[0001] 本发明属于激光加工领域，具体涉及一种基于激光加工的波纹膜片成型系统及方法。

[0002] 膜盒式端面密封是液体火箭发动机涡轮泵的关键件，而其中膜盒的质量好坏将决定发动机涡轮泵的密封寿命，膜盒结构如图1所示，是由多对膜片Ⅰ与膜片Ⅱ通过内圆焊缝H1与外圆焊缝H2连接组合而成。膜片Ⅰ与膜片Ⅱ的内外径以及波形尺寸完全一致，膜片Ⅰ为外圆高、内圆低，膜片Ⅱ为外圆低、内圆高。膜片Ⅰ与膜片Ⅱ的厚度一般小于0.3mm，内圆焊缝H1与外圆焊缝H2要求熔池均匀、对称，焊菇尺寸的散差需控制在±0.02mm以内，且膜盒要经过1.5～2.5MPa的气密检查以及200～800万次的疲劳试验，基于此，对膜片的加工提出了较高的要求。同时，膜片零件需具有壁薄、波纹型面精度较高、各个形位公差的公差带较小等特点，为了使膜片的焊接符合要求，膜片零件的内、外圆要求无毛刺且在去除毛刺时不允许伤及膜片基材。由于膜片具有薄壁易变性的特点，各个形位尺寸只能依靠模具保证，属于典型的精密冲压零件，因此模具的设计、制造及冲压时冲床的调整是生产出合格膜片的关键。

[0003] 现有的波纹膜片成型模具为集落料、冲孔和波纹成型功能于一体的复合模具，冲压时在膜片完全成型的情况下再进行内、外圆的冲裁，该类模具虽能满足目前液体火箭发动机的生产交付要求，但仍存在以下一些不足之处：

[0004] (1)由于膜片加工属于典型的薄料冲裁，这对模具的精度要求极高，模具的加工难度很大，加工周期较长，成本较高。

[0005] (2)由于复合模具先完成波形的成型，然后再完成外圆的落料和内圆的冲孔，波形成型后在内应力作用下冲孔与落料部位会发生翘曲，在冲孔和落料产生的不同向内应力叠加作用下使零件内、外圆均具有一定的椭圆度，导致组装时待焊部位存在错边缺陷，影响焊接质量。

[0006] (3)复合模具使用一定时长后，凸模和凹模的刃口处会发生损伤、变钝，易导致冲制好的膜片焊口处存在缺肉现象，进而影响后期的焊接质量。

[0007] (4)由于膜片内圆冲孔和外圆落料是依靠凸模和凹模的刃口冲裁而成的，刃口间隙很难修正，导致冲压的膜片焊口处存在毛刺，影响焊接质量。

[0008] (5)对于大直径的膜片，由于波形成型应力与冲孔、落料应力都比较大，在各向应力叠加作用下，膜片的椭圆度更为严重，甚至无法满足焊接要求，因此需要采用专门夹具在车床上切削内孔、外圆，切削后圆度以及内、外圆尺寸满足要求，但是膜片的内孔、外圆与膜片的波纹型面同轴度会变差，甚至会导致膜盒在工作压缩时，型面发生干涉。

[0009] (6)目前的膜片冲压设备为液压冲床，液压冲床所在车间工作环境较差，冲压过程由送料机自动送料，液压冲床连续冲压，冲压过程如有颗粒较大的杂质落在复合模具型腔或原材料上，会导致冲制成型的膜片表面存在凹坑、划伤等缺陷。由于冲制过程的连续性，该缺陷不易发现，待发现时，膜片报废数量则已增多，进而造成膜片冲制合格率较低。

[0059] 以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0060] 结合图5和图6所示，本实施例提供一种基于激光加工的波纹膜片成型系统，包括主控单元、激光切割机1、装配平台、自动分拣装置、传送机构2、拉压试验机3以及至少一个波纹成型模具4。该系统的工作环境为10万级洁净间，加工的膜片成品表面不存在凹坑、划伤等缺陷。

