本發(fā)明涉及板料旋壓塑性加工技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種板料徑向差溫旋壓裝置及工藝方法。

背景技術(shù)：

旋壓成型作為一種近凈成型制造技術(shù)，具有材料利用率高、產(chǎn)品精度高、產(chǎn)品性能好、所需成型力小、模具成本低、柔性化程度高等突出優(yōu)點，目前在航空、航天、兵器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。旋壓成型常用于金屬空心回轉(zhuǎn)體的加工，具有局部連續(xù)塑性變形的特征。由于輕量化和大型化制造需求，旋壓板材逐漸開始采用高強(qiáng)度材料作為坯料，同時，大型構(gòu)件的需要多道次普通拉深旋壓工藝路線。這使得傳統(tǒng)冷旋壓工藝中常見的材料加工硬化問題變得更加嚴(yán)重。材料加工硬化導(dǎo)致的旋壓性能下降，厚度均勻性過大，貼模性不良，旋壓力上升等問題出現(xiàn)。旋壓力增加不僅帶來了能耗的增加，而且對于剛度不足的機(jī)床，過大的旋壓力油夾具了工件的貼模型和厚度均勻性。

為了改善上述條件下旋壓成型性能和工件加工質(zhì)量，在冷旋工藝的基礎(chǔ)上，開發(fā)出加熱旋壓技術(shù)。加熱旋壓成型是指使用加熱頭對于板料未成型區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱的一種旋壓工藝，由于金屬在熱加工時會發(fā)生回復(fù)或再結(jié)晶等軟化行為，顯著的抵消了加工硬化帶來的不利影響，也大大提升了金屬材料的延伸率。加熱旋壓工藝因顯著擴(kuò)大加工范圍，提高設(shè)備旋壓能力，滿足了難變形金屬的塑形成型，在國內(nèi)外得到快速發(fā)展。

目前，已有的一些熱旋壓工藝和設(shè)備仍處于開發(fā)或試制中，尚未全面推廣，加熱的方式也多種多樣。一些公開的專利文獻(xiàn)中有關(guān)于金屬板材熱旋壓工藝的表述，如專利文獻(xiàn)cn106424286a公開了一種基于激光加熱旋壓成型方法及裝置，所述裝置包括數(shù)控旋壓設(shè)備、旋壓工藝裝備、激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、六自由度機(jī)器人加工系統(tǒng)、激光加工頭和測溫裝置等。該專利文獻(xiàn)提供的工藝?yán)眉す饧訜崴俣瓤?、加熱部位和溫度精確可控以及六自由度機(jī)器人加工系統(tǒng)自由度高、控制精確的特點，實現(xiàn)對加熱區(qū)域的高準(zhǔn)確度柔性控制，可以在不加熱旋壓工藝裝備的同時完成對旋壓坯料的動態(tài)局部加熱，達(dá)到提高材料可旋性和減少加熱對旋壓設(shè)備損傷的目的，同時加熱溫度與激光輸出實現(xiàn)閉環(huán)控制，便于實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。但是，由于集成的系統(tǒng)過多，工藝系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性也會下降。最為關(guān)鍵的是，該工藝僅用于剪切旋壓和流動旋壓等工藝中，另外，在大型厚板料的剪旋工藝中，激光加熱工藝的能耗非常大，并且其加熱的效果并不理想。

另外一篇專利文獻(xiàn)cn105537356a公開了一種感應(yīng)加熱旋壓成型系統(tǒng)及方法，與前面一篇專利文獻(xiàn)相比，主要區(qū)別是旋壓過程采用感應(yīng)加熱方式，加熱效率高，降低勞動強(qiáng)度，加熱溫度均勻，保證了旋壓零件組織的均勻性和穩(wěn)定性，熱量向旋壓芯模傳導(dǎo)少，減少加熱對旋壓設(shè)備的損傷。但缺陷在于，在后續(xù)成型過程中，旋輪加載變形區(qū)會對已成型區(qū)材料產(chǎn)生較大拉應(yīng)變，由于已成型區(qū)域材料已處于貼模狀態(tài)，但此時尚未及時冷卻，材料處于軟態(tài)，使得已成型區(qū)域在拉應(yīng)力下緊貼芯模并繼續(xù)再次發(fā)生變形，導(dǎo)致已成型區(qū)域減薄過度，在宏觀上的表現(xiàn)為，雖然改善了材料成型性能，然而成型件的貼模度差和厚度不均勻大尚未得到改善。另外，對于易于發(fā)生晶粒粗大的厚板材料，由于該種方法存在旋壓余熱大，可能引起再結(jié)晶后材料內(nèi)部晶粒長大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種板料徑向差溫旋壓裝置及工藝方法。

