一种半椭球封头旋压成型装置的制作方法

本发明属于装备制造中的三边不等半椭球封头制造技术领域，涉及一种半椭球封头旋压成型装置。

背景技术：

异形压力容器多用于车载移动式容器以及压力较低的锅炉等。椭圆柱容器主要是由椭圆柱筒体和左、右两个三边不等半椭球封头组成，其尺寸较大，一般椭圆长轴多为2000～3000mm。

三边不等半椭球封头与椭圆封头的区别是：

一是在强度要求上，由于异形容器耐压性能较差，适用于压力较低的场合，故其壁厚较薄；

二是目前在成型上，对于三边不等半椭球封头时，它不同于椭圆封头，其旋压截面也是椭圆的，在旋压每一个椭圆截面时，随着旋压点在该旋压截面椭圆上位置的变化，旋压点与椭圆中心之间的距离是变化的，这一点给旋压带来了很大的困难，目前半椭球封头常用多次冲压成型法成型，就需要设计制作较大型的多个冲压模具，模具制作量大，既耗材又费时，同时由于其结构复杂，冲压时受力、变形更不均匀，更容易产生缺陷，难以保证质量。

三是在形状上，椭圆封头上与其中心线垂直的截面是圆形，而三边不等半椭球封头上与其中心线垂直的截面也都是椭圆形的；

因此，三边不等半椭球封头相较于传统的椭圆封头成型较为困难，需要设计一种专门用于半椭球封头的旋压成型装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种半椭球封头旋压成型装置，解决了目前三边不等半椭球封头旋压成型困难的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种半椭球封头旋压成型装置，包括固定基座，固定基座上配合设有移动梁，移动梁上分别设有水平移动机构和主轴旋转机构，移动梁可随着水平移动机构在水平方向移动，主轴旋转机构上设有三边不等的半椭球封头内胎，三边不等的半椭球封头内胎上方设有对料坯起压紧作用的压紧机构，压紧机构的一侧设有对料坯进行旋压的旋压机构。

本发明的特点还在于，

固定基座中心处设有滑槽，移动梁的底部设有滑块，滑块与滑槽配合。

水平移动机构包括丝杠，丝杠水平穿套在滑块中，且丝杠的两端分别通过固定基座支撑，丝杠的一端连接有伺服电机b，伺服电机b安装在支架上。

主轴旋转机构包括主轴，主轴竖直设置在移动梁中部，主轴的下端安装有伺服电机a，主轴的上端设有三边不等的半椭球封头内胎，伺服电机a通过主轴盖安装在固定基座上。

压紧机构包括液压缸a，液压缸a的活塞杆a伸缩端端部通过球型接头连接压头，压头与半椭球封头内胎配合对料坯进行压紧，旋压时，料坯设置在压头和半椭球封头内胎之间，移动梁的上方设有支撑框架，液压缸设置在支撑框架的中部。

旋压机构包括液压缸b，液压缸b的活塞杆b伸缩端端部设有旋压辊，通过旋压辊对料坯进行旋压，固定基座的一侧连接有c形支座，c形支座的一端连接在固定基座上，液压缸b设置在c形支座的另一端。

本发明的有益效果如下：

1.本发明采用有模旋压，即采用半椭球形内模，旋压时，首先要把料坯压紧在内模上；

2.特制的固定基座，在固定基座上设置滑槽，在移动梁的底部设置滑块，滑块与滑槽配合，且滑块中水平穿套有丝杠，伺服电机驱动丝杠旋转带动移动梁在固定基座的滑槽中移动；固定基座的上部还设置了只能实现垂直运动的旋压机构；

3.在框架式移动梁中下部，设置了主轴以及用于主轴轴向定位以及固定伺服电机a的主轴盖，伺服电机安装在主轴盖上并能驱动主轴旋转，在主轴的上部设置了半椭球形的内胎；在移动梁上部，设置有只能实现垂直运动的液压缸b，液压缸b通过活塞杆b实现旋压辊的压紧功能。

4.旋压机构中的液压缸b由液压伺服系统控制，实现旋压辊的旋压精度。

附图说明

图1是本发明一种半椭球封头旋压成型装置的主视图；

图2是本发明一种半椭球封头旋压成型装置的侧视图；

图3(a)、(b)是采用本发明一种半椭球封头旋压成型装置的旋压成型方法中建立的三边不等椭球壳方程示意图；

图4是是采用本发明一种半椭球封头旋压成型装置的旋压成型方法中椭圆截面的分层示意图。

图中，1.固定基座，2.移动梁，3.丝杠，4主轴，5.半椭球封头内胎，6.料坯，7.压头，8.球型接头，9.活塞杆a，10.液压缸a，11.主轴盖，12.伺服电机a，13旋压辊，14.活塞杆b，15.液压缸b，16.伺服电机b，17.支架，18.滑槽，19.滑块，20.支撑框架，21.c形支座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种半椭球封头旋压成型装置，结构如图1、2所示，包括固定基座1，固定基座1中心处设有滑槽18，固定基座1上配合设有移动梁2，移动梁2的底部设有滑块19，滑块19与滑槽18配合，滑块19中水平穿套有丝杠3，移动梁2可沿着丝杠3在水平方向移动，丝杠3的两端分别通过固定基座1支撑，丝杠3的一端连接有伺服电机b16，伺服电机b16安装在支架17上；

