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带内孔翻孔的凸字形零件弯曲模设计
余健;叶伟东
【期刊名称】《模具工业》
【年(卷),期】2016(42)4
【摘要】分析了带内孔翻孔的凸字形零件弯曲成形工艺,比较了4种成形方案并从中得出了最佳成形工艺方案。
针对零件"Z形弯曲、翻孔"工序进行了模具结构设计,并阐述了零件的成形过程,通过试模生产,验证了该模具制造成本低,生产的零件质量稳定,生产效益好,对类似零件的冲模设计提供了借鉴意义。
【总页数】4页(P29-32)
【关键词】弯曲;翻孔;冲压
【作者】余健;叶伟东
【作者单位】嘉兴南洋职业技术学院机电工程分院;浙江嘉兴海鲲模具厂
【正文语种】中文
【中图分类】TG385.2
【相关文献】
1.带活动凸模的翻孔翻边模 [J], 张懃;闫峰
2.Z 形弯曲件内孔翻边模设计 [J], 张俊;周波;龚洪英
3.顶罩板翻边翻孔压凸包模设计 [J], 伍国柱
4.椭球底零件侧孔翻孔模设计及有限元分析 [J], 李海峰;白金鑫;李雅楠;曲宏芬;郭
建军
5.零件带有翻孔及弯曲的级进模设计 [J], 陆裕斌;何凌;邓汝荣
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现代飞行器制造工艺学复习题简答及答案贾玉红何景武The document was prepared on January 2, 20211. 飞机产品的特点及其制造工艺的特点. 飞机产品的特点：1、零件数量大、品种多 2、外形复杂、精度要高 3、零件尺寸大、刚度小 4、材料品种多,新材料应用比例大 5、 结构不断改进,产量变化范围大制造工艺的特点：1、需采用新的保证互换性的方法-模线样板工作法； 2、 生产准备工作量大,需采用大量模具、夹具、型架等工艺装备,数字化制造技术；3、批量变化范围大,手工劳动量大,现在用柔性制造技术； 4、零件加工方法多种多样,装配劳动量比重大； 5、 生产协作能力强,推行并行工程.2. 弯曲、拉伸、拉形、拉弯、落锤成形、液压成形、喷丸成形、旋压成形及胀形等典型成形工艺的成形原理、成形极限、容易出现的问题及解决方法. 弯曲：成型原理：弯曲是将平直板材或管材等型材的毛坯或半成品、用磨具或其他的工具弯成具有一定曲率和一定角度的零件的加工成型方法.材料外层纤维受拉,内层纤维受压,中性层不变.成形极限：当万区间相对弯曲半径小到一定程度时,会是万区间外表面纤维的拉伸应变超过材料所允许的极限而出现裂纹或折断,此时的变形记先成为成形极限.相对弯曲半径r/t 达到材料即将破裂的极限是的min r问题：主要问题是回弹.解决办法：补偿法、加压法,加热校形法及拉弯法.拉伸原理：拉伸是在凸模作用下将平板毛坯变成开口空心零件的过程.凸缘切向收缩为筒壁,筒壁为传力区成形极限：当壁筒要拉断时的拉伸系数为极限拉伸系数.在筒壁将要拉断时的最小拉伸系数0/m d D容易出现的问题：凸缘起皱和筒壁拉裂.解决办法：用压边圈防止外皱.用带拉伸筋的凹模、反向拉伸法和正反向联合拉伸法防止内皱.拉形原理：拉形时板料两端在拉形机夹钳夹紧的情况下,随着拉形模的上升,板材与拉形模接触产生不均匀的双向拉伸变形,是板料与拉形模逐渐贴合的成型方法.成形极限：在拉形时,挡板料濒于出现不允许的缺陷时的拉形系数max 0/l l . 容易出现的问题：拉裂、起皱.解决办法：防止拉裂的主要方法是控制一次拉形变量；防止起皱可使夹头钳口取现金量符合模具两端对应曲面的剖面形状,在操作中正确配合夹头拉伸和台面上顶的动作.