一种筒形件对轮旋压内外旋轮圆角半径的确定方法

摘要

一种筒形件对轮旋压内外旋轮圆角半径的确定方法，通过综合考虑对轮旋压时薄壁筒形件直径D、旋压毛坯初始壁厚t0、道次减薄量Δt、金属材料种类及强度、旋压机刚性、旋轮数量、冷却方式及冷却液流量等对薄壁筒形件对轮旋压成形精度的影响规律，定义一个薄壁筒形件对轮旋压时的内外旋轮圆角半径的计算方法，为高精度薄壁筒形件对轮旋压时内外旋轮圆角半径的计算、选取提供依据。用于指导薄壁筒形件对轮旋压实际生产及加工过程，方便快捷的设定内外旋轮圆角半径参数，用于稳定成形高精度对轮旋压筒形件。

说明书

技术领域

本发明涉及旋压制造行业，具体是定义一个筒形件对轮旋压时的内外旋轮圆角半径的计算方法用于指导筒形件的对轮旋压生产加工。

背景技术

随着我国航空、航天技术以及国民经济的迅速发展，对直径2500mm及以上的薄壁金属旋压筒形件的需求也越来越多、越来越迫切，且零件的精度要求也越来越高，采用无芯模的对轮旋压工艺可以有效解决这一问题，并具有柔性加工、设备简单和成形精度高等优点。目前，对于直径2500mm及以上的圆筒，均采用无芯模的对轮旋压成形工艺，该工艺技术由强力旋压发展而来，它用旋轮代替了传统旋压芯模，采用一对或几对旋轮同时对筒形件坯料内外表面进行加工减薄，使其伸长成为薄壁筒形件。对轮旋压成形工艺不受筒形件直径、坯料壁厚及长度限制，可成形不同直径薄壁金属筒形件而不需要旋压模具；可实现薄壁筒形件的柔性成形，对轮旋压成形工艺提高了金属材料的组织致密性和机械性能，可降低固体发动机壳体的整体重量；对轮旋压时，金属材料对称流动变形，筒形件加工精度高；旋轮成对内外旋压成形，可实现单道次高达90％冷加工变形量，大幅提高生产效率。因此，对于薄壁金属筒形件对轮旋压工艺、工装参数的稳定性、适用性、参数选取的科学性、快捷性等要求也越来越高。

内外旋轮圆角半径是薄壁金属筒形件对轮旋压工艺的重要工装结构参数。该参数的选取具有一些传统筒形件强力旋压成形方式的基本特点，例如在一定范围内，当旋轮的圆角半径取值较大时，可以有效地增加旋压道次减薄量，实现大减薄量变形，生产效率较高，筒形件表观质量相对较高，不易出现旋压波纹等表观质量缺陷，筒形件收径相对困难，旋轮的使用寿命高。当旋轮圆角半径取值较小时，旋压筒形件的轴向流动较好，筒形件收径相对容易，筒形件表观质量降低，出现较粗的表观旋压纹路，造成产品壁厚偏差较大，圆度、直线度等形位精度较差，甚至使旋压件产生扭曲失稳、开裂，旋轮刚度较差磨损较为严重，旋轮的使用寿命大幅降低。与此同时，内外旋轮圆角半径的选取还需要综合考虑筒形件对轮旋压工艺的显著特点，例如由于对轮旋压时筒形件内外表面同时参与变形且无旋压芯模的而有效支撑，变形区金属的受力平衡与变形稳定是影响筒形件成形精度最为关键的因素，各工艺、工装参数的选取以保证受力平衡与稳定变形为第一原则；对轮旋压时筒形件金属变形区具有对称性，筒形件残余应力状态得到明显改善，筒形件形状和尺寸精度较高，但是由于筒形件内外表面变形区金属的直径不同，内表面直径相对较小，曲率较大，在相同的工艺、工装参数下，内表面金属的流动性较外表面略差、旋压力及残余应力也存在一定偏差，当偏差较大时，容易出现扭曲失稳，因此，需要调整内外旋轮结构参数来改善薄壁筒形件内外金属的流动性，平衡旋压力、降低残余应力，进而保障薄壁筒形件对轮旋压成形时的金属稳定变形，提高产品质量；与此同时，由于对轮旋压时，没有旋压模具的有效支撑，筒形件内外表观质量均由旋轮保证，内旋轮在参与内表面金属塑性变形的同时需要承担部分旋压模具的支撑作用，其结构参数尤其是旋轮圆角半径的设计与选择也会影响筒形件对轮旋压成形精度。因此，合理有效且准确的内外旋轮圆角半径对于薄壁筒形件对轮旋压产品质量控制具有重要意义。