根據(jù)本發(fā)明提供的板料徑向差溫旋壓裝置，包含尾頂、芯模、旋輪、加熱頭以及冷卻頭；

其中尾頂與芯模構(gòu)成夾持單元；

加熱頭、冷卻頭分別位于旋輪沿軸向方向的兩側(cè)；

加熱頭、旋輪、冷卻頭依次連接。

優(yōu)選地，還包含控制器；

控制器包含驅(qū)動模塊，其中，所述驅(qū)動模塊控制驅(qū)動旋輪運行。

本發(fā)明還提供了一種利用上述的板料徑向差溫旋壓裝置進(jìn)行板料徑向差溫旋壓的工藝方法，包含以下步驟：

步驟s1：將板料夾持在所述夾持單元中，驅(qū)動芯模帶動板料旋轉(zhuǎn)；

步驟s2：將旋輪與加熱頭、冷卻頭沿板料徑向方向陣列緊固連接，將旋輪設(shè)置在板料初始加工的對應(yīng)位置，初始化驅(qū)動模塊；

步驟s3：驅(qū)動模塊帶動旋輪、加熱頭、冷卻頭在預(yù)設(shè)軌跡上的多個預(yù)設(shè)位置上對板料進(jìn)行旋壓成型加工。

優(yōu)選地，在步驟s3中，多個預(yù)設(shè)位置為所述預(yù)設(shè)軌跡上的連續(xù)位置。

優(yōu)選地，冷卻頭、旋輪、加熱頭沿預(yù)設(shè)軌跡行進(jìn)方向依次設(shè)置；

冷卻頭所在一側(cè)對應(yīng)的板料形成已成型區(qū)域；

加熱頭所在一側(cè)對應(yīng)的板料形成未成型區(qū)域。

優(yōu)選地，在步驟s3中，加熱頭對未成型區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，冷卻頭對已成型區(qū)域進(jìn)行冷卻。

優(yōu)選地，所述加熱頭包含感應(yīng)線圈與循環(huán)冷卻系統(tǒng)；

在步驟s3中，感應(yīng)線圈接通外部交流電源并產(chǎn)生交變磁場；

循環(huán)冷卻系統(tǒng)對感應(yīng)線圈進(jìn)行冷卻。

優(yōu)選地，感應(yīng)線圈由空心銅管繞制而成。

優(yōu)選地，所述冷卻頭包含冷氣流噴管；

在步驟s3中，冷氣流噴管能夠噴射外接泵輸送的冷卻介質(zhì)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明對變形板料不同區(qū)域進(jìn)行實時加熱與冷卻，降低了未成型區(qū)域和旋壓局部加載成型區(qū)域材料的變形抗力，提升了已成型區(qū)域的承載能力，提高了材料旋壓比，增加了材料塑性變形能力；

2、本發(fā)明提供的工藝方法改善了材料貼模性和厚度均勻性，降低了降低成型力，延長機(jī)床壽命，也抑制了材料內(nèi)部發(fā)生再結(jié)晶后晶粒長大的可能性；

3、本發(fā)明設(shè)備簡單實用，經(jīng)濟(jì)性和安全性好。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明中板料徑向差溫旋壓成型裝置的初始示意圖；