移动梁2的中部沿竖直方向设有主轴4，主轴4与丝杠3在移动梁2上错开设置，主轴4的下端安装有伺服电机a12，主轴4的上端设有三边不等的半椭球封头内胎5(三边不等指的是椭球的同一平面内的水平方向半径x、纵向方向y及空间高度方向半径z三者均不相等)；伺服电机a12通过主轴盖11安装在固定基座1上。

移动梁2的上方设有支撑框架20，支撑框架20的中部设有活塞杆朝下设置的液压缸a10，液压缸a10的活塞杆a9伸缩端端部通过球型接头8连接压头7，压头7与半椭球封头内胎5配合对料坯6进行压紧，旋压时，料坯6设置在压头7和半椭球封头内胎5之间。

固定基座1的一侧连接有c形支座21，c形支座21的一端连接在固定基座1上，c形支座21的另一端下侧设有活塞杆朝下设置的液压缸b15，液压缸b15的活塞杆b14伸缩端端部设有旋压辊13，通过旋压辊13对料坯6进行旋压。

本发明一种半椭球封头旋压成型装置的工作过程为，工作时，伺服电机b16驱动丝杠3旋转，推动移动梁2上的滑块19在固定基座1的滑槽18中移动，带动主轴4到工作位置，也就是第一旋压层的基准点位置(该基准点位置第一层截面椭圆长轴右侧顶点)，把料坯6对中放到内胎5上，液压缸a10通过活塞杆a9，带动压头7(活塞杆a9通过球型接头8与压头7连接)压紧料坯6，并使料坯6在压头7和内胎5的共同作用下顶部局部成型，伺服电机b16驱动丝杠3带动移动梁2移动，来实现主轴4、内胎5、料坯6的移动，使第一层旋压截面层时，第一层椭圆截面基准点的位置处于旋压辊13的水平投影位置，然后再通过伺服液压系统控制液压缸b15、活塞杆b14带动旋压辊13垂直向下移动到设定位置压紧料坯6；然后伺服电机a12旋转带动主轴4、内胎5、料坯6以及压头7旋转，这时旋压辊13就开始形成对料坯6的旋压；

在旋压过程中，旋压辊13位置不变，而由伺服电机b16驱动丝杠3带动移动梁2移动，来实现主轴4、内胎5、料坯6随移动梁2的移动，实现主轴4在水平面位置的变化要求。

料坯6的第一层旋压旋转一周，第一层旋压完成之后，旋压停止，伺服电机b16驱动丝杠3带动移动梁2移动，来实现主轴4、内胎5、料坯6的移动，使第二层旋压截面层时，第二层椭圆截面的基准点位置处于旋压辊13的水平投影位置，然后旋压辊13垂直下移到旋压位置，同理实现料坯6的第二旋压层的旋压。以此类推，实现整个封头各个旋压层的旋压，也就实现了封头的旋压。

