一种Ω截面密封环的旋压成形方法技术

一种Ω截面密封环的旋压成形方法，将Ω截面母线分为缩口直边段和缩口直边段两端的外翻段并剖分为第一成形边和第二成形边。依次旋压成形第一成形边和第二成形边。本发明专利技术在数控机床上利用旋压的逐点成形方式提升高温合金变形能力以及成形效率，并通过合理的工艺选择，有效控制成形质量，本发明专利技术利用旋压的逐点成形方式提升高温合金变形能力以及成形效率，并通过合理的工艺选择，有效控制成形质量，实现Ω截面密封环成形。本发明专利技术主要用于航空发动机用高温合金薄壁Ω横截面金属密封环的精确成形，解决了Ω截面密封环的成形制造难题，避免了操作者的人为误差，提高了成形精度和密封环表面质量，降低了模具加工成本。

A spinning forming method of \u03a9 section seal ring

【技术实现步骤摘要】
一种Ω截面密封环的旋压成形方法
本专利技术涉及塑性加工领域，具体是一种利用旋压工艺成形Ω截面密封环的方法。
技术介绍
高温合金复杂截面密封环是目前工业上应用最为广泛的一种密封结构形式，已在航空、航天、石油、核电等工业领域得到广泛应用。高温合金复杂截面密封环包括O形、C形、U形及其它复杂截面形状等，其中，Ω截面密封环具有回弹性能好、吸振能力强、变形范围大，具有良好的高振动追随性、高吸振能力、长寿命和较好的耐磨损能力等优点，尤其适合航空、航天装备中的高温、中压、振动及强腐蚀介质等恶劣环境下工作。然而，受限于目前的成形技术水平，航空航天发动机仍然大量采用V形、U形环作为关键密封件，为了提高环件性能和发动机可靠性，亟需发展有效的Ω截面密封环成形方法。目前，高温合金复杂截面密封环的成形段目前主要采用两种工艺：液压胀形和滚压成形。北京航空航天大学的万敏和中国航发研究院的朱宇等在异形截面环液压胀形领域开展了大量的研究，针对M形和W形截面环提出了基于液压胀形的单步动模内压/外压成形方法，基于数值仿真分析了成形过程的变形特点和失效形式，优化了成形毛坯和工艺参数，实现了M形和W形复杂微小截面的一次整体精确成形(朱宇，万敏，复杂异形截面薄壁环形件动模液压成形研究，航空学报，2012,33(5):912-919)。在复杂截面环滚压成形方面，南昌航空航天大学利用有限元方法研究了薄壁W形环多道次滚压过程中应力应变分布情况，并研究了关键工艺参数对W形环件滚压过程不均匀变形行为的影响(郭凯云，高温合金复杂截面圆环多道次滚压不均匀变形行为研究，南昌航空航天大学，2015)。然而，薄壁Ω横截面金属密封环的截面结构复杂，既有收口部分又有外翻卷圆部分，传统的液压胀形和滚压成形均难以完整成形。考虑到旋压工艺在复杂截面回转体零件成形方面的显著优势，本专利技术提出了采用旋压工艺成形薄壁Ω横截面金属密封环的方法。本专利技术所涉及的金属旋压工艺，是一种在旋轮作用下，利用金属的可塑性，将套在芯模上随之旋转的金属毛坯逐点加工成某一形状的技术。与滚压成形和液压胀形相比，其具有材料变形条件好、总变形力小、功率消耗低、成形零件范围广等特点。可加工大直径、小直径、变截面、球形、曲母线形等几乎所有回转体零件。范平章在航天飞机特型金属密封研究中指出：直径φ38以上特型金属密封适合采用旋压成形加工(范平章，航天飞机金属静密封技术和制造技术，航天制造技术,1999(2):11-16)。孟艳梅针对不锈钢U型密封圈旋压成形进行了相关研究，利用有限元模拟与理论解析相结合的方法对目标密封圈的旋压成形过程进行了研究，获得了应力应变分布特征、旋压成形过程金属流动规律，指出采用旋压方法成形密封圈是可行的(孟艳梅，曲母线形件复合旋压成形的数值模拟及工艺分析，燕山大学,2005)。可以看出，采用旋压工艺成形复杂截面密封环是一种有效的方法，然而由于Ω截面密封环特有的截面复杂、壁薄、大小尺寸极端结合等结构特征，如何实现其精确旋压成形是亟需解决的难题。且高温合金坯料在成形过程中极易出现起皱、开裂等缺陷，目前鲜有关于Ω截面密封环旋压成形工艺的报道。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的Ω截面密封环成形过程中极易出现起皱、开裂的不足，本专利技术提出了一种Ω截面密封环的旋压成形方法。本专利技术的具体过程是：步骤1，确定密封环环体的各成形边：将所述密封环环体的半圆形段与位于该半圆形环体两侧的直线段作为所述密封环环体的缩口直边段，并且所述的直线段均向该半圆形环体内侧倾斜，在该直线段的末端形成了该密封环环体截面的收口，收口的宽度为b。所述密封环缩口直边段两端向外侧延伸的弧形段为外翻段。将所述密封环分为第一成形边和第二成形边，所述第一成形边为位于该剖分面一侧的二分之一缩口直边段和外翻段，第二成形边为位于该剖分面另一侧的二分之一缩口直边段和外翻段。所述第一成形边和第二成形边是以所述密封环收口宽度处至该密封环缩口直边段半圆弧顶端的C点之间的连线作为剖分面，将所述密封环环体的轴向截面剖分为相互对称的两半而得到。步骤2，建立坐标系：建立所述密封环的xoy坐标系。