某导弹电器舱壳体旋压加工工艺设计.doc
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1、目 录1 引言 11.1 国内外旋压研究现状及旋压的发展趋势 11.1.1 国内外旋压研究现状 11.1.2 旋压的发展趋势 31.1.3 某导弹电器舱的功用 41.2 研究的目的 42 强力旋压特点介绍 52.1 强力旋压介绍 52.1.1 强力旋压特点 52.1.2 金属流动方向 52.2 道次减薄率的选择原则 62.2.1 旋压道次的确定 62.2.2 旋压工艺方法 93 旋压加工方式的选择103.1 加工方式的选择103.1.1 影响材料可旋性的外部条件103.1.2 产生缺陷的原因和影响精度的因素103.2 强力旋压零件图的制定113.3 工序安排113.4 热处理124 工件计算1
2、35 毛坯的计算155.1 选用毛坯155.1.1 选用要求155.1.2 选用标准155.2 毛坯体积计算及长度的确定176 旋压设备的选择196.1 旋压参数196.1.1 旋压力的计算196.1.2 旋压变形功率216.2 设备的选择217 旋压时的冷却和润滑228 旋压参数的确定238.1 进给比和芯模转速的确定238.1.1 进给比的确定238.1.2 主轴转速的选择268.2 多轮旋压时轮间错距和间隙的确定288.2.1 多轮旋压时轮间错距的确定288.2.2 旋轮与芯模之间间隙的确定289 芯模设计319.1 材料的选用319.2 芯模主要尺寸及技术要求的确定3110 旋轮设计
3、3410.1 材料的选用 3410.2 技术要求 3410.3 旋轮安装要求 3410.4 旋轮参数的确定 3410.5 轴承的选择 3811 尾顶装置 3911.1 材料选用 3911.2 设计数据的确定 3912 结论 43参考文献 45致谢 471 引言旋压是一种综合了锻压、挤压、环轧、拉伸、弯曲和滚压等工艺特点的少或无切削加工的先进工艺,它适用于各种薄壁空心回转体零件的加工成形,具有广阔的应用范围1。长期以来,筒形件强力旋压被公认是制造薄壁长筒体的最有效的方法之一,但强力旋压又是一种典型的局部加载、受力和变形的成形工艺。塑性变形区只局限于旋轮与毛坯的接触区域,而周围多数为弹性区,其受力
4、状态非常复杂,特别是加工厚壁毛坯,出现内层坯料变形不透明更增加了受力状态的复杂性,因此对加工坯料的厚度有一定的限制。1.1 国内外旋压研究现状及旋压的发展趋势1.1.1 国内外旋压研究现状 强力旋压相对于普通旋压发展比较迅速。筒形件强力旋压成形在生产薄壁超长高精度筒形件时具有突出的优点,故得到广泛的应用。随着旋压的发展,建立了筒形件强力旋压的平面应变力学模型,通过刚塑性有限元方法,分别模拟了正旋和反旋变形过程,发现旋压变形是不均匀的,在靠近旋轮处变形较大,靠近芯模处变形较小2。而且,发现旋压同样长度的工件,正旋所需的时间是反旋的两倍,这与实际生产结果基本吻合。也正是由于反旋相对正旋具有较高的生
5、产率,以及模具简单,工件长度不受芯模长度和旋轮纵向行程的限制等优点,反旋的应用范围较广,对其研究也比较深入。到目前为止,其旋压力的计算、工艺参数的选择和工艺合理的制定等方法还都不成熟,急待进一步解决,以更加切合实际。而旋压力计算方法忽然工艺参数的选择研究一直是旋压力工作研究的重中之重。随着计算机技术的扩展应用和数值分析方法向更宽领域的深入,以计算机为基础发展起来的有限元数值模拟方法和CAD/CAM系统已成为现代塑性加工领域不可缺少的技术。有限元数值模拟型以及复杂的变形过程和边界条件的塑性加工。特别是近几年来,有限元法在分析强力旋压成形工艺的受力分析、工艺参数的优化和合理选择等方面取得了很大发展
