CN102284589B - 一种金属蠕变成形模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属蠕变成形模具，包括顶杆、螺杆、顶杆固定板、螺杆固定板、加强筋、高度调切节块和型面垫板。顶杆装入顶杆固定板的圆柱孔中，螺杆装入螺杆固定板的螺纹孔中，用于控制顶杆高度，形成所需的型面阵列。固定板底部置有加强筋，以增强模具的抗变形能力。加强筋底部设置有高度调节垫块以调节模具的水平高度。顶杆阵列上方铺有一层型面垫板，用于将离散点阵面过渡为所需要的平滑曲面。本发明所提供的模具不仅可以使型面垫板与所有顶杆点阵相接触，使蠕变成形构件的波浪度小于0.005，获得良好的构件型面质量；而且避免了固定曲率特性整体式结构模具和筋板式分体结构模具需反复修改带来模具加工成本，从而可大幅度降低试模成本。

Description

一种金属蠕变成形模具

技术领域

本发明涉及一种模具，特别涉及一种用于金属材料加工工程的金属板材蠕变成形模具。 

背景技术

满足空气动力学曲率设计要求的整体壁板具有结构效率高、易于实现等强度设计、密封性好等突出优点，是制造航空航天、交通运输装备的重要构件。整体壁板蠕变时效成形是利用金属的蠕变(或应力松驰)变形和时效强化特性，将构件的成形和时效强化热处理过程同时进行的一种加工方法。采用蠕变时效成形技术制造整体壁板的一般过程为：①根据所需壁板的几何尺寸与曲率特性设计、制造模具，②将预先准备好的金属坯料放于模具上，③将坯料和模具密封在一个塑料袋中，④对塑料袋抽真空，坯料承受塑料袋外的大气压力而加载，使坯料贴模，或将密封的塑料袋连同密封于袋中的模具、坯料一起放于压力大于正常大气压的压力罐中(塑料袋可在进罐之前抽真空，也可在进罐之后抽真空)，提高坯料的加载力，使坯料更加可靠地贴模，⑤按预先设计好的温度-时间曲线加热。⑥加热过程完成后卸载，取出构件，构件经回弹后达到所需几何尺寸与曲率特性。从上述过程可以看出，壁板蠕变时效成形所需模具的几何尺寸与曲率特性与实际构件的并不完全相同，制造模具时需要考虑金属坯料经过加载初期贴模过程中发生的弹性或弹塑性变形、蠕变变形与时效强化等一系复杂的组织与性能变化后的回弹量。根据所需构件的几何尺寸与曲率特性，采用理论计算和已有经验设计的蠕变成形模具尺 寸与曲率特性，一般需经过多次修改才能最终满足要求，因此，试模对于获得符合要求的蠕变时效成形构件非常关键。 

目前蠕变成形的模具结构形式主要分为固定曲率特性整体结构和筋板(卡板)式分体结构两种。显然，固定曲率特性整体结构对于构件蠕变成形模具定型前所需的多次修改，模具加工成本高，设计与制造周期长；筋板式分体结构模具与固定曲率特性整体结构模具相比，定型前仍需要多次修改筋板，只是减小了修改时模具的加工量，仍需要多次修改筋板模具，成本依然较高，且设计、制造周期也没有缩短。 

发明内容

为了解决现有蠕变成形模具在模具定型前需对模具作多次修改，模具加工成本高，设计与制造周期长的技术问题，本发明提供一种不用对模具进行反复机加工，就可灵活地调整模具型面曲率特性，可大幅度降低蠕变时效成形构件的模具费用，同时缩短模具设计与制造周期的金属蠕变成形模具。 