圖2為本發(fā)明中板料徑向差溫旋壓成型裝置的加工示意圖；

圖3為旋輪工作示意圖；

圖4為加熱頭工作示意圖；

圖5為冷卻頭工作示意圖；

圖6為本發(fā)明的實施例一的成型路徑示意圖；

圖7為本發(fā)明的實施例二的成型路徑示意圖。

圖中示出：板料1，尾頂2，芯模3，旋輪4，加熱頭5，冷卻頭6，預(yù)設(shè)軌跡7。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，實施例中，本發(fā)明提供的板料1徑向差溫旋壓裝置包含尾頂2、芯模3、旋輪4、加熱頭5以及冷卻頭6，其中尾頂2與芯模3構(gòu)成夾持單元，加熱頭5、冷卻頭6分別位于旋輪4沿軸向方向的兩側(cè)，加熱頭5、旋輪4、冷卻頭6依次通過旋輪4支架緊固連接。芯模3與機(jī)床主軸緊固連接，尾頂2通過液壓裝置將板料1壓緊在芯模3的前端，機(jī)床主軸能夠帶動芯模3與板料1旋轉(zhuǎn)。板料1徑向差溫旋壓裝置還包含了控制器，所述控制器又包含驅(qū)動模塊，在驅(qū)動模塊中設(shè)置成型加工路徑、加工數(shù)據(jù)等參數(shù)，進(jìn)而使得驅(qū)動模塊能夠用于控制旋輪4運行。加熱頭5包含感應(yīng)線圈與循環(huán)冷卻系統(tǒng)，感應(yīng)線圈能夠接通外部交流電源從而產(chǎn)生應(yīng)變磁場，循環(huán)冷卻系統(tǒng)則對感應(yīng)線圈進(jìn)行冷卻，防止燒壞線圈。冷卻頭6則包含冷氣流噴管，冷氣流噴管通過軟管與外部的泵連接，所述泵能夠?qū)⒗鋮s介質(zhì)，如低溫氣體通過軟管輸送至冷氣流噴管。

本發(fā)明還提供了一種利用上述的板料1徑向差溫旋壓裝置進(jìn)行板料1徑向差溫旋壓的工藝方法，包含以下步驟：步驟s1：將板料1夾持在所述夾持單元中，即芯模3與尾頂2之間，機(jī)床主軸驅(qū)動芯模3帶動板料1旋轉(zhuǎn)；步驟s2：將旋輪4與加熱頭5、冷卻頭6沿板料1徑向方向陣列緊固連接，將旋輪4設(shè)置在板料1初始加工的對應(yīng)位置，初始化驅(qū)動模塊；步驟s3：驅(qū)動模塊帶動旋輪4、加熱頭5、冷卻頭6在預(yù)設(shè)軌跡7上的多個預(yù)設(shè)位置上對板料1進(jìn)行旋壓成型加工。在步驟s1中，針對不同尺寸的板料1，為保證板料1的夾持穩(wěn)定性，可以通過調(diào)節(jié)液壓裝置進(jìn)而調(diào)整夾持單元對板料1的夾持力。在步驟s2中，驅(qū)動模塊可以采用可編程系統(tǒng)實現(xiàn)，用戶輸入相應(yīng)的參數(shù)對驅(qū)動模塊進(jìn)行初始化，包含成型加工路徑、加工數(shù)據(jù)等。在步驟s3中，多個預(yù)設(shè)位置為所述預(yù)設(shè)軌跡7上的連續(xù)位置；按照預(yù)設(shè)軌跡7行進(jìn)方向，冷卻頭6、旋輪4、加熱頭5依次設(shè)置，冷卻頭6所在一側(cè)對應(yīng)的板料1形成已成型區(qū)域，加熱頭5所在一側(cè)對應(yīng)的板料1形成未成型區(qū)域。步驟s3中，旋輪4對板料1對應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行加工，加熱頭5對未成型區(qū)域進(jìn)行快速預(yù)熱，冷卻頭6對已成型區(qū)域進(jìn)行快速冷卻。加熱頭5包含空心銅管繞制的感應(yīng)線圈與循環(huán)冷卻系統(tǒng)，所述感應(yīng)線圈接通外部交流電后產(chǎn)生交變磁場，在板料1上產(chǎn)生渦流，從而迅速加熱未成型區(qū)域的溫度；冷卻頭6包含冷氣流噴管，利用外接泵連續(xù)地輸送冷卻介質(zhì)，實現(xiàn)已成型區(qū)域快速冷卻至室溫。

