自转带动滚针套和滚针以芯轴为中心转动，同时滚针在芯轴与零件孔壁摩擦力的作用进行自转，滚针套、滚针和芯轴三者的配合作用下实现在空心封闭零件的预制鼓包上完成翻孔。

所述滚针为一体成形结构，由下部的滚针圆柱段与上部的滚针锥形段组成，滚针圆柱段用于翻制圆孔，滚针锥形段用于对翻孔进行校形；工作时，滚针侧表面与滚针套和芯轴相互接触完成装置的旋转运动和轴向进给。

所述芯轴是由锥角不同的两个锥形段组成，分别是芯轴锥形段Ⅰ和芯轴锥形段Ⅱ，其中：芯轴锥形段Ⅰ用于与滚针锥形段接触配合，芯轴锥形段Ⅱ用于与滚针圆柱段接触配合；所述芯轴与滚针套相配合实现对滚针的约束限制。

该装置锥形段的锥形角和零件受力情况满足关系式(1)：

σ_f＝μσ_N(0<μ<1)；

关系式(1)中：σ_f为装置锥形段与孔壁之间的摩擦力，σ_N为装置锥形段对孔壁的压应力，σ_s为零件材料的屈服应力，θ为该装置锥形段的锥形角，μ为装置锥形段与孔壁之间摩擦系数；所述装置锥形段是指芯轴锥形段Ⅱ对应的装置部分，所述装置锥形段的锥形角即为芯轴锥形段Ⅱ的锥角(锥形面与轴向夹角)。通过关系式(1)限定了零件预制鼓包上翻孔轴向所受应力要小于零件材料的屈服应力，在该条件下能够实现在零件的预制鼓包上向外翻制直边孔，且不压塌孔侧壁。

该装置中，所述芯轴的中上部开有环形槽，用于存储润滑油，实现装置的有效润滑。

所述翻孔是指该装置与待加工零件之间通过瞬时局部四点接触，配合以装置的高速自转运动，装置随时间逐渐进给，逐步完成翻孔工艺。采用上述装置在复杂曲面空心封闭零件上向外翻制直边孔的方法，具体包括如下步骤：

(1)采用液压成形等方式在空心封闭零件上成形出结构和尺寸符合要求的预制鼓包；

(2)根据预制鼓包的结构尺寸和所翻孔的尺寸数据计算出芯轴锥形段Ⅰ和芯轴锥形段Ⅱ的锥形角、滚针锥形段长度、滚针圆柱段长度参数；

(3)将待翻孔零件固定于工作台上，并使预开孔中心对准芯轴轴线；

(4)使该装置的芯轴旋转并向下轴向进给，使滚针圆柱段与零件待加工部位接触，逐渐翻制圆孔；

(5)继续保持翻孔装置轴向进给(对翻孔装置提供轴向动力)，待滚针锥形段与已经翻起的直壁孔完全接触后，保持装置的旋转运动8～10s，实现进一步定径和校形；

(6)反向提拉翻孔装置，使其逐渐脱离零件，完成翻孔工艺过程，取出加工零件。

上述翻孔过程中，所述成形装置中芯轴为主动机构，而滚针是在成形材料和芯轴的共同的压力和摩擦力作用下发生自转和绕芯轴的公转运动，滚针套是在滚针的公转作用下被推动着与芯轴同向异速自转。

本发明的有益效果如下：

1、本发明中的翻孔装置与零件之间的接触状态为滚动摩擦，相对于传统的滑动摩擦接触方式，其摩擦状态有明显改善，有利于提高翻孔内表面的成形质量和精度，采用四个滚针与零件局部接触变形的方式，可以有效降低翻孔过程所需成形力，实现渐进成形的效果，可以改善变形区受力状态，降低因装置与零件全部接触而产生的额外温升作用。