拉弯原理：拉弯是将毛料在弯曲的同时加以轴向拉力,改变毛料剖面内的应力分布情况,使之趋于均匀一致,以达到减少回弹,提高零件成形准确度的目的.成形极限：拉断常见问题：回弹量较大解决办法：先拉后弯,先弯后拉,先拉后弯再补拉.落压成型原理：利用质量很大的锤头或上模从高处落下时所产生的巨大的冲击力是,使毛料沿着成型模成形.成形极限：易出现的问题：材料起皱或破裂 解决方法：预成形；采用展开料成形；分区依次成形；采用储料过渡液压成形原理：采用液态的水或油作为传力介质,用软凸模或凹模代替刚性的凸模或凹模,使坯料在传力介质的压力作用下与凹模或凸模贴合的过程成形极限：相对弯曲半径R/t 以及成型压力P易出现的问题：材料的起皱开裂和不贴模解决方法：尽量采用新淬火料进行成形,同时尽可能采用展开料成形,以免除修边工作.喷丸成形：利用高速弹丸流撞击金属板的表面,使喷丸表面及其下层金属材料受挤压产生塑性变形而向四周延伸,表面面积扩大,从而逐步使板材发生向喷丸面凸起的弯曲变形,从而达到所需变形成形极限：对一定的喷丸设备的弹丸,采用最大覆盖率喷完成形特定材料和厚度的零件时,所获的变形量时一定的,即相应条件下的喷丸成形极限 易出现的问题：受壁板外形和结构特点限制,部分壁板难以成形 解决办法：采用预应力喷丸成形技术以提高喷丸变性能力旋压成型：借助旋压棒或旋轮、压头对随旋压模转动的板料或空心毛坯做进给运动并旋压,使其直径尺寸改变,逐渐成形为薄壁空心回转零件成形极限：工件的尺寸形状和厚度问题：表面出现沟槽 解决：在不同的胎膜上进行连续旋压胀形：在外力作用下使板料的局部材料厚度减薄而表面积增大,或将直径较小的筒形或锥形毛坯,利用由内向外膨胀的方法,使之成为直径较大或曲母线的旋转体零件 极限：胀形系数max 0D D ,max D 其中为零件变形最大处的直径；0D 为零件变形最大处的原始直径问题：毛坯拉伸破裂解决：在胀形是施加轴向推力是管坯压缩3. 什么是结构复合材料,什么是功能复合材料,复合材料在性能上有哪些特点. 结构复合材料：主要作为承力结构使用的材料,由能够承受载荷的增强体组元与能联结增强体成为整体材料同时又起传力例作用的基体组元构成的复合材料.功能复合材料：指除力学性能意外还能够提供其他物理、化学、生物等性能的复合材料.复合材料性能上的特点：1、材料具有可设计性 2、比强度高及比刚度大 3、抗疲劳性能好 4、 高温性能好5、制造工艺简单6、结构可实现功能智能化4.试说明聚合物基复合材料预成形件/树脂转移成形工艺方法RTM方法的特点与适用范围.RTM特点：整体性好,减少机械连接,近无余量加工,与手工铺放比工时少,可采用低成本的纤维/树脂体系；有效的改善了劳动强度和环境条件；可提高复合材料的设计需用应变.适用范围：适用于各种铺放形式与毛坯构型的复杂构件.5.什么是设计分离面和工艺分离面6.设计分离面：飞机的零件根据使用功能、维护修理、方便运输等方面的需要、设计人员对整架飞机的结构要划分为许多部件,这些部件之间所形成的可拆卸的分离面称为设计分离面.工艺分离面：在装配过程中,为了生产需要,将飞机结构进一步划分称为组合件和板件,这些板件、段件或组件之间一般采用不可拆卸的连接,这种为了满足工艺过程要求而划分的称为工艺分离面.7.提高装配准确度的补偿方法有哪些.1、装配时相互修配2、装配后精加工3、垫片补偿4、连接补偿件5、可调补偿件8.飞机装配基准的选择方法及误差积累特点.1、以骨架外形为基准：将骨架在型架上装配好,然后再蒙皮上施加外力,使蒙皮贴紧在骨架上并连接在一起.