6、。而以有限元和数控技术为背景的CAD系统则结合了人工智能技术、专家知识和CAD技术,解决了工艺参数选取靠经验,设计、试制费用高以及手工编程困难等造成的产品设计周期长的缺点,避免了人为的因素,能快速高效的制定出合理的强力旋压工艺方案3。采用三维刚塑性有限元,考虑了旋轮的几何轨迹,旋轮与毛坯的接触界面的形状,以及毛坯随芯棒的旋转运动,对筒形件反旋加工进行了分析4。分析结果表明,旋轮作用区周向两侧存在两个产生切向收缩变形的区域,当两侧区域的收缩变形大于旋轮作用区的切向伸长量时,就产生了缩径。在此基础上,运用三维弹塑性有限元,以三旋轮筒形件强力旋压为对象,取毛坯的1/3 建立力学模型,考虑旋轮与毛坯及
7、毛坯与芯模的接触问题,过给定旋轮初始位移进行加载,对反旋成形过程进行数值模拟,得到了变形区应力与应变场的基本分布规律56。结果发现,筒形件强旋时,与旋轮接触区的坯料金属径向被压缩而沿轴向和切向流动引起整个坯料的轴向微量不均匀伸长。正是由于强力旋压过程中不均匀的塑性变形,在旋压件内会产生残余应力,残余应力的大小及其分布规律对旋压件的使用性能产生严重影响。应用商用ABAUQS软件,运用三维动态显式有限元法,计算分析了三旋轮强旋残余应力的问题7。运用弹塑性有限元法也模拟了旋压件内的残余应力的分布8。这些研究结果表明: 减薄率、进给比、旋轮工作角、毛坯壁厚、材料性能等因素都影响残余应力的分布,其中随减
8、薄率的增大,残余应力绝对值亦增加;在整个壁厚方向上,轴向残余应力的绝对值比切向残余应力的绝对值大,也就是说,筒形件旋压时,切向变形量较小9。由于强力旋压主要通过壁厚减薄实现,所需要的旋压力相对普旋比较大,而旋压力的大小是确定旋压工艺参数、设计旋压工具和选用旋压设备的重要依据,因此在强旋研究中,求解旋压力仍然是一个需要深入研究的课题。除了理论分析与试验相结合的方法外,人们还尝试用三维刚塑性有限元法对强旋力进行分析。筒形件强旋过程中,筒形坯料与旋轮之间的相对运动实际上是一个螺旋式的送进过程,旋轮与坯料局部接触,触区域为旋轮锥面与毛坯螺旋面和柱面的相贯部分。根据强旋时的实际接触情况, 采用数值计算方
9、法分别计算了筒形件正旋和反旋时的旋压力,系统分析了旋轮工作角、旋轮圆角半径、减薄率、进给比、旋轮直径及毛坯原始壁厚等各工艺参数对旋压力的影响,其中旋轮圆角半径的影响比较小10。另一方面,由于个性化、复杂形状零件的出现,人们对新型材料的可旋性、异形件旋压成形以及不同预制坯旋压加工等方面也进行了初步探讨。1.1.2 旋压的发展趋势旋压技术水平的提高,在很大程度上决定于旋压机的发展,因而旋压机的发展水平是旋压技术提高的主要标志。多少年来,随着旋压工艺应用范围的日益扩大,旋压机从结构、性能、控制方式和品种系列等方面都在不断的改进和发展。目前旋压机总的发展趋势是向着大型化、系列化、自动化、高精度和多用途
10、的方向发展。随着旋压技术的飞速发展, 在上述研究基础上,如果对以下几个方面进行系统深入的研究, 将对发展旋压理论与技术具有重要意义。(a)多道次旋压加工数值模拟力学模型的完善。旋压成形是局部连续塑性变形过程, 其中包括物理非线性、几何非线性, 具有复杂的边界条件,而且在变形过程中,局部和整体的相互影响和相互制约非常复杂,因此在运用计算机数值模拟方法研究其成形规律过程中,通常进行了大的简化假设。但是,由于产品正朝着多样化、精密化发展,要求更加符合生产实际的、精确的多道次旋压成形规律。因此,在今后的研究中,为了提高模拟计算的精度,模型应由二维推广到三维,从小变形刚塑性转向大变形弹塑性,并且充分考虑
