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1、(10)申请公布号 CN 102266888 A (43)申请公布日 2011.12.07 CN 102266888 A *CN102266888A* (21)申请号 201110207227.X (22)申请日 2011.07.24 B21D 22/16(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工程大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通 大街 145 号哈尔滨工程大学科技处知 识产权办公室 (72)发明人 江树勇 张艳秋 佟永祥 范红涛 (54) 发明名称 滚珠旋压成形工装装置及其反向滚珠旋压成 形方法 (57) 摘要 本发明的目的在于提供滚珠旋压成形工装装 置及其反向滚珠旋压。
2、成形方法， 滚珠旋压成形工 装装置包括旋压头、 芯模和限位环， 旋压头包括螺 纹支撑管、 外支撑圈、 圆锥模环、 滚珠， 螺纹支撑管 和圆锥模环安装在外支撑圈里， 螺纹支撑管的一 端位于圆锥模环里， 滚珠位于圆锥模环里、 沿着圆 锥模环的锥面均布一周、 并与螺纹支撑管相接触， 芯模包括芯轴和卸料环， 卸料环套在芯轴上， 限位 环套在芯轴的一端上。反向滚珠旋压成形方法通 过准备阶段、 旋压阶段和卸料阶段三个步骤来完 成。 本发明可以制造高强度、 高精度的薄壁纵向内 筋筒形件。该工装滚珠的径向位置可通过调节螺 纹支撑管进行精确控制， 大大提高了成形精度。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共。
3、和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 CN 102266894 A1/1 页 2 1. 滚珠旋压成形工装装置， 其特征是 ： 包括旋压头、 芯模和限位环， 旋压头包括螺纹支 撑管、 外支撑圈、 圆锥模环、 滚珠， 螺纹支撑管和圆锥模环安装在外支撑圈里， 螺纹支撑管的 一端位于圆锥模环里， 滚珠位于圆锥模环里、 沿着圆锥模环的锥面均布一周、 并与螺纹支撑 管相接触， 芯模包括芯轴和卸料环， 卸料环套在芯轴上， 限位环套在芯轴的一端上。 2. 根据权利要求 1 所述的滚珠旋压成形工装装置， 其特征是 ： 芯轴的一端开有外螺纹， 限位环套开有内螺。
4、纹， 限位环套的内螺纹与芯轴一端的外螺纹相配合。 3. 根据权利要求 2 所述的滚珠旋压成形工装装置， 其特征是 ： 卸料环包括大端和小端， 芯轴开有台阶， 所述的台阶与卸料环的大端相连并受大端轴向限制， 所述的卸料环的小端 与被加工的管培相接触并对管培进行轴向约束。 4. 根据权利要求 3 所述的滚珠旋压成形工装装置， 其特征是 ： 所述的螺纹支撑管的进 给量与有效旋压直径的关系为 ： (dR-d)ctg db(1-sin)+2l， dR为有效旋压直径、 l 为螺纹支撑管的进给量、 d 为螺纹支撑管的外径、 db为滚珠直径、 为圆锥模环锥角。 5. 反向滚珠旋压成形方法， 其特征是 ： (1。