现有技术中，对轮旋压薄壁筒形件时的旋轮圆角半径的计算、设定主要采取两套方案：1、依据传统筒形件强力旋压生产经验直接取值；2、简单的计算机数值模拟后取值，上述两种方案存在以下几点不足：

1、依据传统筒形件强力旋压生产经验直接取值。各生产单位根据自身所加工产品的规格尺寸、材料强度及种类、筒形件直径、各道次壁厚减薄情况、设备的加工能力以及其他特殊的情况，总结一些相对稳定的筒形件传统强力旋压时的旋轮圆角半径取值经验，并依据该经验参数结合生产单位的对轮旋压工装、设备的加工能力，在一定范围内对筒形件对轮旋压时的内外旋轮圆角半径的选取进行指导，但依据传统的筒形件强力旋压生产经验选取的对轮旋压内外旋轮圆角半径的方法未充分考虑薄壁筒形件对轮旋压工艺的特殊性，其稳定性、适用性、普及性、科学性较差，该经验不具有普遍的推广意义。

2、简单的计算机数值模拟后取值。计算机数值模拟可以有效地指导生产实践且不需要付出旋压模具、工装、旋压毛坯等生产资料成本，是目前制造业主流的工艺、工装参数优化方式。计算机数值模拟结果一般可对旋轮结构及参数等做出判断，但需要充分考虑旋压筒形件材料、筒形件直径、旋压毛坯初始壁厚以及道次减薄量等参数的设定，存在考虑不够全面等现象，且模型建立过程复杂，计算量较大，费时费力，对工艺技术人员的专业能力要求较高，不具备快速、便捷的实用性，且计算得到的薄壁筒形件内外旋轮圆角半径往往需要进一步根据多次试旋压加工结果进行调节，不具备充分的生产实际的指导意义。

