一种I型纵筋环件模内径向挤压成形工艺设计方法

摘要

本发明提出一种I型纵筋环件模内径向挤压成形工艺设计方法，首先根据目标环件的形状合理设计径向挤压工艺步骤，通过多个凸模分步径向挤压可使环件内表面金属产生塑性变形，逐步成形出I型纵筋结构，根据工艺步骤合理设计环坯、套模及各分步凸模形状及尺寸。本发明可实现I型纵筋环件模内多步径向挤压稳定成形，有效降低了该类零件制造能源和材料消耗，提高了生产效率和产品性能、降低制造成本、扩大制造范围。

说明书

技术领域

本发明属于塑性加工的技术领域，尤其涉及一种I型纵筋环件模内径向挤压成形工艺设计方法。

背景技术

I型纵筋环形构件(以下简称带筋环件)，其几何特征为壁厚小、内表面带有I型复杂截面纵筋，是航空航天和国防装备中重要的高性能轻量化构件。该类复杂带筋环件现有制造方法通常有两种：一种是先采用轧环等塑性加工方法整体成形壁厚较厚的矩形环件，然后利用切削方法在环件内表面加工I型纵筋；另一种是先加工出薄壁环件，再将机加工好的I型纵筋焊接到薄壁环件内表面。前者材料利用率低、加工时间长，而且切削造成流线破坏降低环件力学性能，后者效率低，且焊缝强度低，焊接变形难以控制，易产生裂纹，降低环件力学性能。因此，针对带筋环件现有制造问题，急需研发更为先进的成形技术，提高制造效率和产品性能，扩大成形对象，满足高端航天和武器装备发展需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种I型纵筋环件模内径向挤压成形工艺设计方法，可实现I型纵筋环形构件模内多步径向挤压稳定成形，有效降低了该类零件制造能源和材料消耗，提高了生产效率和产品性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种I型纵筋环件模内径向挤压成形工艺设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)坯料尺寸确定：坯料外径D₁与目标锻件的外径D₀相同即D₁＝D₀，坯料轴向高度等于目标锻件的纵筋高度，即H₁＝H₀，由体积不变定律计算出坯料内径d₁为:

S2)套模尺寸确定：根据目标锻件确定，套模内径d_t与目标锻件外径D₀相等，套模轴向高度B_t与目标锻件轴向高度B₀相等，套模外径可根据套模材料和设备吨位进行强度设计来确定；

S3)第一次挤压成形：坯料通过模内轧环或机加工得到环坯，将环坯安装在套模内，第一凸模由动力源驱动，沿径向挤压环坯，使环坯内表面金属向第一凸模两侧堆积，进给量由目标锻件与环坯内径差值求得，完成第一次挤压后，第一凸模沿轴向退回初始位置，动力源驱动套模及环坯沿周向转动固定角度θ，n为成形环件的纵筋条数，重复上述步骤，直至压完一圈，最终实现环件内壁金属的分流，使之堆积在需要成形纵筋的位置；

S4)第二次挤压成形：将第一凸模取出，换上中部带有凹槽的第二凸模，套模及环坯旋转固定角度θ/2，使第二凸模的凹槽刚好对准环坯内表面堆积形成的纵筋位置，第二凸模沿径向挤压环坯后脱模，套模驱动环坯旋转固定角度θ至下一处纵筋位置，第二凸模再沿径向挤压，直至将整个环坯的n条纵筋挤压完毕；

S5)第三次挤压成形：将第二凸模取出，换上中部带有凹槽的第三凸模，第三凸模的凹槽刚好对准环坯内表面的纵筋位置，第三凸模沿径向挤压环坯后脱模，套模驱动环坯旋转固定角度θ至下一处纵筋位置，第三凸模再沿径向挤压，直至将整个环坯的n条纵筋挤压完毕；

