带外筋环形构件近净复合流动成形装置及方法

摘要

本发明属于塑性加工技术领域，具体涉及一种带外筋环形构件近净复合流动成形装置，包括支架，所述支架包括上下布置的上横梁和下横梁，上横梁和下横梁之间通过立柱连接，还包括进给部件和旋转部件；所述进给部件包括安装在上横梁上的液压机，所述液压机下端安装有活动横梁，所述活动横梁下表面安装有进给轴，所述进给轴周向设有一圈滚珠；所述旋转部件包括安装在下横梁上的旋转工作台，所述旋转工作台上安装有凹模座，所述凹模座上安装有与目标环件外形相匹配的凹模，所述凹模位于进给轴的正下方。本发明有效避免了传统工艺造成的强度不足，材料利用率低，制作成本高等缺点；提高了制造效率和产品性能，扩大成形对象。

权利要求

1.一种带外筋环形构件近净复合流动成形方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、毛坯设计：

根据目标环件(27)的几何尺寸设计毛坯(17)的尺寸；

S2、模具设计：

设计一种带外筋环形构件近净复合流动成形装置，根据目标环件(27)的形状设计凹模(16)，将毛坯(17)安装在凹模(16)内；带外筋环形构件近净复合流动成形装置，包括支架，所述支架包括上下布置的上横梁(11)和下横梁(24)，上横梁(11)和下横梁(24)之间通过立柱(5)连接；还包括进给部件和旋转部件；所述进给部件包括安装在上横梁(11)上的液压机(12)，所述液压机(12)下端安装有活动横梁(10)，所述活动横梁(10)下表面安装有进给轴(13)，所述进给轴(13)周向设有一圈滚珠(8)；所述进给轴(13)从上至下依次套设有垫块(14)、锥形环(9)、滚珠模座(7)和螺母(6)，所述滚珠模座(7)内安装有滚珠(8)；所述旋转部件包括安装在下横梁(24)上的旋转工作台(20)，所述旋转工作台(20)上安装有凹模座(18)，所述凹模座(18)上安装有与目标环件(27)外形相匹配的凹模(16)，所述凹模(16)位于进给轴(13)的正下方；所述旋转工作台(20)通过推力球轴承(22)和深沟球轴承(23)安装在下横梁(24)上，所述旋转工作台(20)中心设有旋转轴(21)，所述旋转轴(21)通过联轴器(25)与电动机(26)连接；

S3、流动成形：

S301、径向流动：调整凹模(16)中凹槽的位置与滚珠(8)对应，进给部件下压，滚珠(8)使得毛坯(17)所有筋区金属流动到所述凹槽中；

S302、切向流动：根据目标环件(27)的结构与尺寸确定滚珠(8)数量、道次数及各道次减薄量，开启电动机(26)与液压机(12)分别带动旋转工作台(20)旋转和进给轴(13)向下进给，完成第一道次切向流动；

S303、调整垫块(14)下压位置改变滚珠(8)在进给轴(13)上的径向位置，改变减薄量，设定第二道次减薄量，重复步骤S302实现第二道次减薄；

S304、重复步骤S303完成多道次旋压，直至目标环件(27)成形；

S4、脱膜取料。

2.根据权利要求1所述的带外筋环形构件近净复合流动成形方法，其特征在于，该成形装置还包括卸料部件，所述卸料部件包括气缸(1)和若干根顶杆(4)，所述凹模座(18)周向均匀设有若干竖直盲孔，每个盲孔内安装一根顶杆(4)，所述顶杆(4)位于目标环件(27)正下方；若干盲孔的底部均连通，并且与气缸(1)连通连接。

3.根据权利要求2所述的带外筋环形构件近净复合流动成形方法，其特征在于，所述步骤S4、脱膜取料：S401、保持电动机(26)旋转，活动横梁向上回程至初始位置，关闭电动机，进给部件脱出；

