多级外筋筒体旋挤成形设备及方法

摘要

一种多级外筋筒体旋挤成形设备及方法，该设备包括：进给系统、温控系统和模具，其中：模具设置于进给系统内，温控系统设置于试样的两端面上；进给系统包括：径向进给装置和对称设置于其两侧的轴向进给装置；轴向进给装置包括：丝杠滑轨结构、固定轴和电机，电机与丝杠连接，固定轴的一端通过基座设置于滑轨上，固定轴的另一端与模具同轴设置；径向进给装置包括：外壳体、多个旋轮和数控设备。本发明实现多级外筋筒体经旋挤成形，进而完成多级外筋筒体样件的制造，有效提高带筋筒体中多级外筋的成筋充分性。

权利要求

1.一种多级外筋筒体旋挤成形设备，其特征在于，包括：动力系统、温控系统、进给动力装置和模具，其中：动力系统设置于模具的外侧，温控系统设置于位于模具内的试样的两端面上，进给动力装置与动力系统相连；

所述的动力系统包括：进给动力装置和主轴动力装置，其中：进给动力装置设置于主轴动力装置的两侧；

所述的进给动力装置包括：径向进给装置和对称设置于其两侧的轴向进给装置；

所述的轴向进给装置包括：丝杠滑轨结构、固定轴和电机，其中：电机与丝杠连接，固定轴的一端通过基座设置于滑轨上，固定轴的另一端与模具同轴设置；

所述的径向进给装置包括：外壳体、多个旋轮和数控设备，其中：外壳体设置于模具的外表面作为定子，多个旋轮均匀设置于固定轴进入作为转子的模具的端部上，包含伺服直线电机的数控设备设置于固定轴内；

所述的模具通过设置于两端的固定装置固定，该固定装置包括：过盈配合的圆环、轴承和阶梯轴以形成端顶结构以同时实现试样的轴向和周向约束；

所述的定子设有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，二者空间呈90°布置；

所述的温控系统包括：加热装置、传感装置和反馈控制装置，其中：加热装置设置于外壳体内，传感装置设置于试样的两端面，反馈控制装置分别与加热装置和传感装置连接并利用单片机和PID算法进行温度控制；

所述的模具为筒体结构，其外表面设有高度不等或宽度不等的轴向筋槽和/或周向筋槽；

所述的加热装置为多个加热棒，该加热棒均匀设置于外壳体的两端内部；

所述的模具通过设置于外壳体两端的端顶结构固定于外壳体内；所述的端顶结构为过盈配合的圆环、轴承和阶梯轴；

所述的传感装置为无线温度传感器以防止传感器对加工过程产生干涉。

2.一种基于权利要求1所述多级外筋筒体旋挤成形设备的成形方法，其特征在于，首先温控系统将无线温度传感器采集到的试样温度信息通过反馈控制装置对加热装置的温度进行控制；其次进给动力装置的轴向进给装置和径向进给装置相互配合以填充筋槽，具体是携带旋轮的固定轴与试样相接触，旋轮与试样同步转动并根据数控设备规划的路径进行轴向和径向运动，试样的材料在轴向进给装置的旋压作用下由两端向中间填充筋槽，且部分材料堆积于中间段，径向进给装置则采用径向挤压的方式将堆积在中间段的材料填充进筋槽内，实现多级外筋筒体旋挤成形；

所述的数控设备规划的路径，通过脉冲控制的驱动器通过编程使用运动控制卡里面的各种运动函数组建所需的旋轮运动轨迹路径。

说明书

多级外筋筒体旋挤成形设备及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种金属塑性加工领域的技术，具体是一种多级外筋筒体旋挤成形设备及方法。

背景技术

[0002] 现有的带加强筋薄壁筒形件的制造方式主要分为铣削加工、化学铣切、加强筋与筒体焊接和旋压成形四种工艺。采用机械铣削加工的方式制造出的加强筋不仅加工周期
长、成本高，而且会浪费大量的原材料；化学铣削制造出的加强筋根部存在圆角，会对加工
精度造成影响；加强筋与筒体焊接的方式，会在两者之间产生焊缝，降低结构强度。因此，旋
压成形作为一种整体成形工艺在航空航天等领域有着广泛的应用。然而在带加强筋薄壁筒
形件的旋压成形过程中，筋部填充不充分成为主要的问题。尤其在带多级外筋筒体旋压制
造过程中，更易出现筋部不能充分填充的问题。

