一種帶前后安裝邊的回轉(zhuǎn)曲面零件旋壓方法與流程

本發(fā)明屬于航空制造領(lǐng)域，屬于機械加工范疇，涉及一種帶前后安裝邊的回轉(zhuǎn)曲面零件旋壓方法。

背景技術(shù)：

航空發(fā)動機燃燒室機匣內(nèi)套主體部分由前、后兩段經(jīng)過電子束焊接而成，兩段毛坯都是GH141鍛件。設計要求對內(nèi)套前段中間部分進行旋壓強化，以提高強度、硬度和抗疲勞性能。

由于零件結(jié)構(gòu)的特殊性和旋壓變形的不均勻性，內(nèi)套前段旋壓變形量很大，引起非旋壓段的變形也很大。由于缺乏鍛件毛坯旋壓經(jīng)驗和可資借鑒的技術(shù)資料，原工藝沒有搞清這種結(jié)構(gòu)的旋壓變形特點，旋壓質(zhì)量很不穩(wěn)定，不時出現(xiàn)旋壓段斷裂、旋壓面皸裂、壁厚超差，以及偏心、橢圓、旋壓面軸向錯位等一系列問題，偶爾還出現(xiàn)因內(nèi)套前段旋壓變形大而導致的組件超差或報廢，質(zhì)量損失很大。

1)GH141鍛件的強力旋壓，在我國航空發(fā)動機制造業(yè)上還是一個新的課題，以前其它單位在加工該零件時，分別在鍛造、機械加工、熱處理、強力旋壓等工序，不同程度都出現(xiàn)過裂紋現(xiàn)象。

2)零件大小頭偏心是目前旋壓的又一難題，造成零件組合后無法組合加工，甚至造成組件報廢，如圖1和圖2。

3)形面輪廓度差

設計圖要求旋壓面輪廓度為0.5mm，實際最小間隙是0，最大間隙是3mm，零件超差使用。

4)旋壓伸長量變化大，無法控制內(nèi)外安裝邊余量分配

旋壓前、后壁厚都合格，但是旋壓伸長量相差很大，實際相差2-6mm，造成旋壓后小端法蘭邊正面或者反面車加工余量不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提出一種帶前后安裝邊的回轉(zhuǎn)曲面零件旋壓方法，解決內(nèi)套旋壓裂紋、型面輪廓度大和旋壓伸長量不穩(wěn)定等問題，實現(xiàn)零組件的加工要求。

本發(fā)明是通過下述的技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種帶前后安裝邊的回轉(zhuǎn)曲面零件旋壓方法，包括以下步驟：

步驟一、將鍛件車加工到旋前尺寸

已知旋后長度、旋后壁厚、旋后圓弧半徑和旋前壁厚，計算旋前長度；規(guī)定旋前旋壓段形狀為圓弧，給定旋前圓弧半徑，旋前長度等于旋后長度減去旋壓伸長量，旋壓段的縱剖面為圓弧曲線，采用微積分方法求解圓弧曲面回轉(zhuǎn)體的體積，圓弧曲面回轉(zhuǎn)體體積計算公式如下：

$V={\∫}_{x_1}^{x_2}\mathrm{\π}\[y^2-{(b/cos\mathrm{\α})}^2\]dx$

其中：

$y=y_0+\sqrt{R^2-{(x-x_0)}^2}$

α＝tan^-1[(x-x₀)/(y-y₀)]

式中：x為圓弧上一點的橫坐標，y為圓弧上一點的縱坐標，x₀為圓弧圓心的橫坐標，y_o為圓弧圓心的縱坐標，R為圓弧半徑，b為曲面壁厚，α為圓弧上一點到圓弧圓心的連線與y軸的夾角，x₁為圓弧起點的橫坐標，x₂為圓弧終點的橫坐標；

旋前、旋后體積的計算公式如下：

旋前旋壓段體積：

其中：

α＝tan^-1[(x-x₀₁)/(y-y₀₁)]

式中：x為旋前圓弧上一點的橫坐標，y為旋前圓弧上一點的縱坐標，x₀₁為旋前圓弧圓心的橫坐標，y_o1為旋前圓弧圓心的縱坐標，R₁為旋前圓弧半徑，b₁為旋前曲面壁厚，α為旋前圓弧上一點到圓弧圓心的連線與y軸的夾角，x₁為旋后圓弧起點的橫坐標，x₂為旋前圓弧終點的橫坐標，h為旋壓伸長量；

旋前圓弧圓心坐標x₀₁和y₀₁按下列方程組求解：

(x₁+h-x₀₁)²+(y₁-y₀₁)²＝R₁²

(x₂-x₀₁)²+(y₂-y₀₁)²＝R₁²

旋后旋壓段體積：

其中：

α＝tan^-1[(x-x₀₂)/(y-y₀₂)]