S402、打开气缸(1)开关，驱动顶杆(4)上移将目标环件(27)从凹模(16)中顶出。

说明书

带外筋环形构件近净复合流动成形装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于塑性加工技术领域，具体涉及一种带外筋环形构件近净复合流动成形装置及方法。

背景技术

[0002] 带外筋复杂环形构件是指外表面带纵向筋、交叉网格筋等复杂结构的一类异形截面环形构件，以铝合金等轻质高强材料为主，在航空航天工业、民用工业、国防工业中有广泛应用。这类复杂构件的传统制造方法是先成形矩形截面环件，然后切削加工出外表面带筋结构，造成材料浪费大、加工效率低等问题。因此，近净成形是该类构件制造的重要发展方向，精密铸造和精密挤压是两种常见的近净成形方法。采用精密铸造成形该类复杂零件时浇筑系统复杂，工艺条件难控制，易出现填充不满、缩松缩孔等缺陷，且产品力学性能较差；采用精密挤压成形通过塑性强化可提高产品力学性能，但模具结构复杂、成形力能大、制造成本高。滚珠旋压工艺是一种成形带筋环形构件的新方法，即利用滚珠切向旋转和轴向进给，在模具限制作用下使毛坯壁厚减薄并促使材料向带筋部位填充，目前主要用于筋高较小的带简单内筋环形构件的成形，具有成形精度高、生产效率高、成形力小、产品性能好等显著优点。但仅靠滚珠切向旋转作用，金属径向流动能力受限，非筋区金属很难流动到筋区，对于筋高较大、结构较复杂的带筋环形构件仍难以实现近净成形。因此，亟需开发一种新方法来实现这种带外筋复杂环形构件近净成形，提升我国航空航天和武器装备用特种环形构件制造能力。

发明内容

[0003] 针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种带外筋环形构件近净复合流动成形装置及方法，有效避免了传统工艺造成的强度不足，材料利用率低，制作成本高等缺点；提高了制造效率和产品性能，扩大成形对象。

[0004] 为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

[0005] 一种带外筋环形构件近净复合流动成形装置，包括支架，所述支架包括上下布置的上横梁11和下横梁24，上横梁11和下横梁24之间通过立柱5连接，其特征在于：还包括进给部件和旋转部件；

[0006] 所述进给部件包括安装在上横梁11上的液压机12，所述液压机12下端安装有活动横梁10，所述活动横梁10下表面安装有进给轴13，所述进给轴13周向设有一圈滚珠8；

[0007] 所述旋转部件包括安装在下横梁24上的旋转工作台20，所述旋转工作台20上安装有凹模座18，所述凹模座18上安装有与目标环件27外形相匹配的凹模16，所述凹模16位于进给轴13的正下方。

[0008] 进一步地，该成形装置还包括卸料部件，所述卸料部件包括气缸1和若干根顶杆4，所述凹模座18周向均匀设有若干竖直盲孔，每个盲孔内安装一根顶杆4，所述顶杆4位于目标环件27正下方；若干盲孔的底部均连通，并且与气缸1连通连接。

[0009] 进一步地，所述进给轴13从上至下依次套设有垫块14、锥形环9、滚珠模座7和螺母6，所述滚珠模座7内安装有滚珠8。

[0010] 进一步地，所述旋转工作台20通过推力球轴承22和深沟球轴承23安装在下横梁24上，所述旋转工作台20中心设有旋转轴21，所述旋转轴21通过联轴器25与电动机26连接。

