用于加工薄壁筒形件的立式旋壓設備的制作方法

本發明涉及薄壁筒形件的加工，具體涉及一種用于加工薄壁筒形件的立式旋壓設備。

背景技術：

在工業生產領域中，常常需要生產薄壁筒形件，這種薄壁筒形件通常具有如下特性：等壁厚、直筒型工件、筒壁厚度0.05到0.2mm、厚度的誤差小于8微米，而且，對這種薄壁筒形件的強度、表面光潔度和圓度的要求都較高。因此，這種薄壁筒形件加工難度大，并且需要專用的設備實現加工來保障比較高的成品率。

滾珠旋壓是強力旋壓中的一個分支，其變形工具用滾珠代替旋輪。滾珠旋壓工藝通常適用于直徑較小的管筒類零件變形加工，通常直徑小于150mm。目前，滾珠旋壓工藝已逐漸推廣到軍工、宇航、航空、電子器件、醫療器械和民用空調等行業，用以生產各部門所需的高精度、薄壁、小直徑管筒類零件。

根據薄壁產品特點，以及大批量、高效自動化加工對工藝方法、設備功能、動作節拍等要求，滾珠旋壓設備研制存在如下難點：1)由于產品屬于超薄壁件，因而整體剛度差，自動裝夾易變形，而根據工藝需要，毛坯與模具間隙小，對于裝夾的對準和裝入精度要求非常高，如何保證高速、高精度、不變形、不干涉裝夾是設備能夠實現自動化的關鍵難點。2)產品壁厚過薄，對主軸跳動、尾座與主軸同軸度、滾珠模環與旋輪臂安裝精度、旋輪臂與旋輪座安裝精度要求近乎苛刻，更重要的是，系統在高速運動時，對全系統特別是軸線動作裝置的動態精度提出了非常高的要求，需充分考慮加工精度要求和調整方法，是設計和調試的難點。3)設備被設定為大批量、高效自動化加工設備，設備動作涉及主軸轉動、旋輪座進給、液壓卸料器夾持毛料和卸料等動作，很多動作之間又相互干涉，這給機床布局、動作設計、動作實現增加了很大困難。4)設備的大批量、高效自動化加工需求要求設備在很高的轉速、很快的進給速度下工作，超出了傳統的強力旋壓工藝普遍采用的參數選擇范圍，同時也給工藝的選取增加了難度。5)滾珠工作時一側參與大減薄率變形(一般要達到60％～80％)，另一側需與提供徑向支撐的模環發生快速摩擦，轉速、進給過快時，滾珠容易出現燒蝕現象，導致滾珠磨損，需要合理選配工藝參數并提供有效的冷卻和潤滑來解決，存在很大難度。

技術實現要素：

本發明的目的是解決上述缺陷與不足，該目的是通過以下技術方案實現的。

本發明提供了一種用于加工薄壁筒形件的立式旋壓設備，其特征在于，所述立式旋壓設備包括立式床身、主軸機構、進給機構、張力機構以及滾珠模環機構，其中，所述進給機構能夠相對于所述立式床身沿豎直方向運動，所述滾珠模環機構固定在所述進給機構上并且能夠隨著所述進給機構相對于所述立式床身沿豎直方向運動，所述主軸機構包括能夠在主軸電機的驅動下旋轉的主軸，在所述主軸的端部上可拆卸地安裝有芯模，所述張力機構安裝在所述進給機構上并且能夠在第一液壓缸的推動下相對于所述進給機構沿豎直方向運動，從而對旋壓坯件施加恒定張力，所述滾珠模環機構包括模環套、隔離架、蓋板以及多個滾珠，所述模環套的套體外表面與所述旋輪臂的安裝段內表面配合安裝，所述隔離架的一端可拆卸地連接在所述模環套的端面上，所述隔離架的另一端沿圓周方向具有多個隔離空間，所述多個隔離空間能夠分別容置和保持所述多個滾珠，所述蓋板從端側覆蓋所述隔離架并緊固至所述模環套，從而將所述多個滾珠限制在所述隔離架與所述模環套之間，在旋壓加工過程中，所述模環套對所述多個滾珠分別施加沿豎直方向從上向下的力以及沿徑向方向向內的力，從而使所述多個滾珠對套設在所述芯模上的旋壓坯件施加旋壓力。另外，所述隔離空間大于所述滾珠的體積，并且安裝滾珠時在所述滾珠與所述隔離空間之間充填潤滑油脂然后安裝在所述模環套內，使得所述滾珠能夠在所述隔離空間內滾動。

