CN102248056B - 一种提高板材成形极限的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高板材成形极限的方法，即板材双向加压充液成形方法，该方法能在很大程度上提高板材的成形极限，能实现对板材进行加热与恒温控制，升温效率高、误差小。本发明中板材在热充液成形过程中为差温成形，以实现板材成形极限的提高，并且提高了该方法的实际效率。本发明中板材在成形过程中正反两个方向承受的液体压力不相等，便于板材的成形。本发明不仅适用于常温金属板材的充液成形工艺，也适用于高温金属板材的充液成形工艺。

Description

一种提高板材成形极限的方法

技术领域

本发明涉及一种提高金属板材热充液(热介质)成形工艺，具体涉及一种提高板材成形极限的方法。

背景技术

热介质成形技术是21世纪初期迅速发展起来的最具创新性的塑性成形技术。它是采用高温热流体介质作为传力介质，并以此代替部分模具成形零件的一种制造方法。热介质成形具有热成形与充液成形的双重优点，因此也有人将热介质成形称之为热充液成形。在流体压力诱导的厚向应力参与下，利用热介质成形，材料的塑性和延展性显著提高，屈服强度迅速下降，破裂倾向减小。板材充液成形技术是采用液体作为传力介质来代替部分成形模，使板材在高压液体的作用下贴模，以实现金属板材成形的一种制造技术。作为一种先进的柔性成形技术，充液成形具有成形极限高、零件尺寸精度高、表面质量好等突出优点，特别适合成形加工航空领域的复杂结构薄壁件及低塑性材料，如铝合金、镁合金、铝镁合金、高温合金以及复杂结构拼焊板等。

鉴于这些优点，充液成形、热介质成形技术目前得到十分广泛的重视，已被逐渐应用到航空、汽车、电子产品等领域；也有越来越多的研究者对热介质成形、充液成形技术展开了更为深入的研究工作。然而铝合金、镁合金等轻质材料的硬化指数和异性指数小、普通工艺成形性能差、塑性指标低等因素已成为其充液成形加工的瓶颈，因而，如何利用热充液成形技术提高零件的成形极限是解决这类问题的有效途径之一。然而许多薄壁件由于拉深比大、坯料法兰部分变形而造成拉深件底部因拉应力过大而破裂，利用普通的充液成形技术成形仍然受到限制。为此，学术界提出了许多充液成形的新技术：如周向加压充液拉深技术，其过大的液室压力会导致曲面零件成形初期悬空区域的破裂；另外，通过高压液体在毛坯变形区的四周施加径向压力也可以提高零件的成形极限，但所用的模具和设备太过复杂，不利于充液成形、热介质成形技术的推广。

在公开号为CN 1903474A的发明专利中，公开了一种可以提高板材零件成形极限所使用的加工装置及加工方法。加工方法依次包括向容腔内注入流体介质、放置板材坯料、施加压边力、控制凸模下行进行加压的过程，另一种加工方法只需对流体介质进行加压从而对板材坯料产生压力即可成行。该发明方法属于常规的充液成形，依靠所述的装置及方法来提高板材的成形极限，该装置以及方法只针对常温下板材的充液成形加工，没有考虑板材在高温下的充液成形加工，不能实现板材的热态充液成形。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种提高板材成形极限的方法，即板材双向加压充液成形及板材双向加压热态充液成形方法。在成形开始前，板材的正反两面均充有具有一定初始压力的高压液体，然后增加正面的压力，反面的压力稍减小或保持不变，板材靠其正反两个方向的压力差完成成形。板材双向加压充液成形与常规的充液成形相比，材料成形极限大大提高；板材双向加压热态充液成形则是在成形前，板材的正反两面均充有具有一定初始压力的高压液体，加热板材本身和板材正面的液体介质，使板材加热至一定的温度，然后增加板材正面的压力，反面的压力稍减小或保持不变；并且和板材直接贴紧的成形模在成形过程中用循环冷却水冷却，板材靠其正反两个方向的压力差完成成形工艺；而板材正反两面流体介质的温度差有助于实现板材成形极限的提高。