误差累计特点：骨架零件制造的外形误差骨架的装配误差蒙皮的厚度误差蒙皮与骨架由于贴合不紧而产生的误差装配连接的变形误差2、以蒙皮为基准：是将部分骨架零件分别装在蒙皮上,然后在型架上施加外力,使蒙皮外形贴紧在卡板上,最后将骨架连接起来.误差：装配型架卡板的外形误差蒙皮和卡板外形之间由于贴合不紧而产生误差装配连接的变形误差9.互换与协调的概念及相互关系,三种协调原则及其特点.互换：指的是独立制造的零件组合件、部件,装配时无需补充加工,就能满足产品使用要求；亦指一般互换的零件组合件、部件能与另一同样的零件组合件、部件互相代替,装配时不经任何修配,即可保证产品性能.协调：指两个相互配合的零件组合件、部件之间,其配合部位的几何形状和尺寸的相符合程度.互换是指同一种工件之间的一致性,它通过控制制造误差来达到.协调是指相配合工件之间配合尺寸、形状的一致性,它可以通过控制制造误差来达到,也可以通过修配来达到.互换的一定是协调的,协调的不一定是互换的.独立制造原则：为保证互换性所需的协调准确度,就必须对零件制造的准确度提出很高的要求.这与飞机制造的具体情况正好相反,因为在飞机制造总,对协调准确度比制造准确度要求更高；尤其是表明情况复杂的零件,技术上难度大,经济效果差.因此,独立制造原则比较适用于那些形状简单的零件,例如起落架、操纵系统等机械加工类零件.有利一面：生产过程中能够平行地制造飞机零件、组合件和部件,以及各种工艺装备.不受工艺装备制造次序的约束,可以扩大制造工作面,有利于缩短生产周期,开展广泛的协作相互联系制造原则：在尺寸专递过程中,共同环数量越多,协调准确度就越高,所以适用于制造形状复杂的零件.在制造过程中,可以将技术难度大的、制造准确度不高的环节作为尺寸传递的共同环,这样就能大大提高零件之间的协调准确度,对于结构复杂的飞机产品,采用这种原则就行协调具有特别重要的现实意义.但是,为了保证零件互换性所需的工艺装备必须依次制造,工作面受限制,使生产周期拖长,对保证厂际协作不力.相互修配原则：可以保证很高的协调准确度,但难以满足零件互换的要求,而且修配劳动量大,装配周期长,只有当其他协调原则在经济上、技术上都不合理,又不要求零件互换性时,才选用这种原则,一般在飞机的试制中应用较多,而成批生产中应用较少.10.铆接、螺接、胶接、焊接、胶焊等各种连接方法的特点.铆接：连接强度比较稳定可靠,铆接方法与工艺参数容易掌握和控制,铆接质量检验方便,故障比较容易排除,使用工具比较简单、价廉,适用于较复杂结构的连接.虽然存在一些缺点,增加了结构质量,降低了结构强度,容易引起变形,仍是飞机装配中主要的连接方式螺接：螺栓的受力形式有拉、剪、拉剪三种,应根据受力形式选用不同形式的螺栓.在飞机装配中数量不断增加.除标准螺栓,还有高锁螺栓和锥型螺栓,质量轻,体积小,耐振动,夹紧力大,耐疲劳性高,密封性好,安装简单,但结构复杂,成本高.胶接：不削弱基体材料,形成的连接缝是连续的,受力均匀,能改善板材支持情况,提高临界应力,减轻结构重量,提高结构的疲劳强度和破损安全性；胶接结构表面平滑,有良好的气动力性能；胶缝本身有良好的密封性,适用于气密舱和整体油箱等要求密封的结构；劳动量显着低于铆接,成批生产时成本也低于铆接；胶层对金属有防腐保护作用,可以绝缘,防止电化学腐蚀；使用材料范围广,金属材料之间、非金属材料之间、金属与非金属材料之间；对材料、工艺条件的环境应力极为敏感,剥离强度低,不易检查,无损检测方法不完善,环境温度有限制.焊接：生产效率高,成本低,比铆接结构质量轻,表面光滑,改善了劳动条件,疲劳强度比铆接低20%.胶焊：焊接头质量轻,静强度高,可靠性好,胶接头良好的疲劳特性和密封性,力学性能十分优良11.铆接、胶接的工艺过程.