中小型胀压成形汽车桥壳用阶梯形管坯的旋压-缩径成形方法
阅读说明：本技术 中小型胀压成形汽车桥壳用阶梯形管坯的旋压-缩径成形方法 (Spinning-reducing forming method of stepped pipe blank for small and medium-sized bulging forming automobile axle housing ) 是由 王晓迪 王连东 李德玮 高明 金淼 于 2020-12-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种中小型胀压成形汽车桥壳用阶梯形管坯的旋压-缩径成形方法。该方法首先将初始管坯左侧放入旋压机空心主轴箱,装卡管坯(11)中部,利用顶杆(2)顶住管坯(11)左端部,从距管坯(11)右端一定长度的位置进行反向旋压,经过变壁厚旋入、等壁厚旋压、变壁厚旋出得到变壁厚管坯,取件掉头后完成管坯左侧旋压减薄,然后对旋压后的管坯两侧进行自由推压缩径,整体退火后制得中小型胀压成形汽车桥壳用阶梯形管坯。本发明得到的阶梯形管坯壁厚增加值较自由推压缩径减少15%～25%,在满足产品强度刚度的同时重量减轻10%～15%；管坯两侧经过大变形减径时,中部不失稳；生产效率高,制造成本低,成形质量好。(The invention discloses a spinning-reducing forming method of a stepped pipe blank for a small and medium-sized bulging forming automobile axle housing. The method comprises the steps of firstly placing the left side of an initial pipe blank into a hollow spindle box of a spinning machine, clamping the middle part of the pipe blank (11), utilizing an ejector rod (2) to prop against the left end part of the pipe blank (11), carrying out reverse spinning from a position with a certain length away from the right end of the pipe blank (11), carrying out variable wall thickness screwing, equal wall thickness spinning and variable wall thickness spinning to obtain a variable wall thickness pipe blank, completing spinning and thinning the left side of the pipe blank after taking a part and turning around, then carrying out free pushing and reducing on two sides of the pipe blank after spinning, and carrying out integral annealing to obtain the small and medium-sized bulging forming stepped pipe blank for. The wall thickness increment of the stepped pipe blank obtained by the method is reduced by 15-25% compared with the wall thickness increment of the stepped pipe blank obtained by free pushing and reducing, and the weight is reduced by 10-15% while the strength and the rigidity of the product are met; when the two sides of the tube blank are subjected to large deformation and diameter reduction, the middle part of the tube blank is not unstable; high production efficiency, low manufacturing cost and good forming quality.)