[0061] 激光切割机1用于将膜片原材料切割至预设尺寸，得到膜片坯料；装配平台用于放置波纹成型模具4，波纹成型模具4用于夹持膜片坯料，并在拉压试验机3的作用下对膜片坯料进行波纹成型；传送机构2位于激光切割机1和拉压试验机3之间，用于将波纹成型模具4连同膜片坯料运送至拉压试验机3。拉压试验机3为万能拉压试验机，用于通过压制波纹成型模具4使膜片坯料的波纹成型。

[0062] 主控单元包括上位机5和与上位机5连接的控制器6。控制器6分别与激光切割机1、传送机构2及拉压试验机3连接，上位机5通过控制器6分别对激光切割机1的激光功率、激光扫描速率、激光加工次数等参数进行设定，对传送机构2的传送速度进行设定，对拉压试验机3的下压速度、最大下压力等参数进行设定，并按照加工路径分别控制激光切割机1、传送机构2及拉压试验机3的启动和停止。

[0063] 装配平台包括第一装配台7和第二装配台8；自动分拣装置包括分别与控制器6连接的第一分拣装置9和第二分拣装置10，上位机5通过控制器6分别对第一分拣装置9和第二分拣装置10的动作路径、坐标等参数进行设置，并控制其启动和停止。

[0064] 此外，上位机5还用于存储膜片相关信息，并且将上述信息通过控制器6转化为程序指令，再由控制器6将程序指令同时发送至激光切割机1、传送机构2、拉压试验机3、第一分拣装置9、第二分拣装置10；上位机5实时采集并存储控制器6反馈的激光切割机1、传送机构2、拉压试验机3、第一分拣装置9、第二分拣装置10的所有数据信息，上位机的采样频率不小于1Hz。

[0065] 控制器6为可编程控制器或单片机，其运算速度高于激光切割机1、传送机构2、拉压试验机3、第一分拣装置9和第二分拣装置10中对应的传感器或执行机构最高响应频率的5倍。

[0066] 第一装配台7位于激光切割机1与传送机构2的输入端之间，第一装配台7上设有多个指定工位，用于分别存放波纹成型模具4以及经激光气割机1加工好的膜片胚料。第一分拣装置9靠近第一装配台7设置，用于抓取膜片坯料，将膜片坯料从激光切割机1上取下，并在第一装配台7上将波纹成型模具4和膜片坯料装配后放置于传送机构2的输入端。第一分拣装置9的工作角度为±360°，激光切割机1、第一装配台7及传送机构2的输入端均布置在第一分拣装置9周围，且位于第一分拣装置9的工作范围内。

[0067] 第二装配台8位于拉压试验机3远离传送机构2的一侧，第二装配台8上设有多个指定工位，用于分别存放波纹成型模具4以及膜片成品。第二分拣装置10靠近拉压试验机3设置，用于将装配后的波纹成型模具4和膜片坯料从传送机构2的输出端转移至拉压试验机3上，再将经拉压试验机3压制成型的膜片以及波纹成型模具4转移至第二装配台8，并将压制成型的膜片从波纹成型模具4中取出。第二分拣装置10的工作角度为±360°，传送机构2的输出端、拉压试验机3、第二装配台8均布置在第二分拣装置10周围，且位于第二分拣装置10的工作范围内。

[0068] 第一分拣装置9、第二分拣装置10分别设置有吸盘功能与夹持功能，吸盘功能用于抓取、运送膜片胚料以及膜片成品，夹持功能用于抓取、运送膜片波纹波纹成型模具4，第一分拣装置9、第二分拣装置10在抓取、运送产品时振动频率一般不超过0.6Hz，振动幅度一般不超过0.2mm。

[0069] 波纹成型模具4包括圆环状阳模41和位于阳模41下方且与阳模41同轴设置的圆环状阴模42。

[0070] 阳模41的下表面设有与其同轴的环形凸台411，且环形凸台411的下端面设有与膜片成品一侧面相适配的第一波纹面412。环形凸台411内圆面C、外圆面D的直径分别与膜片坯料内圆面的直径I、外圆面的直径J相适配。

