本發(fā)明涉及輕合金材料塑性加工，特別涉及一種餅形零件多向加載旋轉(zhuǎn)擠壓成形方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、餅形零件作為一類重要的結(jié)構(gòu)件，在航空航天、汽車制造、機械制造等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。常見的幾種餅形零件如圖1所示，傳統(tǒng)的餅形零件制造工藝主要包括鑄造成形和鍛造成形兩種。

2、1.鑄造工藝

3、鑄造成形工藝雖然能夠?qū)崿F(xiàn)餅形零件復(fù)雜特征的一次成形，并且具有較高的材料利用率（可達80%以上）和成形效率，但其固有的冶金缺陷，如偏析、縮孔和疏松等，以及晶粒粗化導(dǎo)致的力學性能不足，嚴重限制了其在高性能場景下的應(yīng)用。因此，對于需要在復(fù)雜環(huán)境中服役的餅形零件，仍需依賴塑性成形工藝來確保力學性能的可靠性。

4、2.鍛造工藝

5、鍛造方法又分為自由鍛和擠壓成形：

6、自由鍛是餅形零件較多使用的成形方法。該工藝沒有模具約束，投入成本低，操作時自由度較大，通過不斷變形可以優(yōu)化材料內(nèi)部組織，提高力學性能。但是該工藝受構(gòu)件復(fù)雜形狀的限制，無法直接成形帶孔/凸臺等特征的零件，成形精度較差，材料利用率極低，并且由于變形均勻性無法保證，導(dǎo)致零件的力學性能各向異性明顯。此外，產(chǎn)品質(zhì)量依賴人工經(jīng)驗，批次間的質(zhì)量波動較大，難以保證產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性。

7、擠壓成形工藝制造餅形零件有獨特的優(yōu)勢。在模具的約束下可以實現(xiàn)材料的可控流動，成形精度高，材料利用率優(yōu)，晶粒可以得到充分細化，性能強化優(yōu)勢顯著。但是現(xiàn)有的擠壓成形工藝對模具和設(shè)備的依賴程度較大，成形較為復(fù)雜的構(gòu)件需要多道次變形，生產(chǎn)周期長，由于成形設(shè)備額定載荷的限制，對需成形構(gòu)件的尺寸要求較為苛刻。不同形狀、尺寸的餅形零件需要不同的模具，模具的互換性差并且投入費用占比較高，此外，擠壓成形餅形零件的過程中材料中心和邊部應(yīng)變存在差異，導(dǎo)致性能各向異性，產(chǎn)品質(zhì)量一致性無法保證。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種餅形零件多向加載旋轉(zhuǎn)擠壓成形方法及裝置，旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高餅形零件的成形精度、材料利用率和力學性能一致性。

2、為達成上述目的，本發(fā)明的解決方案為：一種餅形零件多向加載旋轉(zhuǎn)擠壓成形方法，該成形方法所使用的成形裝置由上至下包括楔塊、分瓣模、底座和凹模；所述楔塊固定在楔塊驅(qū)動機構(gòu)上，并由楔塊驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動進行上下運動；一個分瓣模和一個底座為一組，兩組分瓣模和底座對稱分布；分瓣模由上模驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動進行上下運動和左右開合運動；兩個分瓣模的內(nèi)部形成錐形型腔，楔塊的形狀與錐形型腔相適配，當楔塊下行時迫使分瓣模發(fā)生張開運動；所述底座可拆卸式固定在分瓣模的底部，底座的底部凸設(shè)有錐形滾輪，錐形滾輪的軸線水平延伸，用于對坯料進行滾壓；所述凹模用于放置毛坯，其固定在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，并由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動進行旋轉(zhuǎn)運動；

3、該成形方法包括如下步驟：

4、先將毛坯固定放置在凹模內(nèi)，然后啟動設(shè)備對毛坯進行多次旋轉(zhuǎn)擠壓；

5、第一次變形：

6、上模驅(qū)動機構(gòu)帶動分瓣模下行，使錐形滾輪擠入毛坯，同時，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動凹模和毛坯旋轉(zhuǎn)；然后，楔塊驅(qū)動機構(gòu)帶動楔塊下行，迫使兩個分瓣模沿徑向張開，錐形滾輪由起點位置徑向向毛坯邊緣運動，直至錐形滾輪運動到毛坯邊緣，即完成第一次多向加載旋轉(zhuǎn)擠壓運動，毛坯厚度減薄，直徑擴大；

7、第二次變形：

8、完成第一次變形后，楔塊驅(qū)動機構(gòu)帶動楔塊上行，上模驅(qū)動機構(gòu)推動兩個分瓣模合并，使錐形滾輪回到第一指定位置；然后，分瓣模下行，使錐形滾輪再次擠入毛坯，楔塊下行，兩個分瓣模張開，直至錐形滾輪再次運動到第二指定位置，則完成第二次變形，毛坯厚度繼續(xù)減薄，毛坯直徑發(fā)生第二次擴大，重復(fù)該過程，直至完成毛坯到餅形零件的成形。

9、進一步，在預(yù)制毛坯時，在毛坯底部加工若干個凸臺，凹模型腔的腔底加工有與毛坯凸臺相匹配的凹槽，當毛坯放入凹模中時，其凸臺落入凹模的凹槽中，這樣，凹模旋轉(zhuǎn)時帶動毛坯同步旋轉(zhuǎn)。