为了达到上述技术目的，本发明的技术方案是，一种金属蠕变成形模具，包括多个顶杆、多个螺杆、顶杆固定板、螺杆固定板、连接螺钉、高度调节垫块和型面垫板，所述的顶杆固定板上开有多个与顶杆相匹配的圆柱孔，所述的螺杆固定板上开有多个与螺杆相匹配的螺纹孔，顶杆固定板与螺杆固定板依次自上而下层叠，且各圆柱孔与各螺纹孔一一对应，所述的连接螺钉穿过螺杆固定板和顶杆固定板以固定螺杆固定板和顶杆固定板，所述的顶杆装入顶杆固定板的圆柱孔中，螺杆装入螺杆固定板的螺纹孔中，所述的高度调节垫块设置于螺杆固定板下方，所述的型面垫板设置于顶杆上方。 

所述的一种金属蠕变成形模具，所述的螺杆固定板底部设有多个用于增 强模具的抗变形能力的加强筋，所述的连接螺钉穿过顶杆固定板、螺杆固定板和加强筋以固定顶杆固定板、螺杆固定板和加强筋，所述的高度调节垫块设置于加强筋的下方。 

所述的一种金属蠕变成形模具，所述的顶杆的直径为10-50mm，顶杆的长度不高于500mm。 

所述的一种金属蠕变成形模具，所述的顶杆的两端的端面为半球型。 

所述的一种金属蠕变成形模具，相邻的顶杆的中心间距为10-250mm。 

所述的一种金属蠕变成形模具，所述的顶杆固定板的厚度为20-120mm，所述的螺杆固定板的厚度为50-120mm。 

所述的一种金属蠕变成形模具，所述的加强筋的高度为20～100mm。 

所述的一种金属蠕变成形模具，所述的型面垫板的厚度为1.5-10mm。 

所述的一种金属蠕变成形模具，所述的型面垫板为铝板或钢板或钢铝复合板。 

本发明的技术效果在于，顶杆、螺杆不用反复加工，可重复使用，对于任意构件蠕变成形的模具定型前的试模过程，避免了固定曲率特性整体式结构模具和筋板式分体结构模具需反复修改带来的模具加工成本，从而可大幅度降低试模成本。顶杆端部的球面与螺杆端部以及型面垫板的平面接触方式确保了每对顶杆-螺杆及顶杆-型面垫板接触时具有基本相同的接触性质，尽量避免了不同顶杆-螺杆和顶杆-型面垫板在其接触面上产生不可预见的高度误差。采用本发明所述的1.5～10mm厚铝板、钢板或钢铝复合板制成型面垫板，在顶杆直径的1～5倍内调整顶杆间距，不仅可以使型面垫板与所有顶杆点阵相接触，而且能使蠕变成形构件的波浪度小于0.005。 

下面结合附图对本发明作进一步说明。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图； 

图2为本发明所述波浪度的示意图； 

其中，1为顶杆，2为顶杆固定板、3为螺杆、4为型面垫板、5为螺杆固定板、6为加强筋、7为连接螺钉、9为高度调节垫块、10为金属板、11为塑料袋。 

具体实施方式

参见图1，本发明包括多个顶杆1、多个螺杆3、顶杆固定板2、螺杆固定板5、连接螺钉7、高度调节垫块9和型面垫板4，顶杆1为直径10～50mm，长度不大于500mm的圆柱形杆，其两端为半球面，装入顶杆固定板2的圆孔中，可沿圆孔的轴线移动，相邻顶杆1的中心间距为顶杆1直径的1～5倍；顶杆固定板2厚度为20～120mm；所述螺杆固定板5厚度为50～120mm，位于顶杆固定板2的下方，与螺杆固定板5的圆孔位置对应开有螺纹孔；所述螺杆3装入螺杆固定板5的螺纹孔中，螺杆3一端为平面，与顶杆1接触，另一端设有方便拧动的台阶，通过拧动螺杆3控制顶杆1高度，形成所需的型面离散高度阵列。所述固定板底部置有高度20～100mm的加强筋6，以增强模具的抗变形能力，连接螺钉穿过顶杆固定板、螺杆固定板和加强筋以将两块固定板与加强筋连成一体来加以固定。所述加强筋6底部设置有高度调节垫块9以调节模具的水平高度。顶杆固定板2、螺杆固定板5、加强筋6和高度调节垫块9间可用螺钉连接。在所述顶杆1阵列上方铺有一层1.5～10mm厚的型面垫板4，用于将离散点阵面过渡为所需要的平滑型面，型面垫板4可以是 铝板、钢板或钢铝复合板，其中钢层厚度不小于1mm，铝层厚度不大于9mm。 