发明内容

[0003] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种多级外筋筒体旋挤成形设备及方法，有效提高带筋筒体中多级外筋的成筋充分性。

[0004] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0005] 本发明涉及一种多级外筋筒体旋挤成形设备，包括：进给系统、温控系统和模具，其中：模具设置于进给系统内，温控系统设置于试样的两端面上。

[0006] 所述的进给系统包括：径向进给装置和对称设置于其两侧的轴向进给装置。

[0007] 所述的轴向进给装置包括：丝杠滑轨结构、固定轴和电机，其中：电机与丝杠连接，固定轴的一端通过基座设置于滑轨上，固定轴的另一端与模具同轴设置。

[0008] 所述的径向进给装置包括：外壳体、多个旋轮和数控设备，其中：外壳体设置于模具的外表面，多个旋轮均匀设置于固定轴进入模具的端部上，数控设备设置于固定轴内。

[0009] 所述的外壳体作为定子，该定子设有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，二者空间呈 90°；所述的模具作为转子。

[0010] 所述的数控设备通过伺服直线电机将电能直接转换成直线运动机械能，该伺服直线电机利用脉冲控制的驱动器控制，编程时直接使用运动控制卡里面的各种运动函数组建
所需的旋轮运动轨迹曲线。

[0011] 所述的温控系统包括：加热装置、传感装置和反馈控制装置，其中：加热装置设置于外壳体内，传感装置设置于试样的两端面，反馈控制装置分别与加热装置和传感装置连
接。

[0012] 所述的加热装置为多个加热棒，该加热棒均匀设置于外壳体的两端内部。

[0013] 所述的加热棒设有功率调整器以调节温度。

[0014] 所述的反馈控制装置包括：温度采集卡和温度控制器，其中：温度采集卡对温度传感器测得的温度进行采集并作为输入量传递到温度控制器中，预经编程的温度控制器设置
温度并将需要调节量作为输出传递到加热棒的功率调节器中实现温度的调节。

[0015] 所述的模具通过设置于外壳体两端的端顶结构固定于外壳体内。

[0016] 所述的端顶结构为过盈配合的圆环、轴承和阶梯轴。

[0017] 所述的模具为筒体结构，其外表面设有高度不等或宽度不等的轴向筋槽和/或周向筋槽。

[0018] 本发明涉及上述多级外筋筒体旋挤成形设备的成形方法，首先温控系统将无线温度传感器采集到的试样温度信息通过反馈控制装置对加热装置的温度进行控制；其次进给
系统的轴向进给装置和径向进给装置相互配合以填充筋槽，具体是携带旋轮的固定轴与试
样相接触，旋轮与试样同步转动并根据数控设备规划的路径进行轴向和径向运动，试样的
材料在轴向进给装置的旋压作用下由两端向中间填充筋槽，且部分材料堆积于中间段，径
向进给装置则采用径向挤压的方式将堆积在中间段的材料填充进筋槽内，实现多级外筋筒
体旋挤成形。

[0019] 所述的数控设备规划的路径，通过脉冲控制的驱动器通过编程使用运动控制卡里面的各种运动函数组建所需的旋轮运动轨迹路径。

[0020] 技术效果

[0021] 与现有技术相比，本发明实现多级外筋筒体经旋挤成形，进而完成多级外筋筒体样件的制造，有效提高带筋筒体中多级外筋的成筋充分性。

附图说明

[0022] 图1为本发明结构示意图；

[0023] 图2为图1的主视图；

[0024] 图3为图2的横截面示意图；

[0025] 图4为图3的虚线框部分放大图；

[0026] 图5为图4的虚线框部分放大图；

[0027] 图6为实施例2的旋挤流程图；

[0028] 图7为实施例3的旋挤流程图；

[0029] 图8为模具的结构示意图；

[0030] 图中：A为实施例1的模具；B为实施例2的模具；C为实施例3的模具；

[0031] 图中：进给动力装置1、丝杠10、滑轨11、电机12、主轴动力装置2、外壳体20、温控系统3、加热棒30、无线温度传感器31、轴向进给装置4、固定轴40、基座41、径向进给装置5、导
向滑槽50、旋轮51、数控设备52、固定装置6、圆环60、轴承61、阶梯轴62、模具7、试样8。

具体实施方式

[0032] 实施例1

[0033] 本实施例采用的试样8为薄壁圆柱形短壳结构。

[0034] 如图1至图5所示，本实施例包括：动力系统、温控系统3、进给系统和模具7，其中：动力系统设置于模具7的外侧，温控系统3设置于位于模具7内的试样8的两端面上，进给系
统与动力系统相连。