所述密封环的xoy坐标系中，该坐标系的原点O与所述密封环缩口直边段半圆弧顶端的C点重合，以该C点至所述收口宽度处的方向为坐标系的x轴方向，以该C点的切线方向为y轴方向。步骤3，确定第一成形边的旋轮加载轨迹：所述第一成形边的旋轮加载轨迹包括缩口直边段外旋成形旋轮加载轨迹和外翻段内旋成形旋轮加载轨迹。所述确定第一成形边旋轮加载轨迹的具体过程是：第一步，确定缩口直边段外旋成形的旋轮加载轨迹。Ⅰ分割加工段：将所述第一成形边的二分之一缩口直边段从坐标原点O开始均分为多个加工段；各所述加工段的起点均为靠近坐标系原点O一端；各加工段长度均为m。每一加工道次成形一个加工段。Ⅱ确定各加工段的旋轮加载轨迹：缩口直边段采用逐道次贴膜的外旋成形方式，各加工道次旋轮加载轨迹由已贴膜段轨迹和未贴膜的加工段的渐开线轨迹相连接构成。确定所述各加工段渐开线轨迹时，分别以所述二分之一缩口直边段的各个加工段的终点作为起点做各加工道次渐开线，并以各加工段的终点为旋转中心，将各加工道次渐开线旋转α的角度，通过公式(1)分别得到各加工段渐开线轨迹：式中，X，Y分别为渐开线轨迹的横纵坐标，Xi，Yi分别为各所述加工段终点的x坐标和y坐标；i表示第i个加工段，i＝1，2，3……z；α为各加工段渐开线旋转的角度；a为外旋阶段渐开线基圆半径，a≥3.3d，d为环坯直径；θi为外旋阶段渐开线展角的起始角，θ′i为外旋阶段渐开线展角的终角，θ为渐开线展角。其中，外旋阶段渐开线展角的终角θ′i由公式(2)得到。即：式中，li为各加工段渐开线轨迹曲线的长度。式中，各加工段渐开线轨迹曲线的长度li由公式(3)得到。即：li＝si-m×i×(k+1)i(3)每经过一加工道次，密封环环坯均会沿加工方向伸长5％～15％，该增加的5％～15％为道次伸长率k。考虑坯料道次伸长率k，第i加工道次旋轮加载轨迹曲线长度si，通过公式(4)确定si：si＝s(i-1)×(k+1)(4)式(4)中，s(i-1)为前一加工道次旋轮加载轨迹曲线长度，当i＝1时，为s0；所述s0为第一成形边初始长度。由上述公式得到各加工段渐开线轨迹的具体方程，将得到的各加工段渐开线轨迹和已贴膜段轨迹相连接即可得到各加工段的旋轮加载轨迹。第二步，确定外翻段内旋成形旋轮加载轨迹。所述外翻段内旋成形旋轮加载轨迹包括预成形工步旋轮加载轨迹和最终成形旋轮加载轨迹。所述确定外翻段内旋成形旋轮加载轨迹的具体过程是：Ⅰ分割加工段：将所述外翻段等距分割为多个加工段，每一个加工段的长度均为n。各加工段的起点均靠近所述缩口直边段的收口端，以距离缩口直边段末端最远的加工段为第一加工段。Ⅱ确定各加工段预成形的旋轮加载轨迹：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Ω截面密封环的旋压成形方法，其特征在于，具体过程是：/n步骤1，确定密封环环体的各成形边：/n将所述密封环环体的半圆形段与位于该半圆形环体两侧的直线段作为所述密封环环体的缩口直边段，并且所述的直线段均向该半圆形环体内侧倾斜，在该直线段的末端形成了该密封环环体截面的收口，收口的宽度为b；所述密封环缩口直边段两端向外侧延伸的弧形段为外翻段；/n将所述密封环分为第一成形边和第二成形边，所述第一成形边为位于该剖分面一侧的二分之一缩口直边段和外翻段，第二成形边为位于该剖分面另一侧的二分之一缩口直边段和外翻段；/n步骤2，建立坐标系：/n建立所述密封环的xoy坐标系；/n步骤3，确定第一成形边的旋轮加载轨迹：/n所述第一成形边的旋轮加载轨迹包括缩口直边段外旋成形旋轮加载轨迹和外翻段内旋成形旋轮加载轨迹；/n步骤4，确定第二成形边旋轮加载轨迹：/n所述密封环的第一成形边与第二成形边对称，故第一成形边与第二成形边确定的旋压加载轨迹相同；/n步骤5，旋压成形第一成形边：/n将密封环环坯固定在芯模上，待成形的Ω截面密封环第一成形边伸出在芯模外，根据所述步骤3中确定的第一成形边的旋轮加载轨迹旋压成形第一成形边；具体过程是：/nⅠ缩口直边段外旋成形：/n外旋成形时，旋轮作用在环坯外表面，在压应力作用下实现环坯的多道次逐步收口；/n旋轮表面与环坯接触的点为旋轮加工点，旋压时主轴转速为5rad/s～20rad/s，进给率为0.1mm/r～0.9mm/r；/n加工第一个加工段：/n移动旋轮使旋轮加工点与密封环坐标原点重合，调用外旋CNC数控程序，运行数控机床，使旋轮以坐标原点为起点，按照确定的缩口直边段第一道次旋轮加载轨迹移动，移动到轨迹终点后回到坐标原点，完成第一加工段的成形；加工第二个加工段：/n移动旋轮继续使旋轮加工点与密封环坐标原点重合，按照确定的缩口直边段第二道次旋轮加载轨迹移动，移动到轨迹终点后回到坐标原点，完成第二加工段的成形；加工剩余各加工段：/n重复所述加工第一个加工段和加工第二个加工段的过程，依次完成各加工段的成形；成形结束后，移动旋轮离开环坯，以方便取出环坯；第一成形边缩口直边段外旋成形结束；/nⅡ外翻段内旋成形；/n内旋成形阶段，旋轮作用在环坯内表面，在旋轮作用下完成环坯的外翻成形；旋压时主轴转速、进给率与外旋成形时保持一致；/nⅰ各加工段进行预成形，具体是：/n将移动旋轮将旋轮加工点移动到外翻段第一加工段起点坐标X′...