发明内容

为客服现有技术中存在的精度低、科学性较差，不具备生产实际的推广指导意义的不足，本发明提出了一种筒形件对轮旋压内外旋轮圆角半径的确定方法。

本发明的具体过程是：

第一步，确定旋轮圆角半径的影响因素。

所述旋轮圆角半径的影响因素包括筒形件直径D、旋压毛坯初始壁厚t

确定的道次总减薄量＝10mm；旋轮数量为四对；冷却方式为水冷；冷却液流量≥360L/min。

第二步，确定各常数取值。

所述的各常数包括：

Ⅰ旋压毛坯D对旋轮圆角半径的影响因子K

所述影响因子K

Ⅱ旋压毛坯初旋壁厚t

所述K

Ⅲ旋压道次减薄量Δt对对轮旋压时内外旋轮圆角半径的影响因子K

所述K

Ⅳ金属材料种类及其强度、旋压机刚性、旋轮数量及结构参数、旋压芯模参数、冷却方式及冷却速度对对轮旋压时内外旋轮减薄量的影响因子K

所述影响因子K

Ⅴ对轮旋压时对内旋轮的圆角半径的影响因子K

所述K

第二步，各旋轮圆角半径的计算：

R＝K

R

R

公式中各参数定义如下：

K

D为对轮旋压筒形件毛坯直径；

K

Δt

K

Δt为筒形件对轮旋压道次总减薄量；

K

R

R

确定的内旋轮圆角半径取22mm，外旋轮圆角半径取20mm。

本发明涉及旋压制造行业，通过综合考虑对轮旋压时薄壁筒形件直径D、旋压毛坯初始壁厚t

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1.首次对筒形件对轮旋压时内外旋轮圆角半径的确定、选取进行了定量计算。现有的选取方式一般有两种，依据传统筒形件强力旋压生产经验直接取值或依据计算机数值模拟结果取值。依据传统经验取值时，各生产单位由于所加工产品的规格尺寸、材料强度及种类、筒形件直径、各道次壁厚减薄情况、旋压机的加工能力以及其他特殊的情况的差异，所总结的一些相对稳定的筒形件传统强力旋压时的旋轮圆角半径取值经验往往并不具备参考性。例如，传统筒形件强力旋压时，旋轮圆角半径根据所加工的筒形件直径、旋压毛坯厚度进行选取，该数值在筒形件强力旋压时，一般取旋压毛坯厚度的1-3倍不等，一般来说，所加工筒形件直径越大、旋压毛坯壁厚越厚，旋轮圆角半径也越大；例如在一定范围内，当旋轮的圆角半径取值较大时，可以有效地增加旋压道次减薄量，实现大减薄量变形，生产效率较高，筒形件表观质量相对较高，不易出现旋压波纹等表观质量缺陷，筒形件收径相对困难，旋轮的使用寿命高。当旋轮圆角半径取值较小时，旋压筒形件的轴向流动较好，筒形件收径相对容易，筒形件表观质量降低，出现较粗的表观旋压纹路，造成产品壁厚偏差较大，圆度、直线度等形位精度较差，甚至使旋压件产生扭曲失稳、开裂，旋轮刚度较差磨损较为严重，旋轮的使用寿命大幅降低。与此同时，内外旋轮圆角半径的选取还需要综合考虑筒形件对轮旋压工艺的显著特点，例如由于对轮旋压时筒形件内外表面同时参与变形且无旋压芯模的而有效支撑，变形区金属的受力平衡与变形稳定是影响筒形件成形精度最为关键的因素，各工艺、工装参数的选取以保证受力平衡与稳定变形为第一原则；对轮旋压时筒形件金属变形区具有对称性，筒形件残余应力状态得到明显改善，筒形件形状和尺寸精度较高，但是由于筒形件内外表面变形区金属的直径不同，内表面直径相对较小，曲率较大，在相同的工艺、工装参数下，内表面金属的流动性较外表面略差、旋压力及残余应力也存在一定偏差，当偏差较大时，容易出现扭曲失稳，因此，需要调整内外旋轮结构参数来改善薄壁筒形件内外金属的流动性，平衡旋压力、降低残余应力，进而保障薄壁筒形件对轮旋压成形时的金属稳定变形，提高产品质量；与此同时，由于对轮旋压时，没有旋压模具的有效支撑，筒形件内外表观质量均由旋轮保证，内旋轮在参与内表面金属塑性变形的同时需要承担部分旋压模具的支撑作用，其结构参数尤其是旋轮圆角半径的设计与选择也会影响筒形件对轮旋压成形精度；计算机数值模拟结果可对对轮旋压时内外旋轮圆角半径做出一个初步的定量判断，但由于数值模拟时，需要充分考虑旋压温度、筒形件材料、筒形件直径、旋压毛坯初始壁厚、旋轮数量及结构参数、旋压芯模参数、旋压机刚性、冷却方式及冷却速度，以及旋压机主轴转速、旋轮进给速度、旋压间隙、旋轮错距量等旋压工艺参数的设定，且各参数的设定时多为理想状态，例如旋压模具、旋轮多设定为理想刚体，金属材料多设定为理想弹塑体，常温旋压时，变形温度一般设定为不变化的固定温度，一般不涉及旋压机刚性及旋轮回弹等，由于数值模拟总是存在无法充分考虑各影响因素等现象，导致模型建立过程复杂，计算量较大，费时费力，对工艺技术人员的专业能力要求较高，不具备快速、便捷的实用性，且计算得到的薄壁筒形件内外旋轮圆角半径往往需要进一步根据多次试旋压加工结果进行调节、修正，且旋轮的更换费时费力，劳动强度较大，不具备生产实际的指导及推广意义。本发明则通过设定多个影响因子参数，对影响薄壁筒形件对轮旋压内外旋轮圆角半径的筒形件直径、旋压毛坯壁厚等多个关键因素进行定量分析，对薄壁筒形件内外旋轮圆角半径确定原则进行定量分析，从而确定最终的薄壁筒形件内外旋轮圆角半径以及内外各旋轮圆角半径，能够指导薄壁筒形件强力旋压的生产加工。

2.该计算方法在确定对轮旋压内外旋轮圆角半径时，充分考虑了筒形件直径、旋压毛坯初始壁厚、道次减薄量、金属材料种类及其强度、旋压机刚性、旋轮数量、冷却方式及冷却液流量等对筒形件对轮旋压成形精度的影响规律，与实际生产相吻合，具有较好的适用性。传统筒形件强力旋压成形时，在道次壁厚减薄量一定且金属变形充分的情况下，筒形件直径越小，塑性变形应力应变状态越复杂，靠近内层的金属由于旋压芯模的支撑与约束，以及曲率较大导致的流动困难会出现错层开裂现象，筒形件塑性成形质量较差，当筒形件直径为200mm时，现有技术筒形件壁厚成形精度可达±0.10mm；筒形件直径越大，其塑性变形越接近于板材轧制的平面应力应变状态，这时塑性成形效果越好，当筒形件直径为2000mm时，现有技术筒形件壁厚成形精度可达±0.10mm。采用对轮旋压方法所加工的筒形件产品直径一般大于2500mm，对于该直径尺寸范围的对轮旋压筒形件毛坯来说，其内外直径的差值相对直径的值较小，例如对于直径3000mm、旋压毛坯初始壁厚50mm的筒形件，其直径壁厚比为60，远大于传统筒形件强力旋压成形的直径壁厚比值；对于直径大于2500mm的对轮旋压筒形件产品，其内外层变形区金属的曲率差值也较小，内外层变形区金属的流动性差别较小，直径越大，流动性的差别越小，当直径增加至5000mm时，内外层金属的流动基本可以等同于板材轧制。因此，采用一个常数K

