一种薄壁W截面异型密封结构内外复合滚压成形方法技术

本发明专利技术公开了一种薄壁W截面异型密封结构内外复合滚压成形方法，采用内外滚相结合的复合滚压方法成形高温合金薄壁W截面异型密封结构。根据截面母线轮廓可将W截面分为波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段、波谷圆弧及最外侧密封面，其中，波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段及部分波谷圆弧采用外滚法成形，波谷圆弧、最外侧密封面采用内滚法成形。通过先外滚后内滚的分步滚压成形方法实现W截面密封结构的成形。所述W截面密封结构滚压成形方法与传统外滚至少5道次成形相比，本发明专利技术方法只需3个道次即可完成异型截面密封结构的精确成形，且无开裂、起皱等缺陷，减少了成形道次，降低了加工成本。

A method of compound roll forming inside and outside of thin wall W-section special seal structure

【技术实现步骤摘要】
一种薄壁W截面异型密封结构内外复合滚压成形方法
本专利技术涉及塑性加工领域，是一种利用滚压工艺成形薄壁W截面异型密封结构的方法。主要用于航空航天飞行器高温高压介质密封的高温合金薄壁W截面异型密封结构的精确成形，解决了薄壁W截面异型密封结构的成形制造难题。
技术介绍
薄壁金属密封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、航天和兵器等金属精密成形
得到广泛应用。薄壁金属密封常见的结构形式有C形、V形、U形、O形以及W形等，其中，W截面金属密封具有回弹性能好、吸振能力强、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，尤其适合用于航空航天设备高温、高压、振动及腐蚀介质等恶劣环境。然而，由于该类零件具有异型截面、异型结构、大直径与极薄壁厚的极端尺寸结合的结构特性，以及采用高温合金材料，高强度、难变形的材料特性，而且精度要求高，因此加工制造难度大。目前，高温合金薄壁复杂截面异型密封结构的成形主要采用液压胀形、旋压成形、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W截面金属密封环提出了液压成形结合动模轴向加载的复合成形方法，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W形复杂截面的整体精确成形(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)。然而，液压胀形受限于液体压力和模具及设备，多用于小直径密封结构成形。在复杂截面密封环旋压成形方面，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(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)。然而，旋压成形效率较低，成形回弹大，精度低，且成形件表面质量较差。相比之下，滚压成形能够解决旋压成形存在的问题，实现高效精确成形制造。目前报道的滚压成形均为外滚法，即滚轮在芯模外，坯料处于滚轮与芯模之间，通过滚轮与芯模咬合相向转动，滚压成形异型截面密封结构(郭正华，应帅等，高温合金U形环滚压成形有限元建模关键技术研究，装备制造技术,2013(6):1-2)。南昌航空大学利用有限元方法研究了薄壁W截面密封环外滚成形过程应力应变分布情况，并分析了工艺参数对环件不均匀变形行为的影响，指出采用滚压工艺成形复杂截面金属密封是可行的(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，南昌航空大学，2015)。然而，外滚法存在成形稳定性差，易产生起皱、破裂缺陷，成形件圆度差，壁厚减薄严重等问题。
技术实现思路
针对
技术介绍