另外，所述滾珠的數量為15～25個。

另外，所述張力機構包括相互連接的可轉動部件和非轉動部件，所述可轉動部件在旋壓時卡緊所述旋壓坯件的外翻邊凸緣，并且，所述可轉動部件在旋壓時帶動所述旋壓坯件沿豎直方向進給并隨所述旋壓坯件旋轉。

另外，所述非轉動部件與所述第一液壓缸連接并且能夠在所述第一液壓缸的驅動下沿豎直方向運動。

另外，所述進給機構與所述立式床身通過滾珠絲杠和導軌連接，并且，所述進給機構在所述滾珠絲杠旋轉的情況下能夠沿著所述導軌運動。

另外，所述立式旋壓設備還包括卸料機構，所述卸料機構安裝在所述主軸機構的主軸箱上并且能夠由第二液壓缸驅動運動，以實現卸料動作。

另外，所述立式床身為整體框架結構并且通過整體鑄造或分段焊接的方式構成。

另外，所述隔離架通過四個螺釘螺接在所述模環套的端面上。

另外，所述立式旋壓設備還包括具有操作界面的數控系統，從所述操作界面能夠輸入加工過程參數，所述加工過程參數包括主軸轉速、開始張力進給位置、張力大小、加工距離、卸料作用位置以及上料等待時間

本發明的優點在于：

(1)能夠解決直徑在Φ20～Φ100mm、旋壓壁厚在0.05～0.2mm、長度在300～1000mm的薄壁筒型零件的加工難題；

(2)保障薄壁筒形零件的加工精度(壁厚誤差小于8微米，表面粗糙度達0.5微米)；

(3)由于采用立式床身，因而設備占用較小空間；

(4)由于采用了特定的滾珠模環機構，因而薄壁筒形件的成品率高；

(5)由于采用了特定隔離架，因而批量生產中滾珠和隔離架有長使用壽命；

(6)由于采用了數控系統，因而設備人機交互簡便易行。

附圖說明

通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對于本領域普通技術人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優選實施方式的目的，而并不認為是對本發明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：

圖1示意性地示出了本發明實施方式的用于加工薄壁筒形件的立式旋壓設備的立體圖；

圖2示意性地示出了本發明實施方式的立式旋壓設備的立體圖的主軸機構的細節放大視圖，其中為了更清楚示出主軸機構，移除了主軸機構的主軸箱的主軸箱前面板；

圖3示意性地示出了本發明實施方式的用于加工薄壁筒形件的立式旋壓設備的滾珠模環機構的立體分解圖；

圖4和圖5示意性地示出了圖4中的滾珠模環機構中的隔離架的從不同方位觀察的立體圖；

圖6示意性地示出了本發明實施方式的用于加工薄壁筒形件的立式旋壓設備的數控系統。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施方式。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施方式，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這里闡述的實施方式所限制。相反，提供這些實施方式是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠將本公開的范圍完整的傳達給本領域的技術人員。

現在講參照圖1至5描述根據本發明實施方式的用于加工薄壁筒形件的立式旋壓設備100，其可用于生產直徑小于150mm的高精度、薄壁筒型零件，這種零件例如應用于軍工、宇航、航空、電子器件、醫療器械、民用等領域。例如，這種零件為空調的散熱管件、電子真空器件的行波管中的多種筒型零件、醫療用高精度薄壁不銹鋼管或低溫制冷元件。