筒形件旋压毛坯初始壁厚决定了整个旋压工艺方案流程的制定以及各道次工艺参数的选取，是保证筒形件产品精度要求的重要指标。筒形件旋压毛坯初始壁厚较厚时，旋压毛坯短而厚，原材料利用率高，有效地降低了生产成本，但相应的旋压道次数量与中间热处理次数也需要增加，又增加了生产成本，同时旋压毛坯厚度的增加也对旋压机旋压力的要求，以超高强度钢31Si2MnCrMoVE为例，旋压毛坯壁厚每增加5mm，旋压力增加10吨；对于筒形件旋压成形，旋压毛坯初始壁厚是确定各旋轮圆角半径的重要参考，各旋轮圆角半径的选取既要保证旋压毛坯完全压透，变形充分，又不能由于过大导致出现堆积、隆起等缺陷，过小导致拉裂等缺陷，造成筒形件壁厚偏差较大，筒形件圆度、直线度等形位精度较差；对于筒形件对轮旋压成形工艺来说，采用一个常数K

筒形件道次壁厚减薄量，是保证筒形件产品精度要求的重要指标。筒形件道次减薄量较大时，生产效率高，但对旋压机旋压力及其刚性等性能指标的要求也较高，以超高强度钢31Si2MnCrMoVE来说，大的筒形件道次减薄量需要对应的较大的各旋轮圆角半径，该旋轮圆角半径的选取既要保证旋压毛坯在该道次减薄量下能够完全压透，变形充分，又不能由于过大导致出现堆积、隆起缺陷。对于筒形件对轮旋压成形工艺，采用常数K

筒形件对轮旋压成形时，旋压机刚性、旋轮回弹量、旋压材料种类及其强度、旋轮数量、冷却方式及冷却液流量等因素对对轮旋压时内外旋轮圆角半径另一个重要的影响因素。对于筒形件对轮旋压成形工艺，所述各因素相互作用、综合影响筒形件对轮旋压的成形精度。采用常数K

采用对轮旋压成形工艺时，除了需要考虑传统筒形件强力旋压成形方式的基本特点，在道次总减薄量一定的情况下，内外旋轮圆角半径的分配还需要综合考虑筒形件对轮旋压工艺的显著特点，例如由于对轮旋压时筒形件内外表面同时参与变形且无旋压芯模的有效支撑，变形区金属的受力平衡与变形稳定是影响筒形件成形精度最为关键的因素，内外旋轮圆角半径的匹配以保证受力平衡与稳定变形为第一原则；由于对轮旋压时筒形件金属变形区具有对称性，且筒形件内外表面变形区金属的直径不同，内表面直径相对较小，曲率较大，在相同的工艺、工装参数下，内外旋轮互为支撑，内旋轮的圆角半径需要略大于外旋轮圆角半径才能平衡这种受力不稳定的情况；采用对轮旋压方法所加工的筒形件产品直径一般大于2500mm，对于该直径尺寸范围的对轮旋压筒形件毛坯来说，其内外直径的差值相对直径的值较小，内外层变形区金属的流动性差别也较小，直径越大，相同减薄量下变形力的越稳定，当直径增加至5000mm 时，内外层金属的减薄量相同情况下，金属的流动依旧稳定。因此，合理有效且准确的内外旋轮圆角半径匹配对于薄壁筒形件对轮旋压产品质量控制具有重要意义。设定常数K

3.通过参数的简单输入、计算，即可得到筒形件对轮旋压过程的内外旋轮圆角半径参数。操作简单，快捷方便，效率较原来提升80％以上。通过本发明所述的方法可简单快捷的确定某一直径范围、旋压毛坯初始厚度的筒形件对轮旋压过程的内外旋轮圆角半径，结合简单的试旋压加工即可对该内外旋轮圆角半径参数进行修正，即可得到满足对轮旋压筒形件产品设计及旋压工艺控制指标要求的合理的参数，减少试旋压次数3～5次，效率提升80％以上，且由于减少了旋轮更换次数，劳动强度降低60％以上。