2、本发明装置为径向对称结构，装置与翻孔对称接触，改善传统工艺中非对称接触的缺陷，防止变形过程中变形区孔壁的失稳，提高所翻制圆孔的圆度和尺寸精度。

3、本发明装置的结构简易，由几个简单形状部件组成，装置运动形式单一，只需提供绕中心轴的旋转运动和轴向进给，大大降低对配套设备的操控要求；生产效率较高，翻孔装置与零件之间实现滚动摩擦，可以实现较高速度的旋转运动，配合较大的轴向进给，可以进一步提高生产效率。

附图说明

图1为本发明在复杂曲面空心封闭零件上向外翻制直边孔的装置结构示意图；其中：(a)主视图；(b)仰视图；(c)轴向剖视图，(d)芯轴两个锥形段主视图。

图2是本发明装置在曲面空心零件上向外翻制直边孔的整体示意图。

图3是带有预制鼓包的封闭式复杂曲面空心构件上向外翻直壁孔能够实现所应该满足的条件和工作原理图。

图4是实施例1中预制鼓包上向外翻孔的工艺流程图；其中：(a)为翻孔装置对准中心轴位置工步；(b)为翻孔装置向下轴向进给逐步翻孔工步；(c)为翻孔装置对翻孔侧壁进行校形工步；(d)为成形结束翻孔装置反向退出已加工零件表面；图(a)-(d)中：左图和右图为不同视角的剖面图。

图中：1-翻孔装置；2-预制鼓包；11-滚针套；12-滚针；121-滚针锥形段；122-滚针圆柱段；13-芯轴；131-芯轴锥形段Ⅰ；132-芯轴锥形段Ⅱ；3-初始坯料；4-夹具。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做详细说明。但是本发明并不限于下述具体实施方式。

本发明为在复杂曲面空心封闭零件上向外翻制直边孔的装置，即翻孔装置1，其结构如图1所示。该翻孔装置1包括滚针套11、滚针12和芯轴13；滚针套11套装于芯轴13外侧，滚针套11的侧壁上开有四个周向均匀分布的型腔，型腔内放置所述滚针12并对滚针12限位，保证工作过程中滚针能够绕着自身的旋转轴自转，防止滚针沿周向或者轴向来回任意窜动；所述芯轴13与所述滚针12的侧表面相接触，芯轴13在机床的带动下进行自转和轴向进给，芯轴13自转带动滚针套11和滚针12以芯轴为中心转动(公转)，同时滚针12在芯轴13与零件孔壁摩擦力的作用进行自转，滚针套11、滚针12和芯轴13三者的配合作用下实现在零件的预制鼓包2上完成翻孔。

所述滚针为一体成形结构，由下部的滚针圆柱段122与上部的滚针锥形段121组成，滚针圆柱段122用于翻制圆孔，滚针锥形段121用于对翻孔进行校形；所述芯轴为该装置自转的动力来源，芯轴在机床的旋转带动下产生自转运动；芯轴是由锥角不同的两个锥形段组成，分别是芯轴锥形段Ⅰ131和芯轴锥形段Ⅱ132，芯轴锥形段Ⅰ131用于与滚针锥形段121接触配合，芯轴锥形段Ⅱ132用于与滚针圆柱段122接触配合；芯轴与滚针套相配合实现对滚针的约束限制。所述芯轴的中上部开有环形槽，用于存储润滑油，实现装置的有效润滑；在外部轴向力增大的过程中，滚针套向上运动进一步锁紧芯轴和滚针，可以实现芯轴与滚针的充分接触，完成翻孔成形。

该装置锥形段的锥形角和零件受力情况满足关系式(1)：

σ_f＝μσ_N(0<μ<1)；

关系式(1)中：σ_f为装置锥形段与孔壁之间的摩擦力，σ_N为装置锥形段对孔壁的压应力，σ_s为零件材料的屈服应力，θ为该装置锥形段的锥形角，μ为装置锥形段与孔壁之间摩擦系数；所述装置锥形段是指芯轴锥形段Ⅱ对应的装置部分，所述装置锥形段的锥形角即为芯轴锥形段Ⅱ的锥角(锥形面与轴向夹角)。所述装置能够实现预制鼓包上的向外翻孔，不受封闭空心件内部空间狭小的限制，成形效果显著。该装置与待加工零件之间属于连续的点接触(瞬时局部四点接触)，配合以装置的高速自转运动，装置随时间逐渐进给，完成翻孔渐进成形，最终完成翻孔。

