大徑厚比大弓高比封頭沖旋成型裝置及沖旋方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大徑厚比大弓高比封頭沖旋成型裝置及沖旋方法。成型裝置包括由立柱與頂梁構(gòu)成的機床門架、底座、橫梁、雙旋輪架、旋轉(zhuǎn)臺、筒形模具、環(huán)形壓板夾具等部分。旋轉(zhuǎn)臺安裝在機床底座上，筒形模具安裝在旋轉(zhuǎn)臺上，待加工的工件則緊密裝卡在筒形模具上，可以實現(xiàn)工件與模具隨旋轉(zhuǎn)臺同步旋轉(zhuǎn)。在橫梁的左右兩側(cè)各有一個旋輪架，其上裝有旋壓工具旋輪。旋輪的垂直方向和水平方向進給是通過步進電機和絲杠來實現(xiàn)的。采用雙旋輪結(jié)構(gòu)可以增加旋壓成形過程中的工件受力穩(wěn)定性，降低振動對加工過程的影響。旋壓方法是雙旋輪分別從左右兩側(cè)的工件周邊向中心沿對稱弧形進給擠壓工件成形。本設(shè)備簡單、無需沖壓成鼓，成形過程穩(wěn)定，能避免大徑厚比大弓高比封頭成型過程中發(fā)生失穩(wěn)的現(xiàn)象，從而能實現(xiàn)大徑厚比大弓高比封頭整體精密成型。
【專利說明】大徑厚比大弓高比封頭沖旋成型裝置及沖旋方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種大徑厚比大弓高比封頭沖旋成型裝置及沖旋方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 航天工業(yè)加工封頭最常用的一種方法是瓜瓣式拼接成型方法，即將一個大型封頭 分成若干瓣，先將各分辨逐一沖壓成形，再采用氬弧焊或攪拌摩擦焊拼接成一個整體封頭。 航天工業(yè)的發(fā)展，對構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸、精度及整體性能提出更加苛刻的要求。實現(xiàn)這類構(gòu)件 的大尺寸、薄壁化、輕量化及整體成形成為制造工藝的新趨勢。這種瓜瓣式拼接成型加工方 法沖壓成形過程中在保證各分瓣性能的一致性方面存在困難，同時由于焊接工藝始終存在 焊縫，焊縫與母材的力學性能會存在一定的差異，薄壁構(gòu)件也大大增加了焊接工藝的困難。
[0003]目前國內(nèi)利用有模旋壓法(模壓法）能成功旋制直徑約為2000mm，徑厚比少于300 的封頭，但是隨著工件徑厚比增加到約為400時，工件表面在旋制成形過程中局部區(qū)域產(chǎn) 生起皺失穩(wěn)，嚴重時甚至開裂導致封頭制造失敗。
[0004]旋壓技術(shù)的發(fā)展給封頭制造提供了新工藝方法，1.有模封頭旋壓法即利用芯模加 旋輪將工件逐點碾壓，使金屬板材產(chǎn)生塑性變形從而達到成形封頭的目的。2.二步法封 頭旋壓，分壓鼓和翻遍兩道工序，壓鼓是采用沖壓的方法利用壓鼓機將圓形平板工件由里 向外沖壓，每沖壓一次操作機將工件轉(zhuǎn)動一個角度，直至沖壓成形；翻邊是將有模旋壓中的 芯模換內(nèi)旋壓輥(成形輥)，配合外旋壓輥(壓力輪）將第一步壓鼓得到的半成品旋壓成封頭 形。現(xiàn)有這兩種方法都是采用大尾頂將工件的中心約束在芯模上，主軸帶動芯模和工件轉(zhuǎn) 動，旋輪將工件沿碾壓成形。目前國內(nèi)運用有模旋壓法最大能夠旋制直徑約為2000mm，徑厚 比不超過300的封頭曲面構(gòu)件，當工件徑厚比增加到400時，工件表成形過程中局部區(qū)域 產(chǎn)生起皺失穩(wěn)，嚴重時邊緣產(chǎn)生翹曲或波浪式起皺。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有有模旋壓工藝(工件中心約束，周邊為自由端)，在加工大徑厚比大弓高 比薄壁封頭過程中極其容易起皺、翹曲等失穩(wěn)現(xiàn)象，本發(fā)明特提供一種工件周邊約束的大 徑厚比大弓高比封頭沖旋裝置及沖旋方法。