4.本发明所加工的对轮旋压筒形件壁厚精度达到±0.05mm级，直径精度达到±0.15mm级，基本覆盖到了工厂常备筒形件对轮旋压时的旋轮、旋压机所能达到的较高精度和较大范围，采用传统强力旋压工艺经验选取参数、数值模拟计算得到的参数所加工的对轮旋压筒形件壁厚精度达到±0.10mm级，直径精度达到±0.30mm级。本发明具有较高的加工精度和稳定性。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种对轮旋压超高强度钢31Si2MnCrMoVE筒形件时确定内外旋轮圆角半径的确定方法。

所述超高强度钢31Si2MnCrMoVE筒形件的直径D为2500mm，旋压毛坯初始壁厚为40mm，单道次总减薄量为10mm，内旋轮的减薄量取5.2mm，外旋轮的减薄量取4.8mm，采用四对旋轮同步反向旋压的对轮旋压成形工艺。

本实施例的具体过程是：

第一步，确定旋轮圆角半径的影响因素。

所述旋轮圆角半径的影响因素包括筒形件直径D、旋压毛坯初始壁厚t

本实施例中，筒形件直径D＝2500mm；旋压毛坯初始壁厚t

第二步，确定各常数取值。

所述的各常数包括：

Ⅰ旋压毛坯D对旋轮圆角半径的影响因子K

所述影响因子K

Ⅱ旋压毛坯初旋壁厚t

所述K

Ⅲ旋压道次减薄量Δt对对轮旋压时内外旋轮圆角半径的影响因子K

所述K

Ⅳ金属材料种类及其强度、旋压机刚性、旋轮数量及结构参数、旋压芯模参数、冷却方式及冷却速度对对轮旋压时内外旋轮减薄量的影响因子K

所述影响因子K

Ⅴ对轮旋压时对内旋轮的圆角半径的影响因子K

所述K

第二步，各旋轮圆角半径的计算：

R＝K

R

R

本实施例中，

R＝K

R

R

公式(1)～(3)中，公式中各参数定义如下：

K

D为对轮旋压筒形件毛坯直径；

K

Δt

K

Δt为筒形件对轮旋压道次总减薄量；

K

R

R

通过所述公知(1)～(3)，分别确定内旋轮圆角半径为22mm，外旋轮圆角半径为20mm。

采用本发明所确定的内外旋轮圆角半径进行对轮旋压试验件加工，加工的对轮旋压筒形件壁厚精度达到±0.05mm级，壁厚实测值范围为25.03mm～25.10mm；直径精度达到±0.15mm级，直径实测值为2500.12mm～2500.36mm。

实施例2

本实施例是一种采用现有技术在对轮旋压超高强度钢31Si2MnCrMoVE筒形件时确定内外旋轮圆角半径的确定方法。

所述超高强度钢31Si2MnCrMoVE筒形件的直径D为2500mm，旋压毛坯初始壁厚为40mm，单道次总减薄量为10mm，内旋轮的减薄量取5.2mm，外旋轮的减薄量取4.8mm，采用四对旋轮同步反向旋压的对轮旋压成形工艺。

本实施例的具体过程是：

第一步，确定内外旋轮圆角半径。

传统筒形件强力旋压时，旋轮圆角半径根据所加工的筒形件直径、旋压毛坯厚度进行选取，该旋轮圆角半径在筒形件强力旋压时，取旋压毛坯厚度的1～3倍，并且所加工筒形件的直径越大、旋压毛坯壁厚越厚，旋轮圆角半径也越大。本实施例中确定内外旋轮圆角半径R为40mm；

第二步，试验件加工

根据第一步中确定的内外旋轮圆角半径R对轮旋压加工试验件。加工的对轮旋压筒形件壁厚精度达到±0.10mm级，壁厚实测值为25.04mm～25.20mm。由于壁厚减薄量较旋轮圆角半径较小，精度虽然达到±0.30mm级，收径效果差，直径超出工艺及设计要求2mm直径为2502.10mm～2502.45mm，无法满足工艺控制要求。

对比实施例一与实施例二。可以看出，本发明所确定的筒形件对轮旋压时内外旋轮圆角半径参数具有较高的加工精度和质量稳定性。