11、边界条件非线性影响的方向发展。(b)多道次旋压的旋轮轨迹确定。确定旋轮轨迹需要考虑毛坯和工件尺寸、材料性能、旋轮形状、进给量和速度等诸多工艺参数的影响,目前仍依赖于生产经验和大量的试验来确定。为此,利用计算机技术,运用数值模拟方法,在精确成形规律研究的基础上,结合数控旋压机床,研究确定多道次旋压过程中各道次合理的旋轮轨迹,已经成为目前迫切需要解决的问题。(c)成形极限和成形质量的研究。 虽然对于旋压成形进行了大量的研究,并取得了很多有价值的结果,但对于它的成形极限和成形质量问题却一直未见报道,而成形极限、成形质量问题直接涉及到所要求加工零件形状、及材料变形能否顺利成形,对于加工形状复杂零件或高
12、强度难变形材料更是如此。1.1.3 某导弹电器舱的功用导弹电器舱是导弹结构的关键件,作为弹身一部分,它的功用是装载有效载荷、各种设备及推进装置等,并将弹体各部分连接在一起。电器舱对导弹气动布局的影响巨大,表面质量,硬度,耐腐蚀性能,都影响着导弹的总体性能。为了达到设计要求,本研究课题采用强力旋压加工方式。1.2研究的目的多道次旋压可以降低每次旋压的旋压力、提高模具的寿命和提高旋压变形的总减薄率。但是,多道次旋压显然降低了旋压生产率,因而,旋压次数以尽可能少为原则。根据零件结构和要求的不同,旋压次数一般为14次。本设计采用多轮错距旋压,则既可基本保留多道次旋压的优点,又不致降低旋压的生产率,因而
13、被认为是较先进的方法,但旋压机的结构较复杂。旋压加工具有高度的柔性和产品质量高等成形特点,在航空航天等领域中得到越来广泛的应用。近年来,随着计算机技术和有限元方法的发展,旋压技术工艺理论研究在变形机理、受力分析及工艺参数选取等方面得到进一步的发展,而对于成形极限、成形质量和多道次旋轮轨迹的确定等方面的问题则成为今后研究的重点11。在旋压生产中,采用大的减薄率显然可以减少旋压次数,提高生产效率,并可获得较显著的强化材料的效果。2 强力旋压特点介绍2.1 强力旋压介绍2.1.1 强力旋压特点 强力旋压变形是通过旋轮对工件的极小部分施加压力来实现的,这种局部变形通过工件的旋转运动和旋轮的进给运动而沿
14、螺旋线逐步推进,完成整个工件的成形工作。 根据材料变形的塑陛条件,对于一定的材料种类,在一定的变形条件下,材料进入塑性状态所需的单位压力是一定的。因此。工具对材料的加压面积越小,则所需总压力也越小。强力旋压由于其变形的局部性而能够用小吨位设备完成大的金属变形量,使成形的效率提高,但由于其变形的渐进性,使成形的时间增长而生产效率降低。2.1.2 金属流动方向旋轮和工件都是旋转体,两者互相接触而加压时,作为刚体的旋轮将压入作为塑性体的工件,其接触面为旋轮工作表面的一部分,接触面的轮廓是旋轮形体与工件形体的相贯线。图2.l是筒形件旋压时旋轮与工件的接触情况,图中示出了接触面ABCD的三面投影。ABC
15、段是旋轮前锥面与工件的接触面,CD段是旋轮后锥面与工件的接触面,前者是接触面的主要部分。不同的旋轮工作面形状将具有不同的接触面形状,接触面的大小则决定于旋轮的结构数据、旋压的工艺参数和工件的直径。图2.1 旋压受力图强力旋压时的变形程度一般用工件壁厚的减薄率R0来表示: (2.1)式中 t0毛坯的壁厚; 旋压件的壁厚。 旋压变形只发生在工件与旋轮的接触面附近的一个很小的范围内,金属在受压后同时向三个方向流动:图2.2旋压组织(1)沿旋轮圆角反向流动,使工件增长,这是基本的流动方向; (2)向旋轮的前方流动,使旋轮前方材料隆起,并引起扩径,带来一系列不利因索,但一般情况下金属在这个方向的流功数量
