一种外带环形凸台的薄壁圆筒及其旋压工艺方法

摘要

一种外带环形凸台的薄壁圆筒及其旋压工艺方法，属于塑性成型加工领域；采用两种旋压加工工艺方法，一种四相变强化方法：退火态坯料→旋压→必要时去应力退火→旋压→调质→精加工→验收入库；另一种是形变热处理强化方法：坯料预强化调质→坯料机加→连续旋压→去应力时效热→精加工→验收入库；通过设定旋压扩径量△δ，将直筒的加工成型精度提高了15％以上，同时保证加工效率提高了50％；进行了两次旋压减薄率的限定，最终保证变壁厚筒形件旋压内径一致性得到有效控制，同时使得外周面的台阶圆跳动精度能够达到设计指标。

说明书

技术领域

本发明属于塑性成型加工领域，具体涉及一种外带环形凸台的薄壁圆筒及其旋压工艺方法。

背景技术

基于薄壁筒形旋压件的结构特点，随之而来的就是生产制造过程中围绕形状精度质量问题采取预防、纠正措施控制加工变形问题，实现高精度制造目标。

在旋压制造领域，薄壁筒形件的圆度、直线度精度控制一直都是工程技术人员的重点关注对象，也是影响产品高质量制造的关键因素。下面图2是包含直线度a1、圆度a2精度要求的外带环形凸台的直筒形旋压件结构示意，直线度与圆度是衡量旋压圆筒质量的关键指标。直筒形旋压件材料可以是：高合金超高强度马氏体时效钢、低合金超高强度钢、合金结构钢、沉淀硬化不锈钢等。

控制直筒形旋压件形状精度的现有技术是：旋压工艺人员依据已有经验，对影响工件形状精度的工艺参数——旋压减薄率、进给比、旋轮形状等因素进行综合施治，以期达到形状精度控制效果；由于加工调试过程效率低，导致精度低不能满足薄壁筒形件的加工要求。

何艳斌等的《旋压件成形质量及其控制参数》(发表于《机电工程技术》2005年第34卷第9期)一文就影响旋压件尺寸精度质量的关键因素——旋压减薄率、进给比、旋轮形状等进行了分析阐述。此技术是在旋压模具直径尺寸既定条件下进行的，没有形成旋压圆筒“扩径量(指旋压后工件内壁与模具表面母线之间的双边间隙)”概念，亦即在产品研制初期的旋压工艺设计层面未能制定“扩径量”控制目标，因此无法在保证效率的同时达到精度要求。

现有技术存在问题归结起来是以下3点：

⑴传统的圆筒旋压工艺以“扩径旋压”理念为指导，即为了单纯保证工件旋压后方便卸料没有制定旋压扩径量控制目标的工艺方案而失去了圆筒旋压形状精度控制基础。

⑵在没有制定旋压扩径量的前提下，圆筒旋压模具直径设计尺寸存在盲目性，一旦模具直径设计值过小，旋压工艺实施过程中为了达到圆筒直径φD(或φd)精度控制势必带来较大扩径量，实际表现为扩径量大于0.6mm，某些产品甚至达到了1.0mm以上，直接造成形状精度超差。这就是旋压过程中由于模具对筒段塑性变形区域缺乏约束而导致圆筒形状精度降低的直接原因。

⑶针对旋压圆筒直线度、圆度控制不达标问题，工艺人员在旋压模具尺寸既定条件下依靠自身经验多次反复优化工艺参数，多数情况下的优化次数在3次以上；有的产品即使多次优化工艺参数后，圆筒形状精度仍不达标，此时就需重新设计加工新模具，改进技术方案。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种外带环形凸台的薄壁圆筒及其旋压工艺方法，通过引入扩径量控制目标值，并结合符合直筒形件旋压加工要求的工艺参数设定，解决了圆筒旋压模具直径尺寸设计取值的盲目性问题；提高了加工成型的效率和精度。