[0011] 一种带外筋环形构件近净复合流动成形方法，其特征在于包括以下步骤：

[0012] S1、毛坯设计：根据目标环件27的几何尺寸设计毛坯17的尺寸；

[0013] S2、模具设计：设计上述任一带外筋环形构件近净复合流动成形装置，根据目标环件27的形状设计凹模16，将毛坯17安装在凹模16内；

[0014] S3、流动成形：

[0015] S301、径向流动：调整凹模16中凹槽的位置与滚珠8对应，进给部件下压，滚珠8使得毛坯17所有筋区金属流动到所述凹槽中；

[0016] S302、切向流动：根据目标环件27的结构与尺寸确定滚珠8数量、道次数及各道次减薄量，开启电动机26与液压机12分别带动旋转工作台20旋转和进给轴13向下进给，完成第一道次切向流动；

[0017] S303、调整垫块14下压位置改变滚珠8在进给轴13上的径向位置，改变减薄量，设定第二道次减薄量，重复步骤S302实现第二道次减薄；

[0018] S304、重复步骤S303完成多道次旋压，直至目标环件27成形；

[0019] S4、脱膜取料。

[0020] 进一步地，所述步骤S4、脱膜取料：

[0021] S401、保持电动机26旋转，活动横梁向上回程至初始位置，关闭电动机，进给部件脱出；

[0022] S402、打开气缸1开关，驱动顶杆4上移将目标环件27从凹模16中顶出。

[0023] 本发明的有益效果为：本发明通过径向与切向复合流动成形，改善金属流动状态，提高金属向带筋部位流动填充能力，可实现复杂带筋结构环形构件近净成形，显著提高材料利用率，并获得致密完整的流线分布从而大幅提高零件力学性能。本发明有效避免了传统工艺造成的强度不足，材料利用率低，制作成本高等缺点；提高了制造效率和产品性能，扩大成形对象。

附图说明

[0024] 图1是带外筋环形构件近净复合流动成形装置的示意图。

[0025] 图2是进给部件的示意图。

[0026] 图3是卸料部件的示意图一(初始状态)。

[0027] 图4是卸料部件的示意图二(终止状态)。

[0028] 图5是目标环件的立体示意图。

[0029] 图6是目标环件的俯视示意图。

[0030] 图7是凹模的俯视示意图。

[0031] 图8是毛坯截面示意图。

[0032] 图9是滚珠径向流动示意图。

[0033] 图10是滚珠切向流动示意图。

[0034] 附图标记：1-气缸；2-推杆；3-套筒；4-顶杆；5-立柱；6-螺母；7-滚珠模座；8-滚珠；9-锥形环；10-活动横梁；11-上横梁；12-液压机；13-进给轴；14-垫块；15-键；16-凹模；17-毛坯；18-凹模座；19-卡盘；20-旋转工作台；21-旋转轴；22-推力球轴承；23-深沟球轴承；
24-下横梁；25-联轴器；26-电动机；27-目标环件。

具体实施方式

[0035] 为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的说明。

[0036] 实施例一

[0037] 一种带外筋环形构件近净复合流动成形装置，包括支架，所述支架包括上下布置的上横梁11和下横梁24，上横梁11和下横梁24之间通过立柱5连接；还包括进给部件、旋转部件和卸料部件；

[0038] 所述进给部件包括安装在上横梁11上的液压机12，所述液压机12下端安装有活动横梁10，所述活动横梁10下表面安装有进给轴13，所述进给轴13周向设有一圈滚珠8；所述进给轴13从上至下依次套设有垫块14、锥形环9、滚珠模座7和螺母6，所述滚珠模座7内安装有滚珠8，其中锥形环9和滚珠模座7与进给轴13均通过键15连接；通过选取不同尺寸以调整滚珠位置。

[0039] 所述旋转部件包括安装在下横梁24上的旋转工作台20，所述旋转工作台20上安装有凹模座18，所述凹模座18上安装有与目标环件27外形相匹配的凹模16，所述凹模16位于进给轴13的正下方；所述旋转工作台20通过推力球轴承22和深沟球轴承23安装在下横梁24上，所述旋转工作台20中心设有旋转轴21，所述旋转轴21通过联轴器25与电动机26连接。