一种提高板材成形极限的方法，对板材进行常温下的充液拉深成形加工，步骤如下：

步骤一：将注液孔A、注液孔B与液压系统连接，然后向下凹模型腔内注入流体介质，流体介质液面与下凹模的上表面持平；

步骤二：在下凹模的上表面放置板材；

步骤三：控制压边圈下行至与板材接触；

步骤四：控制凸模在压边圈的中空结构内下移，与板材接触后继续向下凹模型腔下压，同时通过控制液压系统，对下凹模型腔内的流体介质加压，对板材施加正向压力P₁；同时将流体介质经注液孔B注入到背压型腔内并对背压型腔内的流体介质加压，使流体介质对板材施加与P₁反向的压力P₂，直到板材全部压入下凹模，并且在液压力P₁的作用下板材贴紧凸模，加压过程结束，所述的P₂＜P₁；

步骤五：将反向压力P₂、正向压力P₁泄压，然后控制凸模、压边圈上移，取出成形零件，加工完成。

一种提高板材成形极限的方法，对板材进行高温下的充液拉深成形加工，步骤如下：

步骤一：将注液孔A、注液孔B与液压系统连接，然后向下凹模型腔内注入流体介质，流体介质液面与下凹模的上表面持平；

步骤二：在下凹模的上表面放置板材；

步骤三：开启加热单元，开始加热，直至板材加热到所需的温度；

步骤四：控制压边圈下行至与板材接触；

步骤五：控制凸模在压边圈的中空结构内下移，同时将循环冷却水注入冷却水孔；凸模与板材接触后继续向下凹模型腔下压，同时通过控制液压系统，对下凹模型腔内的流体介质加压，对板材施加正向压力P₁；同时将流体介质经注液孔B注入到背压型腔内并对背压型腔内的流体介质加压，使流体介质对板材施加与P₁反向的压力P₂，直到板材全部压入下凹模，并且在液压力P₁的作用下板材贴紧凸模，加压过程结束，所述的P₂＜P₁；

步骤六：关闭加热单元，将反向压力P₂、正向压力P₁泄压，然后控制凸模、压边圈上移，取出成形零件，加工完成。

一种提高板材成形极限的方法，对板材进行常温下的充液胀形成形加工，步骤如下：

步骤一：先将注液孔A、注液孔B与液压系统连接，然后向下凹模型腔内注入流体介质，流体介质液面与下凹模的上表面持平；

步骤二：在下凹模的上表面放置板材；

步骤三：控制成形凹模下行至与板材接触；

步骤四：控制液压系统，对流体介质加压，对板材施加正向压力P₁；同时将流体介质注入到成形凹模型腔内并对成形凹模型腔内的流体介质加压，使流体介质对板材施加与P₁反向的压力P₂，板材在液压力P₁的作用下变形，并逐渐向成形凹模型腔内贴靠，直至板材完全贴紧到成形凹模型腔上，加压过程结束，所述的P₂＜P₁；

步骤五：将反向压力P₂、正向压力P₁泄压，然后控制成形凹模上移，取出成形零件，加工完成。

一种提高板材成形极限的方法，对板材进行高温下的充液胀形成形加工，步骤如下：

步骤一：先将注液孔A、注液孔B与流体压力系统连接，然后向下凹模型腔内注入流体介质，流体介质液面与下凹模的上表面持平；

步骤二：在下凹模的上表面放置板材；

步骤三：开启加热单元，开始加热，直至板材加热到所需的温度；

步骤四：控制成形凹模下行至与板材接触，并将循环冷却水注入冷却水孔；

步骤五：控制液压系统，对流体介质加压，对板材施加正向压力P₁；同时将流体介质注入到成形凹模型腔内并对成形凹模型腔内的流体加压，使流体介质对板材施加与P₁反向的压力P₂，板材在液压力P₁的作用下变形，并逐渐向成形凹模型腔内贴靠，直至板材完全贴紧到成形凹模型腔上，加压过程结束，所述的P₂＜P₁；

