大型薄壁曲面車床旋壓加工技巧
2020-11-5 來源：天津航天機電設備 天津航天長征火火箭 作者：師占根 黃忠寶 高顯勝
摘要：薄壁曲面成形一般采用凸凹模，冷熱拉伸成形，但針對大直徑，特別是4m以上單件小批量加工曲面時，制作拉伸模具的成本高，需專用的拉伸液壓機床設備，產(chǎn)品質量和生產(chǎn)周期受到很大影響，利用大型數(shù)控立式車床，制作三圓弧復合旋輪及工裝，采用旋壓快速成形加工技巧，大幅提高產(chǎn)品的質量和生產(chǎn)效益。
大型薄壁曲面的成形加工，特別是單件小批量生產(chǎn)模式，如在生產(chǎn)過程中，單純采用傳統(tǒng)凸凹模或胎具方法制作，模具胎具精度尺寸要求高，結構大，需專用的大型拉伸液壓機床設備，導致成本高，生產(chǎn)周期長。我所生產(chǎn)眾多型號的密封容器，頂部均為大型薄壁曲面，尺寸為4～5m，壁厚3m m，曲面伸度260～4 6 0 m m ，采用傳統(tǒng)的方法存在以上問題，針對此難題，進行技術攻關，解決瓶頸，創(chuàng)新加工方法，利用大型立式車床，制作三圓弧復合旋輪及工裝，采用旋壓快速成形進行加工，極大的降低了生產(chǎn)成體，生產(chǎn)周期僅2～3h完成加工，現(xiàn)以我所生產(chǎn)的型號圓柱形密封容器頂部薄壁曲面生產(chǎn)為例，介紹生產(chǎn)加工方法及經(jīng)驗。
1. 典型工件產(chǎn)品介紹
兩用圓柱形容器的生產(chǎn)，其頂部和直徑4 400mm的超大型薄壁曲面，壁厚薄，只有3mm，材料為LF21-0鋁板，工件如圖1所示，因達不到一定的批量，不適合采用模具胎具制作，加工難度高，針對這一難題，進行技術攻關，采用大型薄壁曲面車床快速旋壓加工方法，交付產(chǎn)品。
圖1 兩用圓柱形容器頂部曲面
2. 薄壁曲面車床快速旋壓
加工方法原理拉伸旋壓成形主要依靠坯料沿半徑方向上的伸長變形來實現(xiàn)毛坯彎曲塑性變形，過程中毛坯的厚度方向上外表面伸長量大于內(nèi)表面伸長量，而材料表面由平面變?yōu)榘夹吻蛎妫娣e在不斷增大，是它的主要變形方式。在成型過程中可以明顯看到坯料球面的變化。
該超大球形曲面旋壓加工方法是將一定厚度、延展性好的鋁板周邊固定在環(huán)形法蘭工裝上，要保證鋁板與支承法蘭緊固，法蘭與鋁板一起放置在大型立式車床平臺上，提高到產(chǎn)品圖樣要求的高度，找正裝夾。采用專用旋壓裝置，編輯球面圓弧曲線程序，等距補正的加工方案對鋁板分層次循序漸進，快速旋轉并向下按圓弧軌跡加壓進給，實現(xiàn)球形曲面快速成形。
3. 工裝設計
針對同一型號產(chǎn)品內(nèi)外多種尺寸球形曲面的要求，經(jīng)過研究，確定在超大球形封頭旋壓加工過程中，需要設計通用工裝，實現(xiàn)平臺化標準，即范圍相近并小于工裝可選用，統(tǒng)一支撐工裝，節(jié)約加工成本。
（1）支撐工裝設計及材料裝夾定位 材料鋁板需固定在直徑符合的工裝支撐法蘭工裝上，工裝起固定和支承作用，向下旋壓。旋壓過程中采用編寫程序，偏移Z 軸仿形加工的加工工藝方法。即材料中心最先成型，逐漸向邊緣擴展，如圖2、圖3所示加
工藝方法。
圖2初次拉伸
圖3二次拉伸
設計支承工裝圓環(huán)狀，材質為Q235，直徑為4 520mm，圓環(huán)寬度為130mm，高度120mm，圓上均布制作48個M12的螺紋孔，以便于平整均勻緊固壓緊毛坯鋁板，避免旋壓拉伸邊緣產(chǎn)生拉伸變形褶皺現(xiàn)象。支撐工裝如圖4所示。
圖4支撐工裝