按體積不變定律列方程：V_旋前＝V_旋后

式中：x為旋后圓弧上一點的橫坐標，y為旋后圓弧上一點的縱坐標，x₀₂為旋后圓弧圓心的橫坐標，y_o2為旋后圓弧圓心的縱坐標，R₂為旋后圓弧半徑，b₂為旋后曲面壁厚，α為旋前圓弧上一點到圓弧圓心的連線與y軸的夾角，x₁為旋后圓弧起點的橫坐標，x₂為旋后圓弧終點的橫坐標；

采用旋壓伸長量小步長遞增逼近法求解出給定壁厚減薄量Δ_b＝b₂-b₁所對應的旋壓伸長量h；

根據(jù)上述參數(shù)將鍛件車加工到旋前尺寸；

步驟二、對中間段進行旋壓

將零件大端背面車成臺階面，同時去除模胎端面臺階，使大安裝邊背面與模胎端面貼合，保持零件軸線與模胎軸線平行；在零件小端外圓邊緣處倒角，在大安裝邊處采用環(huán)形壓板壓和緊螺栓將大安裝邊與模胎固定；

采用分道次旋壓的方法，每旋壓一段，使旋輪沿該段終點的切向退出；

步驟三、以旋壓面為車加工基準，對非旋壓段進行精車加工。

進一步，對中間段進行旋壓時，將旋壓段分成4段旋壓。

進一步，所述步驟二，在零件小端外圓邊緣處倒角30°。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1)采用微積分方法，通過高級語言進行編程計算，找到了旋壓伸長量與壁厚減薄量之間的關(guān)系，在此關(guān)系指導下，通過控制壁厚減薄量使旋壓伸長量得到穩(wěn)定。

2)打破了以往一道次旋壓理念，通過分道次旋壓，減小了材料的延伸阻力，解決了旋壓抗力過大而導致的斷裂問題，提高了形面質(zhì)量。

3)通過理論分析和旋壓試驗，確定了旋壓模胎的形面結(jié)構(gòu)和定位壓緊方式，使旋壓伸長沿著要求的方向變化，從而防止了形面畸變。

4)突破了零件加工靠大、小端定位的傳統(tǒng)思想，開創(chuàng)了一條以曲面為加工基準的新思路，實現(xiàn)了旋壓形面與機加工表面之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

本發(fā)明可用于航空發(fā)動機燃燒室機匣內(nèi)套前段旋壓型面的加工。也適用于航天發(fā)動機及其它行業(yè)有類似結(jié)構(gòu)要求的旋壓零件的加工。

【附圖說明】

圖1切入外旋壓面情況

圖2切入內(nèi)旋壓面情況

圖3壁厚減薄與旋壓伸長

圖4圓弧曲線回轉(zhuǎn)體體積計算原理圖

圖5旋壓前、后旋壓段形狀和尺寸變化

圖6分道次旋壓

圖7大端定位壓緊方式

圖8零件和模胎總體結(jié)構(gòu)

圖9以旋壓面為車加工基準

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述：

本發(fā)明帶前后安裝邊的回轉(zhuǎn)曲面零件旋壓方法具體步驟如下：

先將鍛件車加工到旋前尺寸，然后對中間段進行旋壓，之后對非旋壓段進行精車加工即可。

零件旋壓是一種變薄旋壓。按照體積不變定律，要在旋壓后保證零件的形狀和尺寸，就必須搞清旋壓段壁厚減薄與形狀、直徑和長度的變化規(guī)律，進而確定旋壓前毛坯的形狀和尺寸。

如圖3所示，壁厚減薄與旋壓伸長。

已知旋后長度、旋后壁厚和旋后圓弧半徑，設計又給定了旋前壁厚，還需要確定旋前圓弧半徑和旋前長度兩個尺寸。為了簡化工藝和方便計算，規(guī)定旋前旋壓段形狀仍然是圓弧，并且給定旋前圓弧半徑的具體數(shù)值，這樣就剩下一個旋前長度尺寸需要求解了。因為，旋前長度＝旋后長度－旋壓伸長量，而旋壓伸長是由壁厚減薄引起的，所以只要找出旋壓伸長量與壁厚減薄量之間的變化關(guān)系，就可以求得旋壓伸長量了。

旋壓段的縱剖面是圓弧曲線，圓弧曲線回轉(zhuǎn)體體積計算原理圖如圖4所示，采用微積分方法求解圓弧曲面回轉(zhuǎn)體的體積，經(jīng)過推導后得出體積計算公式如下：

$V={\∫}_{x_1}^{x_2}\mathrm{\π}\[y^2-{(b/cos\mathrm{\α})}^2\]dx$

其中：

$y=y_0+\sqrt{R^2-{(x-x_0)}^2}$

α＝tan^-1[(x-x₀)/(y-y₀)]