所分析的技术问题，本专利技术的目的在于采用外滚+内滚的内外复合滚压工艺，以成形高精度高性能的异型截面密封结构。为了解决W截面异型密封结构的成形难题，本专利技术提出了一种W截面异型密封结构的内外复合滚压成形方法，其特征在于，采用内外滚相结合的复合滚压方法成形高温合金薄壁W截面异型密封结构。根据截面母线轮廓可将W截面分为波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段、波谷圆弧及最外侧密封面，其中，波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段及部分波谷圆弧采用外滚法成形，波谷圆弧、最外侧密封面采用内滚法成形。通过先外滚后内滚的分步滚压成形方法实现W截面密封结构的成形。具体步骤如下：步骤一，确定毛坯尺寸；所述毛坯尺寸包括坯料的周长L、宽度B、厚度T。I、确定坯料厚度T；根据零件图尺寸确定坯料的厚度t为：T＝t(1)式(1)中，T为坯料的厚度，t为滚压成形零件的厚度。II、确定坯料宽度B；坯料宽度由零件截面中性层展开长度决定，沿中性线对各段长度进行求和：B＝∑bwi+∑bzi+Δ(2)式(2)中，B为坯料的宽度，bwi为零件截面各弯曲圆弧段对应的坯料长度，bzi为零件截面各直线段长度，Δ为宽度余量，且Δ＝t/2。其中，零件各弯曲段对应的坯料长度由弯曲角的大小和中性线所对应的弯曲半径确定，即：bwi＝(ri+kit)αi(3)式(3)中，bwi为零件截面各弯曲圆弧段对应的坯料长度，ri为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲角内径，t为滚压成形零件的厚度，αi为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲弧度，ki为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲因子，并由式(4)确定。式(4)中，ki为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲因子，ri为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲角内径，t为滚压成形零件的厚度。III、确定坯料周长L；根据材料塑性变形体积不变原理确定坯料的周向长度L，即：L＝V/TB(5)式(5)中，L为坯料的周长，V为滚压成形零件体积，T为坯料的厚度，B为坯料的宽度。步骤二，确定滚压成形轨迹；所述滚压成形轨迹包括截面轨迹与结构轨迹。截面轨迹即滚压各道次所需成形的密封结构的截面形状，同时也是设计进给辊与芯模截面形状的依据，通过二者的相向咬合以成形密封结构的异型截面；结构轨迹即滚压成形各道次中进给辊的运行轨迹，以成形密封环件的结构形状。I、确定截面轨迹；所述截面轨迹的确定包括外滚阶段的截面轨迹与内滚阶段的截面轨迹。依据密封环件截面结构特征，采用顺序成形法由中间向外依次成形W截面，其中外滚成形截面波峰圆弧与部分波谷圆弧段，内滚成形截面波谷圆弧段与最外侧密封段。I～1、确定外滚阶段的截面轨迹；外滚阶段，进给辊位于坯料外侧，沿径向向芯模进给并绕其公转，通过二者的型面以成形外滚阶段密封结构的异型截面。根据式(6)确定外滚阶段第i道次所需成形第j段圆弧弧长为lwijlwij＝rijαij(6)式(6)中，lwij为外滚阶段第i道次成形第j段圆弧的弧长，rij为环件截面此段圆弧中性线所对应的弯曲半径，αij为环件截面中此段圆弧的弯曲角度，单位rad。保持各圆弧段总弧长长度不变，且与相邻直线段保持相切，依次增大各道次弯曲变形角直至完成各相应圆弧段的成形。根据式(7)确定内滚阶段第j段圆弧各道次的成形弯曲角度θwij；式(7)中，θwij为外滚阶段第j段圆弧第i道次的成形弯曲角度，θw0j为第j段圆弧的最终弯曲角度，Nj为第j段圆弧的弯曲成形道次数，k为变动指数，取值-0.1～-0.3。根据式(6)、(7)确定外滚阶段的各道次的截面成形轨迹，进而确定外滚阶段各道次模具的截面形状。I～2、确定内滚阶段的截面轨迹；内滚阶段，进给辊位于坯料内侧，沿径向背离形心向芯模进给并绕其公转，通过二者的型面配合以成形内滚阶段密封结构的异型截面。根据式(8)确定内滚阶段第i道次所需成形第j段圆弧的弧长为lwijlwij＝rijαij(8)式(8)中，lwij为内滚阶段第i道次成形第j段圆弧的弧长，rij为环件截面此段圆弧中性线所对应的弯曲半径，αij为环件截面中此段圆弧的弯曲角度，单位rad。根据式(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种W截面异型密封结构的内外复合滚压成形方法，其特征在于，采用内外滚相结合的复合滚压方法成形高温合金薄壁W截面异型密封结构；根据截面母线轮廓可将W截面分为波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段、波谷圆弧及最外侧密封面，其中，波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段及部分波谷圆弧采用外滚法成形，波谷圆弧、最外侧密封面采用内滚法成形；通过先外滚后内滚的分步滚压成形方法实现W截面密封结构的成形；包括：步骤一，确定毛坯尺寸；步骤二，确定滚压成形轨迹；步骤三，多道次复合滚压成形。/n