铆接：确定钉孔位置,制铆钉孔及制埋头窝,放铆钉,铆接胶接：预装配,胶接表面制备,涂胶和晾置或烘干,装配,固化,胶缝清理和密封,试验和检验12.飞机总装包括哪些内容.飞机机体各部件的对接及水平测量；安装调整发动机、燃油和滑油系统,安装和调整发动机操纵系统；液压和冷气系统的设备、附件和导管的安装、敷设和实验；起落架极其收放机构、信号系统的安装、调整和实验；飞机操纵系统的安装和调整；电器、无线电、仪表设备与电缆的安装、敷设和实验；高空救生设备的安装和实验；特种设备的安装和实验.13.什么是CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM,并简述它们之间的关系.CAD/CAE/CAPP/CAM分别是计算机辅助设计,计算机辅助工程分析,计算机辅助工艺过程设计,计算机辅助制造的英文缩写.他们是制造业信息化中数字化设计与制造技术的基础,是实现计算机辅助产品开发的主要工具.PDM是产品数据管理的缩写,是某一类软件的总称.PDM技术集成并管理与产品相关的信息、过程及人与组织,实现分布环境中的数据共享,为异构计算机环境提供了集成应用平台,从而支持CAD/CAE/CAPP/CAM系统过程的实现.14.试说明数字化预装配的三个阶段.第一阶段：一级数字样机,建立了零部件的基本形状、包容空间,并协调各工程设计组之间的空间位置安排.第二阶段：二级数字样机,已经进行了飞机结构设计和不同设计组之间界面的协调,零部件外形已经确定下来,但还未进行详细的设计.工作进展主要体现在飞机的可达性,可维护性,可靠性,人机工程以及支持装备的兼容性等进行详细设计,但尚未进行详细的装配原装设计.第三阶段：三级数字样机,是对详细设计的零部件进行完整的数字化与装配,如飞机的管道系统,空气管路,燃油管线,液压管路,角片支架,紧固件,连接孔等的制造和安装等都在三级数字样机上完成,它是数字预装配的最后阶段.15.飞机数字化装配系统涉及到哪些技术.以数字化装配技术为支撑,体现了数字化装配工艺技术,数字化柔性装配工装技术,光学检测与补偿系统,数字化钻铆技术及数字化集成控制技术等多种先进技术的集成应用.16.试说明飞机柔性装配技术的含义及其优点.含义：飞机柔性装配技术是考虑装配对象变化较快的航空产品本身特征,基于飞机产品数字化定义,通过对飞机柔性装配流程、数字化装配技术、装配工装设计、装配工艺优化、自动定位与控制技术、测量、精密钻孔、伺服控制、夹持等的综合,以实现飞机零部件快速准确的定位与装配,减少装配工装种类与数量的装配技术.优点：1、提高装配效率与装配准确度.2、提高装配工作的快速响应能力,缩短飞机装配周期.3、提高飞机装配质量、提高装配速度.4、降低飞机装配成本.5、适应多品种产品生产装配要求.。
模块五成形工艺与成形模在冲压生产中，除冲裁、弯曲、拉深等工序外，还有一些工序，包括胀形、翻边、缩口、矫形、旋压等，通常称为成形工序。
成形工序是指用各种局部变形的方法来改变坯料或工序件形状的加工方法，他们常和其他冲压工序组合在一起，加工某些复杂形状的零件。
如图1所示的自行车中接头，其主要加工工序有切管、胀形、制孔、圆孔翻边等，而胀形和圆孔翻边是成形该零件的关键工序。
本章主要介绍几种典型成形工序的特点、应用、工艺计算及模具结构。
学习项目一胀形冲压生产中，一般将空心件或管状件沿径向向外扩张的成形工序称为胀形，这种成形工序和平板坯料的局部凸起变形，在变形性质上基本相同，因此，可以把在坯料的平面或曲面上使之凸起或凹进的成形统称为胀形，如图2所示为各种胀形件。
图1 自行车接头图2 各种胀形件一、变形特点用图3所示的球形凸模对平板坯料进行胀形可说明胀形的基本特点。