[0006]-種工件周邊約束的薄壁大弓高封頭旋壓成形裝置，包括立柱1、橫梁2、頂梁3、 旋輪架4、液壓伸縮桿5、旋輪6、垂直絲杠7、垂直步進電機8、水平絲杠9、水平步進電機10、 環(huán)形壓板11、工件12、螺栓13、筒形模具14、旋轉(zhuǎn)臺15、蝸桿16、渦輪17、圓柱滾子軸承18、 套筒19、推力球軸承20、底座21、平衡導行輪22,其中，門架由頂梁3連接左右兩立柱1組 成，在兩立柱中央位置留有矩形長凹槽，在凹槽內(nèi)安裝了垂直絲杠7及直線步進電機8,垂 直絲杠7下端連接直線步進電機；旋轉(zhuǎn)臺上方安裝筒形模具14,旋轉(zhuǎn)臺15的旋轉(zhuǎn)主軸通過 圓柱滾子軸承18、套筒19、推力球軸承20安裝在底座21上；平衡導行輪22安裝在底座21 上；平衡導行輪22安裝在底座21上，橫梁連接左右兩邊的垂直絲杠，位于頂梁下方；橫梁 左右兩立柱之間，中點的左右兩側(cè)分別裝有一個旋輪架4 ;旋輪架下方設(shè)有旋輪6 ; 所述橫梁內(nèi)安裝有兩套水平電機10和水平絲杠9,左右兩水平絲杠通過螺栓和軸承固 定在橫梁內(nèi)，在絲杠末端通過聯(lián)軸器與水平電機輸出軸連接，分別用于控制左右旋輪架水 平方向的進給； 所述筒形模具上方通過環(huán)形壓板11和螺栓13緊密裝卡工件12,成形對工件12周邊的 有效約束； 所述旋轉(zhuǎn)臺15的旋轉(zhuǎn)主軸與蝸輪17連接，蝸桿16與渦輪17配合傳遞調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn) 速；通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對不同轉(zhuǎn)速的需求。
[0007]所述平衡導行輪22共4個，均勻安裝在底座21的一確定圓周上，與旋轉(zhuǎn)臺導向槽 接觸，起導向作用，防止旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中左右擺動。
[0008]所述旋輪架內(nèi)安裝液壓伸縮桿5,液壓伸縮桿可以改變旋輪的伸出長度。
[0009]所述旋輪6，為不同圓角半徑旋輪或不同形狀旋輪。
[0010] 所述筒形模具可以更換的，改變模具的大小可實現(xiàn)不同直徑封頭的加工，這對實 現(xiàn)一機多尺寸封頭生產(chǎn)是非常有益的。
[0011] 具體旋壓方法為：將工件12固定在筒形模具14上，旋輪6按封頭母線軌跡進給， 擠壓工件12,逐漸將工件成形12'形狀；工件在旋壓過程中隨旋輪6進給向不斷向筒形模 具14底部凸，兩個旋輪在工件上表面，分別從工件的左右兩周邊向中心沿對稱弧形進給擠 壓工件，工件在沖旋過程中隨旋輪進給形成于旋輪軌跡一致的曲面形狀，經(jīng)多道次沖旋，最 終精密創(chuàng)成高質(zhì)量封頭12' '。
[0012] 在大弓高比封頭成形過程中，液壓伸縮桿是非常必要的，可以實現(xiàn)旋輪垂直方向 大行程進給，避免橫梁大行程進給過程中與筒形模具發(fā)生機械干涉。
[0013]大徑厚比大弓高比封頭沖旋裝置從運動角度來看分為：1.旋轉(zhuǎn)運動；2.垂直方向 運動；3.水平方向運動。旋轉(zhuǎn)運動包括旋轉(zhuǎn)臺、筒形模具及工件三者相互連接在一起，同步 轉(zhuǎn)動；垂直方向運動包括橫梁的垂直方向進給及旋輪垂直方向進給，旋輪在液壓伸縮桿作 用下的伸縮運動；水平方向運動是指旋輪支架、旋輪的水平進給。旋輪的垂直方向進給與旋 輪水平方向的進給運動都是通過數(shù)控系統(tǒng)來完成的，通過編寫程序，編好的程序下達給控 制器，控制器以脈沖信號方式傳遞給步進電機驅(qū)動器，驅(qū)動器為步進電機提供電力，驅(qū)使步 進電機完成要求的進給運動。程序控制弧線運動，工件在旋轉(zhuǎn)臺作用下做旋轉(zhuǎn)運動，三個運 動復(fù)合成球面螺旋運動，從而實現(xiàn)封頭的成型。
[0014]所述封頭沖旋成型裝置的特點是不采用現(xiàn)有封頭旋壓設(shè)備工件中心約束，周邊無 約束自由變形的成形方式，而是采用工件周邊施加約束固定的方式，改善了封頭旋壓過程 中周邊自由變形，不可控的缺點及工件容易發(fā)生變形失穩(wěn)等工藝缺陷。從而能實現(xiàn)大徑厚 比大弓高比封頭不失穩(wěn)整體均勻成型。
[0015]所述的工件約束方式是通過環(huán)形壓板配合螺栓將工件周邊緊密固定在筒形模具 上。
[0016]所述的旋輪運動軌跡是通過電機帶動垂直絲杠和水平絲杠轉(zhuǎn)動從而推動橫梁和 旋輪架分別沿垂直和水平方向運動復(fù)合成封頭母線軌跡。
[0017]所述旋輪垂直方向能實現(xiàn)遠行程進給，為了避免在進行大弓高（弓高：封頭底部到 頂部的垂直距離)封頭成形進給過程中橫梁與模具發(fā)生干涉，造成設(shè)備破壞。通過設(shè)計一套 液壓伸縮桿，以增加旋輪伸出長度，實現(xiàn)大弓高封頭加工。