步骤六：关闭加热单元，将反向压力P₂、正向压力P₁泄压，然后控制成形凹模上移，取出成形零件，加工完成。

本发明的优点在于：

(1)本发明提出一种提高板材成形极限的方法，该方法能在很大程度上提高板材的成形极限。

(2)本发明提出一种提高板材成形极限的方法，该方法能实现对板材进行加热与恒温控制，升温效率高、误差小。

(3)本发明提出一种提高板材成形极限的方法，该方法在板材在热充液成形过程中为差温成形，以实现板材成形极限的提高，并且提高了该方法的实际效率。

(4)本发明提出一种提高板材成形极限的方法，该方法在板材在成形过程中正反两个方向承受的液体压力不相等，便于板材的成形。

(5)本发明提出一种提高板材成形极限的方法，该方法不仅适用于常温金属板材的充液成形工艺，也适用于高温金属板材的充液成形工艺。

附图说明

图1为实现本发明的一种装置的具体实施方式一的结构示意图；

图2为实现本发明的一种装置的具体实施方式二的结构示意图；

图中：1-下凹模，2-下凹模型腔，3-加热单元，4-板材，5-压边圈，6-背压型腔，7-密封圈，8-凸模，9-冷却水孔，10-注液孔B，11-注液孔A，12-成形凹模型腔，13-成形凹模。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

一种提高板材成形极限的方法所使用的装置，装置主要包括上模装置和下凹模1。

板材4位于上模装置和下凹模1之间。

上模装置中的具体部件内部设有型腔，用于储存高压液体；型腔侧面设置有注液孔B10，注液孔B10和型腔接通，注液孔B10的外端口连接液压系统；上模装置中与板材接触的成形模内部还设有冷却水孔9，用于注入冷却水以保持上模装置在板材4的成形过程中是冷的。

下凹模1内部空腔形成下凹模型腔2，用于储存高压液体；下凹模1内设置有加热单元3，用于对高温板材成形时对板材4和下凹模型腔2内的液体进行加热；下凹模1底面设置有注液孔A11，注液孔A11和下凹模型腔2接通，注液孔A11的外端口连接液压系统；

型腔的内部形状根据成形零件所需的成形形状确定。成形过程中所需的液体压力通过液压系统提供。液压系统通过注液孔A11将流体压力介质注入下凹模型腔2，为下凹模型腔2提供的压液体压力为P₁；通过注液孔B10将流体压力介质注入型腔，为型腔提供的压液体压力为P₂。

所述的上模装置具体根据成形零件的需要而确定。

所述的加热单元3可为加热管、加热丝或者其他加热元件。

所述的高压液体即为流体介质，流体介质为油、气体、玻璃胶或者陶瓷颗粒。

所述的具体的上模装置适用于但不限于以下两种具体实施方式。

具体实施方式一：一种提高板材成形极限的方法所使用的装置，如图1所示，上模装置具体为：压边圈5、背压型腔6、密封圈7和凸模8。

压边圈5置于下凹模1的上部，压边圈5中间为中空结构，与下凹模1的下凹模型腔2同轴且孔径相同，凸模8的一端位于压边圈5中空结构内部，与压边圈5之间形成背压型腔6，压边圈5上设置有注液孔B10，注液孔B10和背压型腔6连接，注液孔B10外端口连接液压系统，用于板材成形时将液压系统产生的高压液体引入背压型腔6内；背压型腔6用于储存从液压系统注入的高压液体；凸模8内设置有冷却水孔9，用于注入冷却水以保持凸模8在板材4的成形过程中是冷的；密封圈7安装在压边圈5上，凸模8下行时，密封圈7和凸模8一起将背压型腔6的上端密封，以防止背压型腔6内的高压液体外溢。所述密封圈7为高温密封圈，以承受对板材进行高温成形时的温度。