如圖1所示，該立式旋壓設備100包括立式床身10、主軸機構20、進給機構30、張力機構40以及滾珠模環機構50。

特別地，立式床身10例如為整體框架結構并且通過整體鑄造或分段焊接的方式構成，這可以保證立式床身的足夠的使用壽命。此外，為了增加床身的剛度，提高承載能力，立式床身內部可以合理布置加強筋，通過地腳螺栓和地基連接在一起，變成剛性體，以提高立式床身抗彎、抗扭能力。立式床身橫截面為左、右橫板出頭的“口”字形，即前、后橫板之間采用雙立板支撐連接，將機身重量傳遞到地基。根據機床加工部件布置分布冷卻液噴淋位置，在機床工作面開槽、打孔，為冷卻液的回收提供導流通道。為便于在床身內部安裝冷卻系統及冷卻液回收盤等，在立板上開孔。根據機床整體布局以及人員操作的舒適性，床身外形尺寸可以設定為1000mm×1000mm×3000mm，即床身高度為3000mm，前后和左右距離為1000mm。橫板厚度為45mm，立板厚度為50mm，下橫板和加強筋厚度為30mm。

如1至圖5所示，進給機構30能夠相對于立式床身10沿豎直方向(圖1中紙面的上下方向)運動，滾珠模環機構50固定在進給機構30上并且能夠隨著進給機構30相對于立式床身10沿豎直方向運動，主軸機構20包括能夠在主軸電機E(例如由變頻器驅動的異步電機)的驅動下旋轉的主軸21(例如，主軸下部通過齒形帶或齒輪與主軸電機連接)，在主軸21的端部上可拆卸地(例如通過螺紋連接可拆卸地)安裝有芯模M，張力機構40安裝在進給機構30上并且能夠在第一液壓缸(未示出)的推動下相對于進給機構30沿豎直方向運動，從而對旋壓坯件(未示出)施加恒定張力，滾珠模環機構50包括模環套51、隔離架52、多個滾珠53以及蓋板54、55，模環套51的套體外表面與旋輪臂56的安裝段內表面配合安裝，隔離架52的一端可拆卸地連接在模環套51的端面上(例如通過四個螺釘螺接在模環套的端面上)，隔離架52的另一端沿圓周方向具有多個隔離空間(例如為隔離孔)521，多個隔離空間521能夠分別容置和保持多個滾珠53，蓋板54、55從端側覆蓋隔離架52并緊固至模環套51，從而將多個滾珠53限制在隔離架52與模環套51之間，在旋壓加工過程中，模環套51對多個滾珠53分別施加沿豎直方向從上向下的力以及沿徑向方向向內的力，從而使多個滾珠53對套設在芯模M上的旋壓坯件施加旋壓力。

另外，隔離空間521大于滾珠53的體積，并且安裝滾珠時在滾珠53與隔離空間521之間充填潤滑油脂然后安裝在模環套51內，使得滾珠53能夠在隔離空間521內滾動，這種結構使得能夠更換不同尺寸的滾珠從而旋壓出不同厚度的筒形件。該立式旋壓設備面向的產品為等壁厚、直筒形的筒體，因而滾珠模環機構采用等壁厚模環套設計，模環套采用滾珠軸承鋼，淬火后硬度達到HRC，與滾珠接觸表面粗糙度達到微米。模環套51的套體外表面與旋輪臂56的安裝段內表面通過軸、端面定位，模環套端面設計四個臺階通孔、兩個頂絲孔用于與旋輪臂安裝、拆卸。模環套套體內表面采用磨削加工以保證尺寸精度和表面粗糙度。

該隔離架52的作用是固定滾珠，其隔離孔把滾珠分隔開，防止滾珠間硬摩擦造成過度磨損，并不提供加工力。

由于傳統隔離架和模環套固定連接，所以加工時還會給滾珠切向力，這種切向力帶來的如下缺點：影響成形、降低壽命。

本發明實施方式的隔離架設計為由軸承實現的兩層結構，外層522和模環套固定，內層523為滾珠隔離層，用于安裝和分隔滾珠，可以和模環套相對旋轉。旋壓加工過程中增加滾珠運動自由度，沒有切向力，這能夠極大地提高成形效果，延長使用壽命。

