一种带内筋筒形件的斜轧式旋压成形方法

本发明属于金属塑性加工技术领域，涉及带内筋筒形件的旋压工艺,具体地说是一种带内筋筒形件的斜轧式旋压成形方法。

背景技术：

带内筋筒形件具备高筋薄腹的结构特点，其内加强筋能极大程度上提高构件的强度与刚度，并有效减轻构件的重量，是航空航天领域亟需的关键构件。目前，一般采用材料利用率高、设备工装简单及成形载荷低的旋压成形工艺（逐点渐进成形工艺）来实现带内筋筒形件的高性能近净成形。

对于带内筋筒形件而言，内筋高度是主要设计参数，这就要求成形过程中材料在充筋区的径向流动要尽可能大。然而，带内筋筒形件的流动旋压成形过程中材料主要发生轴向流动，该主要流动特征与材料成形要求存在矛盾，最终往往使得筒形件加强筋的成形高度不足。

目前，国内针对带内筋筒形件加强筋成形高度不足的问题已初有研究：

一、针对轮齿旋压沿轴向填充不均匀的问题，（程秀全,尚越,夏琴香.杯形薄壁梯形内齿旋压成形工艺的试验研究[j].锻压技术,2009,34(01):56-60.）中提出一种采用橡胶挡圈在工件尾部实施轴向加压的方法，借助橡胶挡圈抑制筒坯材料的轴向流动，加大材料沿芯模齿槽径向流动趋势，以达到有利于工件齿形填充的目的。

二、针对带内筋筒形件旋压成形过程中加强筋充填高度不足的问题，申请公布号为cn109940079a的中国专利申请文件中，提出一种在现有芯模上增加一个固定环和一个轴向约束环的方法，这两环之间通过套有压缩弹簧的支撑杆连接，在旋压成形过程中，工件自由端伸长会带动轴向约束环和支撑杆向固定环方向移动，使支撑杆上的压缩弹簧被压缩，进而给筒坯自由端提供反方向的轴向力，增加材料轴向流动阻力，以达到提高加强筋充填高度的目的。

上述两种方式，一定程度上可以提高带内筋筒形件的筋高，但因其均采用在筒坯尾部直接提供轴向约束以限制材料轴向流动的方式，旋压成形过程中，只有当筒坯尾部接触到约束机构后才会产生轴向约束力，并不能提供实时约束。最主要的，当筒坯长度过长时，还极易在筒坯中间出现隆起失稳的缺陷。

三、针对带网格内筋筒形件难以成形出较高加强筋的问题，（朱宝行.带网格内筋薄壁筒形件流动旋压工艺研究[d].上海交通大学,2019.）中提出采用多道次流动旋压工艺，该方式相较于一道次流动旋压工艺，所成形构件的加强筋高度有较大提升，但与此同时，构件极易出现穿筋缺陷，导致构件并无法满足正常使用要求。

综上所述，现有技术中用于提高带内筋筒形件加强筋高度的方法均存在一定局限性，并不能在保证构件质量的前提下，有效提高加强筋的高度。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的以上不足，本发明旨在提供一种带内筋筒形件的斜轧式旋压成形方法，以能够实时有效地约束材料的轴向流动、促进材料径向流动趋势，进而实现提高带内筋筒形件加强筋高度的目的。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种带内筋筒形件的斜轧式旋压成形方法，基于筒形件流动旋压工艺，改变筒形件流动旋压工艺中旋轮的工作角度，将旋轮相对芯模轴线设置一个送进角φ，对工件斜轧旋压。