[0040] 所述卸料部件包括气缸1和若干根顶杆4，所述凹模座18周向均匀设有若干竖直盲孔，每个盲孔内安装一根顶杆4，所述顶杆4位于目标环件27正下方；若干盲孔的底部均连通，并且与气缸1通过推杆2和套筒3连通连接，使用时，气缸1通气推动顶杆4上升将目标环件27顶出。

[0041] 一种带外筋环形构件近净复合流动成形方法，包括以下步骤：

[0042] S1、毛坯设计：根据目标环件27的几何尺寸设计毛坯17的尺寸；

[0043] 毛坯17结构为筒形件结构，目标环件27外径R2等于毛坯17外径B2；减薄率a取60％～80％；

[0044] 毛坯内径B1与目标零件内径R1之间的关系

[0045] 由数学方法计算可以得毛坯体积V1＝(πB22-πB12)H1；

[0046] 目标零件体积V2＝[π(R2-R1)2+ns]H2；

[0047] 其中n为外筋个数，S为外筋截面积，H1和H2分别为毛坯17和目标环件27高度；基于体积不变的原理：目标环件27总体积等于毛坯17总体积，可根据目标环件27高度H2求出H1。

[0048] S2、模具设计：设计带外筋环形构件近净复合流动成形装置，根据目标环件27的形状设计凹模16，将毛坯17安装在凹模16内；

[0049] S3、流动成形：

[0050] S301、径向流动：调整凹模16中凹槽的位置与滚珠8对应，进给部件下压，滚珠8使得毛坯17所有筋区金属流动到所述凹槽中；沿滚珠模座7直径方向放置俩个滚珠8，调整旋转工作台20使滚珠8与凹槽对应后，锁死旋转工作台20；打开液压机12，活动横梁10向下进给至终了状态，使筋区金属流动到凹槽中，活动横梁10回程退出至初始位置；调整旋转工作台20，重复上述过程直至各筋区都完成预成形，径向流动完成；

[0051] S302、切向流动：根据目标环件27的结构与尺寸确定滚珠8数量、道次数及各道次减薄量，开启电动机26与液压机12分别带动旋转工作台20旋转和进给轴13向下进给，完成第一道次切向流动，进给轴13向上回程到初始位置，关闭液压机12和电动机26；

[0052] S303、调整垫块14下压位置改变滚珠8在进给轴13上的径向位置(垫块14加厚时锥形环9下压滚珠8向外阔)，改变减薄量，设定第二道次减薄量，重复步骤S302实现第二道次减薄；滚珠8放置在滚珠模座7内，通过螺母6的上下活动调整其轴向位置；滚珠模座7上下移动直至滚珠8与锥形环9接触以限制其径向向位置，当活动横梁10进给至滚珠8与毛坯17接触后，滚珠8完全固定；这可以在不拆卸模具的情况下调整滚珠8径向位置以及改变各道次减薄量，完成多道次旋压；

[0053] 在设计好各部件的尺寸后首先按照垫块14、锥形环9、滚珠模座7、滚珠8、螺母6的顺序依次套在中心轴13上，并通过键15固定锥形环9和滚珠模座7。设锥形环9的倾角为α，滚珠8半径为r，可测量t值来确定滚珠的径向位置及其单道次的减薄量，根据数学关系锥形轴向环位置与滚珠径向位置关系如下：

[0054] X＝r(cotα+cosαcotα)+(t0-t)cotα+rsinα

[0055] 其中：t为图2中A、B面之间距离(安装时测量)，r为滚珠半径，X为滚珠球心到中心轴表面的距离，t0＝(t1+t2+t3)，t1-垫块厚度，t2-锥形环最大厚度，t3-滚珠模座的最小厚度；由此可推出Δt＝X+r-B1，其中Δt-减薄量；B1-毛坯内表面半径；