[0035] 所述的动力系统包括：进给动力装置1和主轴动力装置2，其中：进给动力装置1设置于主轴动力装置2的两侧。

[0036] 所述的进给动力装置1包括：丝杠10、滑轨11和电机12，其中：丝杠10和滑轨11 相互配合，电机12与丝杠10相互连接。

[0037] 所述的丝杠10和滑轨11相互配合具体采用双直线滑轨11形式，即滑轨11上设有滑块，两滑轨11之间为滚珠丝杠10，滚珠丝杠10采用挡块控制行程。

[0038] 所述的主轴动力装置2采用交流伺服电机，模具7作为转子，模具7的外侧设有外壳体 20作为定子。

[0039] 所述的定子设有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，二者空间呈90°，通过改变信号电压的大小来控制内部模具7的转动速度。

[0040] 所述的温控系统3包括：加热装置、传感装置和反馈控制装置，其中：加热装置设置于外壳体20的两端，传感装置设置于试样8的两端面，反馈控制装置分别与加热装置和传感
装置连接并利用单片机和PID算法进行温度控制。

[0041] 所述的加热装置为四个加热棒30，该四个加热棒30两个为一组分别设置于外壳体20 的两端。

[0042] 所述的加热棒30设有功率调整器以调节温度。

[0043] 所述的传感装置为无线温度传感器31以防止传感器对加工过程产生干涉。

[0044] 所述的进给系统包括：轴向进给装置4和径向进给装置5，其中：轴向进给装置4设置于外壳体20的两端，径向进给装置5设置于轴向进给装置4上。

[0045] 所述的轴向进给装置4包括：两个带有基座41的固定轴40，其中：基座41设置于进给动力装置1的滑块上。

[0046] 所述的径向进给装置5为三个均布于固定轴40端部的旋轮51和数控设备52，其中：旋轮51通过固定轴40上设置的导向滑槽50定位，旋轮51通过电机12实现径向进给，数控设
备52设置于固定轴40的内部。

[0047] 所述的模具7通过设置于两端的固定装置6固定，该固定装置6包括：过盈配合的圆环60、轴承61和阶梯轴62以形成端顶结构以同时实现试样8的轴向和周向约束。

[0048] 如图8A所示，所述的模具7为筒体结构，包括：周向上的三条筋槽，其中：中间为高筋槽，两侧为对称的低筋槽。

[0049] 所述的模具7能够用于制造带多级外筋筒体。

[0050] 实施例2

[0051] 与实施例1相比，本实施例采用的模具7如图8B所示，为筒体结构，包括：轴向上均布的四条等高筋槽和周向上的三条筋槽，其中：周向上的中间筋槽为高筋槽，周向上的两侧
筋槽为对称的低筋槽。

[0052] 所述的模具7能够用于制造带多级纵横不等高外筋筒体。

[0053] 如图6所示，本实施例涉及一种多级外筋筒体旋挤成形的制造方法，具体步骤包括：

[0054] 1)试样8安装进模具7，将固定装置6利用螺栓固定在模具7上，实现试样8的轴向约束以及周向同步旋转约束，随后将加热棒30分别插入外壳体20两端，并利用螺栓固定；将无
线温度传感器31固定在试样8两端的表面上，最后将加热棒30、无线温度传感器31与反馈控
制装置连接，构成温度调节反馈系统，无线温度传感器31将温度转变成电压信号后经温度
变送器放大并转换成电流信号，通过电阻将电流信号变成电压信号，送入A/D转换器，通过
采样和模数转换，所检测到的电压信号和加热棒30功率转换的电压信号在计算机程序中进
行比较，得到的控制量反馈给加热棒30功率控制器，通过对其进行调节实现对试样8温度的
控制。

[0055] 2)启动主轴动力装置2，使得模具7及试样8在规定转速条件下同步旋转；调节进给动力装置1，通过滑轨11与丝杠10将三个旋轮51轴向进给到试样8两端；调节径向进给装置
5，使三个旋轮51沿导向滑槽50径向滑动与试样8接触，旋轮51与试样8同步转动，利用数控
设备52规划旋轮51轴向进给和径向进给路径，使得旋轮51从两端向中间多道次逐步进给，
在旋轮51轴向推力的作用下，使试样8的材料由两端向中心位置流动，逐渐填充满低筋结
构，此过程主要由旋轮51的轴向旋压完成。