另外，本發明實施方式的滾珠采用GB標準滾珠，根據滾珠旋壓基本理論，預設旋壓成形角為20°，按照減薄量0.3mm計算，滾珠直徑為10mm，選取滾珠數量為15-25個，通過隔離架彼此隔離。在滾珠的布置方面，由于滾珠旋壓可容許單次減薄率大，采用錯距旋壓機構復雜、材料利用率略低，因而選擇滾珠等距布置。

另外，主軸箱在焊接和裝配后，在五坐標加工中心上一次加工出各軸承安裝孔及其他定位、安裝孔等。主軸與軸承內環為過盈量較小的過盈配合，過盈量為0.003mm～0.005mm。軸承外圈與主軸安裝孔的配合為窄公差帶的過渡配合，間隙或過盈量為±0.003mm～±0.005mm。這種配合方式保證了主軸與主軸箱之間的高精度。主軸采用合金鋼40Cr機械主軸，經熱處理調質及頭部表面淬火，主軸上端裝有1個P4級雙列角接觸球軸承(型號3222AC)，實現主軸的軸向和徑向承載以及徑向精確定位，下端裝有P4級圓柱滾子軸承(型號NU218E)，用于承載徑向力。主軸上端主要承受軸向推力，同時成品工件厚度很薄，只有0.08mm，對徑向跳動要求很高，需小于0.01mm，主軸下端主要承受傳動帶輪的徑向力，因此在主軸前端安裝雙列角接觸球軸承，主軸下端安裝圓柱滾子軸承，其中角接觸球軸承用于承擔加工過程中的軸向載荷，而圓柱滾子軸承，用于承擔徑向載荷，同時限制主軸的徑向跳動。軸承內圈與主軸采用過盈配合連接，軸承外圈與主軸安裝孔采用小間隙配合，實現主軸的穩定連接。芯模采用6根特制的M16螺栓和螺母固連。

另外，張力機構40包括相互連接的可轉動部件和非轉動部件(未示出)，該可轉動部件在旋壓時卡緊旋壓坯件的外翻邊凸緣，并且，該可轉動部件在旋壓時帶動旋壓坯件沿豎直方向進給并隨旋壓坯件旋轉。該非轉動部件與第一液壓缸連接并且能夠在第一液壓缸的驅動下沿豎直方向運動。

具體地，張力機構40由兩個活塞桿(活塞桿由第一液壓缸驅動)驅動運動，活塞頂桿前端安裝頂板。頂板為一組件，其功能為加工時輔助夾緊工件。由于夾緊功能要求頂板與工件接觸部分隨工件同時旋轉，而頂板動力由第一液壓缸提供，這要求頂板與活塞頂桿連接部分不能旋轉。因此頂板包括可轉動部件、非轉動部件及動靜轉換部件，非轉動部件為一連接板，在其上安裝軸承，而軸承內孔與可轉動部件連接，這樣就可以將第一液壓缸的外頂力傳遞到可轉動部件，加工時為旋壓坯件提供恒定張力，從而實現張力旋壓。

另外，進給機構30與立式床身10通過滾珠絲杠61和導軌62連接，并且，進給機構30在滾珠絲杠61旋轉(例如通過手輪來進行控制，如圖6所示)的情況下能夠沿著導軌62運動。進給機構30的作用是安裝用于加工刀具的旋輪臂56，以及實現加工過程的進給動作。進給機構30主要由尾座、旋臂座構成，其中旋臂座用于安裝旋輪臂56。尾座用于提供進給的動力源，進給機構30本體與立式床身保持固定，通過傳力裝置，推動旋臂座在加工過程中實現進給動作，并在加工結束后，實現回退動作。旋臂座用于安裝旋輪臂，實現對工件的加工，執行進給運動和回退運動。