操作时，首先将设计好的模具型面按顶杆1阵列进行离化处理，以顶杆固定板2的平面为参考，得到各顶杆1所对应的高度值，由于螺杆伸出的高度是受其抗压强度限制的，因此螺杆的调整范围有限，故通过选择不同高度的顶杆1，以最大程度的扩大形面构造的范围，并拧动螺杆3，使各顶杆1高度适应各种连续平滑的复杂型面所需的离散高度点阵；顶杆1、螺杆3的长度配合可保证顶杆1能从其固定板的圆柱孔中伸出，并调节到所需高度；考虑到顶杆1的稳定性，其最大长度一般不超过500mm；顶杆1两头端部的球面与螺杆3端部以及型面垫板4的平面接触方式确保了每对顶杆1-螺杆3和顶杆1-型面垫板4接触时具有基本相同的接触性质，尽量避免了不同顶杆1-螺杆3和顶杆1-型面垫板4对在其接触面上产生不可预见的高度误差；对于所设计型面的长宽尺寸没有限制。 

本发明采用与所述顶杆1点阵接触的型面垫板4实现所设计模具的连续平滑型面。由于型面垫板4两面受力点存在差异，有可能形成压痕缺陷和不贴模缺陷，可以通过选择合适的顶杆1间距与型面垫板4厚度解决。本发明申请人的研究表明，在0.1～8MPa气压加载的情况下，对于1.5～10mm厚的铝板、钢板或钢铝复合板制成的型面垫板4，顶杆1间距存在一个最优值，即顶杆1直径的1～5倍，不仅可以使型面垫板4与所有顶杆1点阵相接触，而且能使蠕变成形构件的波浪度小于0.005。 

同时，研究表明，在钢铝复合板制作型面垫板4，可使型面垫板4具有足够的刚度抵抗顶杆1局部作用引起的压痕，同时也可改善贴模效果，钢铝复合板制成的1.5～10mm厚型面垫板4中，钢层厚度不小于1mm，铝层厚度不 大于9mm能更好地兼顾抗压痕能力和贴模能力，从而减小了成形构件的型面波浪度，波浪度越小，表明构件型面质量越好。 

参见图2，本发明所述波浪度的定义与测量方法是：将成形构件在自然状态下平放在检查台上，测量构件上波浪的浪高H和波长L。波浪度(λ)指浪高和波长之间的百分比，即λ＝(H/L)×100％，它表示构件型面的平滑程度。 

实施例1 

模具平面尺寸为B(400mm)×L(800mm)，顶杆1直径10mm，两端为直径10mm的半球面，长度50mm，相邻顶杆1间距为10mm；顶杆固定板2厚度为20mm；每个顶杆1都装有对应的螺杆3；螺杆固定板5厚度为50mm；加强筋6高度为20mm；型面垫板4为1.5mm厚钢板。以顶杆固定板2平面为参考，按L方向曲率半径为3000mm调节顶杆1高度阵列，采用0.5mm厚固溶淬火处理后的7075铝合金板作为蠕变成形坯料，将模具及成形坯料用塑料袋11密封后抽真空，然后置于常压加热炉内，按150℃×16h的制度加热，加热过程中继续对密封袋抽真空。加热结束后卸载，取出构件，所得金属板10表面波浪度为0.003。 