[0071] 阴模42的上表面设有与其同轴且与环形凸台411相适配的环形凹槽421，环形凹槽421的槽底设有与膜片成品的另一侧面相适配的第二波纹面422。

[0072] 阳模41与阴模42装配后，环形凸台411和环形凹槽421形成膜片胚料放置空间E，波纹成型模具4工作时，膜片胚料与阳模41依次装入阴模42内，膜片胚料内圆面、环形凸台411的内圆面C与环形凹槽421的内圆面F形成间隙配合，膜片胚料外圆面、环形凸台411的外圆面D与环形凹槽421的外圆面G形成间隙配合，以上间隙配合的单边配合间隙均为0.01～0.02mm。

[0073] 环形凸台411的内圆面C与外圆面D、环形凹槽421的内圆面F与外圆面G、激光加工后的膜片胚料的内圆与外圆，三处同轴度均≤0.02mm，膜盒在工作压缩时，型面不会发生干涉。

[0074] 第一波纹面412和第二波纹面422应分别预留10～15％的回弹量，保证冲制的膜片波形满足设计要求。阳模41和阴模42热处理后的硬度应满足HRC56～62。

[0075] 本实施例的波纹成型模具4仅由阴模42、阳模41两个零件组成，加工难度小，周期短，成本低，通用性强，可简化工艺流程、减少准备工序、缩短生产周期长、进而减小了生产能耗。

[0076] 不同于传统复合模具集外圆落料、内圆冲孔和波纹成型功能于一体的加工方法，本发明可以将外圆落料、内圆冲孔与波纹成型分步进行，首先由激光切割机完成外圆落料、内圆冲孔两个工序，加工成膜片胚料，然后由波纹成型模具配合万能拉压试验机将膜片胚料波纹成型加工为膜片成品。

[0077] 本实施例可以同时配置多个波纹成型模具4，上位机5可以根据波纹成型模具4的数量，自动生成第一装配台7、第二装配台8的工作工位及坐标，以及第一分拣装置9、第二分拣装置10的抓取路径及抓取坐标，然后自动识别并设定传送机构2应匹配的传动速度，形成流水线生产。

[0078] 本实施例适用于加工壁厚范围为0.05‑0.3mm的波纹膜片，波纹膜片的材料包括但不限于：AM350、17‑7PH、PH15‑7Mo、17‑4PH、Inconel718、07Cr17Ni7Al、07Cr15Ni7Mo2Al、09Cr17Ni5Mo3N、06Cr17Ni7AlTi、GH2132、GH4169、GH2696等，上述波纹膜片的原材料应选用固溶态。

[0079] 本实施例基于激光加工的波纹膜片成型方法包括以下步骤：

[0080] 【1】准备膜片原材料，清洗并吹干后放置于激光切割机1的加工台上；再将多组阳模41、阴模42清洗并吹干，然后分别放置在第一装配台7的指定工位上。

[0081] 通过上位机5预先设定激光切割机1的激光功率、激光扫描速率、激光加工次数等参数，传送机构2的传送速度、万能拉压试验机3的下压速度、最大下压力等参数，以及第一分拣装置9、第二分拣装置10的动作路径、坐标等参数，同时录入膜片批次、数量等相关信息，此时上位机5、控制器6、激光切割机1、传送机构2、万能拉压试验机3、第一分拣装置9、第二分拣装置10处于待机状态。

[0082] 【2】上位机5将设定的参数和产品批次、数量等相关信息通过控制器6转化为程序指令，再由控制器6将程序指令同时发送至激光切割机1、传送机构2、万能拉压试验机3、第一分拣装置9、第二分拣装置10。

[0083] 激光切割机接收到控制器6发出的程序指令后，按照预设的加工参数切割膜片原′材料，切割顺序为先切割膜片原材料的周向并留有余量B，再在中心处沿轴向冲孔并留有′ ′ ′
余量A；或者，先在膜片原材料中心处沿轴向冲孔并留有余量A，再切割周向并留有余量B，从而得到膜片坯料。