10、進一步，所述分瓣模與底座通過楔形結(jié)構(gòu)固定連接，具體如下：分瓣模底部設(shè)有楔形燕尾槽，燕尾槽的寬度由內(nèi)向外逐漸增大，由上自下逐漸縮小，與之對應(yīng)的，底座頂部設(shè)有楔形燕尾滑臺，楔形燕尾滑臺的寬度同樣由內(nèi)向外逐漸增大，由上自下逐漸縮小，在裝配模具時，底座上燕尾滑臺較窄的一端對準分瓣模上燕尾槽較寬的一端徑向滑入，實現(xiàn)裝配。

11、進一步，所述底座與錐形滾輪的連接結(jié)構(gòu)如下：底座底部設(shè)有用于容納錐形滾輪的深槽，深槽兩側(cè)開設(shè)有安裝孔，利用一芯軸將錐形滾輪轉(zhuǎn)動設(shè)置在底座上；芯軸的一端設(shè)有掛臺，另一端設(shè)有卡槽，在安裝錐形滾輪時，芯軸具有卡槽的一端穿過錐形滾輪的軸孔和底座的安裝孔，使掛臺卡接在底座外部，然后使用卡箍卡入芯軸的卡槽內(nèi)，將芯軸固定。

12、進一步，所述錐形滾輪與芯軸之間安裝有銅套，用于減少兩者摩擦、磨損以及防止錐形滾輪卡死。

13、進一步，在成形前，先將底座和錐形滾輪加熱后，再安裝到分瓣模上。

14、進一步，在進行第二次變形時，錐形滾輪回到起點位置，再由起點位置運動至坯料邊緣，則形成無臺階的餅形零件。

15、進一步，在進行第二次變形時，錐形滾輪回到起點位置外側(cè)的第一指定位置，并由該第一指定位置運動至第二指定位置，則形成有臺階的餅形零件。

16、進一步，所述凹模的型腔為圓柱狀，以滿足餅形零件的成形需求；

17、分瓣模下部的內(nèi)側(cè)面為平面，外側(cè)面為圓弧形；底座的內(nèi)側(cè)邊為平面，外側(cè)面為圓弧形；合模后，底座的外徑小于凹模型腔的內(nèi)徑。

18、本發(fā)明還提供一種餅形零件多向加載旋轉(zhuǎn)擠壓成形裝置，用于實現(xiàn)上述的餅形零件多向加載旋轉(zhuǎn)擠壓成形方法，成形裝置由上至下包括楔塊、分瓣模、底座和凹模；所述楔塊固定在楔塊驅(qū)動機構(gòu)上，并由楔塊驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動進行上下運動；一個分瓣模和一個底座為一組，兩組分瓣模和底座對稱分布；分瓣模由上模驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動進行上下運動和左右開合運動；兩個分瓣模的內(nèi)部形成錐形型腔，楔塊的形狀與錐形型腔相適配，當楔塊下行時迫使分瓣模發(fā)生張開運動；所述底座可拆卸式固定在分瓣模的底部，底座的底部凸設(shè)有錐形滾輪，錐形滾輪的軸線水平延伸，用于對坯料進行滾壓；所述凹模固定在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，并由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動進行旋轉(zhuǎn)運動。

19、采用上述方案后，本發(fā)明的有益效果在于：

20、本發(fā)明提出的多向加載-旋轉(zhuǎn)擠壓成形方法相比于傳統(tǒng)工藝具有如下優(yōu)勢：

21、（1）本發(fā)明屬于局部連續(xù)塑性變形工藝，制造餅形零件時的成形載荷小，相比于傳統(tǒng)整體成形工藝，成形力可降低90%以上，使得使用較小的設(shè)備也可以成形出大尺寸構(gòu)件，突破了傳統(tǒng)設(shè)備對零件尺寸的限制；

22、（2）相比于傳統(tǒng)工藝制造餅形零件會出現(xiàn)芯部和邊部應(yīng)變不一致而導(dǎo)致性能差異大的問題，本發(fā)明使用錐形滾輪局部成形代替?zhèn)鹘y(tǒng)整體成形，使零件邊部和芯部變形量基本一致，應(yīng)變均勻性提升明顯，力學性能各向異性弱；

23、（3）傳統(tǒng)工藝成形不同類型的餅形零件需要設(shè)計不同的模具，模具互換性差，投入成本較高，生產(chǎn)周期長。而本發(fā)明提出的方法使用相同的錐形滾輪即可實現(xiàn)不同類型餅形零件的成形，只需通過調(diào)整分瓣模的張開和下行距離來控制成型過程，操作簡便且模具成本投入?。?/p>

24、（4）本發(fā)明的底座與分瓣模設(shè)計為便于拆裝的連接方式，當成形溫度敏感性較高的材料時，如鎂合金，可以單獨加熱底座及其錐形滾輪部分，拆卸安裝方便，不僅適用于冷成形，更適用于熱成形；

25、（5）相比于傳統(tǒng)整體成形，本發(fā)明使用錐形滾輪局部成形，對材料流動的可控性更強，成形過程中產(chǎn)生折疊的風險更小，并且材料利用率更高。