一種大長細比帶凹底薄壁筒形件精密成形方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種零件精密成形方法，具體涉及一種帶凹底的薄壁曲母形件的精密 成形方法，屬于機械工程的塑性加工方法。
【背景技術】
[0002] 凹底是指零件底部有一部分低于周圍區域，形成類似于"火山口"形狀的底部。大 長細比筒形件是指筒形件的長度與直徑之比大于或等于1.5。由于傳統拉深工藝成形極限 有限；一直以來，大長細比帶凹底的薄壁筒形件的成形方法為：帶凹底的曲母線部分采用 模具拉深成形，直筒段部分采用卷焊，分段成形后再進行組焊，但由于焊接殘余應力的存在 使零件的尺寸精度難以滿足要求；此外，由于焊縫易脆裂和應力集中往往成為裂紋擴展的 源頭，嚴重影響產品的質量。同時卷焊后因焊縫的存在及焊接變形，需要進行大量的人工后 續打磨及校形，這樣嚴重降低了生產效率、增加了生產成本，并影響到成形件的尺寸精度及 形位公差。
[0003] 旋壓是借助于旋輪的進給運動，加壓于隨芯模沿同一軸線旋轉的金屬毛坯，使其 產生連續的局部塑形變形而成為所需空心零件的一種近凈精密塑性成形方法。其中只改變 毛坯形狀不改變壁厚的稱為普通旋壓，不僅改變毛坯的形狀，而且顯著改變其壁厚的稱為 強力旋壓。傳統的旋壓成形技術，如普通旋壓成形極限有限，且由于回彈，成形精度不高；強 力旋壓只能成形錐形件和筒形件，但成形精度較高。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種高精度、高性能、低成本的 大長細比帶凹底薄壁筒形件旋壓成形方法。
[0005] 本發明將普通旋壓和強力旋壓兩種旋壓成形方法相結合的復合成形方法，解決了 大長細比帶凹底薄壁筒形件高精度、高性能、低成本制造的難題。
[0006] 為實現上述目標，本發明采用如下技術方案：
[0007] 一種大長細比帶凹底薄壁筒形件精密成形方法，包括如下步驟：
[0008] 1)計算板坯的尺寸
[0009] 根據零件的形狀、尺寸，按照體積不變原理及復合旋壓成形中變形量分配原則，確 定坯料的尺寸，包括坯料的直徑和厚度；其中坯料的直徑控制在臨界直徑Dt內；Dt=d/mt; mt為極限拉深系數，d為芯模直徑；
[0010] 2)凹底部分成形
[0011] 將毛坯夾緊在芯模與尾頂之間，按照普通旋壓軌跡的編制方法確定成形凹底筒形 部分的旋壓軌跡，凹底部分旋壓成形時，前1 - 3道次為普通旋壓，旋輪軌跡為圓弧形軌跡； 其后每道次包含普通旋壓和強力旋壓，其旋輪軌跡包含兩部分，前一部分為平行于底部凹 底軸線的強力旋壓時的軌跡，使每道次減薄率為10 - 25%，后一部分為普通旋壓時的圓弧 形軌跡；每道次強旋軌跡的起點為坯料端面，終點為按照普通旋壓軌跡編制的普旋軌跡的 起點，普通旋壓軌跡的終點由式（9)確定，最后一道次旋壓軌跡為凹底部分的輪廓線；
[0012] d' =D0{l-[l-(d/D0)2]X2/h2}1/2 (9)
[0013] 式中：D。為毛坯直徑，d為芯模直徑，h為工件高度；
[0014] 3)拉深旋壓成筒形坯料