技术领域
本发明涉及一种管件塑性成形技术领域，特别是涉及一种中小型胀压成形汽车桥壳用阶梯形管坯的旋压-缩径成形方法。
背景技术
汽车桥壳属于大尺寸变径异型截面管类零件，在汽车上既是承载件又是传力件，要求有较高的强度、刚度。目前主要用铸造方法和冲压焊接方法制造汽车桥壳，铸件的强度、刚度大，但费材、耗能且生产有污染，冲压焊接件质量轻，但焊缝性能偏低。胀压成形法是制造汽车桥壳的新方法，先将一定规格的无缝钢管两端减径制备出阶梯形管坯，再对阶梯形管坯中部液压胀形，最后对其内部充液后用模具压制成形，制得的汽车桥壳管件整体成形无焊缝，制件强度、刚度高，材料利用率高。
胀压成形汽车桥壳用阶梯形管坯，中间直管部分外径大两侧直管外径小，中部外径与两侧外径的比值大于1.60，中部直管与两侧直管之间锥形过渡；长度尺寸较大，一般大于1450mm。
胀压成形汽车桥壳用阶梯形管坯理论上可以通过缩经或旋压方法制备。中国专利（CN201310019329.8）公开的一种轻中型卡车无焊缝桥壳的整体成形方法，该发明对无缝钢管两端进行多道次大变形自由推压缩径（管坯缩径前后外径的比值一般在1.6-2.0）得到阶梯形管坯，但缩径后管坯壁厚增加50%以上，致使缩径后的管件重量大。中国专利（CN201310191757.9）公开的一种管坯双侧反向芯轴推压缩径模具及工艺，在缩径前先在管坯内部置入芯轴，使用缩径凹模对管坯两端由外向内推压缩径的同时，置于管坯内部的芯轴由内向外运动，该方法在一定程度上解决了缩径后壁厚增加值大的问题，但缩径成形过程中管坯中部易失稳，而且缩径后退模困难、管坯容易抱死在缩径凹模与芯轴之间。
中国专利（CN201710538600.7）公开的一种高精度管类缩径旋压用组合模具，主要由置于管坯内部的固定芯模、活动芯模、过渡环及尾顶盘等组成，活动芯模紧套在固定芯模外，固定芯模与尾顶盘通过过渡环夹紧活动芯模，这种组合模具适用于两端外径大中部外径小的阶梯形管坯缩径旋压，旋压过程较为稳定，旋压后管件成形质量高。中国专利（CN201010288774.0）公开的一种无缝气瓶正向旋轮热旋压收口方法，先将钢管收口段（长度较短）加热到920～1050℃，对钢管收口段进行6～7道次半椭球形正向封口旋压，再对所得半椭球形封头进行3～4道次底部增厚旋压，最后对封头表面进行光整旋压。
胀压成形汽车桥壳用阶梯形管坯中部外径大两侧外径小、长度尺寸大，无法使用中国专利CN201710538600.7中的芯模结构；若采用中国专利CN201010288774.0公开的内容，仅依靠外部旋轮进行大变形减径成形，需要经过多道次旋压，成形时间长、制造成本高，而且很难保证管坯的壁厚要求和成形质量，大变形旋压后表面会出现凹凸不平等现象。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种中小型胀压成形汽车桥壳用阶梯形管坯旋压-缩径成形方法。该方法在阶梯管坯左右两侧经过大变形减径后，壁厚增加值较自由推压缩径减少15% ~25%，在满足产品强度刚度的前提下重量减轻10% ~15%；管坯两侧经过大变形减径时，中部不失稳；并且生产效率高、制造成本低、成形质量好。
为实现上述目的，本发明提供一种中小型胀压成形汽车桥壳用阶梯形管坯旋压-缩径成形方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：选用外径φd0、壁厚t0、长度L0的初始无缝钢管管坯；
步骤2：在旋压机上装卡管坯，将初始管坯的左端放入旋压机空心主轴箱内，利用旋压机卡盘分块Ⅰ、Ⅱ及装在其上的夹持模分块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ夹紧初始管坯中部部分，顶杆驱动系统带动顶杆顶住管坯的左端面，芯棒驱动系统带动芯棒从管坯右端置入管坯内腔，旋轮驱动系统带动管坯前后两侧旋Ⅰ、Ⅱ轮置于距管坯右端长度L11的位置；
