一种提升波纹管壁厚均匀性的多向加载旋压成形方法技术

一种提升波纹管壁厚均匀性的多向加载旋压成形方法，包括：将管坯的固定端安装在芯模上，管坯的自由端与反推盘的端面接触；假设旋压过程中管坯的壁厚维持初始壁厚不变，仅有形状改变，将管坯沿轴向离散为

【技术实现步骤摘要】
一种提升波纹管壁厚均匀性的多向加载旋压成形方法


[0001]本专利技术涉及金属薄壁复杂构件加工领域，具体涉及一种提升波纹管壁厚均匀性的多向加载旋压成形方法
。

技术介绍

[0002]金属波纹管具有强度高
、
承压大等优点，广泛应用于航空航天领域
。
旋压技术通过旋轮的连续点加载作用渐进成形复杂构件，具有成形质量好
、
成形载荷小
、
生产效率高等优点，成为了制造波纹管的先进方法
。
在波纹管旋压成形中，管坯的一端通过夹持装置固定并沿其中心轴线转动，而另一端自由无约束；同时旋轮以波形曲线轨迹在管坯轴向与径向进给，以实现波纹管成形
。
[0003]然而，传统波纹管旋压成形中，管坯在旋轮渐进局部加载作用下产生复杂的三向应变状态
。
旋轮的径向进给使加载区产生环向压应变，其大小随不同波形位置处缩径量不同而变化；旋轮的轴向进给使加载区产生轴向拉应变，其大小依赖于旋压加载参数与模具参数
(
包括加载位置处波形切线斜率
、
进给比
、
旋轮圆角半径等
)
；加载区厚向应变则会在塑性变形体积不变
(
轴向
、
环向
、
厚向三向应变和为
0)
约束条件下随动变化
。
综上，波纹管旋压成形中，三向应变的大小随加载区域显著变化，进而产生厚向应变与成形壁厚分布不均匀的问题，尤其是在旋轮下降段和直壁段处的壁厚过度减薄，如图1中所示，导致波纹管承压能力下降
。
因此，研究发展提升波纹管旋压成形壁厚均匀性的方法具有重要意义
。
[0004]针对波纹管旋压成形壁厚分布不均匀的问题，传统方法通过改变旋压工艺参数
(
包括旋压道次
、
进给比
、
主轴转速等加载参数和旋轮圆角半径等模具参数
)
进行壁厚调控
。
但这些方法未改变旋压成形中旋轮的局部加载形式与管坯受到的应力状态，无法对管坯三向应变大小进行大幅调控，提升波纹管的壁厚均匀性效果有限
。
例如，文献
(
杨鑫
,
肖刚锋
,
程秀全
,
等
.
工艺参数对高强钢管单道次缩径旋压成形质量的影响
[J].
锻压技术
,2017,42(3):84
‑
89)
针对管材缩径旋压成形中的壁厚过度减薄的问题，优化了旋轮圆角半径与进给比，但是成形构件的最大壁厚差减小仅有5％，壁厚均匀提升效果仍不显著
。

