專利名稱：滾珠旋壓成形工裝裝置及其反向滾珠旋壓成形方法
技術領域：
本發明涉及的是一種機械部件成形裝置及其成形方法。
背景技術：
帶有縱向內筋的筒形件在民用、船舶、航空和航天等工業領域都有著廣泛的應用， 帶有縱向內筋的筒形件一方面是為了滿足結構設計的需要，另一方面較之一般筒形件具有更高的強度、更高的剛度、良好的散熱性和穩定的振動特性。傳統的加工帶縱向內筋筒形件的工藝主要有擠壓成形、鑄造預成形后機械加工、鍛造預成形后機械加工和化學腐蝕。以上的工藝方法雖然具有各自的優點，但是在加工高強度高精度薄壁的帶有縱向內筋筒形件方面都具有一定的局限性。隨著用于復雜成形加工任務的強力旋壓技術的迅猛發展，為加工高強度高精度薄壁的帶有縱向內筋筒形件提供了一個很好的途徑。如今帶有嚙合齒形的薄壁類筒形零件、滑動套筒、傳動軸的驅動齒形以及傳動輪的嚙合齒形都可以通過強力旋壓法來制造。強力旋壓技術可在擠壓、鑄造或鍛造等工藝所成形筒坯的基礎上，無切屑地加工出帶有縱向內筋的薄壁類筒形零件，并且對金屬材料的組織性能有很大的改善，使零件的強度能夠提高20%以上。旋壓成形加工的帶有縱向內筋的薄壁類筒形零件與由鍛造或鑄造預成形再經切削加工而制成的同類零件相比，在每種情況下它們都在成本方面有顯著的優勢。在許多情況下由旋壓制造而成的帶有縱向內筋薄壁類筒形零件也比按照傳統的無屑加工工藝制造的同類零件在成本上有顯著的優越性。
發明內容
本發明的目的在于提供多點局部成形、變形區小、所需力學載荷較小的滾珠旋壓成形工裝裝置及其反向滾珠旋壓成形方法。本發明的目的是這樣實現的本發明滾珠旋壓成形工裝裝置，其特征是包括旋壓頭、芯模和限位環，旋壓頭包括螺紋支撐管、外支撐圈、圓錐模環、滾珠，螺紋支撐管和圓錐模環安裝在外支撐圈里，螺紋支撐管的一端位于圓錐模環里，滾珠位于圓錐模環里、沿著圓錐模環的錐面均布一周、并與螺紋支撐管相接觸，芯模包括芯軸和卸料環，卸料環套在芯軸上，限位環套在芯軸的一端上。本發明滾珠旋壓成形工裝裝置還可以包括1、芯軸的一端開有外螺紋，限位環套開有內螺紋，限位環套的內螺紋與芯軸一端的外螺紋相配合。2、卸料環包括大端和小端，芯軸開有臺階，所述的臺階與卸料環的大端相連并受大端軸向限制，所述的卸料環的小端與被加工的管培相接觸并對管培進行軸向約束。3、所述的螺紋支撐管的進給量與有效旋壓直徑的關系為
(dR fd)ctg0 db(l「sin0) J 2d，dR為有效旋壓直徑、u為螺紋支撐管的進給量、d為螺紋支
撐管的外徑、db為滾珠直徑、θ為圓錐模環錐角。
本發明反向滾珠旋壓成形方法，其特征是(1)調節螺紋支承管使其沿軸向進給來推動滾珠沿圓錐模環的錐面移動，將旋壓頭安裝在車床的卡盤上，將裝好卸料環的芯模固定在車床尾頂上，再將管坯一端開孔后套在芯軸上，安裝后的管坯右側一端抵住卸料環，并使管坯右端的定位孔與芯軸上的螺紋孔對正，擰入定位螺釘，對管坯進行周向約束，然后再安裝限位環，對管坯左側一端進行軸向約束；(2)開動車床，使旋壓頭隨著車床主軸做旋轉運動，芯模帶著管坯隨著車床尾頂做軸向進給運動，通過單道次的大變形得到所需要的零件尺寸，完成成形過程；(3)成形過程完成之后，將裝有芯模、管坯和約束裝置的尾頂從旋壓頭中退出來， 先將限位環從芯軸一端取下，再沿軸向敲打卸料環大端靠芯軸臺階一側，使卸料環沿軸向向管坯方向滑動，帶動管坯一起沿軸向滑動而實現卸料。本發明的優勢在于1、滾珠旋壓成形屬于多點局部成形，變形區小，所需力學載荷較小，工裝簡單，設備較為輕便，可以在普通車床上進行。2、反向滾珠旋壓使旋壓件變形區處于三向壓應力狀態，可以顯著提高金屬材料的塑性，有利于內筋的成形，尤其在大進給比條件下，更有利于內筋的成形。