步骤3：管坯变壁厚旋入，旋压机主轴箱驱动卡盘分块Ⅰ、Ⅱ及夹持模分块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ带动管坯以n1的转速转动，位于管坯内部的芯棒与管坯同步转动，管坯前后两侧的旋轮Ⅰ、Ⅱ以速度v1沿轴向由右向左工进、以速度v2沿径向由外向内工进实现变壁厚旋入，使管坯壁厚由t0线性减薄至t1，满足t1=（0.75~0.85）t0，变壁厚旋入段长度L12=（0.18~0.23）φd0；
步骤4：管坯等壁厚旋压，管坯前后两侧的旋轮Ⅰ、Ⅱ停止径向工进，继续以速度v1沿轴向工进，实现管坯等壁厚减薄，该段的长度L13=（0.25~0.35）L0。
步骤5：管坯变壁厚旋出，管坯前后两侧的旋轮Ⅰ、Ⅱ以速度v1沿轴向工进，以速度v3沿径向由内向外退出，实现变壁厚旋出，使管坯壁厚由t1线性增厚至t0，该段轴向长度L14=（0.18~0.23）φd0；
步骤6：取件，旋压机主轴停止转动，芯棒驱动系统带动芯棒纵向退出，前后两侧旋轮系统带动前后旋轮Ⅰ、Ⅱ径向退出，夹持模分块Ⅰ、Ⅱ松开夹持的管坯，顶杆驱动系统带动顶杆向右移动，顶出管坯，卸料取件；
步骤7：对于管坯的左侧部分进行步骤（2）-步骤（6），完成管坯左侧部分的旋压。
步骤8：旋压后管坯两侧进行自由推压缩径，保持管坯中部L33长度的部分不变，对其两侧进行自由推压缩径得到特定的阶梯形管坯，中部两侧缩径部分外径减至φd2=（0.60~0.75）φd0，壁厚由t1增加至t2=（1.05~1.15）t0，端部外径由φd0减至φd3=（0.80~0.90）φd2，壁厚由t0增加至t3=（1.20~1.30）t0，中部管坯与两侧缩径部分之间锥面过渡，半锥角c1=15~25°，锥面与外径为φd2部分过渡圆弧R1=90~150mm，外径φd3的端部与外径φd2的部分之间锥面过渡，半锥角c2=15~25°，锥面与外径为φd3部分过渡圆弧R2=45~65mm。
步骤9：退火，将成形后的阶梯形管坯整体退火，退火温度T=750~880℃，整体退火后制得中小型胀压成形汽车桥壳用阶梯形管坯。
所述旋压减薄时，旋轮Ⅰ、Ⅱ轴向进给速度v1与主轴的转速n1比值为f=0.3~0.8mm/r。
所述管坯变壁厚旋入时，旋轮Ⅰ、Ⅱ轴向工进速度v1与径向速度v2之间满足v1/v2=30~40；管坯变壁厚旋出时，旋轮Ⅰ、Ⅱ轴向工进速度v1与径向速度v3之间满足v1/v3=30~40。
一种用于中小型胀压成形桥壳阶梯形管坯旋压-缩径成形方法的旋压机，所述旋压机由主轴箱、底座、卡盘驱动系统、旋轮驱动系统、芯棒驱动系统、芯棒组件、顶杆驱动系统及顶杆组成，其中：
所述主轴箱为空心结构，内部设置卡盘驱动系统。
所述卡盘驱动系统由主轴、拉杆、铰链Ⅰ、Ⅱ、夹盘、卡盘分块Ⅰ、Ⅱ及夹持模分块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ组成，卡盘驱动系统驱动拉杆纵向移动时，通过铰链Ⅰ、Ⅱ带动卡盘分块Ⅰ、Ⅱ及夹持模分块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ沿夹盘楔形面纵向移动，使夹持模分块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ夹紧、松开管坯，卡盘驱动系统转动时带动夹持的管坯一起转动。
所述旋轮驱动系统水平布置在前后两侧，由旋轮Ⅰ、Ⅱ、纵向进给组件Ⅰ、Ⅱ及在其上横向运动的径向进给组件Ⅰ、Ⅱ组成，旋轮Ⅰ、Ⅱ通过轴承安装在径向进给组件Ⅰ、Ⅱ上，由径向进给组件Ⅰ、Ⅱ带动实现径向进给与退出，纵向进给组件Ⅰ、Ⅱ由电机通过丝杠或由液压缸驱动实现纵向移动。
所述芯棒驱动系统由电机通过齿轮齿条机构驱动实现纵向移动，芯棒组件由芯棒、轴挡卡簧、轴承、轴承盖、芯棒支撑轴组成，芯棒组件通过芯棒支撑轴安装在芯棒驱动系统上。
所述顶杆驱动系统由电机通过丝杠或由液压缸驱动实现纵向移动，顶杆由顶杆驱动系统带动纵向移动，旋压时用于顶住管坯左端面，旋压后向右移动将旋压后管坯顶出。
所述旋压机用夹持模分块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ由6块相同结构的扇形体组成，每块扇形体左右两侧面夹角为45°，扇形体的轴向长度L5=（1.00~1.20）φd0，其外表面、内表面均为圆柱面，外表面直径φD1=（1.30 ~1.50）φd0，内表面直径φD2=（1.01 ~1.03）φd0。