板材4位于压边圈5和下凹模1之间，凸模8下行，进行板材成形。在板材4成形过程中，背压型腔6内的高压液体压力小于下凹模型腔1内的高压液体压力。

具体实施方式二：一种提高板材成形极限的方法所使用的装置，如图2所示，上模装置具体为：成形凹模13和成形凹模型腔12。

成形凹模13置于下凹模1的上部，成形凹模13内部设有凹形空腔，凹形空腔形成成形凹模型腔12，成形凹模13分别设置有冷却水孔9和注液孔B10，冷却水孔9用于注入冷却水以保持成形凹模13在板材4的成形过程中是冷的；注液孔B10和成形凹模型腔12接通，注液孔B10外端口连接液压系统，用于板材成形时将液压系统提供的高压液体引入成形凹模型腔13内。成形凹模型腔12用于储存从液压系统注入的高压液体。

板材4位于成形凹模13和下凹模1之间。在板材4成形过程中，成形凹模型腔12内的反向液体压力小于下凹模型腔2内的正向高压液体压力。

所述的一种提高板材成形极限的方法，适用于但不限于以下两种具体实施方式。

一种提高板材成形极限的方法，具体实施方式如下：

针对具体实施方式一所述装置，对板材进行常温下的充液拉深成形加工，则一种提高板材成形极限的方法，步骤如下：

步骤一：将注液孔A11、注液孔B10与液压系统连接，然后向下凹模型腔2内注入流体介质，流体介质液面与下凹模1的上表面持平；

步骤二：在下凹模1的上表面放置板材4；

步骤三：控制压边圈5下行至与板材4接触；

步骤四：控制凸模8在压边圈5的中空结构内下移，与板材4接触后继续向下凹模型腔2下压，同时通过控制液压系统，对下凹模型腔2内的流体介质加压，对板材4施加正向压力P₁；同时将流体介质经注液孔B10注入到背压型腔6内并对背压型腔6内的流体介质加压，使流体介质对板材4施加与P₁反向的压力P₂，直到板材4全部压入下凹模1，并且在液压力P₁的作用下板材4贴紧凸模8，加压过程结束，所述的P₂＜P₁；

步骤五：将反向压力P₂、正向压力P₁泄压，然后控制凸模8、压边圈5上移，取出成形零件，加工完成。

针对具体实施方式一所述装置，对板材进行高温下的充液拉深成形加工，则一种提高板材成形极限的方法，步骤如下：

步骤一：将注液孔A11、注液孔B10与液压系统连接，然后向下凹模型腔2内注入流体介质，流体介质液面与下凹模1的上表面持平；

步骤二：在下凹模1的上表面放置板材4；

步骤三：开启加热单元3，开始加热，直至板材4加热到所需的温度；

步骤四：控制压边圈5下行至与板材4接触；

步骤五：控制凸模8在压边圈5的中空结构内下移，同时将循环冷却水注入冷却水孔9；凸模8与板材4接触后继续向下凹模型腔2下压，同时通过控制液压系统，对下凹模型腔2内的流体介质加压，对板材4施加正向压力P₁；同时将流体介质经注液孔B10注入到背压型腔6内并对背压型腔6内的流体介质加压，使流体介质对板材4施加与P₁反向的压力P₂，直到板材4全部压入下凹模1，并且在液压力P₁的作用下板材4贴紧凸模8，加压过程结束，所述的P₂＜P₁；