按圖4分別定義旋壓段旋前、旋后幾何尺寸符號之后，列出旋前、旋后體積的計算公式如下：

旋前旋壓段體積：

其中：

α＝tan^-1[(x-x₀₁)/(y-y₀₁)]在此，旋前圓弧圓心坐標x₀₁和y₀₁是變量，按下列方程組求解：

(x₁+h-x₀₁)²+(y₁-y₀₁)²＝R₁²

(x₂-x₀₁)²+(y₂-y₀₁)²＝R₁²

旋后旋壓段體積：

其中：

α＝tan^-1[(x-x₀₂)/(y-y₀₂)]

按體積不變定律列方程：V_旋前＝V_旋后

采用FORTRON等語言編程，并采用旋壓伸長量小步長遞增逼近法求解，就可以計算出給定壁厚減薄量Δ_b＝b₂-b₁所對應的旋壓伸長量h。

按壁厚中值選定旋前壁厚2.4mm，旋后壁厚2.05mm，計算得到的旋壓伸長量為12mm。旋后長度減去12mm就可以得出旋前毛坯長度。圖5為旋壓前、后旋壓段形狀和尺寸變化。

4、分道次旋壓

如圖6所示，采用內(nèi)旋方案，零件旋壓段后端點不能產(chǎn)生位移，始終與芯模貼合，而零件旋壓段前端點只能產(chǎn)生軸向位移，逐漸向芯?？拷?，直到與芯模完全貼合。為了上述要求，采用分道次旋壓的方法，將旋壓段分成4段，每旋壓一段，使旋輪沿該段終點的切向退出。退出過程中，旋件壁厚不減薄，但旋輪仍對旋壓段施加壓力，使旋壓段形狀發(fā)生變化，并推動小端軸向移動。

5、零件在旋壓模胎上的定位壓緊方式

零件大端背面車成臺階面，同時去除模胎端面臺階，使大安裝邊背面與模胎端面貼合，保持零件軸線與模胎軸線平行。這樣也使得壓緊可靠，防止旋壓回堆而向大端延伸，有利于保證大端轉(zhuǎn)接處的形面精度。

圖7大端定位壓緊方式

如圖7所示，減小小端外圓與內(nèi)旋模胎之間的摩擦阻力，旋壓過程中小端變形，安裝邊外翻，外圓與模胎內(nèi)孔接觸摩擦，使旋壓伸長阻力增大。為了減少伸長阻力，且使零件拆卸容易，在零件小端外圓邊緣處倒角1×30°。另一方面，為了阻止反旋現(xiàn)象引起的大安裝邊位移，增大大安裝邊的壓緊力，在大安裝邊處采用較厚的環(huán)形壓板和較多的壓緊螺栓。如圖8為零件和模胎總體結(jié)構(gòu)。

7車加工基準選擇

如圖9所示，以旋壓面為車加工基準，旋壓后零件橢圓，大、小端面均存在翹曲變形，與旋壓形面的軸線不垂直，所以旋壓后的加工基準不能以前、后安裝邊的端面和內(nèi)孔、外圓定位，要以旋壓面為定位基準。因此，車床夾具的定位面按照內(nèi)旋模胎的結(jié)構(gòu)尺寸設計，外旋壓面的定位狀態(tài)猶如零件在內(nèi)旋模胎內(nèi)一樣，基準的貼合效果好，定位穩(wěn)定可靠。這種定位方式最大限度地保證車加工的大端面與旋壓形面軸線的垂直度，可有效消除偏頭現(xiàn)象。

該技術(shù)的經(jīng)濟效益：

燃燒室機匣內(nèi)套是發(fā)動機上的承力零件，旋壓強化能夠提高零件的強度、硬度和抗疲勞性能，該項技術(shù)的突破，底消除了因旋壓工藝不穩(wěn)定而導致的零組件報廢現(xiàn)象。

改進前零件廢品率為4.3％，改進后廢品率為0，若按年產(chǎn)100臺計，全年可節(jié)約潛在的經(jīng)濟損失：(4.3％-0％)×100×230815.93＝99萬元。

具體實施方法：

1工藝流程

工序5：旋壓

工序10：車基準

工序15：車小頭安裝邊

工序20：車大頭安裝邊

2加工過程

◆工序5：旋壓

①裝夾旋壓夾具，找正中心，然后壓緊。

②裝夾零件，用蓋板壓緊。

③裝夾并調(diào)整滾輪。

④啟動程序旋壓。

⑤拆卸零件。

◆工序10：車基準

①裝夾車床夾具，找正，壓緊。

②以零件旋壓型面定位，壓緊零件。

③車加工零件大安裝邊端面。

④拆卸零件。

◆工序15：車小頭安裝邊

①裝夾零件到車床上。

②找正旋壓面同高度的對稱四點，壓緊零件。③車加工零件小安裝邊端面和外圓。

④拆卸零件

◆工序20：車大頭安裝邊

①裝夾零件到車床上。

②找小安裝邊外圓，壓緊零件

③車加工大安裝邊端面和外圓。

④拆卸零件。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護范圍。