采用上述装置在复杂曲面空心封闭零件上向外翻制直边孔的示意图如图2，翻孔过程如下：

(1)采用液压成形等方式成形出结构和尺寸符合要求的预制鼓包；

(2)根据预制鼓包的结构尺寸和所翻孔的尺寸数据计算出芯轴锥形段Ⅰ和芯轴锥形段Ⅱ的锥形角、滚针锥形段长度、滚针圆柱段长度参数；

(3)将待翻孔零件固定于工作台上，并使预开孔中心对准芯轴轴线；

(4)使该装置的芯轴旋转并向下轴向进给，使滚针圆柱段与零件待加工部位接触，逐渐翻制圆孔；

(5)继续保持翻孔装置轴向进给(对翻孔装置提供轴向动力)，待滚针锥形段与已经翻起的直壁孔完全接触后，保持装置的旋转运动8～10s，实现进一步定径和校形；

(6)反向提拉翻孔装置，使其逐渐脱离零件，完成翻孔工艺过程，取出加工零件。

实施例1：

本实施例中待翻孔工件为空心封闭零件，并且表面为空间曲面结构，具体为环形封闭管坯(图2)。进行翻孔工艺之前，在适当的内高压成形工艺的配合下，对环形封闭管坯进行模具约束状态下的液压胀形，预制翻孔用鼓包，并且保持翻孔装置1轴线与翻孔轴线重合。为了保证该装置对预制鼓包零件的正常向外翻孔，如图3预制鼓包上向外翻孔装置工作原理图所示，所述装置需满足关系式σ_f＝μσ_N(0<μ<1)；即防止孔被翻起之前被装置轴向压塌失效，只有沿着径向有足够的支撑力分量时才能实现预制鼓包向外翻孔。图1为本实施例装置优选的二维结构示意图，该装置为径向对称结构，由图1可知，滚针套11上下两端为环形封闭结构，中部开有四个均布的滚针限制孔，使用时将四个滚针12从芯部装入滚针套11的内部，通过滚针限制孔约束其径向位移，滚针限制孔与滚针12之间为滑动摩擦，由润滑油提供润滑；芯轴13穿过滚针套11的芯部，在滚针套11的锥形限制作用下芯轴13达到轴向极限位置，芯轴13的两个锥形段与四个滚针12的外表面充分接触，芯轴13和滚针套11上部通过螺纹方式进行连接。如图4为预制鼓包上向外翻孔工艺流程，首先应用液压成形等方式加工出结构和尺寸符合要求的预制鼓包；然后根据预制鼓包的结构尺寸、预开孔的直径、翻孔高度等数据计算出装置的关键参数，主要有芯轴锥形段Ⅰ的锥形角、芯轴锥形段Ⅱ的锥形角、滚针锥形段长度和滚针圆柱段长度参数，选用相应规格尺寸的翻孔装置；应用相应的夹具4将初始坯料3固定在工作台上，调整装夹有翻孔装置的设备使装置轴线与翻孔预制孔的轴线相重合；开动设备提供装置所需的旋转运动和轴向向下进给，待装置锥形段(芯轴锥形段Ⅱ所处部分)外表面接触预制鼓包的上边缘后，适当调整轴向进给速度，在滚针12的自转和公转配合作用下，预制带开口的鼓包边缘沿径向向外扩展，翻孔不断进行；待翻孔装置的上部圆柱段(芯轴锥形段Ⅰ所处部分)与鼓包内壁接触时，停止轴向进给，保持芯轴旋转8～10s，对翻孔内壁进行校形；校形结束后调转轴向进给方向，使滚针脱离已经翻制孔的内壁，停止装置的旋转和轴向运动，松开夹具取下已加工零件。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。