本发明属于薄辐板厚轮缘盘形件加工方法领域，更具体地，涉及一种多道次旋压堆积增厚成形方法。
背景技术：
随着汽车产业的不断发展，出于节能和环保的需求，汽车零部件的轻量化设计已经成为极其重要的一环。汽车轻量化，即在保证汽车使用性能和品质不受影响的前提下，尽可能的降低汽车的整体质量，从而提高汽车的动力性等。汽车轻量化设计主要在体现在结构优化设计、材料轻量化以及先进制造工艺的应用等三个方面。
对于辐板薄轮缘厚的这一类盘形件，其边缘部位较厚保证了盘形件轮缘部分的强度，同时其中间部位较薄可以减小零件整体尺寸和质量，优化了零件结构，实现了零部件的轻量化设计。但这种薄辐板厚轮缘盘形件由于其结构的特殊性，加工工艺往往极其复杂，这不仅导致材料利用率低，而且加工工序繁多、效率低下，因此制造工艺急需提高。
目前，常见的圆形板料局部增厚方法有c.j.tan提出的拉深-挤压两步成形方法实现局部增厚，即先通过拉深使板料形成凸起，再用平底模具压平实现局部区域增厚的目的；除此之外，夏琴香等人提出一种采用侧壁增厚的多楔带轮旋压成形工艺，将该过程分成预成形、腰鼓成形及增厚成形三个工步进行旋压成形得到侧壁增厚多楔带轮；专利cn201010518349.6公开了一种圆形板料环形外缘增厚方法，该方法利用旋轮的进给作用来挤压材料实现材料从外缘开始逐渐增厚从而得到了中间薄边缘厚的环形件，但这种方法也存在坯料悬臂过长，成形中易出现失稳屈曲，从而影响旋压成形件的质量甚至导致成形失效；专利201310421324.8公开了一种薄底厚外缘的盘类零件的成形方法，该方法将旋轮的形状设定为梯形，虽然也是多道次的成形方式，但是每道次的成形无法控制变形量，也无法控制变形的方向，最终成形的零件存在厚度不均匀，局部增厚厚度不足，且稳定性差等问题。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多道次旋压堆积增厚成形方法，通过对旋压成形过程中的关键组件旋轮的型槽结构进行设计，其目的在于控制过程中每一道次的材料变形量，并实现成形方向和区域增厚的优化，由此解决成形零件稳定性不足、厚度不均和成形质量差的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种多道次旋压堆积增厚成形方法，其特征在于，该成形方法包括下列步骤：
将待加工坯料置于旋压机压盘上并使得其位于旋压机的中心，所述旋压机压紧待加工坯料后带动该待加工坯料旋转，同时，采用旋轮沿该待加工坯料的径向进给并挤压该待加工坯料，以此使得待加工坯料增厚；
该增厚过程分为多个道次，每个道次采用不同的旋轮进行增厚，每个旋轮侧面均设置有向内的型槽，不同道次的旋轮其型槽形状不同，使得每个道次按照型槽的形状增厚待加工板料，其中，每个道次的旋轮型槽均可以由内到外划分为三个部分，每个部分的截面均为内窄外宽的梯形，且前一个梯形的下底面作为下一个梯形的上顶面，第一部分的截面梯形的上顶面为待加工板料的初始厚度，第三个部分截面的梯形的下底面为待加工板料最终所需的厚度；通过多道次逐次增厚的方法实现待加工坯料从内侧向外缘逐渐增厚。
进一步优选地，所述旋轮分多道次的进给待加工坯料时，每次进给的行程长度逐渐减小，以此使得每一道次进给体积增大的部分较前一道次小。
进一步优选地，所述第一部分和第三部分截面梯形侧腰倾角取值范围为2°～6°。
进一步优选地，所述第二部分截面梯形侧腰倾角取值范围为20°～90°。
进一步优选地，所述待加工板料旋转时的转速范围为200rpm～500rpm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明对旋轮型槽形状进行特殊设计使增厚成形由坯料内侧向外侧进行，在型槽底部第一梯形的底面宽度与坯料初始厚度相同，在成形过程中起夹持坯料的作用，有效地避免成形过程中由于坯料半径太大造成的失稳屈曲现象，进而改善旋压增厚件的成形质量；
2、本发明对旋轮型槽第三部分、第二部分和第一部分设置为梯形，第二部分介于第一部分和第三部分之间，且第三梯形的底面宽度即为最终板料所需成型的厚度，通过不断扩张第三部分的体积实现板料的逐渐增厚，使得增厚方向由内侧至外侧逐渐变化，实现增厚方向可控，同时每次增厚的量可控，由此实现整个增厚过程的可控化，提高成形质量；