由于坯料被有压料筋的压边圈压住，变形区限制在凹模口以内。
在凸模的作用下，变形区大部分材料受双向拉应力作用而变形，其厚度变薄、表面积增大，形成一个凸起。
在一般情况下，胀形变形区内金属不会产生失稳起皱，表面光滑、质量好。
由于坯料的厚度相对于坯料的外形尺寸极小，胀形时双向拉应力在板厚方向上的变化很小，从坯料的内表面到外表面分布较均匀，因此当胀形力去除后，零件内、外回弹方向一致，这样回弹就小，零件形状容易保持，精度也容易保证。
由于胀形属于伸长类变形，其成形极限受到拉裂的限制。
材料的塑性越好，硬化指数n 值越大，可能达到的极限变形程度越大。
此外，模具结构、零件形状、润滑条件及材料厚度等均影响胀形区金属的变形。
因此凡是能使变形均匀、降低危险部位拉应变值的各种因素，均有利于提高极限变形程度。
二、起伏成形平板坯料在模具的作用下，产生局部凸起的冲压方法称为起伏成形。
起伏成形主要用于增加零件的刚度和强度，如压加强筋、压加强窝，也可按零件要求压凸包、压字、压花纹等。
图4所示是起伏成形的一些例子，起伏成形常采用金属冲模。
筒形件旋压工艺及其模具设计王国林;聂兰启;汪发春【摘要】通过对筒体零件工艺进行分析,介绍了该零件的工艺计算,旋压工艺参数的确定,旋轮及芯模结构设计.【期刊名称】《模具制造》【年(卷),期】2010(010)006【总页数】4页(P21-24)【关键词】筒形件;旋压;模具设计【作者】王国林;聂兰启;汪发春【作者单位】山东交通职业学院,山东潍坊,261061;山东红旗机电有限公司,山东潍坊,261031;北京有色金属研究总院,北京,100088【正文语种】中文【中图分类】TG385.21 引言筒体是某产品的重要零件，如图1所示。
图1 筒体该零件外表面粗糙度值≤Ra6.3μm，内表面粗糙度值≤Ra3.2μm，具有径厚比大（径厚比为46）、壁薄、几何尺寸精度高等特点。
该筒体材料为30CrMnSiA，大批量生产。
2 工艺分析对该类零件的加工有以下两种方法。
2.1 机械加工采用无缝钢管，下料后，先加工零件的内孔，然后在数控车床或仿形车床上加工零件的外形，使其达到产品图要求。
由于该零件尺寸精度高，表面粗糙度值低，尤其是零件的壁厚差±0.05mm，要求比较严格。
采用传统的机械加工很难保证零件尺寸精度和表面粗糙度，而且生产效率低，产品成本高，所需的工装比较复杂。
2.2 强力旋压加工采用无缝钢管，下料后，先加工零件的内孔，然后在旋压机上强力旋压加工零件的外形，使其达到产品图要求。
强力旋压属于精密压力加工，所得零件的直径精度一般可达IT9级以上，表面粗糙度值≤Ra6.3μm，尺寸偏差小是强力旋压的一个显著特点。
强力旋压加工属于冷加工，成形后的材料晶粒变细，并具有明显的纤维组织，材料的强度和硬度都有不同程度的提高。
而且材料利用率高，零件生产成本低。
并且强力旋压所需工装相对比较简单，所需设备吨位小。
通过以上分析，结合工厂现有的旋压设备，决定采用强力旋压加工该零件。
3 工艺计算3.1 毛坯的选择和尺寸计算（1）毛坯的选择。
这个办法有助于弯曲冲压成形提高生产效率弯曲是常用的冲压加工方法，但四壁弯曲成盒形件要实现级进模冲压，四壁的材料与料带必需分离后，才能进行弯曲成形。
一般要在完成零件的内部成形和落料后，通过单工序模弯曲成形，这种生产工艺效率低。
现介绍利用级进模实现四壁弯曲盒形件内部成形、四壁弯曲、落料，以提高生产效率，稳定零件成形质量，增强企业竞争力和提升企业形象。
1工艺分析图1 零件图1所示为四壁弯曲的小盒形件，材料为料厚t=1.2mm的镀铝锌钢带AZ150。