另外，立式旋壓設備100還包括卸料機構70，卸料機構70安裝在主軸機構20的主軸箱上并且能夠由第二液壓缸驅動運動，以實現卸料動作。卸料機構的作用是將加工結束后在芯模上的成品件頂出。卸料機構由裝在主軸箱上的第二液壓缸、兩個活塞頂桿和安裝在活塞頂桿上的頂件齒盤組成。

另外，本發明的用于加工薄壁筒形件的立式旋壓設備還配備有電氣系統、液壓系統、潤滑系統以及冷卻系統。

電氣系統的核心控制為數控系統80，數控系統控制主軸轉速和進給位置。如圖6所示，數控系統包括多個輸入輸出接口，可以實現基本的保護和檢測功能，比如液壓控制、保護信號、限位信號、操作按鍵、潤滑、冷卻等。主軸電機采用異步電機，使用變頻器開環控制的方式。變頻器和數控系統之間是模擬信號接口。進給電機采用永磁同步伺服電機，使用伺服驅動器半閉環控制。伺服驅動器和數控系統之間為方向脈沖接口。電控柜包括強電元件和繼電接觸控制電路。此外，數控系統可以內部編寫邏輯控制功能、擴展保護和檢測等邏輯功能。該數控系統設計為專用數控系統，除了具有G代碼編程功能之外，設計有滾珠旋壓專用簡潔人機界面。其實現思路是，由界面中采用參數界面交互的模式，輸入加工過程參數(例如通過按鈕面板輸入)，包括：起始位置、主軸轉速、開始張力進給位置、張力大小、加工距離、卸料作用位置、上料等待時間。參數由界面輸入后，系統自動開始加工，并可以設置等待卸料和毛坯更換的工序，實現連續自動生產。

液壓系統根據卸料油缸的工況，在旋壓過程中張緊毛料時，速度為800mm/min；退料時，速度為1000mm/min；快退時，速度為4000mm/min。根據工況分析，卸料器的油缸只需要控制速度，可通過調速閥實現。由于系統壓力不大，流量較小，對液壓泵要求不高，因此選擇噪音較小的葉片泵，適于機床應用，如選擇進口YUKEN的PV2R1-17，當出口壓力為7MPa時，可輸出流量23.5L/min，驅動電機功率為3.3kW。

潤滑系統的主軸箱潤滑由一個標準潤滑泵站，通過油管和配油器，給各個軸承和主軸齒輪潤滑和冷卻。絲杠和滑軌的潤滑采用脂潤滑的形式，由脂潤滑泵間隔3分鐘潤滑。

冷卻系統由冷卻液循環實現。冷卻液由電氣系統控制，和加工過程自動關聯。開始旋壓加工，冷卻液循環系統啟動，加工完成后停止。冷卻液由壓差作用流回冷卻液箱。對旋輪的冷卻，采用冷卻液噴淋方式。冷卻液由液壓泵加壓后經冷卻液管90(如圖1所示)輸送到旋輪臂的工作部位，經由噴嘴，噴淋到旋輪表面，對旋輪降溫，保證旋壓過程中旋輪溫度以及工件溫度不會升高。在旋輪臂上安裝旋輪位置制作4個均布的安裝孔，將噴嘴安裝在孔內，冷卻液直接噴到旋壓工作位置。

現在描述利用本發明的用于加工薄壁筒形件的立式旋壓設備來加工薄壁筒形件的過程。

首先，將工件放在芯模M上，然后，使進給機構30進給，當滾珠模環機構50到達加工位置時，張力機構40作用，通過主軸電機E使主軸21旋轉，同時，使進給機構30進給，實現旋壓加工。完成加工后，使主軸21停止選轉，使進給機構30上升，并且使張力機構40上升。然后，使卸料機構70向上運動，完成卸料，收回卸料機構70，至此，完工一個薄壁筒形件的加工。

通過本發明的立式旋壓設備，能夠加工薄壁筒形件，并且，立式旋壓設備、特別是滾珠模環機構具有長使用壽命和更高的成品率。此外，具有滾珠旋壓專用的人機操作界面和操作方法使得加工更為簡便易行。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。