（2）設計制作立式車床專用旋壓刀桿 使用的旋壓裝置為采用滾輪向鋁板施壓的裝置，根據(jù)向鋁板加壓的情況，設計輪子的直徑為140mm，鋁板材料LF21-O易延伸，但表面硬度低，為了避免在拉伸過程中內(nèi)表面出現(xiàn)壓痕，影響表面粗糙度，同時，有效避免多次旋壓后內(nèi)表面表面積增加，導致產(chǎn)品中心出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，輪子材料采用非金屬聚氨酯制作。并制作滾輪安裝在刀架上的輔助裝置滾輪架，滾輪架為保證良好的性能，采用45調(diào)質鋼整體加工成形，滾輪架裝夾柄截面設計為平行四邊形，并傾斜37°，裝夾后自然形成8°～10°的螺旋切入角，使加工過程更容易切入，更加平穩(wěn)。滾輪旋壓裝置結構、裝配如圖5、圖6所示。
圖5旋壓刀桿結構分解
1—心軸 2—擋圈 3—軸承 4—刀桿 5—軸承座 6—螺母 7—旋壓滾輪
圖6旋壓刀桿裝配
4. 分層旋壓拉伸加工
工件加工的具體步驟如下：① 將已拼焊完成的厚3 m m 、 直徑約 5 m 的鋁板 ，固定在支承工裝法蘭圓環(huán)上，用4 8 個 M 1 2 螺釘緊固，壓緊過程中保持，邊緣平整。②旋壓的滾輪裝置安裝在刀架上，滾輪方向保證垂直于機床臺面，以中心對刀。③在旋壓加工時采用由邊緣向中心進刀方式，采用 較 大 的 切 削 速 度 3 0 0 ～ 5 0 0 m/m i n，進給量2～5m m/r，提升加工效率。④編制球面圓弧曲線程序，確定球面半徑為工件最終值，保持球面半徑不變，采用Z向偏移的加工步驟，多次循序漸近，旋壓拉伸成形，圓弧深度留3m m精整加工量，如圖3、圖7所示，完成精加工。注意：根據(jù)材料延展率、產(chǎn)品直徑和旋壓拉伸深度、壁厚等確定拉伸深度和每次刀具軌跡的大小。保證材料旋壓拉伸過程中均勻受力，避免局部加工硬化。⑤松動緊固螺釘，釋放應力，減少變形回彈，再次緊固螺釘。⑥精整加工時，保持球面半徑不變，旋壓拉伸深度為3 m m ，同樣的加工軌跡，采用1.5m m/r進給量，一次成形，如中心退刀時反彈量大于1mm，再次精整加工。⑦切割球面曲線最大外圓成形，拆卸工件各工裝。
圖7加工過程
在整個加工過程中，始終以分層次循序漸近的操作原則，使被加工材料能夠充分均勻的延展拉伸，使材料拉伸點達到均衡狀態(tài)，以確保拉伸過程中不會因過渡拉伸造成加工硬化和材料局部超出延展率破裂現(xiàn)象，加工完成后表面形狀誤差小于1mm，表面保持光滑無任何劃傷。加工中，可針對毛坯材料，旋壓滾輪材質可采用工具鋼、鋁青銅、尼綸和聚氨脂等。加工后工件實物如圖8所示。
圖8加工后工件實物
5. 經(jīng)濟效益分析
采用旋壓加工兩用容器超大球形曲面，與其他加工方法相比，不需制作專用模具，成本極低，至少節(jié)約經(jīng)費30萬元，節(jié)省生產(chǎn)周期＞3個月，而且加工工序少，不需要專用的熱處理去除應力，外形尺寸精度能達到GB/T1804-m要求，表面質量好，產(chǎn)品順利交付。在共享平臺化支撐環(huán)基礎上簡單增加過渡環(huán)，實現(xiàn)了眾多型號不同尺寸球形曲面的加工。
6. 結語
旋壓加工超大薄壁球形曲面是一種創(chuàng)新工藝方法，對于大型、薄壁的鋁合金封頭有積極的推廣作用，它基本方法是將薄壁、延展性好的鋁板周邊固定在環(huán)形法蘭工裝上，在機床工作臺上墊高裝夾固定，用專用設計制作的滾輪裝置旋壓，對鋁板分層次循序漸近，旋壓拉伸，實現(xiàn)球面形狀。該法具有優(yōu)越的經(jīng)濟性和實用性，具有加工變形力小、節(jié)約原材、工序少、成本低和生產(chǎn)周期短等優(yōu)點。
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