技术实现思路

[0005]基于此，本专利技术提供了一种提升波纹管壁厚均匀性的多向加载旋压成形方法，以解决现有旋压技术的成形波纹管的壁厚分布不均匀的问题
。
本专利技术在传统旋压中增加尾部加载，对波纹管自由端施加约束控制其受力状态，调控三向应变；并根据不同波形区域旋轮加载情况动态匹配尾部加载的位移，以灵活控制不同波形区域厚向压缩应变，避免壁厚过度减薄，从而提高旋压成形波纹管的壁厚均匀性
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种提升波纹管壁厚均匀性的多向加载旋压成形方法，用于将管坯加工成波纹管，包括以下步骤：
[0007]S1、
定义管坯的一端为固定端，另一端为自由端，将管坯的固定端安装在芯模上，管坯的自由端与反推盘的端面接触，将旋轮设置在管坯的外周面上，旋轮的中轴线和管坯
的中轴线所在平面与旋轮进给平面重合，反推盘的中轴线与管坯中轴线重合，且反推盘沿其中轴线移动；
[0008]S2、
尾部轴向加载路径设计原则为假设旋压过程中管坯的壁厚维持初始壁厚不变，仅有形状改变
。
将由管坯得到的波纹管沿轴向离散为
n
段连续微元，各微元的截面通过管坯中轴线与旋轮进给平面垂直，设波纹管的目标波形曲线
(
又称为理想波形
)
在
n
段微元中的第
i
段处的波形切线斜率为
y
i
′
，第
i
段微元变形前长度为
h
i
，内径大小为
r0，外径大小为
R0，变形后长度为
h
i
′
，内径大小为
r
i
，外径大小为
R
i
，且维持各微元变形后体积与变形前相等，则变形前后第
i
段处微元的长度差
Δ
h
i
表示为：
[0009][0010]以反推盘始终作用在变形后管坯尾端为原则，根据各微元变形前后的长度差，可得到旋压成形过程中旋轮运动到不同波形区域时反推盘的具体位移大小，以旋轮在轴向运动的距离为自变量，反推盘的该位移大小为因变量绘制反推盘的轴向位移曲线，得到尾部轴向加载路径；
[0011]S3、
转动芯模，使旋轮在径向与管坯接触，旋轮按照波纹管的目标波形曲线进给，同时反推盘按尾部轴向加载路径进给，得到壁厚较均匀的波纹管
。
[0012]作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述反推盘的端面直径大于管坯直径
。
[0013]作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述微元的长度为
0.01
‑
0.1mm
，优选为
0.1mm。
[0014]作为本专利技术的进一步优选技术方案，步骤
S2
中，第
i
段微元变形后体积与变形前相等的计算公式如下：
[0015][0016]本专利技术的提升波纹管壁厚均匀性的多向加载旋压成形方法，通过采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：
[0017]①
本专利技术提升波纹管壁厚均匀性的方法，在传统旋压过程中的增加了对波纹管自由端加载约束，变革了旋压受力形式，可有效调控受力状态与三向应变，避免出现壁厚过度减薄现象，从而改善波纹管的壁厚均匀性
。
与相同工艺参数下的传统旋压相比，本专利技术工艺所成形的波纹管的最大壁厚差与传统旋压相比减小
25
％，与现有壁厚均匀化技术的旋压结果相比，壁厚均匀性提高了
20
％
。
[0018]②
本专利技术提升波纹管壁厚均匀性的方法，与传统旋压相比，成形波形更加吻合理想波形
。
[0019]③
本专利技术中的多向旋压工艺引入了尾部加载自由度，增加了工艺柔性，提升了旋压成形的灵活性，未来可推广应用于其他金属薄壁复杂构件例如异形曲面件的成形
。
附图说明
[0020]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明
。
[0021本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种提升波纹管壁厚均匀性的多向加载旋压成形方法，用于将管坯加工成波纹管，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
将管坯的一端安装在芯模上，管坯的另一端与反推盘的端面接触，将旋轮设置在管坯的外周面上，旋轮的中轴线和管坯的中轴线所在平面与旋轮进给平面重合，反推盘的中轴线与管坯中轴线重合，且反推盘沿其中轴线移动；
S2、
假设旋压过程中管坯的壁厚维持初始壁厚不变，仅形状改变，并将由管坯得到的波纹管沿轴向离散为
n
段连续微元，各微元的截面通过管坯中轴线与旋轮进给平面垂直，设波纹管的目标波形曲线在
n
段微元中的第
i
段处的波形切线斜率为
y
i
′
，第
i
段微元变形前长度为
h
i
′
，内径大小为
r0，外径大小为
R0，变形后长度为
h
i
′
，内径大小为
r
i
，外径大小为
R
i
，且维持各微元...

【专利技术属性】
技术研发人员：高鹏飞，张晗，詹梅，焦泽瑞，李宏伟，樊晓光，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：