所述旋压机用芯棒，右端带有阶梯形圆孔用于安装轴承，并通过轴承支撑在芯棒支撑轴上，旋压时芯棒可随管坯同步旋转；芯棒直径φdx1根据初始管坯的外径φd0、壁厚t0确定，φdx1=φd0-（2.10~2.20）t0。
本发明的有益效果是：该发明的阶梯管坯左右两侧经过大变形减径后，壁厚增加值较自由推压缩径减少15% ~25%，在满足产品强度刚度的前提下重量减轻10% ~15%；管坯两侧经过大变形减径时，中部不失稳。本发明生产效率高、制造成本低、成形质量好。
附图说明
图1是中小型胀压成形桥壳用初始无缝钢管；
图2是中小型胀压成形桥壳用初始管坯右端旋压完成后得到的变壁厚管坯；
图3是中小型胀压成形桥壳用初始管坯旋压完成后得到的变壁厚管坯；
图4是中小型胀压成形桥壳用初始管坯旋压后再减径得到的特定阶梯形管坯；
图5是中小型胀压成形桥壳用初始管坯旋压减薄用旋压机及工装示意图；
图6是中小型胀压成形桥壳用初始管坯旋压用芯棒组件；
图7是中小型胀压成形桥壳用初始管坯旋压用芯棒；
图8是中小型胀压成形桥壳用初始管坯旋压用夹持模分块主视图；
图9是中小型胀压成形桥壳用初始管坯旋压用夹持模分块左视图。
在上述附图中，1.主轴箱，2.顶杆，3.主轴，4.拉杆，5、5′.铰链Ⅰ、Ⅱ，6、6′.螺钉Ⅰ、Ⅱ，7、7′.螺钉Ⅲ、Ⅳ，8.夹盘，9a、9b.卡盘分块Ⅰ、Ⅱ，10a、10b、10c、10d、10e、10f.夹持模分块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，11.管坯，12、12′.旋轮Ⅰ、Ⅱ，13、13′.旋轮径向进给组件Ⅰ、Ⅱ，14.芯棒支撑轴，15、15′.螺钉Ⅴ、Ⅵ，16、16′.旋轮纵向进给组件Ⅰ、Ⅱ，17.底座，18.芯棒驱动系统，19.芯棒，20.轴挡卡簧，21.轴承，22.毡圈油封，23.螺钉Ⅶ，24.轴承盖。
具体实施方式
实施例
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明不局限于以下实施例。
实施例
针对某轴荷5t的胀压成形桥壳，所述中小型胀压成形桥壳阶梯形管坯旋压-缩径成形方法，包括以下步骤：
步骤1：选用外径φd0=φ203mm、壁厚t0=6mm、长度L0=1520mm的初始无缝钢管管坯11。初始无缝钢管管坯如图1所示。
步骤2：在旋压机上装卡管坯11，将初始管坯11的左端放入旋压机空心主轴箱1内，利用旋压机卡盘分块Ⅰ、Ⅱ（9a、9b）及装在其上的夹持模分块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ（10a、10b、10c、10d、10e、10f）夹紧初始管坯11中部部分，顶杆驱动系统带动顶杆2顶住管坯11的左端面，芯棒驱动系统18带动芯棒19从管坯11右端置入管坯11内腔，旋轮驱动系统带动管坯11前后两侧旋轮Ⅰ、Ⅱ（12、12′）置于距管坯11右端长度L11=30mm的位置。初始管坯右端旋压完成后得到的变壁厚管坯如图2所示。
步骤3：管坯11变壁厚旋入，旋压机主轴箱1驱动卡盘分块Ⅰ、Ⅱ（9a、9b）及夹持模分块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ（10a、10b、10c、10d、10e、10f）带动管坯11以n1=4r/sec的转速转动，位于管坯11内部的芯棒19与管坯11同步转动，管坯11前后两侧的旋轮Ⅰ、Ⅱ（12、12′）以速度v1=1.6mm/sec沿轴向由右向左工进、以速度v2=0.048mm/sec沿径向由外向内工进实现变壁厚旋入，使管坯11壁厚由t0=6mm线性减薄至t1=4.8mm，变壁厚旋入段长度L12=40mm。初始管坯旋压完成后得到的变壁厚管坯如图3所示。
步骤4：管坯11等壁厚旋压，管坯11前后两侧的旋轮Ⅰ、Ⅱ（12、12′）停止径向工进，继续以速度v1=1.6mm/sec沿轴向工进，实现管坯11等壁厚减薄，该段的长度L13=440mm。
步骤5：管坯11变壁厚旋出，管坯11前后两侧的旋轮Ⅰ、Ⅱ（12、12′）以速度v1=1.6mm/sec沿轴向工进，以速度v3=0.048mm/sec沿径向由内向外退出，实现变壁厚旋出，使管坯11壁厚由t1=4.8mm线性增厚至t0=6mm，该段轴向长度L14=45mm。初始管坯旋压后再减径得到的特定阶梯形管坯如图4所示。