5、) 调节螺纹支承管使其沿轴向进给来推动滚珠沿圆锥模环的锥面移动， 将旋压头安 装在车床的卡盘上， 将装好卸料环的芯模固定在车床尾顶上， 再将管坯一端开孔后套在芯 轴上， 安装后的管坯右侧一端抵住卸料环， 并使管坯右端的定位孔与芯轴上的螺纹孔对正， 拧入定位螺钉， 对管坯进行周向约束， 然后再安装限位环， 对管坯左侧一端进行轴向约束 ； (2) 开动车床， 使旋压头随着车床主轴做旋转运动， 芯模带着管坯随着车床尾顶做轴向 进给运动， 通过单道次的大变形得到所需要的零件尺寸， 完成成形过程 ； (3) 成形过程完成之后， 将装有芯模、 管坯和约束装置的尾顶从旋压头中退出来， 先将 限位环从芯轴一端。
6、取下， 再沿轴向敲打卸料环大端靠芯轴台阶一侧， 使卸料环沿轴向向管 坯方向滑动， 带动管坯一起沿轴向滑动而实现卸料。 权 利 要 求 书 CN 102266888 A CN 102266894 A1/4 页 3 滚珠旋压成形工装装置及其反向滚珠旋压成形方法 技术领域 0001 本发明涉及的是一种机械部件成形装置及其成形方法。 背景技术 0002 带有纵向内筋的筒形件在民用、 船舶、 航空和航天等工业领域都有着广泛的应用， 带有纵向内筋的筒形件一方面是为了满足结构设计的需要， 另一方面较之一般筒形件具有 更高的强度、 更高的刚度、 良好的散热性和稳定的振动特性。 传统的加工带纵向内筋筒形件 的工。
7、艺主要有挤压成形、 铸造预成形后机械加工、 锻造预成形后机械加工和化学腐蚀。 以上 的工艺方法虽然具有各自的优点， 但是在加工高强度高精度薄壁的带有纵向内筋筒形件方 面都具有一定的局限性。随着用于复杂成形加工任务的强力旋压技术的迅猛发展， 为加工 高强度高精度薄壁的带有纵向内筋筒形件提供了一个很好的途径。 如今带有啮合齿形的薄 壁类筒形零件、 滑动套筒、 传动轴的驱动齿形以及传动轮的啮合齿形都可以通过强力旋压 法来制造。 强力旋压技术可在挤压、 铸造或锻造等工艺所成形筒坯的基础上， 无切屑地加工 出带有纵向内筋的薄壁类筒形零件， 并且对金属材料的组织性能有很大的改善， 使零件的 强度能够提高2。
8、0以上。 旋压成形加工的带有纵向内筋的薄壁类筒形零件与由锻造或铸造 预成形再经切削加工而制成的同类零件相比， 在每种情况下它们都在成本方面有显著的优 势。 在许多情况下由旋压制造而成的带有纵向内筋薄壁类筒形零件也比按照传统的无屑加 工工艺制造的同类零件在成本上有显著的优越性。 发明内容 0003 本发明的目的在于提供多点局部成形、 变形区小、 所需力学载荷较小的滚珠旋压 成形工装装置及其反向滚珠旋压成形方法。 0004 本发明的目的是这样实现的 ： 0005 本发明滚珠旋压成形工装装置， 其特征是 ： 包括旋压头、 芯模和限位环， 旋压头包 括螺纹支撑管、 外支撑圈、 圆锥模环、 滚珠， 螺纹。
9、支撑管和圆锥模环安装在外支撑圈里， 螺纹 支撑管的一端位于圆锥模环里， 滚珠位于圆锥模环里、 沿着圆锥模环的锥面均布一周、 并与 螺纹支撑管相接触， 芯模包括芯轴和卸料环， 卸料环套在芯轴上， 限位环套在芯轴的一端 上。 0006 本发明滚珠旋压成形工装装置还可以包括 ： 0007 1、 芯轴的一端开有外螺纹， 限位环套开有内螺纹， 限位环套的内螺纹与芯轴一端 的外螺纹相配合。 0008 2、 卸料环包括大端和小端， 芯轴开有台阶， 所述的台阶与卸料环的大端相连并受 大端轴向限制， 所述的卸料环的小端与被加工的管培相接触并对管培进行轴向约束。 0009 3、所 述 的 螺 纹 支 撑 管 的 。
