一种直纹倾斜椭圆凹槽筒形件的轴径双向非对称旋压方法

本发明涉及金属筒形件非对称无模旋压，尤其涉及一种直纹倾斜椭圆凹槽筒形件的轴径双向非对称旋压方法。

背景技术：

1、当下航空航天领域飞速发展，装备轻量化需求愈发迫切。筒形薄壁壳、管、帽构件作为飞行器的核心承载结构，应用需求持续激增。这类零件多属于回转壳体范畴，而旋压工艺凭借高效率、低损耗、低成本的成形优势，成为加工的首选方案，在航空航天薄壁件生产中已实现了规模化应用。当前装备气动、装配设计不断迭代，零部件外形不再局限于标准轴对称结构，各类异形非对称薄壁件逐步成为研发刚需。

2、针对筒形件中部的非对称旋压成形工艺，贾震等人分别采用仿形旋轮与通用旋轮，完成了马鞍形管件、带直/钝角豁口管件的成形建模与加工试验，现有工艺仅能适配上述两类轮廓结构的管件加工。然而基于仿形旋轮的筒形件非对称旋压方案存在十分明显的局限性，成形轮廓受旋轮外形约束较大，无法加工结构更为复杂的非对称筒形件，难以满足复杂异形筒形件的生产需求。为突破现有旋轮成形轮廓的限制，弥补传统仿形旋压工艺的加工短板，直纹倾斜的椭圆轮廓凹槽筒形件就应运而生了。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明基于无模旋压的方式，提出了一种直纹倾斜椭圆凹槽筒形件的轴径双向非对称旋压方法，旨在满足产品预研、试制阶段异形件制造的小批量、急任务需求的同时，还可以解决筒形件中部非对称成形脱模难的问题，从而在根本上解决该类零件制造成本高、周期长、质量低的问题。

2、本发明提出了一种直纹倾斜椭圆凹槽筒形件的轴径双向非对称旋压方法，该方法包括如下过程：

3、获取筒形件的预成形凹槽的几何参数；

4、根据预成形凹槽的几何参数，求解旋压过程中旋轮沿筒形件轴向的非对称旋压变形路径方程，并建立旋轮轴向位置与筒形件任一径向截面直纹所处深度的映射关系；

5、求解旋压过程中旋轮沿筒形件径向进给的轨迹方程，并建立同一径向截面下筒形件的旋转角度与旋轮径向位置的映射关系；

6、根据旋轮轴向位置与筒形件任一径向截面直纹所处深度的映射关系和同一径向截面下筒形件的旋转角度与旋轮径向位置的映射关系，确定轴-径双向非对称旋压变形路径；

7、根据轴-径双向非对称旋压变形路径编写数控代码程序；

8、选定一台数控旋压机，将被旋压筒形件装夹在圆柱形芯轴和尾顶之间，装夹时保持预成形凹槽的加工位置处于中空状态；将通用旋轮安装于与旋压机主轴垂直的旋轮架上，并保持通用旋轮中心轴与被旋压筒形件主轴平行；