【技术特征摘要】
1.一种W截面异型密封结构的内外复合滚压成形方法，其特征在于，采用内外滚相结合的复合滚压方法成形高温合金薄壁W截面异型密封结构；根据截面母线轮廓可将W截面分为波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段、波谷圆弧及最外侧密封面，其中，波峰圆弧、波峰圆弧与波谷圆弧间的直线段及部分波谷圆弧采用外滚法成形，波谷圆弧、最外侧密封面采用内滚法成形；通过先外滚后内滚的分步滚压成形方法实现W截面密封结构的成形；包括：步骤一，确定毛坯尺寸；步骤二，确定滚压成形轨迹；步骤三，多道次复合滚压成形。


2.根据权利要求1所述的一种W截面异型密封结构的内外复合滚压成形方法，其特征在于，确定毛坯尺寸的实现步骤如下；
所述毛坯尺寸包括坯料的周长L、宽度B、厚度T；
I、确定坯料厚度T；根据零件图尺寸确定坯料的厚度t为：
T＝t(1)
式(1)中，T为坯料的厚度，t为滚压成形零件的厚度；
II、确定坯料宽度B；坯料宽度由零件截面中性层展开长度决定，沿中性线对各段长度进行求和：
B＝∑bwi+∑bzi+Δ(2)
式(2)中，B为坯料的宽度，bwi为零件截面各弯曲圆弧段对应的坯料长度，bzi为零件截面各直线段长度，Δ为宽度余量，且Δ＝t/2；
其中，零件各弯曲段对应的坯料长度由弯曲角的大小和中性线所对应的弯曲半径确定，即：
bwi＝(ri+kit)αi(3)
式(3)中，bwi为零件截面各弯曲圆弧段对应的坯料长度，ri为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲角内径，t为滚压成形零件的厚度，αi为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲弧度，ki为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲因子，并由式(4)确定；



式(4)中，ki为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲因子，ri为零件截面各弯曲圆弧段的弯曲角内径，t为滚压成形零件的厚度；
III、确定坯料周长L；根据材料塑性变形体积不变原理确定坯料的周向长度L，即：
L＝V/TB(5)
式(5)中，L为坯料的周长，V为滚压成形零件体积，T为坯料的厚度，B为坯料的宽度。


3.根据权利要求1所述的一种W截面异型密封结构的内外复合滚压成形方法，其特征在于，确定滚压成形轨迹的实现步骤如下，
所述滚压成形轨迹包括截面轨迹与结构轨迹；截面轨迹即滚压各道次所需成形的密封结构的截面形状，同时也是设计进给辊与芯模截面形状的依据，通过二者的相向咬合以成形密封结构的异型截面；结构轨迹即滚压成形各道次中进给辊的运行轨迹，以成形密封环件的结构形状；
I、确定截面轨迹；所述截面轨迹的确定包括外滚阶段的截面轨迹与内滚阶段的截面轨迹；
依据密封环件截面结构特征，采用顺序成形法由中间向外依次成形W截面，其中外滚成形截面波峰圆弧与部分波谷圆弧段，内滚成形截面波谷圆弧段与最外侧密封段；
保持各圆弧段总弧长与其余各直线段长度不变，且直线段与相邻圆弧段保持相切，依次增大各道次弯曲变形角直至完成各相应圆弧段的成形，从而确定内滚阶段的各道次的截面成形轨迹，进而确定内滚阶段各道次模具的截面形状；
II、确定结构轨迹；所述结构轨迹的确定包括外滚阶段的结构轨迹与内滚阶段的结构轨迹。


4.根据权利要求3所述的一种W截面异型密封结构的内外复合滚压成形方法，其特征在于，I～1、确定外滚阶段的截面轨迹；外滚阶段，进给辊位于坯料外侧，沿径向向芯模进给并绕其公转，通过二者的型面以成形外滚阶段密封结构的异型截面；
根据式(6)确定外滚阶段第i道次所需成形第j段圆弧弧长为lwij
lwij＝rijαij(6)
式(6)中，lwij为外滚阶段第i道次成形第j段圆弧的弧长，rij为环件截面此段圆弧中性线所对应的弯曲半径，αij为环件截面中此段圆弧的弯曲角度，单位rad；
保持各圆弧段总弧长长度不变，且与相邻直线段保持相切，依次增大各道次弯曲变形角直至完成各相应圆弧段的成形；
根据式(7)确定内滚阶段第j段圆弧各道次的成形弯曲角度θwij；



式(7)中，θwij为外滚阶段第j段圆弧第i道次的成形弯曲角度，θw0j为第j段圆弧的最终弯曲角度，Nj为第j段圆弧的弯曲成形道次数，k为变动指数，取值-0.1～-0.3；
根据式(6)、(7)确定外滚阶段的各道次的截面成形轨迹，进而确定外滚阶段各道次模具的截面形状；
I～2、确定内滚阶段的截面轨迹；内滚阶段，进给辊位于坯料内侧，沿径向背离形心向芯模进给并绕其公转，通过二者的型面配合以成形内滚阶段密封结构的异型截面；
根据式(8)确定内滚阶段第i道次所需成形第j段圆弧的弧长为lwij
lwij＝rijαij(8)
式(8)中，lwij为内滚阶段第i道次成形第j段圆弧的弧长，rij为环件截面此段圆弧中性线所对应的弯曲半径，αij为环件截面中此段圆弧的弯曲角度，单位rad；
根据式(9)确定内滚阶段第j段圆弧各道次的成形弯曲角度θmij



式(9)中，θwij为内滚阶段第j段圆弧第i道次的成形弯曲角度，θw0j为第j段圆弧的最终弯曲角度，Nj为第j段圆弧的弯曲成形道次数，k为变动指数，取值-0.1～-0.3。


5.根据权利要求3所述的一种W截面异型密封结构的内...

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