16、很少; (3)沿周向流动,引起工件纵剖面的扭曲,但金属在这个方向上的流动数量也很少。 显然,在实际生产中应尽可能促进金属在上述第一个方向上的流动,而减少在后两个方向上的流动。2.2 道次减薄率的选择原则2.2.1 旋压道次的确定多道次旋压可以降低每次旋压的旋压力、提高模具的寿命和提高旋压变形的总减薄率。但是,多道次旋压显然降低了旋压生产率,因而,旋压次数以尽可能少为原则。根据零件结构和要求的不同,旋压次数一般为14次。如果采用多轮错距旋压,则既可基本保留多道次旋压的优点,又不致降低旋压的生产率,因而被认为是较先进的方法,但旋压机的结构较复杂12。 根据某些工厂的实践经验,筒形件一次旋压的减薄率
17、宜取3050,并以40较为合适。对于薄壁件,当壁厚为0.70.5毫米时,一次旋压的减薄率以3040为宜;当壁厚为0.300.25毫米时,一次旋压的减薄率以2025为宜。但一次旋压的减薄率不宜过小,否则旋压件的回弹量太大,影响旋压件的精度。锥形件旋压中一次旋压的锥角减小量以不小于10为宜。 材料进行强力旋压时的壁厚减薄率,有总减薄率和道次减薄率两种。总减薄率不是各道次减薄率的简单总和,而是各道次减薄率以一定形式的组合,其关系如式2.2所示: (2.2)总减薄率决定于旋压工艺的安排。在这里,我们主要研究道次减薄率,即在一次旋压行程中减薄率大小对旋压变形的影响。 在旋压生产中,采用大的减薄率显然可以
18、减少旋压次数,提高生产效率,并可获得较显著的强化材料的效果。但是,减薄率除受到材料可旋性和旋压设备能力的限制外,在工艺上还受到旋压件精度要求的限制13。 如所周知,材料在旋压时的隆起与减薄率的关系十分密切。随着减薄率的增大,材料的隆起迅速增大,导致旋压件表面质量的下降。减薄率过大时,由于材料隆起严重,将使旋轮下的局部变形处于不稳定状态,从而不仅大大的增大了旋压力,而且使旋压无法正常进行。 根据国外对圆筒形零件的旋压试验结果(AD25gO22)可知:当减薄率在30以下的范围内变动时,旋压件的壁厚偏差和内径偏差随着减薄率的增大而有所减小;当减薄率大于30时,旋压件的壁厚偏差和内释偏差都随着减薄率的
19、增大而明显增大。而且其增量越来越大。因此,为了保证旋压件的精度,一般认为一次旋压的减薄率以30如左右为好。 另外,根据国外莱脱公司的试验,证明许多材料在一次旋压中取减薄率为3040(个别材料为2030)时,可达到最高的旋压件尺寸精度。对除铝合金外的普通材料进行筒形变薄旋压时,一道次的壁厚减薄率可以达到0.70.8,但是考虑到旋压件的精度和表面质量而取R=0.55为限14。要达到更大的壁厚减薄率就需要进行多道次旋压。如果每道次都要改变旋轮形状而更换旋轮就会降低生产率。表2.1 不同材料在一次强力旋压中的减薄率把旋轮顶端圆角半径取为工件壁厚t0的十倍以小,就可以用一个旋轮完成全部道次。在多道次旋压
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- 导弹 电器 壳体 加工 工艺 设计
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