一種帶筋大高徑比薄壁環件軋擠復合成形方法與流程

本發明屬于塑性加工技術領域，具體涉及一種帶筋大高徑比薄壁環件軋擠復合成形方法。

背景技術：

帶筋大高徑比薄壁環件(以下簡稱帶筋環件)以鋁合金等輕質材料為主，壁厚小、高徑比大、表面帶有縱筋、橫筋或縱橫交錯網格筋，屬于材料難變形、結構難成形特殊環件，是航天和國防裝備中不可或缺的高性能輕量化構件。此類帶筋環件的現有制造方法是先采用軋環、旋壓等塑性加工方法整體成形環件基體，然后再利用焊接和切削方法在環件基體表面加工網格筋。

現有的環件基體塑性成形方法和網格筋結構焊接或切削方法均存在明顯弊端。對于塑性成形環件基體，由于壁厚小、高徑比大，普通軋環制坯難度大(為了避免大高徑比鐓粗，坯料需要反復鐓拔)，環件圓度難以保障(環件壁薄剛度差，軋制過程中極易塑性失穩而被軋扁)，通常需要增加壁厚加工余量導致切削工時和材料消耗增加。旋壓成形目前則主要適用于直徑1米左右的中小型環件，直徑更大的環件旋壓成形缺陷難以控制而且現有成形設備難以實現。對于環件表面帶筋結構，焊接和切削不僅效率十分低下，而且大量焊接焊縫和切削造成的流線破壞，明顯削弱了構件組織性能。雖然目前已有報道采用旋壓、擠壓等塑性加工方法成形表面筋條，但是這些方法受成形工藝和設備限制，只適用于中小型環件和簡單的縱筋或橫筋成形，對于大直徑環件和更為復雜的網格筋則無能為力，而它們則通常應用于更為先進的大型航空和武器裝備中。因此，針對帶筋環件現有制造問題，十分需要研發更為先進的成形技術，提高制造效率和產品性能，擴大成形對象，滿足高端航天和武器裝備發展需求。

技術實現要素：

基于以上現有技術的不足，本發明所解決的技術問題在于提供一種帶筋大高徑比薄壁環件軋擠復合成形方法，利用模內軋環方法和連續局部壓擠方法相結合，可實現大高徑薄壁環件基體和表面筋結構無縫近凈成形，取代焊接并顯著減少切削加工，可適用于不同尺寸和結構帶筋環件，從而提高制造產效率和產品性能，擴大成形對象。

為了解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：一種帶筋大高徑比薄壁環件軋擠復合成形方法，包括如下步驟：

步驟一、設置用以約束環坯的套模，環坯放置在套模內；

步驟二、將芯輥穿入環坯內孔中，在軋環機動力系統驅動下，主輥旋轉驅動套模帶動環坯轉動、芯輥直線進給壓擠；

步驟三、當環坯高度增加至與套模高度一致時，停止芯輥進給，軋制過程結束，厚壁環坯形成薄壁環件基體；

步驟四、將芯輥更換成壓擠凸模，成形的環件基體仍保留在套模內；

步驟五、調整位于主輥對面的副輥緊貼套模外表面；

步驟六、液壓缸驅動凸模向前運動壓擠與其工作面接觸的環件，壓擠出局部網格筋結構；然后凸模回程，副輥低速旋轉帶動套模順時針旋轉一定角度θ，θ＝360°/n，其中n＝環件縱筋個數；

步驟七、反復重復步驟六，直至在環件表面壓擠出整體網格筋結構，壓擠過程結束，脫開壓擠凸模，并從套模中取出環件，得到帶筋大高徑比薄壁環件。

作為上述技術方案的優選實施方式，本發明實施例提供的帶筋大高徑比薄壁環件軋擠復合成形方法進一步包括下列技術特征的部分或全部：

作為上述技術方案的改進，在本發明的一個實施例中，所述步驟一中，環鍛件尺寸根據目標環件產品和加工余量確定，環鍛件外半徑R等于目標環件產品外半徑加上相應加工余量ΔR，環鍛件內半徑r等于目標環件產品內半徑減去相應加工余量Δr，環鍛件軸向高度B等于目標環件產品軸向高度加上相應加工余量ΔB，網格筋部分設計(2～5)°拔模斜度α和相應加工余量ΔW。環件基體尺寸根據環鍛件確定，環件基體直徑D₁等于2倍環鍛件外半徑R，即D₁＝2R，環件基體高度B₁等于環鍛件高度B，環件基體內徑d₁需根據環鍛件體積V確定，環坯尺寸根據環件基體確定，環坯外徑D₀與環件基體直徑D₁之間滿足D₁＝(1～3)D₀，環坯高度B₀與環件基體高度B₁間滿足B₁＝(1.2～4)B₀，環坯內徑套模工作尺寸根據環鍛件確定，套模內徑d_t等于環鍛件外徑即2R，套模高度B_t與環鍛件高度B相等，套模外徑可根據套模材料和設備噸位進行強度設計來確定。

作為上述技術方案的改進，作為上述技術方案的改進，在本發明的一個實施例中，所述步驟一中，放置環坯前，如果環坯壁厚小、冷塑性好且設備噸位大，可常溫軋環，反之則需加熱到始鍛溫度后軋環。