作为本发明的限定，送进角φ为0～15°。

作为本发明的另一种限定，基于筒形件流动旋压工艺，采用正旋方式，该方法包括以下步骤：

s1、制备筒坯：以外径为d、内径为d的中空筒为原始坯料，制备形成筒坯；

s2、安装模具：将设有筋槽的芯模连带筒坯安装至旋压机的芯模主轴处，并将旋轮的送进角φ调整为0～15°；

s3、斜轧旋压：启动旋压机，设定芯模主轴的旋转方向，控制旋轮以速度v进行径向运动直至达到减薄率ψ的设定值，再控制旋轮在进给比f下轴向进给，直至形成带内筋筒形件；

s4、卸料操作：将旋轮径向退出，执行旋轮卸载操作；之后将成形的带内筋筒形件沿芯模主轴卸载方向卸出。

作为本发明的进一步限定，该方法中的芯模包括相互配合的芯模主体、分瓣芯模和固定端盖；其中，分瓣芯模上设有以下任意一种形式的筋槽：a1、横筋槽；a2、纵筋槽；a3、正交筋槽。

作为本发明的再进一步限定，芯模主体上、分瓣芯模的底部间隙配合有定位紧固环；所述定位紧固环内表面周向上设有与分瓣芯模相匹配的定位凸起。

作为本发明的更进一步限定，步骤s4中，旋轮卸载操作完成后，对定位紧固环施加载荷，使定位紧固环与分瓣芯模连带成形的带内筋筒形件沿芯模主轴卸载方向运动，直至与芯模主体分离，完成卸料操作。

作为本发明的再进一步限定，该方法中旋轮的数目为n=1～3，且旋轮均为回转体结构的双面成形旋轮，周向上设有角度不同的两个锥面。

作为本发明的更进一步限定，步骤s3中，旋压机启动后执行对刀操作，调整并保证轴向错距值a=0～3mm。

作为本发明的再更进一步限定，步骤s3中，旋轮的径向运动方式为分层压下或非分层压下。

本发明是对筒形件流动旋压工艺的一种改进，其主要改进点在于对旋压工艺中旋轮工作角度的改变，即将旋轮相对工件和芯模的轴线设置一个0～15°的送进角φ，利用流动旋压成形过程中旋轮与筒坯相对运动的轴向摩擦分力frm·sinφ，使材料的轴向流动阻力增加、径向充填阻力减小，从而内筋充填效果得以提升。此外，由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，还具备以下有益效果：

（1）本发明提出的斜轧式旋压成形方法能在带内筋筒形件成形过程中对筒坯提供一种实时有效的轴向约束，可有效提高内筋高度，并能够避免筒坯中部易隆起失稳、穿筋等缺陷；

（2）本发明采用的芯模中加设有定位紧固环，保证筒坯可与芯模良好固定的同时，进一步简化了卸料操作：仅需将定位紧固环与分瓣芯模连带已成形的带内筋筒形件从旋压机上拆卸即可，避免了现有技术中需拆卸整个芯模的弊端；并且，分瓣芯模还可保证已成形的带内筋筒形件能轻松与芯模分离而不被损坏。

（3）本发明采用的旋轮周向上设有角度不同的两个锥面，可用于双面成形，极大程度上节省了生产成本。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。

图1为本发明实施例中旋轮的安装位置示意图；

图2为本发明实施例中旋轮的结构示意图；其中，图2a为旋轮的纵剖结构示意图，图2b为旋轮的结构关系俯视图；

图3为本发明实施例中定位紧固环的结构示意图；其中，图3a为定位紧固环的结构关系俯视图，图3b为定位紧固环的纵剖结构示意图；

图4为送进角φ不同时，横筋成形高度的统计数据折线图；

图5为送进角φ不同时，纵筋成形高度的统计数据折线图；

图6为改变送进角φ时，横筋与纵筋成形高度提升率的折线图；

图中：1、芯模主体；2、分瓣芯模；3、固定端盖；4、定位紧固环；5、筒坯；6、旋轮；7、定位通孔；8、定位凸起；9、双向沉头孔；10、锥面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和理解本发明，并不用于限定本发明。