步骤六：关闭加热单元3，将反向压力P₂、正向压力P₁泄压，然后控制凸模8、压边圈5上移，取出成形零件，加工完成。

所述的步骤五中中，循环冷却水对凸模进行冷却，保证成形过程中板材的反面是冷的，与板材正面的高温流体介质形成温度差。

针对具体实施方式二所述装置，对板材进行常温下的充液胀形成形加工，则一种提高板材成形极限的方法，步骤如下：

步骤一：先将注液孔A11、注液孔B10与液压系统系统连接，然后向下凹模型腔2内注入流体介质，流体介质液面与下凹模1的上表面基本持平；

步骤二：在下凹模1的上表面放置板材4；

步骤三：控制成形凹模13下行至与板材4接触；

步骤四：控制液压系统，对流体介质加压，对板材4施加正向压力P₁；同时将流体介质注入到成形凹模型腔12内并对成形凹模型腔12内的流体介质加压，使流体介质对板材4施加与P₁反向的压力P₂，板材4在液压力P₁的作用下变形，并逐渐向成形凹模型腔12内贴靠，直至板材4完全贴紧到成形凹模型腔12上，加压过程结束，所述的P₂＜P₁；

步骤五：将反向压力P₂、正向压力P₁泄压，然后控制成形凹模13上移，取出成形零件，加工完成。

针对具体实施方式一所述装置，对板材进行高温下的充液胀形成形加工，则一种提高板材成形极限的方法，步骤如下：

步骤一：先将注液孔A11、注液孔B10与流体压力系统连接，然后向下凹模型腔2内注入流体介质，流体介质液面与下凹模1的上表面持平；

步骤二：在下凹模1的上表面放置板材4；

步骤三：开启加热单元3，开始加热，直至板材4加热到所需的温度；

步骤四：控制成形凹模13下行至与板材4接触，并将循环冷却水注入冷却水孔9；

步骤五：控制液压系统，对流体介质加压，对板材4施加正向压力P₁；同时将流体介质经注入到成形凹模型腔12内并对成形凹模型腔12内的流体加压，使流体介质对板材4施加与P₁反向的压力P₂，板材4在液压力P₁的作用下变形，并逐渐向成形凹模型腔12内贴靠，直至板材4完全贴紧到成形凹模型腔12上，加压过程结束，所述的P₂＜P₁；

步骤六：关闭加热单元，将反向压力P₂、正向压力P₁泄压，然后控制成形凹模13上移，取出成形零件，加工完成。

所述的步骤五中，循环冷却水对成形凹模进行冷却，保证成形过程中板材的反面是冷的，与板材正面的高温流体介质形成温度差。

Claims (10)

1.一种提高板材成形极限的方法，其特征在于，对板材进行常温下的充液拉深成形加工，步骤如下：

步骤一：将注液孔A、注液孔B与液压系统连接，然后向下凹模型腔内注入流体介质，流体介质液面与下凹模的上表面持平；

步骤二：在下凹模的上表面放置板材；

步骤三：控制压边圈下行至与板材接触；

步骤四：控制凸模在压边圈的中空结构内下移，与板材接触后继续向下凹模型腔下压，同时通过控制液压系统，对下凹模型腔内的流体介质加压，对板材施加正向压力P₁；同时将流体介质经注液孔B注入到背压型腔内并对背压型腔内的流体介质加压，使流体介质对板材施加与P₁反向的压力P₂，直到板材全部压入下凹模，并且在液压力P₁的作用下板材贴紧凸模，加压过程结束，所述的P₂＜P₁；