该小盒形件的原生产工艺采用3副模具，分别为2副联成一体的级进模冲裁落料和1副单工序模弯曲四壁。
但在实际生产中，该工艺的单工序弯曲四壁的凸模，是整体式结构，磨损或崩裂后无法维修，需频繁更换模具零件，生产效率较低，制造成本高。
由于该零件生产批量大，为了满足产量要求，同时提高生产效率、降低制造成本，重新制定了新的生产工艺方案。
在优化原级进模的基础上，将原弯曲四壁的单工序合并到级进模完成，新增弯曲四壁的工艺，实现级进模完成除攻螺纹外的所有成形工艺。
新增工艺部分将零件四壁的弯曲分2步成形，第一步先弯曲两壁，第二步在零件与废料分离的同时进行余下两壁的弯曲。
2排样设计由于该零件无毛刺面和材料轧制方向有成形要求，宜选择零件的外表面为塌角面，同时为了尽可能提高材料利用率和减少条料送进的阻力，选择图2所示方向作为条料的送进方向。
图2 安装耳弯曲步骤零件有2个安装耳，安装耳通过切舌成形，且其上各有一个翻孔，翻孔需在安装耳弯曲成形前完成，为保证安装耳的90°弯曲不损伤翻孔，安装耳分2步成形，先弯曲成钝角，再弯曲成直角。
在第二步弯曲成直角时，采用在弯曲凸模上设置“突起”部分，弯曲时“突起”部分对弯曲圆角处进行校正，以克服回弹。
零件四壁弯曲宜布置于最后工序进行，由于分离零件的同时弯曲四壁不易保证弯曲后零件尺寸，而且会增加模具维修成本，应当采取零件中弯曲线与条料送进方向平行的两壁先弯曲，而零件中弯曲线与条料送进方向垂直的另外两壁由于与条料相连，则在最后一步零件与条料分离的同时进行弯曲，完成整个零件的冲压。
1.飞机产品的特点及其制造工艺的特点。
飞机产品的特点：1、零件数量大、品种多2、外形复杂、精度要高3、零件尺寸大、刚度小4、材料品种多，新材料应用比例大5、结构不断改进，产量变化范围大制造工艺的特点：1、需采用新的保证互换性的方法-模线样板工作法；2、生产准备工作量大，需采用大量模具、夹具、型架等工艺装备，数字化制造技术；3、批量变化范围大，手工劳动量大，现在用柔性制造技术；4、零件加工方法多种多样，装配劳动量比重大；5、生产协作能力强，推行并行工程。
2.弯曲、拉伸、拉形、拉弯、落锤成形、液压成形、喷丸成形、旋压成形及胀形等典型成形工艺的成形原理、成形极限、容易出现的问题及解决方法。
弯曲：成型原理：弯曲是将平直板材或管材等型材的毛坯或半成品、用磨具或其他的工具弯成具有一定曲率和一定角度的零件的加工成型方法。
材料外层纤维受拉，内层纤维受压，中性层不变。
成形极限：当万区间相对弯曲半径小到一定程度时，会是万区间外表面纤维的拉伸应变超过材料所允许的极限而出现裂纹或折断，此时的变形记先成为成形极限。
相对弯曲半径r/t 达到材料即将破裂的极限是的min r问题：主要问题是回弹。
解决办法：补偿法、加压法，加热校形法及拉弯法。
拉伸原理：拉伸是在凸模作用下将平板毛坯变成开口空心零件的过程。
（凸缘切向收缩为筒壁，筒壁为传力区）成形极限：当壁筒要拉断时的拉伸系数为极限拉伸系数。
在筒壁将要拉断时的最小拉伸系数0/m d D容易出现的问题：凸缘起皱和筒壁拉裂。
解决办法：用压边圈防止外皱。
用带拉伸筋的凹模、反向拉伸法和正反向联合拉伸法防止内皱。
拉形原理：拉形时板料两端在拉形机夹钳夹紧的情况下，随着拉形模的上升，板材与拉形模接触产生不均匀的双向拉伸变形，是板料与拉形模逐渐贴合的成型方法。
成形极限：在拉形时，挡板料濒于出现不允许的缺陷时的拉形系数max 0/l l 。
容易出现的问题：拉裂、起皱。
解决办法：防止拉裂的主要方法是控制一次拉形变量；防止起皱可使夹头钳口取现金量符合模具两端对应曲面的剖面形状，在操作中正确配合夹头拉伸和台面上顶的动作。