3、本发明提供的多道次堆积增厚的成形方式优化了增厚成形过程中每一道次的增厚变形区域，可以有效地提高极限增厚比，同时多次塑性变形可以细化晶粒，改善材料内部组织，从而提高旋压增厚件的使用性能。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的多道次旋压堆积增厚成形方法的成形过程结构示意图；
图2(a)是按照本发明的优选实施例所构建的待加工板料初始形态；
图2(b)是按照本发明的优选实施例所构建的待加工板料最终成形的形态以及各道次分别增厚的区域；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的多道次旋压堆积增厚成形方法的成形过程工艺流程图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的多道次旋压堆积增厚成形方法的旋轮型槽梯形分区示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的多道次旋压堆积增厚成形方法的成形过程结构示意图，如图1所示，一种多道次由内到外逐渐堆积的旋压增厚成形方法，其主要用来将等厚度的圆形薄板进行多次边缘增厚成形得到辐板部分薄轮缘部分较厚的不等厚盘形件。下面将具体解释本发明方法多道次逐渐堆积旋压增厚成形方法的实现过程。
本发明的成形模具装配图如图1所示，圆形坯料平放在下压盘上，并通过中心孔定位在内顶杆上，主轴推动上压盘向下运动压实坯料，上下压盘和夹紧坯料并一起高速转动，与此同时，水平对齐的旋轮沿径向匀速进给挤压坯料至指定位置，进给过程中旋轮会在坯料的带动下被动旋转，随后旋轮退出。由于本发明方法是多道次成形，因而有多个形状尺寸不同的旋轮，在整个成形过程中，多个旋轮依次分布在坯料周围，并按照系统上事先设定的动作依次进给，每个旋轮动作完成之后均迅速退出到安全区域。具体的步骤如下：
一种多道次由内到外逐渐旋压堆积增厚成形方法，其主要原理是依据坯料在变形过程中总体积保持不变，即保持旋轮型槽体积和坯料体积相等，由此来设计旋轮型槽尺寸，具体成形步骤如下：
(1)将圆形坯料通过中心孔定位放置在立式旋压机下压盘上，并保证坯料中心位于旋压机主轴中心线上。
(2)上压盘向下压紧坯料，并带动圆形坯料一起高速转动，旋压机主轴压力为20mpa，坯料转速一般设定在200rpm到500rpm之间。
(3)旋轮沿径向进给挤压坯料，同时在摩擦力的作用下反向转动，材料在旋轮的挤压下向内流动，同时由于旋轮型槽的限制，材料在向内流动的同时也会逐渐往厚度方向流动，形成旋压增厚成形。
(4)由于旋轮型槽的特殊结构，如图1所示，在型槽底部厚度方向的尺寸变化很小，而在型槽开口处尺寸变化较大，因此材料在变形过程中迅速充满型槽底部，主要变形区域集中在型槽开口处，也就是板料内部靠近压盘的区域，而在外缘区域坯料变形很小。
(5)由于本发明采用的是多道次旋压堆积增厚成形方法，当旋轮1进给完成后会迅速向外移动退出工作区域，改用旋轮2进给完成第二道次的成形，接着旋轮2退出旋轮3开始工作，如此一直进行下去直至所有旋轮全部工作完成。
(6)成形前各个旋轮沿周向分布在圆形坯料的四周，成形开始后各个旋轮按照事先设定好的程序依次进给，完成各自道次的成形，最终得到满足要求的旋压增厚成形件。
本实例中采用的初始坯料为厚2.5mm，内径50mm，外径300mm的圆形板材，图2(a)是按照本发明的优选实施例所构建的待加工板料初始形态，如图2(a)所示，所需要成形得到的目标旋压增厚零件为辐板部分厚2.5mm，内径50mm，外径200mm，轮缘部分厚12mm，宽13mm，倾角3°的盘形件，图2(b)是按照本发明的优选实施例所构建的待加工板料最终成形的形态以及各道次分别增厚的区域，如图2(b)所示，其中直径50mm的内孔用于成形过程中坯料的安装定位，目标件设置3°倾角以避免成形过程中旋轮型槽刮伤坯料表面，图中放大2倍的图可以看出每道次成形的区域，其中标注的1、2、3和4分别代表每道次增厚的区域。
图3是按照本发明的优选实施例所构建的多道次旋压堆积增厚成形方法的成形过程工艺流程图，如图3所示，根据坯料在塑性变形过程中体积保持不变的特点，坯料初始体积应等于旋轮进给完成后旋轮型腔可容纳的坯料体积，由此设计多道次逐渐堆积旋压增厚成形过程中各道次的旋轮型槽尺寸，本实例中采用的是道次数为4，依据体积相等原理设计得到四个道次中使用的增厚旋轮分别如图3(a)、3(b)、3(c)和3(d)中所示。将实例中的圆形坯料分四道次逐渐堆积旋压增厚成形的具体实施步骤如下：