[0015] 將凹底成形后的坯料翻轉，將其固定在尾頂和芯模之間，按照普通旋壓軌跡編制 方法編制普旋軌跡，主軸帶動坯料旋轉，旋輪在數控系統的驅動下，按已編制的軌跡進行進 給，旋壓軌跡的前6 -8道次為單純的往程旋壓，其后為往返程相結合的旋壓軌跡，將坯料拉 深旋壓成筒形件；
[0016] 4)旋壓減薄到規定尺寸
[0017] 底部圓弧形部分采用圓弧形旋輪拉深減薄，保證每道次減薄率為20% - 25% ;直 筒部分采用雙錐面旋輪，保證每道次減薄率為20% - 35% ;
[0018] 5)后續加工，滿足零件尺寸要求。
[0019] 進一步地，所述極限拉深系數通過測試坯料拉伸旋壓時不起皺和不斷裂時坯料的 直徑。
[0020] 3、根據權利要求1所述的大長細比帶凹底薄壁筒形件精密成形方法，其特征在 于，所述單純的往程旋壓為旋輪加壓于坯料，沿遠離旋轉中心線的方向進給。
[0021] 所述往返程相結合的旋壓軌跡為旋輪加壓于坯料，先沿遠離旋轉中心線的方向進 給，隨后沿相反的方向進給。
[0022] 所述步驟2)及3)中普通旋壓軌跡的編制方法：首先確定普通旋壓時合適的漸開 線軌跡，隨后將漸開線軌跡擬合成經過旋輪軌跡起點和終點的圓弧線曲線。
[0023] 所述漸開線基圓半徑a根據芯模直徑d確定：d/a彡0. 3 (3)
[0024] 步驟1)中變形量分配原則的說明：采用復合旋壓成形時，在凹底旋壓成形后，需 先采用多道次拉深旋壓工序將板坯制成筒形件，然后采用強力旋壓工序使其壁厚減薄到規 定尺寸，在多道次拉深旋壓中，芯模直徑d與毛坯直徑％之比稱為旋壓系數m，對于每一種 材料，其塑性變形程度都會有一定的極限，因而每一種材料的旋壓系數必然有一個最小界 限值，稱為極限拉深系數（mt)。通過試驗，獲得鋁及鋁合金，3mm及4_板坯的極限旋壓系 數為0.45和0.5。
[0025] 在多道次拉深旋壓過程中，對于給定的芯模直徑，要使旋壓穩定的進行，不產生凸 緣起皺等缺陷，其坯料直徑有一臨界最大值（Dt)。
【主權項】
1. 一種大長細比帶凹底薄壁筒形件精密成形方法，其特征在于包括如下步驟： 1) 計算板坯的尺寸 根據零件的形狀、尺寸，按照體積不變原理及復合旋壓成形中變形量分配原則，確定坯 料的尺寸，包括坯料的直徑和厚度；其中坯料的直徑控制在臨界直徑Dt內；Dt=d/mt;mt為 極限拉深系數，d為芯模直徑； 2) 凹底部分成形 將毛坯夾緊在芯模與尾頂之間，按照普通旋壓軌跡的編制方法確定成形凹底筒形部分 的旋壓軌跡，凹底部分旋壓成形時，前1 - 3道次為普通旋壓，旋輪軌跡為圓弧形軌跡；其后 每道次包含普通旋壓和強力旋壓，其旋輪軌跡包含兩部分，前一部分為平行于底部凹底軸 線的強力旋壓時的軌跡，使每道次減薄率為10 - 25%，后一部分為普通旋壓時的圓弧形軌 跡；每道次強旋軌跡的起點為坯料端面，終點為按照普通旋壓軌跡編制的普旋軌跡的起點， 普通旋壓軌跡的終點由式（9)確定，最后一道次旋壓軌跡為凹底部分的輪廓線； d，=D0{l-[l-(d/D0)2]X2/h2}1/2 (9) 式中：％為毛坯直徑，d為芯模直徑，h為工件高度； 3) 拉深旋壓成筒形坯料 將凹底成形后的坯料翻轉，將其固定在尾頂和芯模之間，按照普通旋壓軌跡編制方法 編制普旋軌跡，主軸帶動坯料旋轉，旋輪在數控系統的驅動下，按已編制的軌跡進行進給， 旋壓軌跡的前6 - 8道次為單純的往程旋壓，其后為往返程相結合的旋壓軌跡，將坯料拉深 旋壓成筒形件； 4) 旋壓減薄到規定尺寸 底部圓弧形部分采用圓弧形旋輪拉深減薄，保證每道次減薄率為20% - 25% ;直筒部 分采用雙錐面旋輪，保證每道次減薄率為20% - 35% ; 5) 后續通用加工，滿足零件尺寸要求。