航天制造技术 2006年12月第6期
42
带内加强筋曲母线零件旋压成形技术
航天特种材料及工艺研究所王振杰 马世成 杨 俊 王东坡
摘要讲述了大直径薄壁带内加强筋的曲母线零件复合的旋压成形方法。
采用剪切强旋和加热普旋相结合
的工艺方法，依靠机械加工来保证外型面的精度。
对成形中加热普旋关键工艺参数的确定进行了重点分析。
关键词曲母线 剪切强旋 加热普旋
1 引言
该零件（如图1）是带内环向加强筋的薄壁曲母线类型零件，形状复杂，精度要求高，加工制造难度大。
如果采用单一的旋压成形方法，毛坯直径过大或者是厚度太厚，无法实现旋压成形。
必须采用复合旋压技术。
零件的高精度要求使得产品最终外型面尺寸必须经过机加保证。
图1 零件示意图
2 零件成形特点
a. 壳体内外轮廓为变壁厚薄壁二次曲母线形零件，而且外形轮廓度要求高，加强筋和端框的存在使得靠旋压成形保证外形几乎不可能，所以该壳体成形需要结合旋压加工和车削加工两种工艺来完成，零件内型面靠旋压保证，外形靠机加工保证；
b. 端框及中间带有环向加强筋，为了能脱模，旋压模具必须设计成分瓣模，而且分瓣模脱模困难；
c. 该零件是薄壁大直径零件，采用单一的旋压技术，从设备上无法实现，所以必须采用强旋和普旋相结合的复合旋压技术，工序多、工艺复杂；
d. 大端和小端的直径相差大，导致普旋成形收口过大，超出冷成形极限，普旋成形必须加热才能实现，热旋工艺复杂，生产环境恶劣，能源消耗大，生产效率低；
e. 材料为2A12铝合金，产品机械强度设计要求360MPa，该性能零件只有经过淬火才能达到，淬火变形容易导致尺寸和形状精度变化，如何控制淬火变形是难点。
3 试验准备
3.1 工艺方案制定
若采用普旋的方法直接对薄板成形，所需毛坯直径大于旋压机床的回转直径。
若全部采用强旋成形，毛坯厚度在80mm左右，这么厚毛坯的强旋成形工艺实现难度很大，一是机床吨位不够，二是材料减薄率超过了极限减薄率。
根据上述分析，采用剪切强旋对板坯预成形，然后普旋相结合的旋压成形方法。
3.2 毛坯设计
剪切强旋其壁厚减薄率遵循正弦律，所使用的毛坯主要为板坯。
当半锥角为α时，工件壁厚和毛坯壁厚之间遵循正弦律：t=t0sinα，t为零件壁厚，t0为毛坯壁厚。
根据正弦律可以计算毛坯厚度。
根据普旋等表面积规律，通过计算可以确定毛坯直径。
3.3 芯模设计及加工
利用普旋等表面积原理来计算第二道次强旋模具，然后根据毛坯的厚度，在确定减薄率的情况下，利用正弦律，设计计算第一道次强旋模具。
两道次的强旋模具均分为两段。
普旋是最后一道次旋压，零件的内型面靠模具来保证。
由于零件内部有环向内加强筋，给零件脱模带来困难，必须采用分瓣模来解决脱模问题。
该分瓣模既采用了纵分瓣，又采用了横分瓣。
4 工艺试验
4.1 剪切强旋
剪切强旋工件减薄要遵循正弦律，如果减薄率偏离正弦律，就会出现断裂或是表面质量差等问题。
零偏离时（完全符合正弦律），在近似剪切的变形条件下，材料流动顺利，工件贴模好，精度高。
正偏离时（实际壁厚比理论壁厚大），旋轮与芯模间隙偏大，呈现剪切和拉伸的复合变形，工件贴模差，精度差。
收稿日期：2006-10-22
2006年12月第6期 航天制造技术
43
负偏离时（实际壁厚比理论壁厚小），旋轮与芯模的间隙偏小，呈现剪切与轧制的复合变形，成形区的材料处于三向压应力状态，负偏离过大使多余材料在旋轮前隆起堆积甚至掉皮，旋轮前端面容易切割金属，材料流动性不好，旋压力增大，对旋轮产生冲击，冲击力过大时就会导致工件断裂。
另外，合理的旋压工艺参数也是保证旋压成形的关键。
