一种基于分步进给的金属封严环液压成形方法及自动化装置

本发明涉及金属密封件制造领域，特别涉及一种应用在航空航天领域的基于分步进给的金属封严环液压成形方法及自动化装置。

背景技术：

1、金属封严环是航空航天发动机的燃烧室、机匣和管路等关键部位的核心密封构件，其在高温、高压及强振动等极端工况下的密封性能直接关系到航空航天发动机的安全性能、工作效率和使用寿命。例如某航空发动机w形封严环零件，其直径超过800mm，截面特征尺寸小于10mm，且壁厚仅为0.2mm，属于典型的大径厚比、超薄壁、复杂截面构件，对成形精度和制造装置提出了极高的要求。

2、传统封严环液压成形装置需配置一个主压缸用于合模锁紧，以承受内部高压胀形力，同时配备两个侧向同步进给缸用于轴向合模。在相同液压压力条件下，装置所需缸的吨位随着封严环公称直径的增大而呈平方量级增大。与此同时，侧向同步进给缸自身的尺寸与重量也随封严环公称直径的增加而不断增大，传统液压成型工艺要求的水平布置易使侧向同步进给缸发生一定角度的倾斜，在封严环直径放大效应的作用下，该倾斜会导致环向模具间距不均匀度过高，进而造成金属封严环零件环向高度分布不均。此外，在大吨位条件下，两台侧向同步进给缸的同步控制系统更加复杂，制造成本显著提高。上述问题不仅给封严环液压成形工艺的设备选型与制造带来了极大困难，也对工艺稳定性的控制构成了严峻挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，为此提供了一种基于分步进给的金属封严环液压成形方法及自动化装置，基于分步进给成形方法，能够简化成形装置的进给结构，同时提高金属封严环的成形精度和质量稳定性。

2、一种基于分步进给的金属封严环液压成形方法，包括如下步骤：

3、步骤1：将芯模与步进电机同下模板固定，将密封圈置于芯模外侧的密封槽中，将金属环坯套入芯模外侧，下模套入金属环坯外侧并与下模板固定，下模上端放置定位块，将过渡上模套入金属环坯外侧，过渡上模的下端面与定位块接触，过渡上模上端面放置立柱，将上模板放置于立柱上端面，将上模板与步进电机螺母固定。

4、步骤2：可编程逻辑控制器自动控制步进电机螺母下降施加预紧力，可编程逻辑控制器根据设定值控制比例溢流阀向金属环坯内部通入液压流体，使液压流体充满金属环坯内部，可编程逻辑控制器实时采集压力传感器自动调节液压力达到设定值，使金属环坯胀形；

5、步骤3：取出定位块，可编程逻辑控制器根据设定值自动控制步进电机螺母向下进给，直至可编程逻辑控制器实时采集位移传感器判断出过渡上模与下模送料贴合，成形出所需封严环的单个波形；

6、步骤4：拆卸步进电机螺母、上模板、立柱和过渡上模，将中模置于下模的上端面并固定，中模的上端面放置定位块，将上模套入金属环坯外侧，上模的下端面与定位块接触，上模上端面放置立柱，将上模板放置于立柱上端面，将上模板与步进电机螺母固定。重复步骤2、3，成形出所需封严环的全部波形。

7、步骤5：拆卸步进电机螺母、上模板、立柱，将锁模套环套入上模、中模、下模的外侧，重新安装步进电机螺母、上模板、立柱，可编程逻辑控制器自动控制步进电机螺母下降施加预紧力，向金属环坯内部通入液压流体，可编程逻辑控制器实时采集压力传感器调节高压整形液压力，使坯料紧贴成形区型腔，成形出封严环截面微小结构特征。

8、进一步地，步骤2中所述初始液压力为5~20mpa。

9、进一步地，步骤5中所述高压整形液压力为30~50mpa。

10、进一步地，所述金属环坯的材料为高温合金或不锈钢。

11、进一步地，所述金属环坯的直径大于500mm，壁厚为0.2~0.5mm。

12、同时，本发明又提出一种基于分步进给的金属封严环液压成形自动化装置，其特征在于，包括：金属环坯、步进电机、步进电机螺母、上模板、下模板、立柱、芯模、过渡上模、下模、中模、上模、密封圈、定位块、锁模套环、位移传感器、比例溢流阀、压力传感器、可编程逻辑控制器；

13、金属环坯为环形薄壁金属坯料；上模板与下模板为金属板材，中心有通孔用于避让步进电机的丝杠，下模板具有与步进电机连接的螺纹孔，上模板具有与步进电机螺母连接的螺纹孔；立柱为金属圆柱；芯模为环状内模，并设有液压油进油口；过渡上模、下模、中模、上模、为环装分瓣模具；密封圈为o型密封圈或y型密封圈；锁模环套为环装厚壁金属套；位移传感器用于采集过渡上模或上模的下端面与下模或中模的上端面之间的距离，压力传感器用于采集金属封严环内液压油的压力，比例溢流阀用于调节芯模中液压油的压力；可编程逻辑控制器用于实时采集位移传感器和压力传感器的数据，根据设定压力值通过比例溢流阀实时自动调节芯模中液压油的压力和控制步进电机螺母的位移量。