作為上述技術方案的改進，在本發明的一個實施例中，所述步驟四中凸模工作面形狀尺寸與環鍛件表面網格筋形狀尺寸相匹配，其橫向中間位置布置有一列成形環鍛件縱筋的縱向凹槽型腔，沿縱向布置有多條與環鍛件橫筋數目相等的橫向凹槽型腔，每次局部壓擠成形一列完整縱筋和所有橫筋一段圓周長度。所述凸模周向寬度L_B設計時應略大于環鍛件表面相鄰縱筋間距L_Z，可設計為L_B＝(1.7～1.9)L_Z；為避免產生折疊缺陷，壓擠凸模工作面兩側設計為斜面，傾斜角度控制在15°～30°；凸模工作面軸向高度B_j等于環鍛件高度B，凸臺面半徑R_j等于環鍛件大內半徑r，凸臺高度L_j等于網格筋高度L，凹槽寬度H_j等于網格筋寬度H，凸臺斜度α_j等于網格筋斜度α；凸模上下端帶側壁，側壁寬度H_B與軋制環件基體壁厚相等。

作為上述技術方案的改進，在本發明的一個實施例中，所述步驟四中，若環件需要采用熱壓擠方式，則當環件溫度低于終鍛溫度時則需將環件取出加熱到始鍛溫度后再放入套模內。

與現有技術相比，本發明的技術方案具有如下有益效果：本發明提出的軋擠復合成形方法，能夠有效克服現有的帶筋環件基體塑性成形和表面筋結構焊接成形問題：首先，采用模內軋環方法成形大高徑比薄壁環件基體，借助套模約束作用可以實現環件軸向伸長變形、增加環件剛度并控制環件直徑，能夠克服傳統軋環制坯難度大、剛度差易失穩、形狀尺寸難以控制等問題；其次，采用連續局部壓擠方法成形表面筋結構，相比焊接成形效率高、結構性能好，而且連續局部變形力能小、套模約束促進表面筋結構成形并且容易控制環件整體尺寸，從而克服傳統整體壓擠成形力能大、尺寸精度不易保障等問題。因此，本發明具有成形精度高、效率高、成本低、質量好等綜合優點。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本發明的上述和其他目的、特征和優點能夠更明顯易懂，以下結合優選實施例，詳細說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例的附圖作簡單地介紹。

圖1是本發明的帶筋大高徑比薄壁環件產品示意圖；

圖2是本發明的帶筋大高徑比薄壁環鍛件(即環鍛件6c)截面示意圖；

圖3是本發明的大高徑比薄壁環件模內軋制工藝示意圖，其中圖3(a)是軋制開始階段示意圖，圖3(b)是軋制中間階段示意圖，圖3(c)是軋制結束階段示意圖；

圖4是本發明的表面筋結構連續局部壓擠凸模結構示意圖，其中圖4(a)是模具正視圖，圖4(b)是模具俯視圖，圖4(c)是圖4(a)的A-A視圖；

圖5是本發明的表面筋結構連續局部壓擠工藝示意圖，其中圖5(a)是第一次壓擠開始階段示意圖，圖5(b)是第一次壓擠結束階段示意圖，圖5(c)是第二次壓擠開始階段示意圖，圖5(d)是第二次壓擠結束階段示意圖，圖5(e)是最后一次壓擠開始階段示意圖，圖5(f)是最后一次壓擠結束階段示意圖；

圖6是本發明的圖5(b)的B-B截面示意圖；

圖中：1-主輥；2-套模；3-芯輥；4-導向輥；5-環坯；6-大高徑比薄壁環件基體；6a-第一次壓擠成形環件；6b-第二次壓擠成形環件；6c-環鍛件(即最后一次壓擠成形環件)；7-壓擠凸模；8-副輥。

具體實施方式

下面詳細說明本發明的具體實施方式，其作為本說明書的一部分，通過實施例來說明本發明的原理，本發明的其他方面、特征及其優點通過該詳細說明將會變得一目了然。

本發明提供一種帶筋大高徑比薄壁環件軋擠復合成形方法，包括如下步驟：

步驟一、設置用以約束環坯的套模，環坯放置在套模內；該方法采在普通軋環基礎上，增加一個套模2用于約束環坯5，使環坯5在套模2內軋制成形，如圖3(a)所示。

環坯和套模尺寸設計如下：首先根據目標環件產品(如圖1所示，即帶筋大高徑比薄壁環件)尺寸和加工余量確定環鍛件6c尺寸，其中環鍛件6c外半徑R等于目標環件產品外半徑加上相應加工余量ΔR，環鍛件6c內半徑r等于目標環件產品內半徑減去相應加工余量Δr，環鍛件6c軸向高度B等于目標環件產品軸向高度加上相應加工余量ΔB，網格筋部分設計(2～5)°拔模斜度α和相應加工余量ΔW,如圖2所示。再根據環鍛件6c尺寸設計環件基體6和環坯5尺寸，其中環件基體6直徑D₁等于2倍環鍛件6c外半徑R，即D₁＝2R，環件基體6高度B₁等于環鍛件6c高度B，環件基體6內徑d₁需根據環鍛件6c體積V確定，為了協調分配軋環過程中環坯5徑向和軸向變形量、控制其變形均勻性，環坯5外徑D₀與環件基體6直徑D₁之間滿足D₁＝(1～3)D₀，環坯5高度B₀與環鍛件6高度B₁間滿足B₁＝(1.2～4)B₀，環坯內徑