[0018] 所述工件的轉(zhuǎn)動，是通過工件固定在筒形模具上，筒形模具安裝在旋轉(zhuǎn)臺上，工件 隨旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的。
[0019] 所述旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速是可以調(diào)節(jié)的，改變蝸輪蝸桿的傳動比可以實現(xiàn)不同電機轉(zhuǎn)速 的輸處。這對成形不同精度和效率的封頭提供了方便。
[0020] 該裝置突出優(yōu)點是：采用不同于現(xiàn)有有模旋壓機及二步法封頭旋壓機的工件中心 約束，周邊為自由端的設(shè)計方式，本設(shè)計設(shè)置的了筒形旋轉(zhuǎn)工作臺，利用環(huán)形壓板和螺栓將 工件的周邊約束而中心不約束的方式成形大徑厚比大弓高比封頭。工件的裝卡方法及工件 周邊的約束方式是本裝置及旋壓方法的突出特征。這樣的約束方式給工件周邊施加了有效 外約束，改善了現(xiàn)有封頭旋壓裝置工件周邊無約束，工件周邊自由變形不可控造成工件變 形過程中容易起皺失穩(wěn)的缺點。裝置簡單，無壓鼓機、操作機、旋壓翻邊機，包括壓鼓，翻邊 在內(nèi)的所有工藝都可以在通過控制旋輪軌跡完成。旋輪在液壓伸縮桿及橫梁配合作用下能 實現(xiàn)垂直方向大行程進給，實現(xiàn)加工大弓高封頭。通過增加工件周邊固定，形成有效約束， 成形過程中工件周邊不能自由變形，能很好抑制工件變形失穩(wěn)現(xiàn)象。整個成形過程中，兩個 旋輪在工件上表面，分別從工件的左右兩邊向中心弧形進給，擠壓工件，經(jīng)多道次沖旋工 件成型。
[0021] 利用大型有限元軟件模擬本發(fā)明裝置沖旋成型封頭發(fā)現(xiàn)，封頭直徑約為 3000mm，徑厚比為550時成形過程穩(wěn)定，工件表面未出現(xiàn)起皺失穩(wěn)現(xiàn)象。由此對比可知：利 用本發(fā)明的沖旋裝置和沖旋方法加工大徑厚比封頭較有模旋壓法有優(yōu)勢。同時在確定封頭 直徑約為3000mm徑厚比為300時，分別模擬不同弓高比封頭有模旋壓法成型和封頭沖旋成 型，發(fā)現(xiàn)利用有模旋壓法成形封頭時，當封頭弓高比增加到1/5時，隨旋輪進給的推進，工 件剛度變小，工件邊緣出現(xiàn)翹曲，而且翹曲成形過程中不消失積累嚴重，影響封頭成形。由 于本發(fā)明裝置在分析有模旋壓法翹曲原理的基礎(chǔ)上，采用約束法抑制工件邊緣剛度隨旋輪 進給迅速減少，本發(fā)明裝置設(shè)計了工件周邊約束，對工件周邊施加有效外約束。利用本發(fā)明 裝置沖旋成形封頭，封頭弓高比達到1/3時，沖旋過程未見異樣狀況，成形過程穩(wěn)定，工件 變形流暢。由此對比可知：用本發(fā)明的沖旋裝置和沖旋方法加工大弓高比封頭較有模旋壓 法效果好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明封頭沖旋裝置的構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明封頭沖旋裝置的工件工作狀態(tài)局部示意圖； 圖3是本發(fā)明封頭沖旋裝置工件最終成型示意圖。

【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明是一種大徑厚比大弓高比大弓高封頭沖旋成型裝置 參照圖1，機床門架包括立柱1和頂梁3,頂梁3連接左右兩立柱1，立柱槽內(nèi)安裝有垂 直絲桿7和垂直步進電機8,垂直絲杠7連接橫梁2,橫梁2內(nèi)分別安裝有水平絲杠9和水 平步進電機10,在橫梁2上通過水平絲桿連接兩個旋輪架4,旋輪架4下端安裝有旋輪6,旋 輪架4內(nèi)置了液壓伸縮桿結(jié)構(gòu)5,工件12通過環(huán)形壓板13和螺栓11固定在筒形模具上端 面，筒形模具14裝在旋轉(zhuǎn)臺15上，旋轉(zhuǎn)臺15的旋轉(zhuǎn)主軸通過與蝸輪17連接，蝸桿16與渦 輪17配合傳遞調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)臺15的旋轉(zhuǎn)主軸通過圓柱滾子軸承18、套筒19、推力 球軸承20安裝在底座21上。
