一種用于成形波紋管的旋壓機構(gòu)及旋壓方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于旋壓加工領(lǐng)域，具體是一種用于成形波紋管的旋壓機構(gòu)及旋壓方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁合金波紋管件由于其質(zhì)輕、耐腐蝕等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于軍事國防、航空航天、石油開采、油氣運輸?shù)雀鱾€工業(yè)領(lǐng)域。波紋管是直壁段與波紋段交替組成的管狀零件，其中每個波紋段由三段圓弧組成，分別為頂部圓弧和兩個根部圓弧。傳統(tǒng)的波紋管成形方式采用先在板坯上壓凸槽型，然后縱向滾圓、卷焊成短波紋管，最后將多節(jié)短波紋管通過軸向拼焊加工為最終成品波紋管。上述傳統(tǒng)成形方法所用的工藝種類較多，包括壓槽、滾圓、卷焊、拼焊共四種工藝，導(dǎo)致成形過程中容易產(chǎn)生各類缺陷，難以保證最終的成形質(zhì)量。此外，上述傳統(tǒng)的成形方法制成的波紋管所包含的焊縫數(shù)量較多，因此容易出現(xiàn)焊接裂紋、未焊透、夾渣、氣孔和焊縫外觀缺欠等缺陷，這些缺陷嚴(yán)重地影響了波紋管的成形性能和使用壽命。
[0003]新型航空航天產(chǎn)品要求性能可靠穩(wěn)定，其中對波紋管加工制造要求盡量減少所使用的工藝種類、取消縱向和橫向焊縫，并實現(xiàn)整體成形。而旋壓成形作為一種先進的塑性成形技術(shù)，是現(xiàn)代凈盡少無切削整體成形技術(shù)的一個重要分支，目前成為薄壁空心回轉(zhuǎn)體零件成形中應(yīng)優(yōu)先考慮的一種工藝。在旋壓過程中，坯料的一端通過夾持裝置固定并實現(xiàn)其自身沿軸線的轉(zhuǎn)動，并且坯料在有或無芯模的支撐作用下，通過旋輪以一定軌跡沿坯料軸向的進給從而實現(xiàn)工件形狀與壁厚的變化。與其它成形工藝相比，旋壓具有產(chǎn)品精度高、性能好、材料利用率高、成本低、所需設(shè)備噸位小及工藝柔性高等優(yōu)點。
[0004]在公開號為CN103332354A的發(fā)明創(chuàng)造中針對人工對波紋管進行壓邊效率低、穩(wěn)定性差的不足，提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、可在數(shù)控狀態(tài)下對波紋管進行壓邊的裝置，并提出了一種“裝配管夾具-波紋管壓邊-繼續(xù)壓邊”的方法；該方法仍然無法解決傳統(tǒng)方法成形波紋管件工藝種類繁雜、成品焊縫較多等缺陷。因此急需采用旋壓方法來成形無焊縫、工藝簡單、整體成形的波紋管，以滿足新型航空航天產(chǎn)品性能可靠穩(wěn)定的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的工藝繁雜、焊縫多的不足，本發(fā)明提出了一種用于成形波紋管的旋壓機構(gòu)及旋壓方法。
[0006]本發(fā)明包括芯軸、芯模、夾塊、波紋芯模、芯軸端蓋、成形波紋用旋輪和校形旋輪。其中:芯模套裝在芯軸上，坯料套裝在芯模上，并通過位于芯軸I 一端的四個夾塊固定。所述的芯模分為直壁芯模和波紋芯模，在成形波紋管中，根據(jù)不同的工序選用不同的芯模。
[0007]所述的芯軸為三級階梯軸，分別形成了夾塊安裝凸臺段、坯料固定段和芯模配合段。其中，坯料固定段位于芯軸的中部。坯料固定段的外徑略小于夾塊安裝凸臺，坯料固定段與夾塊安裝凸臺段之間臺階的端面形成了坯料定位面。在坯料固定段與芯模配合段之間臺階的端面上對稱開有兩個用于連接芯模的螺紋孔。
[0008]所述夾塊有四個，各夾塊的下表面均為弧面。所述弧面的曲率分別與與之配合的夾塊安裝凸臺段的曲率和坯料的曲率相同。
[0009]所述波紋芯模為分瓣芯模，該波紋芯模外表面的形狀尺寸與波紋管件內(nèi)表面的形狀尺寸相同。所述波紋芯模中的各波紋段由三段圓弧組成，分別為頂部圓弧和兩個根部圓弧，各圓弧半徑滿足式(I):
[0010]Mi1= T1=R !+t (I)
[0011 ] rm2 =r2=R 2+t
[0012]其中，HH1為波紋芯模波紋段根部圓弧半徑，rm2為波紋芯模波紋段頂部圓弧半徑。^為波紋管內(nèi)表面波紋段根部圓角半徑，r2為波紋管內(nèi)表面波紋段頂部圓角半徑。R1為波紋管外表面波紋段根部圓角半徑，R2為波紋管外表面波紋段頂部圓角半徑。t為波紋管壁厚。