10、进 给 量 与 有 效 旋 压 直 径 的 关 系 为 ： dR为有效旋压直径、 为螺纹支撑管的进给量、 d为螺纹支 撑管的外径、 db为滚珠直径、 为圆锥模环锥角。 说 明 书 CN 102266888 A CN 102266894 A2/4 页 4 0010 本发明反向滚珠旋压成形方法， 其特征是 ： 0011 (1) 调节螺纹支承管使其沿轴向进给来推动滚珠沿圆锥模环的锥面移动， 将旋压 头安装在车床的卡盘上， 将装好卸料环的芯模固定在车床尾顶上， 再将管坯一端开孔后套 在芯轴上， 安装后的管坯右侧一端抵住卸料环， 并使管坯右端的定位孔与芯轴上的螺纹孔 对正， 拧入定位螺钉， 对管坯进行周。
11、向约束， 然后再安装限位环， 对管坯左侧一端进行轴向 约束 ； 0012 (2) 开动车床， 使旋压头随着车床主轴做旋转运动， 芯模带着管坯随着车床尾顶做 轴向进给运动， 通过单道次的大变形得到所需要的零件尺寸， 完成成形过程 ； 0013 (3) 成形过程完成之后， 将装有芯模、 管坯和约束装置的尾顶从旋压头中退出来， 先将限位环从芯轴一端取下， 再沿轴向敲打卸料环大端靠芯轴台阶一侧， 使卸料环沿轴向 向管坯方向滑动， 带动管坯一起沿轴向滑动而实现卸料。 0014 本发明的优势在于 ： 0015 1、 滚珠旋压成形属于多点局部成形， 变形区小， 所需力学载荷较小， 工装简单， 设 备较为轻便。
12、， 可以在普通车床上进行。 0016 2、 反向滚珠旋压使旋压件变形区处于三向压应力状态， 可以显著提高金属材料的 塑性， 有利于内筋的成形， 尤其在大进给比条件下， 更有利于内筋的成形。 0017 3、 该技术通过轴向约束装置限制旋压件的轴向流动， 有利于旋压件内筋的填充， 可以通过单道次旋压实现大尺寸内筋的成形。 0018 4、 滚珠旋压成形时， 滚珠沿着工件周向均匀分布， 力学载荷相对较为对称， 有效防 止变薄旋压过程中筒形件的失稳问题， 有利于保证纵向内筋筒形件的尺寸精度。 0019 5、 该技术可以制造出高强度、 高精度的带有纵向内筋的薄壁筒形件。该技术可以 在任何原有状态坯料的基础。
13、上， 通过加工硬化和细化晶粒来提高材料的强度。 0020 6、 滚珠旋压成形时， 滚珠旋压工装可以更换不同尺寸的滚珠， 并且可以通过调节 滚珠的位置来调节滚珠与芯模的间隙， 从而实现不同的减薄量， 可以制造出不同壁厚和不 同内径的旋压件， 节省工装数量， 显著降低成本。 附图说明 0021 图 1 为本发明滚珠旋压成形工装装置结构图 ； 0022 图 2 为本发明旋压头结构图 ； 0023 图 3 为本发明旋压头螺纹支撑管进给量与旋压件壁厚减薄量调节关系示意图 ； 0024 图 4 本发明芯模结构图 ； 0025 图 5 本发明约束装置结构图 ； 0026 图 6 为本发明旋压件照片 ； 00。
14、27 图 7 为铝合金旋压件内筋尺寸示意图。 具体实施方式 0028 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述 ： 0029 结合图 1 7， 滚珠旋压成形工艺方案滚珠旋压成形在普通车床上进行， 将滚珠旋 压工装中的旋压头装卡在车床的主轴上， 将装有坯料的芯模装在车床的尾顶上， 旋压头随 说 明 书 CN 102266888 A CN 102266894 A3/4 页 5 着车床主轴进行高速旋转， 装有坯料的芯模随着车床的尾顶轴向进给， 坯料在芯模上的轴 向流动受到约束， 有利于内筋的填充。 0030 滚珠旋压成形工装结构该工装包括旋压头、 芯模和约束装置三个部分， 如图 1 所 示。 0031。