9、将编写好的数控代码程序输入数控旋压机，启动数控旋压机对被旋压筒形件进行加工，得到带预成形凹槽的筒形件。

10、进一步地，所述预成形凹槽为直纹倾斜椭圆凹槽；所述几何参数，包括：椭圆的半长轴、半短轴和倾斜角。

11、进一步地，所述求解旋压过程中旋轮沿筒形件轴向的非对称旋压变形路径方程，并建立旋轮轴向位置与筒形件任一径向截面直纹所处深度的映射关系，包括：

12、定义椭圆轮廓与筒坯转向轮廓素线交点为点；

13、以预成形凹槽沿筒形件轴向的截面为参考平面，以点为坐标原点，在参考平面上建立平面直角坐标系；所述平面直角坐标系的x轴沿筒形件轴向方向，y轴沿筒形件径向方向；

14、根据预成形凹槽的几何参数，建立旋转倾斜角后的椭圆曲线方程；

15、根据旋转倾斜角后的椭圆曲线方程，建立旋轮轴向位置与筒形件任一径向截面直纹所处深度的映射关系。

16、进一步地，所述根据预成形凹槽的几何参数，建立旋转倾斜角后的椭圆曲线方程，包括：

17、根据预成形凹槽的几何参数，建立原始椭圆的轮廓方程；所述原始椭圆为预成形凹槽的法向截面椭圆；

18、根据旋转矩阵的定义，将原始椭圆沿逆时针方向倾斜角，并建立旋转前后的坐标变换关系；

19、根据旋转前后的坐标变换关系和原始的椭圆轮廓方程，建立旋转倾斜角后的椭圆曲线方程。

20、进一步地，所述旋轮轴向位置与筒形件任一径向截面直纹所处深度的映射关系为：

21、；

22、其中，表示筒形件任一径向截面直纹所处深度；表示旋轮轴向位置；为原始椭圆的半长轴；为原始椭圆的半短轴。

23、进一步地，所述求解旋压过程中旋轮沿筒形件径向进给的轨迹方程，并建立同一径向截面下筒形件的旋转角度与旋轮径向位置的映射关系，包括：

24、定义筒形件径向截面圆的圆心为点，筒形件的半径为，任一径向截面上直纹所占的最大角度为；旋轮的圆心为点，旋轮的半径为；旋轮的径向位置为；

25、对于任意时刻，定义筒形件从起始时刻到时刻的旋转角度为，旋轮与直纹在径向截面上的接触点为点；

26、若，则筒形件处于无变形阶段；在无变形阶段中，旋轮的径向位置为定值；所述定值为筒形件的半径与旋轮的半径之和；

27、若，则筒形件处于变形阶段；在变形阶段中，建立同一径向截面上直纹所占的最大角度与直纹所处深度的映射关系，实时计算旋压过程中筒形件径向截面圆的圆心与点的距离，并基于余弦定理，计算旋轮的径向位置。

28、进一步地，所述建立同一径向截面上直纹所占的最大角度与直纹所处深度的映射关系，实时计算旋压过程中筒形件径向截面圆的圆心与点的距离，并基于余弦定理，计算旋轮的径向位置，包括：

29、以所述径向截面上过筒形件径向截面圆的圆心且竖直向上的方向为参考方向，定义单一径向截面上旋轮与筒形件变形区的初始接触点，在该参考方向上的正投影点为点，点与筒形件径向截面圆的圆心的距离为筒形件半径与直纹所处深度的差值；在由单一径向截面上旋轮与筒形件变形区的初始接触点、筒形件径向截面圆的圆心与点构成的三角形中，建立同一径向截面上直纹所占的最大角度与直纹所处深度的映射关系；

30、；

31、在旋压过程中，根据筒形件从起始时刻到时刻的旋转角度，计算筒形件径向截面圆的圆心与点的距离；

32、；

33、基于同一径向截面上直纹所占的最大角度与直纹所处深度的映射关系，根据筒形件径向截面圆的圆心与点的距离，建立筒形件径向截面圆的圆心与同一径向截面上直纹所处深度的映射关系；

34、；

35、根据余弦定理，计算变形阶段中旋轮的径向位置；

36、。

37、进一步地，所述轴-径双向非对称旋压变形路径，包括：旋压过程中，任意时刻下旋轮轴向位置、旋轮径向位置以及筒形件的旋转角度之间的对应关系。

38、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

39、本发明为带有独特直纹倾斜椭圆轮廓特征的筒形壳体零件，在预研试制阶段的特别需求提供了一种加工新方法。具体地，本发明方法采用无模旋压的方式，完全依靠旋轮在径向的进给和轴向的平移、旋轮旋转与被旋压筒形件的旋转运动相互配合进行旋压成形，是筒形件非对称旋压领域中一种新型的旋压方法，大大节省了制造仿形旋轮和芯模的工艺成本和时间，更加体现了旋压工艺高效节能的特点。本发明首次提出在筒形件上旋压成形直纹倾斜椭圆轮廓凹槽，为后续该类零件需求提供了加工的理论基础。通过本发明方法加工出的筒形状零件在航空航天、汽车及各类制造加工领域都具有潜在的应用价值。