实施例一种带内筋筒形件的斜轧式旋压成形方法

基于筒形件流动旋压工艺，本实施例改变了旋压阶段中旋轮6的工作角度，将旋轮6相对工件和芯模的轴线设置一个0～15°的送进角φ，并采用正旋方式对工件斜轧旋压。该方法具体包括以下步骤：

s1、制备筒坯5：以外径d=214mm、内径d=200mm的中空筒为原始坯料，切割制备形成筒坯5。

s2、安装模具：将设有筋槽的芯模连带筒坯5安装至旋压机的芯模主轴处，并将旋轮6的送进角φ调整为0～15°。

如图1所示，本实施例中采用的芯模包括相互配合的芯模主体1、分瓣芯模2和固定端盖3，并且，分瓣芯模2上设有以下任意一种形式的筋槽：a1、横筋槽；a2、纵筋槽；a3、正交筋槽。其中，芯模主体1、分瓣芯模2和固定端盖3均为现有结构，但不同的是，本实施例中芯模主体1上、分瓣芯模2的底部还间隙配合有定位紧固环4。

如图3a和图3b所示，定位紧固环4为中空结构，最大直径大于芯模主体1的最大直径，能够与芯模主体1外表面间隙配合。更具体的，定位紧固环4的法向上均匀开设有多个定位通孔7，通过定位螺钉能与芯模主体1固定相连；内表面周向上设有多个定位凸起8，定位凸起8能与分瓣芯模2底部的定位凹槽相匹配，可实现对分瓣芯模2的限位，以防止分瓣芯模2与芯模主体1发生相对转动。

芯模的安装操作具体为：首先将芯模主体1安装至旋压机的芯模主轴处；再依次将定位紧固环4、分瓣芯模2和固定端盖3组装至芯模主体1上；然后将筒坯5安装在分瓣芯模2外部，并利用旋压机的尾顶对筒坯5固定。

旋轮6送进角φ的调整操作具体为：先将设置好送进角φ的旋轮架安装于旋压机的旋轮座处，再将旋轮6安装于旋轮架上即可。

需要说明的，旋压机上旋轮6的设置数目n=1～3，本实施例中，n=2。并且，如图2a和图2b所示，本实施例中的旋轮6为中空回转体结构的双面成形旋轮6，其法向上均匀开设有多个双向沉头孔9，利用紧固螺钉能与旋轮架固定连接；周向上设有角度不同的两个锥面10，两个锥面10可在旋轮架的控制下与筒坯5相接触。

s3、斜轧旋压：启动旋压机，设定芯模主轴为顺时针旋转方向，控制旋轮6对筒坯5斜轧旋压。

旋压机启动后，执行对刀操作，调整并保证轴向错距值a=0～3mm。本实施例中，轴向错距值a=0，即轴向等距。然后，控制旋轮6以速度v进行径向运动直至达到减薄率ψ的设定值，再控制旋轮6在进给比f下轴向进给，直至形成带内筋筒形件。

其中，旋轮6的径向运动方式可为分层压下或非分层压下，本实施例中选用非分层压下方式。

s4、卸料操作：执行旋轮6卸载操作后，将成形的带内筋筒形件自芯模主轴上卸出。

旋轮6卸载，带内筋筒形件斜轧旋压成形结束后，将旋轮6径向退出，并控制旋压机执行旋轮6卸载操作；

带内筋筒形件卸出，旋轮6卸载操作完成后，拆卸定位螺钉使定位紧固环4能与芯模主体1相分离，拆卸固定端盖3使分瓣芯模2能与芯模主体1相分离；然后，对定位紧固环4施加载荷，使定位紧固环4与分瓣芯模2连带成形的带内筋筒形件沿芯模主轴卸载方向运动，直至与芯模主体1相脱离；最后，将带内筋筒形件与定位紧固环4、分瓣芯模2分离，即完成卸料操作。

需要进一步论证说明的，依据本实施例提供的斜轧式旋压成形方法，在基本旋压条件一致的情况下，具体设定旋轮6以速度v=1mm/s径向运动，以进给比f=1mm/r轴向进给，并设定减薄率ψ=42.86％，筋槽深度为4mm，内筋圆角半径为r=2mm，然后以不同送进角φ进行多次旋压成形实验，获得如图4至图6所示数据。数据结果显示，在旋压成形过程中，对旋轮6设定一个合适的送进角φ，能有效提高带内筋筒形件的加强筋高度，并且，当送进角φ=10°时，效果可达最佳。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。