步骤五：将反向压力P₂、正向压力P₁泄压，然后控制凸模、压边圈上移，取出成形零件，加工完成。

2.根据权利要求1所述的一种提高板材成形极限的方法，其特征在于，所述的步骤四中流体压力介质为油、气体、玻璃胶或者陶瓷颗粒。

3.一种提高板材成形极限的方法，其特征在于，对板材进行高温下的充液拉深成形加工，步骤如下：

步骤一：将注液孔A、注液孔B与液压系统连接，然后向下凹模型腔内注入流体介质，流体介质液面与下凹模的上表面持平；

步骤二：在下凹模的上表面放置板材；

步骤三：开启加热单元，开始加热，直至板材加热到所需的温度；

步骤四：控制压边圈下行至与板材接触；

步骤五：控制凸模在压边圈的中空结构内下移，同时将循环冷却水注入冷却水孔；凸模与板材接触后继续向下凹模型腔下压，同时通过控制液压系统，对下凹模型腔内的流体介质加压，对板材施加正向压力P₁；同时将流体介质经注液孔B注入到背压型腔内并对背压型腔内的流体介质加压，使流体介质对板材施加与P₁反向的压力P₂，直到板材全部压入下凹模，并且在液压力P₁的作用下板材贴紧凸模，加压过程结束，所述的P₂＜P₁；

步骤六：关闭加热单元，将反向压力P₂、正向压力P₁泄压，然后控制凸模、压边圈上移，取出成形零件，加工完成。

4.根据权利要求3所述的一种提高板材成形极限的方法，其特征在于，所述的步骤五中流体压力介质为油、气体、玻璃胶或者陶瓷颗粒。 

5.根据权利要求3所述的一种提高板材成形极限的方法，其特征在于，所述的步骤五中，循环冷却水对凸模进行冷却，保证成形过程中板材的反面是冷的，与板材正面的高温流体介质形成温度差。

6.一种提高板材成形极限的方法，其特征在于，对板材进行常温下的充液胀形成形加工，步骤如下：

步骤一：先将注液孔A、注液孔B与液压系统连接，然后向下凹模型腔内注入流体介质，流体介质液面与下凹模的上表面持平；

步骤二：在下凹模的上表面放置板材；

步骤三：控制成形凹模下行至与板材接触；

步骤四：控制液压系统，对流体介质加压，对板材施加正向压力P₁；同时将流体介质注入到成形凹模型腔内并对成形凹模型腔内的流体介质加压，使流体介质对板材施加与P₁反向的压力P₂，板材在液压力P₁的作用下变形，并逐渐向成形凹模型腔内贴靠，直至板材完全贴紧到成形凹模型腔上，加压过程结束，所述的P₂＜P₁；

步骤五：将反向压力P₂、正向压力P₁泄压，然后控制成形凹模上移，取出成形零件，加工完成。

7.根据权利要求6所述的一种提高板材成形极限的方法，其特征在于，所述的步骤四中流体压力介质为油、气体、玻璃胶或者陶瓷颗粒。

8.一种提高板材成形极限的方法，其特征在于，对板材进行高温下的充液胀形成形加工，步骤如下：

步骤一：先将注液孔A、注液孔B与液压系统连接，然后向下凹模型腔内注入流体介质，流体介质液面与下凹模的上表面持平；

步骤二：在下凹模的上表面放置板材；

步骤三：开启加热单元，开始加热，直至板材加热到所需的温度；

步骤四：控制成形凹模下行至与板材接触，并将循环冷却水注入冷却水孔；

步骤五：控制液压系统，对流体介质加压，对板材施加正向压力P₁；同时将流体介质注入到成形凹模型腔内并对成形凹模型腔内的流体加压，使流体介质对板材施加与P₁反向的压力P₂，板材在液压力P₁的作用下变形，并逐渐向成形凹模型腔内贴靠，直至板材完全贴紧到成形凹模型腔上，加压过程结束，所述的P₂＜P₁；

步骤六：关闭加热单元，将反向压力P₂、正向压力P₁泄压，然后控制成形凹模上移，取出成形零件，加工完成。

9.根据权利要求8所述的一种提高板材成形极限的方法，其特征在于，所述的步骤五中流体压力介质为油、气体、玻璃胶或者陶瓷颗粒。 

10.根据权利要求8所述的一种提高板材成形极限的方法，其特征在于，所述的步骤五中，循环冷却水对成形凹模进行冷却，保证成形过程中板材的反面是冷的，与板材正面的高温流体介质形成温度差。