[0056] S304、重复步骤S303完成多道次旋压，直至目标环件27成形；

[0057] 需设置合理的减薄率，为保证产品质量与加工效率总减薄率为60-80％。径向流动的下压量应与切向流动中减薄量相同。若减薄量较大可采取多道次成形，多道次加工中，最后一道次减薄量应占总减薄量的20-30％；

[0058] S4、脱膜取料：

[0059] S401、保持电动机26旋转，活动横梁向上回程至初始位置，关闭电动机，进给部件脱出；

[0060] S402、打开气缸1开关(使推杆2在导筒3内进给)，驱动顶杆4上移将目标环件27从凹模16中顶出(关闭气缸1，顶杆4退至初始位置)。

[0061] 本发明中复合流动成形工艺属于局塑性成形具有材料利用率高，成形精度高、质量好等优点。相比于滚珠旋压，复合流动成形工艺采取径向流动成形和切向流动成形俩种方式。径向流动成形可以将筋区减薄的金属一部分挤压到键槽中，完成初步充填；另一部分金属挤压至凹槽两侧发生隆起。同时径向流动成形改变了毛坯的结构，形成的凹槽使金属周向转移所受到的变形抗力更小，相对于轴向流动更易于发生径向的填充。切向流动成形过程中滚珠将非筋区减薄金属转移至筋区，与隆起的金属发生堆积，随后滚珠将堆积的金属转移至凹槽中，完成充型。相比于滚珠旋压工艺，新的工艺改善了毛坯结构，降低了变形抗力，促进了金属切向、径向流动，可以改善复杂环形构件的充填效果。

[0062] 实施例二

[0063] 基于上述实施例一，本实施例提供一种具体的实施例。

[0064] S1、毛坯设计：根据目标环件27的几何尺寸设计毛坯17的尺寸；

[0065] 目标零件尺寸为H2＝300mm，R1＝245mm，R2＝250mm，L1＝5mm，L2＝7mm，L3＝10mm，n＝20，a＝0.7，根据实施例一中公式：

[0066] 可知毛坯的尺寸为：

[0067] B1＝233.3mm；B2＝250mm；H1＝267.8mm，取整H1＝270mm。

[0068] 根据目标环件结构特征设计模具尺寸。考虑到在毛坯17变形过程中存在着轴向伸长，因此凹模16高度H3＝300mm，由于本发明涉及的复合流动成形工艺为精密加工工艺，为保证目标环件27的尺寸精度凹模16凹槽尺寸与目标零件相同，只在部分位置根据现场工艺条件设置合适的圆角，此处不再赘述。同时考虑到目标环件27的表面质量以及金属流动的难易程度，凹模16内表面的表面粗糙度要达到Ra0.8。考虑到模具所承受的变向力、目标环件的填充效果及本实例中毛坯17减薄量选取滚珠8直径为20mm，滚珠8个数n＝8。

[0069] S2、模具设计：设计带外筋环形构件近净复合流动成形装置，根据目标环件27的形状设计凹模16，将毛坯17安装在凹模16内；

[0070] S3、流动成形：

[0071] 调整旋转工作台20使滚珠8与凹槽对应，锁死旋转工作台20。打开液压机12，活动横梁10以1mm/s向下进给至毛坯17末端(终了状态)，活动横梁10以100mm/s回程退出至初始位置。径向流动成形完成。

[0072] 由于减薄量较大采取三道次成形，单道此减薄量为5mm。调整滚珠模座7位置，根据实施例一中公式确定滚珠8在径向上的位置。开启电动机26带动旋转工作台旋转20，设定转速为75r/s；同时开启液压机12，活动横梁以1mm/s向下进给至毛坯17末端，活动横梁10以10mm/s向上回程到初始位置，完成第一道次切向流动成形。调整滚珠模座7位置，设定第二到此减薄量，依照上述步骤完成第二第三道次切向流动成形后关闭液压机12和电动机26。

[0073] S4、脱膜取料。

[0074] 以上说明仅为本发明的应用实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。