[0024]參照圖2,利用這種沖旋方法，通過將工件12固定在筒形模具14上，旋輪6按封頭 母線軌跡進給，擠壓工件12逐漸將工件成形12'形狀，多道次沖旋，最終成型大徑厚比大弓 高比封頭12''。
【權(quán)利要求】
1. 大徑厚比大弓高比封頭沖旋成型裝置，包括立柱（1)、橫梁（2)、頂梁（3)、旋輪架 (4)、液壓伸縮桿（5)、旋輪（6 )、垂直絲杠（7 )、垂直步進電機（8 )、水平絲杠（9 )、水平步進電 機（10)、環(huán)形壓板（11)、工件（12)、螺栓（13)、筒形模具（14)、旋轉(zhuǎn)臺（15)、蝸桿（16)、渦輪 (17)、圓柱滾子軸承（18)、套筒（19)、推力球軸承（20)、底座（21)、平衡導行輪（22)，其特征 在于，門架由頂梁（3)連接左右兩立柱（1)組成，在兩立柱中央位置留有矩形長凹槽，在凹 槽內(nèi)安裝了垂直絲杠（7)及垂直步進電機（8)，垂直絲杠（7)下端通過聯(lián)軸器連接垂直步進 電機（8);旋轉(zhuǎn)臺上方安裝筒形模具（14)，旋轉(zhuǎn)臺（15)的旋轉(zhuǎn)主軸通過圓柱滾子軸承（18)、 套筒（19)、推力球軸承（20)安裝在底座（21)上，平衡導行輪（22)安裝在底座（21)上；橫 梁（2)連接在左右兩邊的垂直絲杠上，位于頂梁下方；橫梁左右兩立柱之間，中點的左右兩 側(cè)分別裝有一個旋輪架（4);旋輪架下方設(shè)有旋輪（6); 所述橫梁內(nèi)安裝有兩套水平步進電機（10 )和水平絲杠（9 )，分別用于控制左右旋輪架 水平方向的進給；水平絲杠（9) 一端通過軸承、軸承座與螺栓固定在橫梁內(nèi)，另一端通過聯(lián) 軸器與固定在橫梁上的步進電機輸入軸相連； 所述筒形模具上方通過環(huán)形壓板（11)和螺栓（13)緊密裝卡工件（12)，成形對工件周 邊的有效約束； 所述旋轉(zhuǎn)臺（15)的旋轉(zhuǎn)主軸與蝸輪（17)連接，蝸桿（16)與渦輪配合傳遞調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臺 轉(zhuǎn)速。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大徑厚比大弓高比封頭沖旋成型裝置，其特征在于，所述平 衡導行輪（22)共4個，均勻安裝在底座（21)的圓周上，與旋轉(zhuǎn)臺導向槽接觸，起導向作用， 防止旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中左右擺動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大徑厚比大弓高比封頭沖旋成型裝置，其特征在于，所述旋 輪架內(nèi)安裝液壓伸縮桿（5 )，液壓伸縮桿改變旋輪的伸出長度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大徑厚比大弓高比封頭沖旋成型裝置，其特征在于，所述旋 輪，為不同圓角半徑旋輪或不同形狀旋輪。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大徑厚比大弓高比封頭沖旋成型裝置，其特征在于，所述筒 形模具可更換。
6. 大徑厚比大弓高比封頭沖旋成型裝置的沖旋方法，其特征在于，將工件（12)固定在 筒形模具（14)上，兩個旋輪在工件上表面，分別從工件的左右兩周邊向中心沿對稱弧形進 給，擠壓工件，逐漸將工件沖旋成所需的形狀（12'）；工件在沖旋過程中隨旋輪進給形成與 旋輪軌跡一致的曲面形狀，經(jīng)多道次沖旋，最終精密創(chuàng)成高質(zhì)量封頭（12' '）。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的大徑厚比大弓高比封頭沖旋成型裝置的沖旋方法，其特征在 于，所述兩個旋輪的旋輪運動軌跡是通過垂直步進電機帶動垂直絲杠和水平步進電機帶動 水平絲杠轉(zhuǎn)動，從而推動橫梁和旋輪架分別沿垂直和水平方向運動，復(fù)合成封頭母線軌跡。
【文檔編號】B21D22/16GK104275378SQ201410570884
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】李新和, 胡興佳, 卜佳南, 俞大輝, 駱亞洲, 周磊, 羅不凡 申請人:中南大學