【技术特征摘要】
1.一种Ω截面密封环的旋压成形方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1，确定密封环环体的各成形边：
将所述密封环环体的半圆形段与位于该半圆形环体两侧的直线段作为所述密封环环体的缩口直边段，并且所述的直线段均向该半圆形环体内侧倾斜，在该直线段的末端形成了该密封环环体截面的收口，收口的宽度为b；所述密封环缩口直边段两端向外侧延伸的弧形段为外翻段；
将所述密封环分为第一成形边和第二成形边，所述第一成形边为位于该剖分面一侧的二分之一缩口直边段和外翻段，第二成形边为位于该剖分面另一侧的二分之一缩口直边段和外翻段；
步骤2，建立坐标系：
建立所述密封环的xoy坐标系；
步骤3，确定第一成形边的旋轮加载轨迹：
所述第一成形边的旋轮加载轨迹包括缩口直边段外旋成形旋轮加载轨迹和外翻段内旋成形旋轮加载轨迹；
步骤4，确定第二成形边旋轮加载轨迹：
所述密封环的第一成形边与第二成形边对称，故第一成形边与第二成形边确定的旋压加载轨迹相同；
步骤5，旋压成形第一成形边：
将密封环环坯固定在芯模上，待成形的Ω截面密封环第一成形边伸出在芯模外，根据所述步骤3中确定的第一成形边的旋轮加载轨迹旋压成形第一成形边；具体过程是：
Ⅰ缩口直边段外旋成形：
外旋成形时，旋轮作用在环坯外表面，在压应力作用下实现环坯的多道次逐步收口；
旋轮表面与环坯接触的点为旋轮加工点，旋压时主轴转速为5rad/s～20rad/s，进给率为0.1mm/r～0.9mm/r；
加工第一个加工段：
移动旋轮使旋轮加工点与密封环坐标原点重合，调用外旋CNC数控程序，运行数控机床，使旋轮以坐标原点为起点，按照确定的缩口直边段第一道次旋轮加载轨迹移动，移动到轨迹终点后回到坐标原点，完成第一加工段的成形；加工第二个加工段：
移动旋轮继续使旋轮加工点与密封环坐标原点重合，按照确定的缩口直边段第二道次旋轮加载轨迹移动，移动到轨迹终点后回到坐标原点，完成第二加工段的成形；加工剩余各加工段：
重复所述加工第一个加工段和加工第二个加工段的过程，依次完成各加工段的成形；成形结束后，移动旋轮离开环坯，以方便取出环坯；第一成形边缩口直边段外旋成形结束；
Ⅱ外翻段内旋成形；
内旋成形阶段，旋轮作用在环坯内表面，在旋轮作用下完成环坯的外翻成形；旋压时主轴转速、进给率与外旋成形时保持一致；
ⅰ各加工段进行预成形，具体是：
将移动旋轮将旋轮加工点移动到外翻段第一加工段起点坐标X′1,Y′1处，调用内旋CNC数控程序，运行数控机床，旋轮以第一加工段起点坐标X′1，Y′1为起点，按照外翻段第一道次旋轮加载轨迹移动，移动到轨迹终点后，第一道次预成形结束；旋轮继续移动到第二加工段起点坐标X′2，Y′2处，以该点为起点，按照外翻段第二道次旋轮加载轨迹移动，移动到轨迹终点后，第二道次预成形结束；
重复所述外翻段第一加工段、外翻段第二加工段的成形过程，依次完成所述外翻段各剩余的p3～w加工段的预成形；
ⅱ最终成形，具体是：
将所述旋轮加工点移动到第w加工段起点坐标X'W,Y'ww处，并以该点为起点、以外翻段最终截面母线为该外翻段的最终成形旋轮加载轨迹进行加载；
至此完成第一成形边外翻段内旋成形；
步骤6，旋压成形第二成形边：
将所述密封环环体翻转180°，将已成形好的密封环环体的第一成形边固定在芯模上，使待成形的密封环环体第二成形边伸在外面，安装完成；旋压时主轴转速、进给率与步骤5保持一致；
将旋轮移动到坐标原点，重复步骤5旋压成形第一成形边的过程，完成第二成形边旋压成形；
至此，完成所述具有Ω形截面的密封环的旋压成形。