套模2工作尺寸根據環鍛件6c確定，通常情況下，套模2內徑d_t等于環鍛件6c外徑即2R，套模2高度B_t與環鍛件6c高度B相等，套模2外徑可根據套模2材料和設備噸位進行強度設計來確定。

步驟二、將芯輥穿入環坯內孔中，在軋環機動力系統驅動下，主輥旋轉驅動套模帶動環坯轉動、芯輥直線進給壓擠；模內軋環過程中，套模2與環件一起作旋轉運動，環件在芯輥3的連續進給壓擠作用下，在套模2內產生徑向壁厚變薄、周向直徑擴大、軸向高度伸長的塑性變形，套模2的約束可以增加環件剛度而避免塑性失穩，而且可以使環件沿軸向伸長從而簡化制坯，并且可以精確控制環件尺寸。

將加工好的環坯5放置于套模2內(放置坯料前，可根據坯料尺寸性能和設備噸位來確定是否需要對坯料進行預先加熱。坯料壁厚小、冷塑性好且設備噸位大，可常溫軋環，反之可加熱后軋環)，再將芯輥3穿入環坯5內孔中，在軋環機動力系統驅動下，主輥1旋轉驅動套模2帶動環坯5轉動、芯輥3直線進給壓擠，使環坯5經歷兩個變形階段而軋制成形：第一階段，環坯未與套模接觸時，首先產生徑向壓縮、周向伸長的連續局部變形使壁厚減薄、直徑擴大，如圖3(b)所示；第二階段，當環坯直徑擴大至與套模接觸后，環坯在套模約束下產生徑向壓縮、軸向伸長的連續局部變形使壁厚減薄、高度增加，如圖3(c)所示。

步驟三、當環坯高度增加至與套模高度一致時，停止芯輥進給，軋制過程結束，厚壁環坯5形成薄壁環件基體6；

步驟四、將芯輥3更換成壓擠凸模7，成形的環件基體6仍留在套模2內(若采用熱壓擠方式，當軋制結束后環件溫度低于終鍛溫度時還需將環件取出加熱后再放入套模2內)，如圖5(a)所示；壓擠凸模尺寸設計：根據目標環件網格筋結構尺寸，設計與其結構尺寸相匹配的壓擠凸模7，如圖4所示。考慮到脫模問題，壓擠凸模7寬度L_B設計時應略大于環鍛件6c表面相鄰縱筋間距，每次壓擠出一列縱筋；為避免產生折疊缺陷，壓擠凸模7工作面兩側設計為斜面；壓擠凸模7工作面軸向高度B_j等于環鍛件6c高度B，凸臺面半徑R_j等于環鍛件6c大內半徑r，凸臺高度L_j等于網格筋高度L，凹槽寬度H_j等于網格筋寬度H，凸臺斜度α_j等于網格筋斜度α；凸模上下端帶側壁，側壁寬度H_B與軋制環件基體6壁厚相等，在壓擠時，側壁限制金屬沿軸向流動，利于金屬向壓擠凸模型腔流動成形表面筋結構。

步驟五、調整位于主輥對面的副輥緊貼套模外表面；位于主輥1對面的副輥8緊貼套模2外表面，在工作時帶動套模2間歇式旋轉，其中副輥8是一個由動力源驅動的低速旋轉輥，可實現套模2旋轉角度的精確定位。

步驟六、液壓缸驅動壓擠凸模向前運動壓擠與其工作面接觸的環件，壓擠出局部網格筋結構；然后壓擠凸模回程，副輥低速旋轉帶動套模順時針旋轉一定角度θ，θ＝360°/n，其中n＝環件縱筋個數；液壓缸驅動壓擠凸模7向前運動壓擠與其工作面接觸的環件，壓擠出局部網格筋結構；壓擠凸模7回程，副輥8低速旋轉帶動套模2順時針旋轉角度θ。采用連續局部壓擠方法成形環件基體的表面筋結構，在模內軋環完成基礎上，利用套模2旋轉驅動和壓擠凸模7反復壓擠實現。在成形過程中，通過讓套模2斷續旋轉帶動環件轉動和凸模7反復局部壓擠，連續成形表面筋結構，不僅減小凸模尺寸，而且減小成形力。其中，套模2還限制了環件的周向伸長，利于金屬向壓擠凸模7型腔流動而成形表面筋結構。

步驟七、反復重復步驟六，直至在環件表面壓擠出整體網格筋結構，壓擠過程結束，脫開壓擠凸模7，并從套模中取出環鍛件6c。

以上所述是本發明的優選實施方式而已，當然不能以此來限定本發明之權利范圍，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和變動，這些改進和變動也視為本發明的保護范圍。