实施例2 

模具平面尺寸为B(1600mm)×L(3900mm)，顶杆1直径50mm，两端为直径50mm的半球面，相邻顶杆1间距为250mm；顶杆固定板2厚度为120mm；每个顶杆1都装有对应的螺杆3；螺杆固定板5厚度为120mm；加强筋6高度为100mm；型面垫板4为10mm厚铝板。以顶杆固定板2平面为参考，按L方向曲率半径为5000mm调节顶杆1高度阵列，采用100mm厚固 溶淬火处理后的7075铝合金板作为蠕变成形坯料，将模具及成形坯料用塑料袋11密封后抽真空，然后置于8MPa压力罐中，按150℃×16h的制度加热，加热过程中继续对密封袋抽真空。加热结束后卸载，取出构件，所得金属板10表面波浪度为0.005。 

实施例3 

模具平面尺寸为B(400mm)×L(800mm)，顶杆1直径20mm，两端为直径20mm的半球面，相邻顶杆1间距为50mm；顶杆固定板2厚度为20mm；每个顶杆1都装有对应的螺杆3；螺杆固定板5厚度为50mm；加强筋6高度为50mm；型面垫板4为钢铝复合板(钢层2mm厚，铝1mm层)。以顶杆固定板2平面为参考，按L方向曲率半径为3000mm、B方向曲率半径为1500mm调节顶杆1高度阵列，采用10mm厚固溶淬火处理后的2024铝合金板作为蠕变成形坯料，将模具及成形坯料用塑料袋11密封后抽真空，然后置于4MPa压力罐中，按185℃×24h的制度加热，加热过程中继续对密封袋抽真空。加热结束后卸载，取出构件，所得金属板10表面波浪度为0.0025。 

Claims (9)

1.一种金属蠕变成形模具，其特征在于，包括多个顶杆、多个螺杆、顶杆固定板、螺杆固定板、连接螺钉、高度调节垫块和型面垫板，所述的顶杆固定板上开有多个与顶杆相匹配的圆柱孔，所述的螺杆固定板上开有多个与螺杆相匹配的螺纹孔，顶杆固定板与螺杆固定板依次自上而下层叠，且各圆柱孔与各螺纹孔一一对应，所述的连接螺钉穿过螺杆固定板和顶杆固定板以固定螺杆固定板和顶杆固定板，所述的顶杆装入顶杆固定板的圆柱孔中，螺杆装入螺杆固定板的螺纹孔中，所述的高度调节垫块设置于螺杆固定板下方，所述的型面垫板设置于顶杆上方。

2.根据权利要求1所述的一种金属蠕变成形模具，其特征在于，所述的螺杆固定板底部设有多个用于增强模具的抗变形能力的加强筋，所述的连接螺钉穿过顶杆固定板、螺杆固定板和加强筋以固定顶杆固定板、螺杆固定板和加强筋，所述的高度调节垫块设置于加强筋的下方。

3.根据权利要求1所述的一种金属蠕变成形模具，其特征在于，所述的顶杆的直径为10-50mm，顶杆的长度不高于500mm。

4.根据权利要求1所述的一种金属蠕变成形模具，其特征在于，所述的顶杆的两端的端面为半球型。

5.根据权利要求1所述的一种金属蠕变成形模具，其特征在于，相邻的顶杆的中心间距为10-250mm。

6.根据权利要求1所述的一种金属蠕变成形模具，其特征在于，所述的顶杆固定板的厚度为20-120mm，所述的螺杆固定板的厚度为50-120mm。

7.根据权利要求2所述的一种金属蠕变成形模具，其特征在于，所述的加强筋的高度为20～100mm。

8.根据权利要求1所述的一种金属蠕变成形模具，其特征在于，所述的型面垫板的厚度为1.5-10mm。

9.根据权利要求1所述的一种金属蠕变成形模具，其特征在于，所述的型面垫板为铝板或钢板或钢铝复合板。

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