2.如权利要求1所述Ω截面密封环的旋压成形方法，其特征在于，所述第一成形边和第二成形边是以所述密封环收口宽度处至该密封环缩口直边段半圆弧顶端的C点之间的连线作为剖分面，将所述密封环环体的轴向截面剖分为相互对称的两半而得到。


3.如权利要求1所述Ω截面密封环的旋压成形方法，其特征在于，所述密封环的xoy坐标系中，该坐标系的原点O与所述密封环缩口直边段半圆弧顶端的C点重合，以该C点至所述收口宽度处的方向为坐标系的x轴方向，以该C点的切线方向为y轴方向。


4.如权利要求1所述Ω截面密封环的旋压成形方法，其特征在于，所述第一成形边的旋轮加载轨迹包括缩口直边段外旋成形旋轮加载轨迹和外翻段内旋成形旋轮加载轨迹；
所述确定第一成形边旋轮加载轨迹的具体过程是：
第一步，确定缩口直边段外旋成形的旋轮加载轨迹；
Ⅰ分割加工段：
将所述第一成形边的二分之一缩口直边段从坐标原点O开始均分为多个加工段；
各所述加工段的起点均为靠近坐标系原点O一端；各加工段长度均为m；每一加工道次成形一个加工段；
Ⅱ确定各加工段的旋轮加载轨迹：
将所述旋轮加工点移动到第w加工段缩口直边段采用逐道次贴膜的外旋成形方式，各加工道次旋轮加载轨迹由已贴膜段轨迹和未贴膜的加工段的渐开线轨迹相连接构成；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宏伟，邵光大，詹梅，李智军，杨慧慧，张宁，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61