2. 根據權利要求1所述的大長細比帶凹底薄壁筒形件精密成形方法，其特征在于，所 述極限拉深系數通過測試坯料拉伸旋壓時不起皺和不斷裂時坯料的直徑。
3. 根據權利要求1所述的大長細比帶凹底薄壁筒形件精密成形方法，其特征在于，所 述單純的往程旋壓為旋輪加壓于坯料，沿遠離旋轉中心線的方向進給。
4. 根據權利要求1所述的大長細比帶凹底薄壁筒形件精密成形方法，其特征在于，所 述往返程相結合的旋壓軌跡為旋輪加壓于坯料，先沿遠離旋轉中心線的方向進給，隨后沿 相反的方向進給。
5. 根據權利要求1所述的大長細比帶凹底薄壁筒形件精密成形方法，其特征在于，所 述步驟2)及3)中普通旋壓軌跡的編制方法：首先確定普通旋壓時合適的漸開線軌跡，隨后 將漸開線軌跡擬合成經過旋輪軌跡起點和終點的圓弧線曲線。
6. 根據權利要求5所述的大長細比帶凹底薄壁筒形件精密成形方法，其特征在于，所 述漸開線基圓半徑a根據芯模直徑d確定：d/a彡0. 3 (3) 漸開線回轉中心的位置由下式確定：
式中：xm為回轉中心P與芯模端面的距離，ym為回轉中心P與芯模側面的距離，汍為首 道次仰角；Pm為芯模圓角半徑，％為坯料厚度；0 ' ^為道次仰角參照角度；；^由式（8)計 算得到；Xd，y(!為中間計算值，由心，ym，A?及!確定；先把基圓半徑a代入式（6)求出 ，結合式（8)，將;^值代入式（5)，求出y(l;適當選取。的值，代入式⑷求出X(l;將X(l、 yQ代入式⑵求出0 'M若必尹&，則調整xm再迭代計算，直到當砵=汍時為止；然后使漸 開線繞軌跡的回轉中心轉動，選擇合適的道次間距P確定圓弧形往程旋壓軌跡；其中旋輪 的首道次仰角汍取50° -60°，道次間距p通過試驗獲得。
【專利摘要】本發明公開一種大長細比帶凹底薄壁筒形件精密成形方法。該方法先計算板坯的尺寸，然后依次進行凹底部分成形、拉深旋壓成筒形坯料、旋壓減薄到規定尺寸；后續通用加工，滿足零件尺寸要求；其中拉深旋壓成筒形坯料是將凹底成形后的坯料翻轉，將其固定在尾頂和芯模之間，按照普通旋壓軌跡編制方法編制普旋軌跡，主軸帶動坯料旋轉，旋輪在數控系統的驅動下，按已編制的軌跡進行進給，旋壓軌跡的前6‐8道次為單純的往程旋壓，其后為往返程相結合的旋壓軌跡，將坯料拉深旋壓成筒形件；本發明利用多道次拉深旋壓獲得筒形毛坯，然后采用旋壓減薄到規定尺寸，同時利用強力旋壓高精度的特點，制件壁厚均勻、表面質量高、致密度好、缺陷少。
【IPC分類】B21D22-14
【公開號】CN104550393
【申請號】CN201410729894
【發明人】肖鋼鋒, 夏琴香, 程秀全, 楊琛
【申請人】華南理工大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月3日