旋压结束，伺服电机b16驱动丝杠3旋转推动移动梁2在固定基座1的滑槽18中移动，带动主轴4离开旋压区，卸下旋压好的封头。

整个过程由cnc数控系统进行控制。结构简单，操作方便，效率高，装置结构紧凑。

采用本发明一种半椭球封头旋压成型装置的旋压成型方法，具体包括如下步骤：

步骤1，建立三边不等椭球壳方程，具体为：

x²/a²+y²/b²+z²/c²＝1(1)；

其中，a≠b≠c；a表示椭球壳在x轴上距中心点的距离；b表示椭球壳在y轴方向上距中心点的距离，c表示椭球壳在z轴方向上距中心点的距离；

设a＝1000，b＝800，c＝500，参见图3(a)、图3(b)，三边不等椭球壳方程可以写成：

x²/1000²+y²/800²+z²/500²＝1，z∈[0,500](2)；

步骤2，根据步骤1建立的三边不等椭球壳方程求任意单个椭圆截面的方程，具体过程如下：

设单个椭圆截面为1-1′，设截面1-1′的z轴尺寸是z＝c1，将z＝c1代入公式(2)中的椭球公式中，得截面1-1′的椭圆方程为：

x²/[4(2500-c1²)]+y²/[2.56(2500-c1²)]＝1(3)；

再令x＝ρcosθ，y＝ρsinθ，则公式(3)转化为：

2.56ρ²cos²θ+4ρsin²θ＝10.24(2500-c1²)(4)；

其中，θ表示椭圆截面1-1′上的任意一点与椭圆x轴正坐标之间的夹角，θ∈[0°,360°]，且θ为正整数；ρ表示椭圆截面1-1′上任意一点到椭圆中心的距离；

ρ具体计算方法如下：

分别对θ进行赋值，令θ分别等于0、10°、20°……360°，只要把各个θ值代入公式(4)中，即得出不同θ对应的椭圆截面1-1′上的各点到椭圆中心的距离ρ；

旋压时，主轴4带动料坯6(料坯6为封头毛坯)匀速旋转，设旋转速度为ω，则任意时间t内料坯6转动角度θ与时间t的关系式是：

θ＝ωt(5)；

则x＝ρcosθ，y＝ρsinθ转化为：x＝ρcos(ωt)，y＝ρsin(ωt)，

则公式(4)可转化为下式：

2.56ρ²cos²(ωt)+4ρsin²(ωt)＝10.24(2500-c1²)(6)；

由公式(6)中建立了ρ与t之间的关系，主轴4带动料坯6匀速旋转任意时间t时，旋压辊13投影位置到主轴4中心点的位置距离ρ，即主轴4带动料坯6匀速旋转任意时间t时，主轴4沿固定基座1水平左右移动时，确保ρ满足公式(6)的要求。

步骤3，采用有模旋压法，制作一个三边不等半椭球封头内胎5，该半椭球封头内胎5外表面结构和尺寸与三边不等半椭球壳内壁结构和尺寸一致；

步骤4，旋压准备

根据半椭球封头的大小尺寸，先调整好主轴4的水平位置，再把半椭球封头内胎5安装在主轴4上，再把圆形料坯6对中放置在半椭球封头内胎5上，再用压头7把料坯6压紧在半椭球封头内胎5上；

步骤5，确定旋压顺序

设半椭球封头上有n层椭圆截面，n为正整数；

封头旋压时，自封头顶部开始由上到下分很多层椭圆截面旋压，具体分层多少由工艺设计确定，旋压封头顶部第一层椭圆截面时，以封头顶部第一层椭圆截面长轴最右侧顶点(x轴正方向与椭圆的交点)为基准，旋压顶部第二层、第三层、......、第n层截面椭圆时，基准类似；参见图4，图4中a、b、c点分别为相连三层椭圆截面的基准点，图4中1、2、……n表示椭圆截面层数；

即任意一层椭圆截面的基准点位置为该层椭圆截面长轴最右侧顶点位置。

旋压辊13的水平位置就设置在椭圆截面的基准位置，旋压辊13在整个旋压过程中，当运动到基准位置时，旋压辊13的水平位置不再发生变化，且始终处于水平基准位置；

主轴4带动半椭球封头内胎5、料坯6、压头7的运动分别是旋转以及沿x轴方向前后水平移动；

步骤6，开始旋压

设n层椭圆截面的z轴坐标为ci，i＝1，2，……，n；c1＜c2＜……＜cn；

旋压封头顶部第一层椭圆截面时，伺服电机b16带动丝杠3转动，移动横梁2带动主轴4沿着丝杠3在水平方向移动，使第一层椭圆截面的基准点与旋压辊13在水平方向的投影点位置重合，然后液压缸b15带动旋压辊13向下移动到设定位置，其下移动设定位置由第一层截面椭圆的z轴坐标值c1确定，旋压辊落在第一层椭圆截面的基准点位置后，由步骤5调整好位置的主轴4带动半椭球封头内胎、料坯6、压头7进行旋转运动，开始旋压封头顶部第一层椭圆截面，主轴4旋转过程中，主轴4沿x轴方向前后水平移动，主轴4的水平移动距离根据步骤2中的公式(6)确定，主轴4旋转一周，封头顶部第一层椭圆截面完成旋压，主轴4停止旋转；

当依次对剩余n-1层椭圆截面进行旋压时，移动梁2带动主轴4沿着丝杠3在水平方向移动，分别使剩余n-1层椭圆截面的基准点与旋压辊13在该层椭圆截面上的投影点位置重合(当对第二层椭圆截面进行旋压时，该层椭圆截面指的是第二层椭圆截面；当对第三层椭圆截面进行旋压时，该层椭圆截面指的是第三层椭圆截面，依次类推，当对第n层椭圆截面进行旋压时，该层椭圆截面指的是第n层椭圆截面)，然后依次通过液压缸b15将旋压辊13沿z轴方向下移c2、……cn，旋压辊13分别依次落在剩余n-1层椭圆截面的基准点位置后，按照第一层椭圆截面的旋压过程，从第二层到第n层椭圆截面，依次对余下n-1层椭圆截面进行旋压，当第n层椭圆截面旋压完成之后，半椭球封头旋压完成。