S6)第四次挤压成形：将第三凸模取出，换上中部带有凹槽的第四凸模，第四凸模的凹槽刚好对准环坯内表面的纵筋位置，第四凸模沿径向挤压环坯后脱模，套模驱动环坯旋转固定角度θ至下一处纵筋位置，第四凸模再沿径向挤压，直至将整个环坯的n条纵筋挤压完毕，得到完整的I型纵筋环件。

按上述方案，所述第一凸模为一侧端面为外凸结构的块体，第一凸模工作面轴向高度B_j等于目标锻件高度B₀，凸台面半径R_j等于目标锻件薄壁处内半径r，宽度H_j小于两根纵筋间距ΔI，宽度H_j＝ΔI-H_i，第一凸模上下端带侧壁，侧壁径向高度等于凸模高度加套模厚度，周向宽度与凸模相等，在挤压时，侧壁限制金属沿轴向流动，利于金属向挤压第一凸模两边堆积成形表面纵筋结构。

按上述方案，所述第二凸模外形结构尺寸与第一凸模相同，第二凸模工作面中部带有第一凹槽，使堆积形成的纵筋向第一凹槽聚集，第一凹槽形状为T型，第一凹槽上端厚壁部分宽度约为L₂＝0.6L₀，L₀为目标锻件纵筋上端厚壁部分宽度，第二凸模上下端带侧壁，侧壁径向高度等于凸模高度加套模厚度，周向宽度与凸模相等，在挤压时，侧壁限制金属沿轴向流动，向第一凹槽汇集成表面纵筋结构。

按上述方案，所述第三凸模外形结构尺寸与第一凸模相同，工作面中部带有第二凹槽，第二凹槽形状为T型，腹板高度比第一凹槽大，上端厚壁部分宽度等于目标锻件纵筋上端厚壁部分宽度L₃＝L₀,腹板高度略高于目标锻件纵筋高度H₃＝1.1～1.3H₀，腹板宽度等于目标锻件腹板厚度t₃＝t₀，第三凸模上下端带侧壁径向高度等于凸模高度加套模厚度，周向宽度与凸模相等，在挤压时，侧壁限制金属沿轴向流动，向第二凹槽汇集成表面纵筋结构。

按上述方案，所述第四凸模外形结构尺寸与第一凸模相同，工作面中部带有第三凹槽，第三凹槽形状为I型，与目标锻件的纵筋结构尺寸相同。

本发明的有益效果是：提出一种I型纵筋环件模内径向挤压成形工艺设计方法，通过塑性成形的方法来成形环件内壁加强筋，相比传统方法能够有效克服现有的带筋环件塑性成形和筋条结构焊接成形问题：首先，采用分步连续局部挤压方法成形I型纵筋结构，相比焊接成形能有效克服焊缝强度低，筋部流线不完整等问题，具有效率高、结构性能好的优点。而且由于连续局部变形力能小、套模约束能促进表面筋结构成形并且容易控制环件整体尺寸，从而能克服传统整体挤压成形力能大、尺寸精度不易保障等问题。此外，针对I型截面纵筋的特点提出多步径向挤压，以及特殊的轴向脱模等具体方法，解决了I型纵筋充形及脱模困难等问题。因此，本发明针对复杂I型截面纵筋具有成形精度高、效率高、成本低、质量好等综合优点。

附图说明

图1为本发明一个实施例的环件结构示意图；

图2为本发明一个实施例的成形流程图；

图3为本发明一个实施例的纵筋成形流程图。

其中：1.环件，2.纵筋，3.坯料，4.套模，5.第一凸模，6.第二凸模，7.第三凸模，8.第四凸模。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1-3所示，一种I型纵筋环件模内径向挤压成形工艺设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)坯料3尺寸确定：坯料外径D₁与目标锻件的外径D₀相同即D₁＝D₀，坯料轴向高度等于目标锻件的纵筋高度，即H₁＝H₀，由体积不变定律计算出坯料内径d₁为:

S2)套模4尺寸确定：根据目标锻件确定，套模内径d_t与目标锻件外径D₀相等，套模轴向高度B_t与目标锻件轴向高度B₀相等，套模外径可根据套模材料和设备吨位进行强度设计来确定；