步骤6：取件，旋压机主轴3停止转动，芯棒驱动系统带动芯棒19纵向退出，前后两侧旋轮系统带动前后旋轮Ⅰ、Ⅱ（12、12′）径向退出，夹持模分块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ（10a、10b、10c、10d、10e、10f）松开夹持的管坯11，顶杆驱动系统带动顶杆2向右移动，顶出管坯11，卸料取件。
步骤7：针对管坯11左侧部分按步骤2-步骤6进行，完成管坯11左侧部分的旋压。
步骤8：旋压后管坯11两侧进行自由推压缩径，保持管坯11中部460mm长度的部分不变，对其两侧进行自由推压缩径得到特定的阶梯形管坯11，中部两侧缩径部分外径减至φd2=φ125mm，壁厚由t1=4.8mm增加至t2=6.6mm，端部外径由φd0=φ203mm减至φd3=φ107mm，壁厚由t0=6mm增加至t3=7.4mm，中部管坯11与两侧缩径部分之间锥形过渡，半锥角c1=20°，锥面与外径φd2=φ125mm部分过渡圆弧R1=120mm，外径φd3=φ107mm的端部与外径φd2=φ125mm的部分之间锥面过渡，半锥角c2=20°，锥面与外径φd3=φ107mm部分过渡圆弧R2=60mm。
步骤9：退火，将成形后的阶梯形管坯11整体退火，退火温度T=750~880℃，整体退火后制得中小型胀压成形汽车桥壳用阶梯形管坯。
一种用于中小型胀压成形汽车桥壳用阶梯形管坯的旋压-缩径成形方法的旋压机，所述旋压机由主轴箱1、底座17、卡盘驱动系统、旋轮驱动系统、芯棒驱动系统18、芯棒组件、顶杆驱动系统及顶杆2组成。主轴箱1为空心结构，内部设置卡盘驱动系统。卡盘驱动系统由主轴3、拉杆4、铰链Ⅰ、Ⅱ（5、5′）、夹盘8、卡盘分块Ⅰ、Ⅱ（9a、9b）及夹持模分块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ（10a、10b、10c、10d、10e、10f）组成，卡盘驱动系统驱动拉杆4纵向移动时，通过铰链Ⅰ、Ⅱ（5、5′）带动卡盘分块Ⅰ、Ⅱ（9a、9b）及夹持模分块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ（10a、10b、10c、10d、10e、10f）沿夹盘8楔形面纵向移动，使夹持模分块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ（10a、10b、10c、10d、10e、10f）夹紧、松开管坯11，卡盘驱动系统转动时带动夹持的管坯11一起转动。旋轮驱动系统水平布置在前后两侧，由旋轮Ⅰ、Ⅱ（12、12′）、纵向进给组件Ⅰ、Ⅱ（16、16′）及在其上横向运动的径向进给组件（13、13′）组成，旋轮Ⅰ、Ⅱ（12、12′）通过轴承安装在径向进给组件Ⅰ、Ⅱ（13、13′）上，由径向进给组件Ⅰ、Ⅱ（13、13′）带动实现径向进给与退出，纵向进给组件Ⅰ、Ⅱ（16、16′）由电机通过丝杠或由液压缸驱动实现纵向移动。芯棒驱动系统18由电机通过齿轮齿条机构驱动实现纵向移动，芯棒组件由芯棒19、轴挡卡簧20、轴承21、轴承盖24、芯棒支撑轴14等组成，芯棒组件通过芯棒支撑轴14安装在芯棒驱动系统18上。顶杆驱动系统由电机通过丝杠或由液压缸驱动实现纵向移动，顶杆2由顶杆驱动系统带动纵向移动，旋压时用于顶住管坯11左端面，旋压后向右移动将旋压后管坯11顶出。中小型胀压成形桥壳用初始管坯旋压减薄用旋压机及工装如图5所示。
所述旋压机用芯棒19，右端带有阶梯形圆孔用于安装轴承21，并通过轴承21支撑在芯棒支撑轴14上，旋压时芯棒19可随管坯11同步旋转，芯棒19直径φdx1=φ190.3mm。所述旋压机用夹持模分块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ（10a、10b、10c、10d、10e、10f）由6块相同结构的扇形体组成，每块扇形体左右两侧面夹角为45°，扇形体的轴向长度L5=210mm，外表面、内表面均为圆柱面，外表面直径φD1=φ265mm，内表面直径φD2=φ210mm。
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