[0084] 如图2、图3、图4所示，膜片坯料为圆环结构，将膜片胚料压制成膜片成品过程中，膜片胚料的内径会变大，外径会缩小，为保证加工好的膜片成品内圆直径A与外圆直径B满足设计要求，膜片胚料内径I、外径J相较膜片成品内、外径A、B需留有余量，其中，膜片坯料内圆面直径I的表达式为：

[0085] I＝A‑A′

[0086]

[0087] 膜片坯料外圆面直径J的表达式为：

[0088] J＝B+B′

[0089]

[0090] 上式中，A为波纹膜片成品的内径；B为波纹膜片成品的外径；de为平衡直径，且R表示波纹膜片成品中大波的半径；δ表示波纹膜片成品的壁厚；θ表示波纹膜片与水平方向的夹角；W表示波纹膜片成品内圆面与外圆面的半径差；L表示波纹膜片成品相邻两个大波中心轴线之间的水平距离；α、β、x、y分别表示变量，其中x＝R+r+δ，y＝R×cosα+r+δ，r表示波纹膜片成品
中小波的半径。

[0091] 【3】膜片胚料的激光切割完成后，第一分拣装置9随即收到指令，并按以下顺序完成动作，首先采用吸盘功能将切割好的膜片胚料装入第一装配台7指定工位的阴模42中(具体为阴模42的环形凹槽421内)；然后采用夹持功能将阳模41装入阴模42中，使得环形凸台411卡入环形凹槽421内；最后将装配好的波纹成型模具4放置于传送机构2中。传送机构2收到指令将波纹成型模具4运送到指定坐标时，第二分拣装置10随即收到指令，采用夹持功能将装配好的波纹成型模具4搬运至万能拉压试验机3上、下压盘中心位置。

[0092] 【4】万能拉压试验机3接受指令，上压板按照设定好的下压速度、最大下压力等参数竖直下移，对波纹成型模具4施加压力，完成膜片波纹成型。

[0093] 【5】万能拉压试验机3完成膜片波纹成型后，上压板按照指令竖直上移回到初始位置，第二分拣装置10随即收到指令，并按以下顺序完成动作，首先采用夹持功能将波纹成型模具4搬运至第二装配台8上的指定工位，然后将阳模41从阴模42中拆出，放置于第二装配台8上的指定工位，最后采用吸盘功能将成型好的膜片成品从阴模42中拆出，放置于第二装配台8的成品托盘中。

[0094] 接着，将膜片成品清洗、吹干后按照相关标准要求进行检验，如检验合格，则完成波纹膜片的成型加工，如不合格则报废。

[0095] 基于本发明的方法加工得到的膜片成品合格率较高，膜片成品内、外圆圆度均≤0.03mm，进而保证组装后待焊部位无错边；同时，膜片成品内、外圆焊口部位不存在缺肉、毛刺等缺陷。

[0096] 优选地，可以对上位机5进行程序设定，自动重复上述步骤，形成流水线生产，直至第一装配台7上配置的多组波纹成型模具4剩余数量不足50％时，自动周转小车将第二装配台8上的波纹成型模具4转移至第一装配台7上，并将阳模41、阴模42分别放置于指定工位，上位机5按照程序设定，继续自动重复上述步骤，形成循环生产，直至完成该批次所有膜片的波纹成型加工。

[0097] 最后，自动周转小车将放置于第二装配台8上成品托盘中的膜片成品转至清洗区，由人工进行清洗、吹干，再由检验人员检验、确认后，进行包装并完成后入库。

[0098] 本发明的成型方法相比传统的成型方法，所得到的波纹膜片尺寸精度更高，表面质量更好，解决了传统加工方法易产生的多种缺陷，包括尺寸超差、圆度超差、同轴度超差以及膜片表面及焊口部位存在缺肉、毛刺、凹坑、划伤等缺陷，实现了波纹膜片的精净成型，可一次完成波纹膜片成品加工，无需后续内、外圆车加工、手工去除毛刺等返修工序，一次交检合格率可由50％提升至90％以上，效率可提高5倍以上。

[0099] 基于上述实施例，普通技术人员足以通过本发明的内容加以实施，在权利要求的框架下，任何基于本发明思路的改进均视为落入本发明的保护范围内。