S3)第一次挤压成形：坯料通过模内轧环或机加工得到环坯，将环坯安装在套模内，第一凸模5由动力源驱动，沿径向挤压环坯，使环坯内表面金属向第一凸模两侧堆积，进给量由目标锻件与环坯内径差值求得，完成第一次挤压后，第一凸模沿轴向退回初始位置，动力源驱动套模及环坯沿周向转动固定角度θ，n为成形环件的纵筋条数，重复上述步骤，直至压完一圈，最终实现环件内壁金属的分流，使之堆积在需要成形纵筋的位置；

S4)第二次挤压成形：将第一凸模取出，换上中部带有凹槽的第二凸模6，套模及环坯旋转固定角度θ/2，使第二凸模的凹槽刚好对准环坯内表面堆积形成的纵筋位置，第二凸模沿径向挤压环坯后脱模，套模驱动环坯旋转固定角度θ至下一处纵筋位置，第二凸模再沿径向挤压，直至将整个环坯的n条纵筋挤压完毕；

S5)第三次挤压成形：将第二凸模取出，换上中部带有凹槽的第三凸模7，第三凸模的凹槽刚好对准环坯内表面的纵筋位置，第三凸模沿径向挤压环坯后脱模，套模驱动环坯旋转固定角度θ至下一处纵筋位置，第三凸模再沿径向挤压，直至将整个环坯的n条纵筋挤压完毕；

S6)第四次挤压成形：将第三凸模取出，换上中部带有凹槽的第四凸模8，第四凸模的凹槽刚好对准环坯内表面的纵筋位置，第四凸模沿径向挤压环坯后脱模，套模驱动环坯旋转固定角度θ至下一处纵筋位置，第四凸模再沿径向挤压，直至将整个环坯的n条纵筋挤压完毕，得到完整的I型纵筋环件。

第一凸模为一侧端面为外凸结构的块体，第一凸模工作面轴向高度B_j等于目标锻件高度B₀，凸台面半径R_j等于目标锻件薄壁处内半径r，宽度H_j小于两根纵筋间距ΔI，宽度H_j＝ΔI-H_i，第一凸模上下端带侧壁，侧壁径向高度等于凸模高度加套模厚度，周向宽度与凸模相等，在挤压时，侧壁限制金属沿轴向流动，利于金属向挤压第一凸模两边堆积成形表面纵筋结构。

第二凸模外形结构尺寸与第一凸模相同，第二凸模工作面中部带有第一凹槽，使堆积形成的纵筋向第一凹槽聚集，第一凹槽形状为T形，第一凹槽上端部分宽度约为L₂＝0.6L₀，L₀为目标锻件纵筋上端厚壁部分宽度，第二凸模上下端带侧壁，侧壁径向高度等于凸模高度加套模厚度，周向宽度与凸模相等，在挤压时，侧壁限制金属沿轴向流动，向第一凹槽汇集成表面纵筋结构。

第三凸模外形结构尺寸与第一凸模相同，工作面中部带有第二凹槽，第二凹槽形状为T形，腹板高度比第一凹槽大，上端厚壁部分宽度等于目标锻件纵筋上端厚壁部分宽度L₃＝L₀,腹板高度略高于目标锻件纵筋高度H₃＝1.1～1.3H₀，腹板宽度等于目标锻件腹板厚度t₃＝t₀，第三凸模上下端带侧壁，侧壁径向高度等于凸模高度加套模厚度，周向宽度与凸模相等，在挤压时，侧壁限制金属沿轴向流动，向第一凹槽汇集成表面纵筋结构。

第四凸模外形结构尺寸与第一凸模相同，工作面中部带有第三凹槽，第三凹槽形状为I型，与目标锻件的纵筋结构尺寸相同。

实施例一

I型纵筋环件1的外径R₀＝690mm，内径r₀＝670mm，高B₀＝300mm，纵筋2的高H₀＝45mm，纵筋的宽t₀＝5mm，上端厚壁部分宽L₀＝45mm，下端翼缘宽l₀＝14mm。其模内多步径向挤压成形方法包括以下内容：