[0013]所述成形波紋用旋輪的旋輪成形面分為三個弧段，分別是中部弧段!^以及兩端弧段rs2，各個弧段的半徑滿足式(2):
[0014]rs^Ri
[0015]rs2>R2 ⑵
[0016]其中，!^為旋輪成形面中部弧段的圓角半徑，rs 2為旋輪成形面兩端弧段的圓角半徑。
[0017]所述旋輪中部弧段M1比波紋管外表面根部圓角半徑R/j、3?4mm,旋輪兩端弧段rs2K波紋管外表面外表面頂部圓角半徑1?2大3?4mm。
[0018]所述校形用旋輪的旋輪成形面為凹槽形，該旋輪成形面分為三個弧段，分別是旋輪成形面槽型區(qū)根部圓弧半徑A1、旋輪成形面槽型區(qū)中部圓弧半徑rb2、旋輪成形面端部圓弧半徑rb3，該旋輪用于精確成形波紋管波紋段外表面，其形狀尺寸與波紋管外表面波紋段形狀尺寸相同并相互吻合，如式(3)所示:
[0019]Irb1=R1
[0020]rb2= R 2 (3)
[0021]rbp rb i
[0022]其中！^為旋輪成形面槽型區(qū)根部圓弧半徑，rb2為旋輪成形面槽型區(qū)中部圓弧半徑，rb3S旋輪成形面端部圓弧半徑。
[0023]一種利用所述旋壓機構(gòu)旋壓成形波紋管的方法，具體過程是:
[0024]步驟1，筒形工件減薄旋壓。采用常規(guī)旋壓減薄方法對筒形工件進行減薄旋壓。具體是，通過夾塊固定原坯以實現(xiàn)坯料與芯軸的同步轉(zhuǎn)動。采用直壁芯模并通過芯軸端蓋將直壁芯模安裝在芯軸上從而實現(xiàn)直壁芯模與芯軸的同步轉(zhuǎn)動。采用三個強力旋壓旋輪并使其沿周向以120°夾角均勻分布。旋輪軌跡采用軸向直線進給。芯軸轉(zhuǎn)速為90r/min，旋輪進給速度為lmm/r，軸向進給長度略大于工件的長度。得到減薄的筒形工件。
[0025]步驟2，波紋成形旋壓。所述波紋成形旋壓的過程采用無芯?？s徑旋壓。卸除旋壓機構(gòu)中的直壁芯模，并以三個成形波紋用旋輪替換三個強力旋壓旋輪。旋輪軌跡與波紋管外形近似；軌跡的波紋段由三段圓弧組成，分別為頂部圓弧rpjP兩個根部圓弧rp2，其圓弧半徑滿足式⑷:
[0026]Tipl= R ^rs1(4)
[0027]
[0028]rp2= R S+^s1
[0029]式中rPlS旋輪軌跡中波紋段根部圓弧半徑，rp 2為旋輪軌跡中波紋段頂部圓弧半徑。
[0030]所述旋輪的軌跡與波紋管外形的間距為rSl。
[0031]在步驟I所成形的筒形工件上通過波紋成形旋壓，在所述筒形工件表面上旋壓成形出波紋形狀。
[0032]步驟3，波紋校形旋壓工序。將分瓣波紋芯模裝入成形有波紋形狀的筒形工件內(nèi)。
[0033]將波紋芯模與工件一同套裝在芯軸I的芯模安裝段上，并通過芯軸端蓋將所述波紋芯模和芯軸固連，并通過夾塊固定所述筒形工件，從而實現(xiàn)工件、波紋芯模與芯軸的同步轉(zhuǎn)動。以三個校形旋輪替換三個成形波紋用旋輪。設(shè)定芯軸的轉(zhuǎn)速為60r/min。通過三個校形旋輪逐段對每段波紋及該段波紋與直線段的過渡處進行徑向直線進給，得到精確成形的筒形工件波紋段。
[0034]至此，完成了對波紋管的旋壓成形。
[0035]本發(fā)明提出的旋壓機構(gòu)基于目前應(yīng)用廣泛的多旋輪強力流動旋壓機。通過三道次旋壓工序，得到波紋管。本發(fā)明的機理和效果如下:
[0036]減薄工序:將坯料通過強力旋壓減薄為薄壁筒形件，使其壁厚減薄而軸向變長，從而使坯料壁厚趨于最終零件的壁厚，降低后續(xù)波紋成形工序過程中的變形抗力。
[0037]成形工序:通過無芯?？s徑旋壓在筒壁上成形出波紋段，使直壁段域直徑縮短，周向壓縮而軸向拉伸，從而成形出波紋狀區(qū)域。波紋成形過程變形量較大，而本工序采用無芯模旋壓的柔性變形過程，使坯料變形過程中有較大的自由度，從而防止裂紋的產(chǎn)生。
[0038]校形工序:通過校形旋壓對工件波紋段的尺寸精度進行校正。由于第二工序波紋成形工序的柔性變形過程使坯料有較高的自由度，容易導(dǎo)致坯料尺寸精度的偏差，尤其是圓角區(qū)域，因此校形工序可以保證最終零件的尺寸精度。本校形工序中變形量較小，主要集中于圓角區(qū)域。
[0039]上述這種三道次旋壓工序避免了波紋管目前傳統(tǒng)成形方法中“壓槽-滾圓-卷焊-拼焊”等繁雜的工藝步驟，以及成形后的成品件上存有縱向和橫向焊縫的缺點，如圖8中所示為目前通過傳統(tǒng)拼焊工藝制成的波紋管，其表面具有明顯的焊縫，對裂紋敏感。而采用本發(fā)明所述的三道次波紋管成形旋壓工藝不僅保證了最終成形件的尺寸精度，并且實現(xiàn)了波紋管全過程的整體化塑性成形，從而使其發(fā)生塑性加工硬化，提高最終成形工件的力學(xué)性能，如圖9所示為通過本發(fā)明所述旋壓方法成形