實際操作中，對板料1進(jìn)行旋壓成型前，尾頂2、芯模3、旋輪4、加熱頭5、冷卻頭6的位置關(guān)系如圖1所示，板料1被壓緊在夾持單元中，旋輪4通過驅(qū)動模塊的控制移動到初始位置準(zhǔn)備進(jìn)行加工工作，加熱頭5與冷卻頭6分別沿板料1徑向方向陣列固定在旋輪4支架的前后位置，其中，定義旋輪4側(cè)面與板料1相對的一側(cè)為前側(cè)。如圖2所示，機(jī)床主軸帶動芯模3、尾頂2以及板料1旋轉(zhuǎn)，旋輪4在驅(qū)動模塊的控制下按照預(yù)設(shè)軌跡7運動，從而對板料1進(jìn)行旋壓加工。由于加熱頭5、冷卻頭6與旋輪4之間固定連接，加熱頭5與冷卻頭6隨旋輪4做同樣軌跡的運動，且加熱頭5對旋輪4前側(cè)未成型區(qū)域進(jìn)行快速預(yù)熱，冷卻頭6對旋輪4后側(cè)已成型區(qū)域進(jìn)行快速冷卻。如圖3所示，驅(qū)動模塊驅(qū)動旋輪4按預(yù)設(shè)軌跡7作曲線運動，預(yù)設(shè)軌跡7的計算基于芯模3母線形狀、板料1厚度以及旋輪4實際尺寸。預(yù)設(shè)軌跡7的各曲線運動方式對于旋壓成型性能有著直接的影響。如圖4所示，加熱頭5包含空心銅管繞制的感應(yīng)線圈，通入中高頻交流電后感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場，作用于板料1產(chǎn)生渦流，從而迅速加熱旋輪4前側(cè)板料1的未成型區(qū)域。加熱頭5還包含循環(huán)冷卻系統(tǒng)，在銅管中同于循環(huán)的冷卻液，冷卻液可以使用外接泵帶動，從而將線圈自身產(chǎn)生的熱量及時帶走，防止燒壞感應(yīng)線圈。如圖5所示，冷卻頭6包含冷氣流噴管，冷卻介質(zhì)采用低溫氣體，使用外接泵帶動冷卻介質(zhì)由軟管輸送至冷氣流噴管，噴射到旋輪4后側(cè)板料1的已成型區(qū)域，達(dá)到迅速冷卻的目的。

實施案例一：如圖6所示，本實施案例為一個橢圓形標(biāo)準(zhǔn)封頭的單道次熱旋加工過程。芯模3的公稱直徑為300mm，高度為75mm。板坯1的材料為2219-o態(tài)鋁合金，直徑為400mm，初始厚度為2mm。尾頂2的壓緊力為40kn，旋輪4的圓角半徑為10mm，成型過程所用進(jìn)給比為0.5mm/r。因此根據(jù)相關(guān)計算，預(yù)設(shè)軌跡7為橢圓線，旋壓加工過程中，加熱頭5和冷卻頭6與旋輪4保持相對位置不變遵循各自的工作原理對板料1的不同區(qū)域進(jìn)行作用，完成橢球殼體件的單道次成型。感應(yīng)加熱頭5的加熱功率為1000w,冷卻噴管6的低溫氣體強(qiáng)制冷卻殼體。徑向差溫?zé)嵝龎杭庸ず蟮臋E球殼體最小壁厚為1.65mm，而同道次下傳統(tǒng)冷旋加工構(gòu)件的最小壁厚為1.45mm，采用上述方法旋壓零件厚度均勻性得到提升。

實施案例二：本實施案例為一個圓筒形薄壁件的單道次熱旋過程。芯模3的公稱直徑為150mm，高度為300mm。板坯1的材料為2024-o態(tài)鋁合金，初始厚度為2mm。尾頂2的壓緊力為20kn，旋輪4的圓角半徑為10mm，成型過程所用進(jìn)給比為0.5mm/r。因此根據(jù)相關(guān)計算，預(yù)設(shè)軌跡7為一條l型線，旋壓加工過程中，加熱頭5和冷卻頭6與旋輪4保持相對位置不變遵循各自的工作原理對板料1的不同區(qū)域進(jìn)行作用，完成圓筒形件的單道次成型。感應(yīng)加熱頭5的加熱功率為600w,冷卻噴管6的低溫氣體強(qiáng)制冷卻。徑向差溫?zé)嵝臉O限旋壓比為1.7，而傳統(tǒng)冷旋獲得的極限旋壓比為1.4，上述方法獲得的極限旋壓比得到提升。

以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。