[0056] 3)试样8的材料流动使得低筋成形的同时，还有一部分会在旋轮51的轴向推力作用下堆积到中部，高筋成形过程不仅需要旋轮51的轴向旋压作用，还需两端旋轮51共同的
挤压作用，具体过程为：低筋成形后两端旋轮51继续向中心位置进给，在试样8的材料流动
至中心位置后，减小径向进给，使得两端旋轮51在中心位置接触形成整体结构，随后增大径
向进给，在旋轮51径向推力的作用下，使得试样8的材料逐渐填充满高筋结构，此过程主要
由旋轮51 的径向挤压完成。

[0057] 实施例3

[0058] 与实施例1相比，本实施例采用的模具7如图8C所示，为筒体结构，包括：轴向上均布的四条等宽筋槽和周向上的三条筋槽，其中：周向上的中间筋槽宽于周向上的两侧筋槽，
即中间筋槽为宽筋槽，两侧筋槽为窄筋槽。

[0059] 所述的模具7能够用于制造带多级纵横不等宽外筋筒体。

[0060] 如图7所示，本实施例涉及一种多级外筋筒体旋挤成形的制造方法，具体步骤包括：

[0061] 1)试样8安装进模具7，将固定装置6利用螺栓固定在模具7上，实现试样8的轴向约束以及周向同步旋转约束，随后将加热棒30分别插入外壳体20两端，并利用螺栓固定；将无
线温度传感器31固定在试样8两端的表面上，最后将加热棒30、无线温度传感器31与反馈控
制装置连接，构成温度调节反馈系统。

[0062] 2)启动主轴动力装置2，使得模具7及试样8在规定转速条件下同步旋转；调节进给动力装置1，通过滑轨11将三个旋轮51轴向进给到试样8两端；调节径向进给装置5，使三个
旋轮51沿导向滑槽50径向滑动与试样8接触，旋轮51与试样8同步转动，利用数控设备52 规
划旋轮51轴向进给和径向进给路径，使得旋轮51从两端向中间多道次逐步进给，在旋轮 51
轴向推力的作用下，使试样8的材料由两端向中心位置流动，逐渐填充满窄筋结构，此过程
主要由旋轮51的轴向旋压完成。

[0063] 3)试样8的材料流动使得窄筋成形的同时，还有一部分会在旋轮51的轴向推力作用下堆积到中部，宽筋成形过程不仅需要旋轮51的轴向旋压作用，还需两端旋轮51共同的
挤压作用，具体过程为：窄筋成形后两端旋轮51继续向中心位置进给，在试样8的材料流动
至中心位置后，减小径向进给，使得两端旋轮51在中心位置接触形成整体结构，随后增大径
向进给，在旋轮51径向推力的作用下，使得试样8的材料逐渐填充满宽筋结构，此过程主要
由旋轮51 的径向挤压完成。

[0064] 动力系统用来为设备进给和主轴旋转提供动力；温控系统3用于试样8加工过程中加热温度的精确控制；进给系统在加工过程中分别提供轴向进给以及径向进给；模具7固定
系统为试样8提供轴向约束以及周向同步旋转约束。

[0065] 经过旋挤加工过程仿真模拟，以主轴转速60rad/min，进给速度6mm/min的参数模拟，可旋挤制造出低筋为6mm高筋为10mm的带多级外筋筒体。

[0066] 相比现有带外筋筒体旋挤成形制造方法的常规技术手段一般采用一端固定，另一端轴向进给旋挤加工的制造方法，本发明由于两端旋轮共同完成总行程，相同的进给速度
条件下，缩短了行程，大大提高了加工制造效率；同时现有旋轮在轴向进给的同时径向进给
量固定，只能加工等高或等宽外筋，无法成形高度或宽度不同的外筋，而本发明对旋轮进给
路径进行了规划，旋轮在轴向进给的同时还可以对径向进给量进行调整，这样可充分利用
材料的流动特性，对材料流动进行更好的调控，且径向进给量的调整使得旋轮可同时实现
旋压和挤压的功能，可实现高筋或宽筋的充分填充，进而完成带多级外筋筒体的制造。

[0067] 综上，本发明通过旋挤成形制造方法可有效提高带多级外筋筒体的加工制造效率；通过旋轮的进给路径规划及控制可同时实现不等高或不等宽多级外筋的充分填充。

[0068] 上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所
限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。