本发明的技术方案是：一种外带环形凸台的薄壁筒形件，其特征在于：所述薄壁筒形件为直筒结构，其外周面设置有环形凸台。

本发明的进一步技术方案是：所述薄壁筒形件的材料为高合金超高强度马氏体时效钢或低合金超高强度钢。

一种用于外带环形凸台的薄壁圆筒旋压工艺方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：设定旋压扩径量△δ，旋压扩径量是指直筒的内径和旋压模具的双边间隙；

通过待加工直筒的内径选取旋压扩径量△δ，参考原则是：直筒内径φd≤100mm时，旋压扩径量△δ为0.10～0.20mm；直筒内径φd＞100～300mm时，旋压扩径量△δ为0.20～0.30mm；直筒内径φd＞300～1000mm时，旋压扩径量△δ为0.30～0.40mm；直筒内径φd＞1000～2000mm时，旋压扩径量△δ为0.40～0.60mm；

步骤二：依据步骤一得到的旋压扩径量△δ设计旋压模具直径φD，计算公式如下：

φD＝φd－△δ (1)

φd＝(φd

式中，φD——旋压模具直径，φd——旋压圆筒理论内径，△δ——圆筒旋压扩径量，φd

步骤三：依据步骤二计算得到的旋压模具直径设计制作旋压模具，然后对旋压毛坯件进行粗旋压，粗旋压的减薄率大于等于50％，然后进行退火或固溶处理，恢复旋压毛坯材料的塑性；

步骤四：对步骤三得到的工件继续进行二次旋压；

对于薄壁筒形件等径部分的旋压减薄率计算公式如下：

式中，δ

对于薄壁筒形件环形凸台位置的旋压减薄率计算公式如下：

式中，δ

步骤五：对于步骤四中二次旋压完成的工件进行热处理，达到产品强度要求；

步骤六：对步骤五热处理后的工件进行精加工，达到产品尺寸及精度要求，最后检验验收。

本发明的进一步技术方案是：所述薄壁筒形件的材料为高合金超高强度马氏体时效钢时，步骤五中热处理使其强度达到1650MPa以上。

本发明的进一步技术方案是：所述薄壁筒形件的材料为马氏体时效钢时，薄壁筒形件有千分之二到三的时效缩径，旋压模具直径尺寸在公式(1)计算基础上增加0.2～0.3mm。

本发明的进一步技术方案是：所述薄壁筒形件的材料为低合金超高强度钢时，步骤五中热处理使其强度达到1400MPa以上。

一种用于外带环形凸台的薄壁圆筒旋压工艺方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：设定旋压扩径量△δ，旋压扩径量是指直筒的内径和旋压模具的双边间隙；

通过待加工直筒的内径选取旋压扩径量△δ，参考原则是：直筒内径φd≤100mm时，旋压扩径量△δ为0.10～0.20mm；直筒内径φd＞100～300mm时，旋压扩径量△δ为0.20～0.30mm；直筒内径φd＞300～1000mm时，旋压扩径量△δ为0.30～0.40mm；直筒内径φd＞1000～2000mm时，旋压扩径量△δ为0.40～0.60mm；

步骤二：依据步骤一得到的旋压扩径量△δ设计旋压模具直径，计算公式如下：

φD＝φd－△δ (1)

φd＝(φd

式中，φD——旋压模具直径，φd——旋压圆筒理论内径，△δ——圆筒旋压扩径量，φd

步骤三：依据步骤二计算得到的旋压模具直径设计制作旋压模具，

步骤四：对坯料进行调制处理，使得坯料的硬度达到HB20-23；

步骤五：对步骤四调制后的坯料进行机加工，得到旋压毛坯；

步骤六：采用步骤三的旋压模具对步骤四的旋压毛坯旋压加工1-2次；

对于薄壁筒形件等径位置的旋压减薄率计算公式如下：

式中，δ

对于薄壁筒形件环形凸台位置的旋压减薄率计算公式如下：

式中，δ

步骤七：对于步骤六旋压完成的工件进行时效热处理，能够稳定产品的尺寸；

步骤八：对步骤七热处理后的工件进行精加工，达到产品尺寸及精度要求，最后检验验收。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明用于控制直筒旋形压件形状精度的收径旋压方法，通过设定旋压扩径量△δ，将直筒的加工成型精度提高了15％以上，同时保证加工效率提高了50％；通过步骤五中对于薄壁筒形件中两个位置的减薄率的限定，变壁厚圆筒旋压的台阶部位材料减薄率满足不小于20％的条件；大梯度变壁厚圆筒旋压末次减薄率满足不小于60％且不大于材料极限减薄率的条件；最终保证变壁厚筒形件旋压内径一致性得到有效控制，同时使得外周面的台阶圆跳动精度能够达到设计指标。