15、 旋压头部分由螺纹支承管 1、 外支承圈 2、 圆锥模环 3 和滚珠 4 组成， 如图 2。螺纹 支承管 1 的外表面与外支承圈 2 的内表面用螺纹联接 ； 外支承圈 2 与圆锥模环 3 采用过盈 配合， 圆锥模环 3 的内表面为锥面， 滚珠 4 沿着圆锥模环 3 的锥面均布一周， 数量根据圆锥 模环 3 的内径和滚珠直径而定， 为防止滚珠 4 脱落， 采用黄油将其粘在圆锥模环 3 的内表 面， 由于此法使得滚珠 4 装卸和更换方便， 可采用不同尺寸的滚珠进行旋压 ； 滚珠 4 与螺纹 支承管 1 的右端端头接触， 通过旋转螺纹支承管 1 可调整滚珠 4 的位置， 使其沿着圆锥模环 3 的内表。
16、面移动， 进而调节旋压时的减薄量， 螺纹支承管 1 的进给量与有效旋压直径的关系 如下 ( 见图 3) ： 0032 0033 (1) 0034 式中 ： dR有效旋压直径 ； 0035 螺纹支撑管的进给量 ； 0036 d螺纹支撑管的外径 ； 0037 db滚珠直径 ； 0038 圆锥模环锥角。 0039 芯模部分由芯轴 7 和卸料环 8 组成， 如图 4 所示。卸料环 8 套在芯轴上， 大端一侧 与芯轴 7 的台阶接触， 可对其进行轴向限制， 小端与管坯 5 接触， 可对管坯 5 进行轴向约束。 旋压结束后可通过卸料环进行卸料。 0040 约束装置主要就是由限位环9来实现， 限位环9的内表。
17、面开有螺纹， 与芯轴左端的 外螺纹配合， 可实现对坯料左端的轴向约束。 0041 具体工作过程 ： 0042 该过程分为三个阶段， 即准备阶段、 旋压阶段和卸料阶段。 0043 准备阶段 ： 调节螺纹支承管 1， 使其沿轴向进给来推动滚珠 4 沿圆锥模环 3 的锥面 移动， 并根据公式 (1) 将滚珠 4 调整合适的位置， 然后将旋压头安装在车床的卡盘上。接下 来将装好卸料环 8 的芯模固定在车床尾顶上， 再将管坯 5 一端开孔后套在芯轴 7 上， 安装后 的管坯 5 右侧一端应抵住卸料环 8， 并使管坯右端的定位孔与芯轴 7 上的螺纹孔对正， 拧入 定位螺钉 6， 对管坯进行周向约束。然后再。
18、安装限位环 9， 对管坯 5 左侧一端进行轴向约束。 0044 旋压阶段 ： 开动车床， 使旋压头随着车床主轴做高速旋转运动， 而芯模则带着管坯 随着车床尾顶做轴向进给运动， 这样便可通过单道次的大变形得到所需要的零件尺寸。 0045 卸料阶段 ： 成形过程完成之后， 将装有芯模、 管坯 5 和约束装置的尾顶从旋压头中 退出来， 先将限位环 9 从芯轴一端取下， 再用工具沿轴向敲打卸料环 8 大端靠芯轴台阶一 侧， 使卸料环 8 沿轴向向管坯 5 方向滑动， 便可带动管坯 5 一起沿轴向滑动而实现卸料。这 样就完成了整个旋压成形过程。 0046 以 5A02 铝合金为旋压材料， 成形带有纵向内。
19、筋铝合金筒形件， 如图 6 所示。该零 说 明 书 CN 102266888 A CN 102266894 A4/4 页 6 件的尺寸参数为 ： 内径为 30mm， 壁厚为 1.6mm， 内筋尺寸如图 7 所示。滚珠直径 20mm， 进给 比 1.6mm/r， 壁厚减薄量为 0.7mm。旋压前先在管坯起旋一端倒一个 30的倒角， 目的是为 了在旋压时滚珠容易咬入， 并旋压终端开一个直径为 5mm 的孔用于周向约束。 说 明 书 CN 102266888 A CN 102266894 A1/2 页 7 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102266888 A CN 102266894 A2/2 页 8 图 5 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 102266888 A 。