步骤一：环形构件毛坯制备

由目标锻件尺寸参数计算得其体积约为480000mm³，坯料外径及体积与目标锻件相等，所以可确定坯料为外径690mm、内径650mm的环件。其加工方法可选择采用模内轧环或机械加工的方法。将制备好的坯料与内径690mm的套模装配，并安装至专用设备，使套模可带动坯料实现转动，并精确控制其转动角度。套模外径取720mm。

步骤二：金属分流及分流凸模一设计

坯料安装在套模内，第一凸模由动力源驱动，沿径向挤压坯料，使坯料内表面金属向第一凸模两侧堆积，进给量由目标锻件与坯料内径差值670mm-650mm＝20mm。完成第一步挤压后，第一凸模沿轴向退回初始位置，动力源驱动套模及坯料沿轴向转动固定角度θ＝360o/6＝60o；反复重复上述步骤，直至压完一圈，最终实现坯料内壁金属的分流，使之堆积在需要成形纵筋的地方。

第一凸模工作面轴向高度B_j等于目标环件高度B₀＝300mm，凸台面半径R_j等于目标环件内半径r＝345mm，径向高度L_j等于凸台面半径345mm宽度H_j略小于两根纵筋间距ΔI，H_j＝260mm。凸模上下端带侧壁，径向高度等于凸模高度加套模厚度H_l1＝375mm，周向宽度等于凸模宽度H_h1＝260mm，轴向厚度H_B1＝30mm，在挤压时，侧壁限制金属沿轴向流动，利于金属向挤压凸模型腔流动成形表面筋结构。

步骤三：分步成形I型纵筋第二、第三、第四凸模设计

将第上步所使用的第一凸模取出，换上中部带有第一凹槽的第二凸模，套模及坯料旋转固定角度θ/2＝30°，使第一凹槽刚好对准第一步堆积形成的纵筋，第二凸模沿径向挤压坯料后脱模，套模驱动坯料旋转至下一处纵筋处，第二凸模再沿径向挤压，直至将整个环件的6条纵筋压完。

第二凸模使堆积形成的纵筋较多的向中部聚集，为后续成形做出体积分配,形状为T形，上端部分宽度约为L₂＝0.6L₀＝27mm，形状不规则部分尺寸按体积不变原则估算，使后续步骤金属更易流动。

步骤四，步骤五分别换上第三凸模与第四凸模，操作步骤与第二步相同，第三、第四凸模尺寸设计如下：

第三凸模上端与部分宽度等于目标锻件纵筋上端厚壁部分宽度L₃＝L₀＝45mm，腹板高度略高于目标锻件H₃≈1.2H₀＝54mm，腹板宽度等于目标锻件腹板厚度t₃＝t₀＝5mm。

第四凸模凹槽形状为目标锻件I型纵筋形状，将过高的腹板压制出下端翼缘，最终成形出目标锻件的I型纵筋结构。第二、第三凸模和第一凸模一样两边带有侧壁，限制金属的轴向流动，利于金属向型腔流动形成需要的结构。但第四凸模由于特殊的轴向脱模方式限制，不设计两侧侧壁结构。

由于I型纵筋的特殊两端带翼缘结构，最后一步成形出I型纵筋后，第四凸模无法同前几步一样沿径向脱模。此时需采用轴向脱模的方式。径向挤压结束后，第四凸模沿轴向移动，直至第四凸模与锻件完全分开，再通过专用设备驱动套模旋转固定角度θ＝60°，第四凸模沿径向和轴向运动回到初始位置，重复挤压，轴向脱模过程，直至得到完整的I型纵筋环件。

上述实例仅是对本发明有效性和可行性的实例论证，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的工作原理所实施例任何具体的简单变更、等同变化和修饰，均仍属于本发明的范围内。