附图说明

图1为外带环形凸台的薄壁圆筒结构示意图。

图2为实施例中外带环形凸台的薄壁圆筒结构示意图。

图3为实施例中旋压毛坯结构示意图。

图4为实施例中第1道次旋压件结构示意图。

图5为实施例中末道次旋压件结构示意图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

按照筒形件工艺设计准则对图2产品进行旋压工艺设计与实施，用以示本专利技术的具体实施方式。而作为直筒形工件来说，工艺较之于变壁厚圆筒简单，此处不再进行案例解析。

本实施例的具体工艺步骤如下：

(1)第一步，选择旋压圆筒的性能强化方法：30CrMnSi钢圆筒既可按相变强化方案加工，亦可进行形变热处理加工。对图2产品结构进行工艺性分析，台阶部位与薄壁筒段壁厚的比值是2.25，属于大梯度变壁厚产品。按照技术方案中计算公式(3)和(4)，末道次旋压中台阶处材料最小减薄率是20％，反算得到末道次旋压坯料最小厚度为5.6mm，此时薄壁筒段区域的减薄率η＝(5.6-2)/5.6＝64％小于30CrMnSi钢退火态极限减薄率ψ

另外，此原筒的圆度1.0、直线度0.6指标低于QJ3199《固体火箭发动机燃烧室壳体通用规范》二级精度要求，易于实现，因此按照设计准则第(2)条规定，可以将相变强化优选为图3产品的性能强化方案。

(2)第二步，确定旋压扩径量：按照表1规定确定图2圆筒旋压扩径量取为0.25mm(即最终旋压后的圆筒内径均值与模具直径的差值为0.25mm)。

表1筒形旋压件扩径量选取范围

单位：毫米

(3)第三步，设计旋压模具尺寸：依照公式(1)计算得到旋压模具直径是：

φD＝φd－△δ

＝(φd

＝[(200.3－1.9×2)+(199.7－2.1×2)]÷2－0.25

＝195.75(mm)。

(4)第四步，旋压道次之间的去应力热处理时机规划：依照前述计算的末道次薄壁段减薄率64％，末道次旋压坯料应是退火状态，因此，图2产品的工艺流程是：退火态坯料→旋压→去应力退火→旋压→调质处理→精加工后验收入库；

(5)第五步，设计旋压毛坯：按两道次旋压设计毛坯，前面已确定末道次坯料厚度为5.6mm，本工艺设定原始旋压毛坯厚度8.5mm、第1道次旋压减薄率35％，依据图2产品结构和体积不变原则设计得到图3结构的旋压毛坯。

(6)第六步，旋压工艺实施：第1道次旋压至上面图4筒段壁厚5.6±0.2mm；第2道次旋压至图5结构并检验验收；圆跳动检测基准为：变壁厚环带类筒形旋压件(图1所示)的中间台阶圆跳动检测基准应力求接近壳体设计基准、车削加工基准，可以是旋压圆筒两端薄壁筒段部位的基准轴线。

需要注意的是，马氏体时效钢类的圆筒旋压方案应考虑材料千分之二到三的“时效缩径”变形规律，合理规划圆筒直径胀缩工艺余量，确保旋压圆筒最终直径尺寸满足设计指标。马氏体时效钢圆筒的“时效缩径”变形规律必须在此类材料圆筒的旋压模具直径尺寸设计中得到策划，譬如说，一个产品设计要求最终外径为φ100±0.2mm，按照千分之二到三时效缩径量计算，此产品将有0.2～0.3mm的直径缩小量，因此，旋压模具直径尺寸应在公式(1)计算基础上增加0.2～0.3mm。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。