通过工艺试验，确定了以下工艺参数：
旋轮圆角半径：R 24mm ； 旋轮安装角：20°； 主轴转速：100r/min ； 进给比：0.3。
4.2 加热普旋 4.2.1 热旋
工件的前端框和加强筋段厚度较厚。
一般普旋成形毛坯壁厚都较薄，厚件普旋减薄率大，为了保证零件壁厚，必须采用热成形的办法；二是产品容易开裂，特别是由厚到薄的过渡段，金属流动阻力增加就会导致工件裂开。
4.2.1 温度的确定
加热旋压时的温度受工艺、材质、产品规格的影响，特别是多数情况下只能采用开放式局部加热，很难达到理想的热加工温度精度。
对于大多数金属材料，随温度的升高，延伸率随之提高，变形抗力下降。
旋压的加热温度应根据产品特点，试验出既能在工艺上实现，又利于变形且不影响材料性能的合适温度。
硬铝2A12热变形性良好，在350～450℃范围内的热态下具有很高的塑性，其固溶处理加热温度495～503℃。
但热态下过高的塑性必然导致强度降低，对于旋压成形不利，支持不住旋轮旋压时产生的拉压应力，可能出现金属压挤起包的现象。
加热温度低于160℃，材料塑性不够，材料流动性不好，产品贴模差，厚件的减薄率较大，旋压力大，在产品内部容易出现微裂纹。
在保证工件成形的条件下，通过试验摸索尽可能低的加热温度，使得工件不至于贴模太死，降低零件脱模时的难度。
经过多次工艺试验，温度控制在160～350℃范围内，零件成形时贴模好，而且脱模容易，经过荧光检查，在内外表面未发现裂纹。
4.2.2 加热方式与温度控制：
加热气体采用氧气－丙烷，避免了乙炔－氧气燃烧时的回火问题。
采用火焰加热，主要问题是控制零件温度场的均匀性，过高的温度会导致工件局部范围的过烧。
另外，模具的热含量大，在加热过程中，模具的热传导很快，还有工件与空气的热交换。
控制加热源数量、火焰的大小、远近、加热范围，可以提高或降低零件各部位的温度，达到控制工件温度均匀的目的。
4.2.3 缩径和脱模
加热普旋时零件的贴模好，从成形温度冷却到室温后，由于零件与模具的线膨胀系数相差较大，零件抱死芯模，在室温下无法脱模。
如果再把零件加热到成形温度，零件可以脱模，但加热的不均匀容易导致内应力分布不均，零件脱模后很容易变形，形状精度无法保证。
所以为了脱模方便和保证零件的形状尺寸精度，必须解决缩径问题。
由于是热胀冷缩导致的缩径，所以去应力退火不能解决缩径。
实验中采用的方法是从旋压工艺上进一步改进。
4.2.4 普旋
普旋需要多道次成形来完成，成形道次少会带来起皱、断裂、微裂纹等问题。
旋压道次必须选择适中。
道次过多，带来的好处是材料减薄率下降，但会增加材料的加工硬化，加工效率低，要完成旋压成形，必须有中间退火，但由于加强筋的存在，普旋过程中不能加中间退火。
道次过少，材料减薄过多，壁厚不能满足设计要求，甚至出现断裂现象。
经过多次试验，普旋共采用多个道次。
在加强筋段和与前端框段，为了防止减薄太多，保证厚度，一道次正旋后，进行多道次反旋。
实验证明，这两段的厚度均达到了设计要求。
5 结论
采用所制定的工艺方案，通过多次试验，已旋制出带内环向加强筋的曲母线形旋压筒，说明采用两道次强旋→加热普旋的工艺路线合理可行，所制定的旋压工艺参数、加热温度可行。
同时，为同类型的曲母线零件旋压成形打下了良好的技术基础。
参考资料
1 樊桂森，郭全江，常敬彦. 采用双圆弧形模板复合旋压异形壳体件的探讨. 第十届全国旋压学术会论文集，2005
2 王成和，刘克璋. 旋压技术，北京：机械工业出版社，1986
作者简介
王振杰（1980-），男，湖北人，硕士，工程师；研究方向：旋压成形工艺及旋压理论的研究。