3、該技術通過軸向約束裝置限制旋壓件的軸向流動，有利于旋壓件內筋的填充， 可以通過單道次旋壓實現大尺寸內筋的成形。4、滾珠旋壓成形時，滾珠沿著工件周向均勻分布，力學載荷相對較為對稱，有效防止變薄旋壓過程中筒形件的失穩問題，有利于保證縱向內筋筒形件的尺寸精度。5、該技術可以制造出高強度、高精度的帶有縱向內筋的薄壁筒形件。該技術可以在任何原有狀態坯料的基礎上，通過加工硬化和細化晶粒來提高材料的強度。6、滾珠旋壓成形時，滾珠旋壓工裝可以更換不同尺寸的滾珠，并且可以通過調節滾珠的位置來調節滾珠與芯模的間隙，從而實現不同的減薄量，可以制造出不同壁厚和不同內徑的旋壓件，節省工裝數量，顯著降低成本。
圖1為本發明滾珠旋壓成形工裝裝置結構圖；圖2為本發明旋壓頭結構圖；圖3為本發明旋壓頭螺紋支撐管進給量與旋壓件壁厚減薄量調節關系示意圖；圖4本發明芯模結構圖；圖5本發明約束裝置結構圖；圖6為本發明旋壓件照片；圖7為鋁合金旋壓件內筋尺寸示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述結合圖1 7，滾珠旋壓成形工藝方案滾珠旋壓成形在普通車床上進行，將滾珠旋壓工裝中的旋壓頭裝卡在車床的主軸上，將裝有坯料的芯模裝在車床的尾頂上，旋壓頭隨著車床主軸進行高速旋轉，裝有坯料的芯模隨著車床的尾頂軸向進給，坯料在芯模上的軸向流動受到約束，有利于內筋的填充。滾珠旋壓成形工裝結構該工裝包括旋壓頭、芯模和約束裝置三個部分，如圖1所示。旋壓頭部分由螺紋支承管1、外支承圈2、圓錐模環3和滾珠4組成，如圖2。螺紋支承管1的外表面與外支承圈2的內表面用螺紋聯接；外支承圈2與圓錐模環3采用過盈配合，圓錐模環3的內表面為錐面，滾珠4沿著圓錐模環3的錐面均布一周，數量根據圓錐模環3的內徑和滾珠直徑而定，為防止滾珠4脫落，采用黃油將其粘在圓錐模環3的內表面，由于此法使得滾珠4裝卸和更換方便，可采用不同尺寸的滾珠進行旋壓；滾珠4與螺紋支承管1的右端端頭接觸，通過旋轉螺紋支承管1可調整滾珠4的位置，使其沿著圓錐模環 3的內表面移動，進而調節旋壓時的減薄量，螺紋支承管1的進給量與有效旋壓直徑的關系如下(見圖3):
(dR Γ d)ctg0 db (1 Γ sin θ) J 2H(1)式中dE——有效旋壓直徑；<4一螺紋支撐管的進給量
d——一螺紋支撐管的外徑；
db一滾珠直徑；
θ一圓錐模環錐角。芯模部分由芯軸7和卸料環8組成，如圖4所示。卸料環8套在芯軸上，大端一側與芯軸7的臺階接觸，可對其進行軸向限制，小端與管坯5接觸，可對管坯5進行軸向約束。 旋壓結束后可通過卸料環進行卸料。約束裝置主要就是由限位環9來實現，限位環9的內表面開有螺紋，與芯軸左端的外螺紋配合，可實現對坯料左端的軸向約束。具體工作過程該過程分為三個階段，即準備階段、旋壓階段和卸料階段。準備階段調節螺紋支承管1，使其沿軸向進給來推動滾珠4沿圓錐模環3的錐面移動，并根據公式(1)將滾珠4調整合適的位置，然后將旋壓頭安裝在車床的卡盤上。接下來將裝好卸料環8的芯模固定在車床尾頂上，再將管坯5 —端開孔后套在芯軸7上，安裝后的管坯5右側一端應抵住卸料環8，并使管坯右端的定位孔與芯軸7上的螺紋孔對正，擰入定位螺釘6，對管坯進行周向約束。然后再安裝限位環9，對管坯5左側一端進行軸向約束。旋壓階段開動車床，使旋壓頭隨著車床主軸做高速旋轉運動，而芯模則帶著管坯隨著車床尾頂做軸向進給運動，這樣便可通過單道次的大變形得到所需要的零件尺寸。