(1)将厚度为2.5mm，直径为300mm的圆形板料平放在立式旋压机的下压盘上，并通过直径为50mm的中心孔定位在下顶杆上以保证坯料中心在旋压机主轴中心线上；
(2)主轴推动上压盘向下运动以压紧坯料，上下压盘同时旋转并带动圆形坯料一起转动，上下压盘的直径为200mm，主轴压力设定为20mpa，坯料转速设定为300rpm；
(3)旋轮沿径向进给挤压坯料，使材料在型槽的约束下不断沿径向和厚度方向流动，形成旋压增厚成形，设置旋轮进给速度为5mm/s。
(4)由于旋轮型槽的特殊结构，如图1所示，在型槽底部厚度方向的尺寸变化很小，而在型槽开口处尺寸变化较大，因此材料在变形过程中迅速充满型槽底部，主要变形区域集中在型槽开口处，也就是板料内部靠近压盘的区域，而在外缘区域坯料变形很小。
(5)旋轮不断径向进给直至贴近压盘外沿，此时进给结束，旋轮1型槽充填完毕，此时对应的旋压增厚件中区域1充型完毕，在第一道次的成形过程中，旋轮的径向进给距离为s1＝(d-d1)/2-l1＝(300-200)/2-28.8＝21.2mm。
(6)当旋压第一道次完成后，旋轮迅速向外移动退出工作空间，工作第一道次的旋轮改为第二道次的旋轮，在旋轮同样按照事先设定好的速度和行程沿径向挤压坯料，在此过程中，对应的旋压增厚件中区域2完成充型，对于第二道次，旋轮沿径向的有效进给距离为s2＝l1-l2＝28.8-22＝6.8mm。
(7)当旋压第二道次完成后，第二道次的旋轮退出，第三道次的旋轮开始工作，材料在旋轮的挤压下流动变形将旋压增厚件中的区域3充满，在第三道次中，旋轮3沿径向的有效进给距离为s3＝l2-l3＝22-16.6＝5.4mm。
(8)在进行最后一道次的成形过程中，所用第四道次的旋轮的型槽形状与前几道次的旋轮形状有所不同，型槽底部不设计深凹的开口，而是设计成与目标旋压件轮廓一致的形状，在成形过程中，最后一道次的主要作用是将成形件的底部压平并充填旋压增厚件中最后的区域4，在第四道次中，旋轮沿径向的有效进给距离为s4＝l3-l4＝16.6-13＝3.6mm。
(9)当旋轮进给到与上下压盘外缘接触时，整个增厚过程成形完成。旋轮快速退出，上下主轴停止转动，上压盘向上运动释放坯料，得到中间薄边缘厚的旋压增厚件。
通过上述具体步骤可以看出，在多道次旋压堆积增厚成形过程中，每一道次旋轮的进给行程相对于上一道次逐渐减小，这保证了多道次成形过程中每一道次坯料的变形体积逐渐减小，坯料在每一道次的变形程度也逐渐减小，符合多道次成形基本特征。
下面根据上述实例中所描绘的多道次旋压增厚堆积成形过程，详细阐述本发明中相关的参数设计。
对于本实例中的厚2.5mm，内径50mm，外径300mm的圆形坯料而言，考虑到坯料的尺寸较大，且整体增厚的程度也较大，因而设置成形总道次n＝4次。依据每一道次的成形过程中坯料体积始终与型槽容积相等，且保证每一道次相比于上一道次坯料的变形体积越来越小，来进行旋轮型槽尺寸的设计。从上述实例中不难看出，对于前n-1道次的堆积成形，旋轮型槽总可以描述成如图4所示的形状，而第n道次的堆积成形中，旋轮型槽总是与目标件轮廓一致。对于如图4所示的型槽形状，我们可以将其分成3个区域，厚度保持区、中间过渡区和增厚完成区，分别如图4中标记的区域1、2、3所示，1代表厚度保持区，2代表中间过渡区，3代表增厚完成区。成形刚开始时，旋轮槽底先与坯料接触，在这一区域的坯料厚度基本保持不变，只是为了避免坯料表面被型槽刮伤而设置了较小的倾角α，倾角α的取值一般较小，在2°到6°之间，且每一道次保持不变或者略微增大。材料流动很快就充满厚度保持区，然后沿着中间过渡区的斜面逐渐充型，最后到达增厚完成区。中间过渡区设置一个比较大的斜角便于材料不断沿着斜面填充，中间过渡区的斜角一般取20°到90°之间。增厚完成区的厚度与目标增厚件的厚度相同，随着成形道次的不断增多，增厚成形区的宽度越来越大，直至将整个增厚区域完全充型完成。各个道次型槽各区域的宽度尺寸可以直接根据已经确定的参数通过体积相等的方法计算出大致的取值范围即可。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。