14、其中，所述芯模与步进电机同轴固定，所述密封圈设置于芯模外侧的密封槽中，所述金属环坯套设于芯模外侧，所述下模套设于金属环坯外侧并与下模板固定；所述定位块可拆卸地设置于下模或中模的上端；所述过渡上模或上模套设于金属环坯外侧，过渡上模或上模的下端面与定位块接触，上端面通过立柱支撑上模板；所述步进电机螺母与上模板固定连接，用于驱动上模板及过渡上模或上模沿轴向运动；所述锁模套环可套设于上模、中模、下模的外侧，用于在高压整形阶段锁紧模具。

15、本发明的有益效果在于：

16、1）本发明以分步进给的成形工艺，简化进给结构，降低设备要求，每步成形单个波形，通过采用步进电机作为轴向进给的驱动，替代传统金属封严环液压成形所需的两台侧向同步进给缸，将复杂的同步进给控制系统和主缸合模锁紧系统简化为步进电机螺母进给和锁模套环结构，区别于传统液压成形中依赖液压缸进给的方式，这种机械式进给结构显著简化了成形装置的进给系统，使大直径封严环的成形更易实现。

17、2）本发明构建了基于可编程逻辑控制器的自动化控制系统，实现了步进电机螺母位移与液压压力的协同控制。可编程逻辑控制器通过对比金属封严环内部压力和设定压力来调节比例溢流阀，以自动精准控制压力，步进电机螺母按照设定速度进给合模，通过实时采集位移传感器数据判断模具贴合状态，直至模具贴合并自动卸载压力，实现了从预紧、胀形到进给的全程自动化闭环控制，提高了成形过程的精度和重复性。

18、3）针对传统液压成形装置中模具和侧向同步进给缸采用水平布置方式时，因模具受自重的倾覆力矩而易发生倾斜，导致进给时模具间距在环向方向一致性差，使金属封严环在环向方向的成形高度不一致的问题，本发明将成形装置整体采用竖直布局，轴向进给方向与重力方向重合，消除了因水平布置时易产生的倾覆力矩与偏载现象，进一步为金属封严环的高精度、高稳定性成形提供可靠的保障。

1.一种基于分步进给的金属封严环液压成形方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于分步进给的金属封严环液压成形方法，其特征在于：在步骤2中，所述初始液压力为5~20mpa。

3.根据权利要求1所述的一种基于分步进给的金属封严环液压成形方法，其特征在于：在步骤5中，所述高压整形液压力为30~50mpa。

4.根据权利要求1所述的一种基于分步进给的金属封严环液压成形方法，其特征在于：所述金属环坯的材料为高温合金或不锈钢。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于分步进给的金属封严环液压成形方法，其特征在于：所述金属环坯的直径大于500mm，壁厚为0.2~0.5mm。

6.一种基于分步进给的金属封严环液压成形自动化装置，其特征在于，包括：金属环坯、步进电机、步进电机螺母、上模板、下模板、立柱、芯模、过渡上模、下模、中模、上模、密封圈、定位块、锁模套环、位移传感器、比例溢流阀、压力传感器、可编程逻辑控制器；其中，

7.根据权利要求6所述的一种基于分步进给的金属封严环液压成形自动化装置，其特征在于：所述芯模与步进电机同轴固定，所述密封圈设置于芯模外侧的密封槽中。

8.根据权利要求6所述的一种基于分步进给的金属封严环液压成形自动化装置，其特征在于：所述金属环坯套设于芯模外侧，所述下模套设于金属环坯外侧并与下模板固定。

9.根据权利要求6所述的一种基于分步进给的金属封严环液压成形自动化装置，其特征在于：所述定位块可拆卸地设置于下模或中模的上端；所述过渡上模或上模套设于金属环坯外侧，过渡上模或上模的下端面与定位块接触，上端面通过立柱支撑上模板。

10.根据权利要求6所述的一种基于分步进给的金属封严环液压成形自动化装置，其特征在于，所述步进电机螺母与上模板固定连接，用于驱动上模板及过渡上模或上模沿轴向运动；所述锁模套环可套设于上模、中模、下模的外侧，用于在高压整形阶段锁紧模具；所述可编程逻辑控制器采集位移传感器和压力传感器实时数据，根据设定值控制步进电机螺母位移量，以及调节比例溢流阀控制金属环坯内液压压力值，实现自动化成形效果。