卸料階段成形過程完成之后，將裝有芯模、管坯5和約束裝置的尾頂從旋壓頭中退出來，先將限位環9從芯軸一端取下，再用工具沿軸向敲打卸料環8大端靠芯軸臺階一側，使卸料環8沿軸向向管坯5方向滑動，便可帶動管坯5 —起沿軸向滑動而實現卸料。這樣就完成了整個旋壓成形過程。以5A02鋁合金為旋壓材料，成形帶有縱向內筋鋁合金筒形件，如圖6所示。該零件的尺寸參數為內徑為30mm，壁厚為1.6mm，內筋尺寸如圖7所示。滾珠直徑20mm，進給比1.6mm/r，壁厚減薄量為0.7mm。旋壓前先在管坯起旋一端倒一個30°的倒角，目的是為了在旋壓時滾珠容易咬入，并旋壓終端開一個直徑為5mm的孔用于周向約束。
權利要求
1.滾珠旋壓成形工裝裝置，其特征是包括旋壓頭、芯模和限位環，旋壓頭包括螺紋支撐管、外支撐圈、圓錐模環、滾珠，螺紋支撐管和圓錐模環安裝在外支撐圈里，螺紋支撐管的一端位于圓錐模環里，滾珠位于圓錐模環里、沿著圓錐模環的錐面均布一周、并與螺紋支撐管相接觸，芯模包括芯軸和卸料環，卸料環套在芯軸上，限位環套在芯軸的一端上。
2.根據權利要求1所述的滾珠旋壓成形工裝裝置，其特征是芯軸的一端開有外螺紋， 限位環套開有內螺紋，限位環套的內螺紋與芯軸一端的外螺紋相配合。
3.根據權利要求2所述的滾珠旋壓成形工裝裝置，其特征是卸料環包括大端和小端， 芯軸開有臺階，所述的臺階與卸料環的大端相連并受大端軸向限制，所述的卸料環的小端與被加工的管培相接觸并對管培進行軸向約束。
4.根據權利要求3所述的滾珠旋壓成形工裝裝置，其特征是所述的螺紋支撐管的進給量與有效旋壓直徑的關系為(dK-d)ctge = 4(1-&119)+2八1，(11；為有效旋壓直徑、八1 為螺紋支撐管的進給量、d為螺紋支撐管的外徑、db為滾珠直徑、θ為圓錐模環錐角。
5.反向滾珠旋壓成形方法，其特征是(1)調節螺紋支承管使其沿軸向進給來推動滾珠沿圓錐模環的錐面移動，將旋壓頭安裝在車床的卡盤上，將裝好卸料環的芯模固定在車床尾頂上，再將管坯一端開孔后套在芯軸上，安裝后的管坯右側一端抵住卸料環，并使管坯右端的定位孔與芯軸上的螺紋孔對正， 擰入定位螺釘，對管坯進行周向約束，然后再安裝限位環，對管坯左側一端進行軸向約束；(2)開動車床，使旋壓頭隨著車床主軸做旋轉運動，芯模帶著管坯隨著車床尾頂做軸向進給運動，通過單道次的大變形得到所需要的零件尺寸，完成成形過程；(3)成形過程完成之后，將裝有芯模、管坯和約束裝置的尾頂從旋壓頭中退出來，先將限位環從芯軸一端取下，再沿軸向敲打卸料環大端靠芯軸臺階一側，使卸料環沿軸向向管坯方向滑動，帶動管坯一起沿軸向滑動而實現卸料。全文摘要
本發明的目的在于提供滾珠旋壓成形工裝裝置及其反向滾珠旋壓成形方法，滾珠旋壓成形工裝裝置包括旋壓頭、芯模和限位環，旋壓頭包括螺紋支撐管、外支撐圈、圓錐模環、滾珠，螺紋支撐管和圓錐模環安裝在外支撐圈里，螺紋支撐管的一端位于圓錐模環里，滾珠位于圓錐模環里、沿著圓錐模環的錐面均布一周、并與螺紋支撐管相接觸，芯模包括芯軸和卸料環，卸料環套在芯軸上，限位環套在芯軸的一端上。反向滾珠旋壓成形方法通過準備階段、旋壓階段和卸料階段三個步驟來完成。本發明可以制造高強度、高精度的薄壁縱向內筋筒形件。該工裝滾珠的徑向位置可通過調節螺紋支撐管進行精確控制，大大提高了成形精度。
文檔編號B21D22/16GK102266888SQ20111020722
公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月24日 優先權日2011年7月24日
發明者佟永祥, 張艷秋, 江樹勇, 范紅濤 申請人:哈爾濱工程大學