CN103071718B - 一种薄壁环筋筒形件的整体成形工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁环筋筒形件的整体成形工艺方法，其技术方案包括步骤为：一、模具准备，首先在模具上相应部位开始溢流孔，将加强筋事先焊接在薄壁无焊缝管料上并放入模具型腔，模具合模，对管坯端部施加密封，向模具与管坯间充填应变速率敏感介质，向管坯内部填充液体成形介质并施加一定压力；二、成形，升高内部液体压力，与此同时调节应变速率敏感介质流态促使筒体和筋板协调变形至成形出合格零件；三、取件，压力降低至0MPa，打开模具，从模具中取出零件。本发明具有成形工序少，制造成本低，成形出的构件机械性能好等、维型精度高等优点，特别适用于成形具有封闭复杂截面形状的薄壁环筋筒形零件。

Description

一种薄壁环筋筒形件的整体成形工艺方法

技术领域

本发明涉及一种钣金件的成形制造方法，特别涉及一种薄壁环筋筒形件的整体成形工艺方法。

背景技术

薄壁环筋筒形件是由异形腔体和环向加强筋等组成的一类具有封闭复杂截面形状的整体钣金构件。其主要特点也即成形制造的难点是当壁厚较薄时筒体和筋板无法实现整体成形。因此对于壁厚小于2mm特别是1mm的构件，现在工程上不得不采用分体成形然后组合焊接的折中方式完成薄壁环筋筒形件的成形加工。分体成形组合焊接是指先将构件沿经线和纬线剖切为可冲压、旋压或超塑成形的数个片体，然后把成形后的各片体组合焊接在一起形成筒体，最后再焊接上加强筋。筒体上引入多条纵、横焊缝，大大降低了构件的可靠性和疲劳性能。由于焊接残余应力和焊接热变形的引入，构件维型精度大幅降低。而现代飞行器为了化解结构轻质高效、高可靠性、长寿命、多功能、快速响应等之间的矛盾，要求采用薄壁、整体（无焊缝）、高维形精度的构件代替传统分块焊接或铆接结构。文献[1]提出一种平面壁板填料滚弯整体成形工艺，即通过在纵横筋格内填充塑料或橡胶，然后通过三辊辊弯成形。因此无论从其模具结构还是成形原理与本发明都有本质区别。且文献[1]提出的壁板填料滚弯成形工艺不能成形壁厚小于2mm的薄壁件，特别是不能成形具有封闭截面形式的薄壁筒形构件。文献[2]提出一种薄壁筒形构件内高压成形技术，用于具有封闭截面空心构件的成形。该工艺主要通过两端补料，同时配合内压作用使管坯变形，成形过程只能通过内压控制管坯应力状态，无法实现局部变形的自调节。只能用于无环向筋且胀形区各部位变形量相差不大构件的成形。文献[3]提出一种轴对称薄壁大截面比异型曲面零件的内外压复合成形方法，该工艺同样只适用于无加强筋构件的成形，无论是加载原理还是适用对象与本发明都有本质区别。

参考文献

1.肖寒, 张劲松, 张士宏等. 筋条外置整体壁板填料滚弯成形工艺研究. 材料工程, 2010, 8:56-60.

2.苑世剑, 李洪洋, 戴昆, 朗利辉, 王仲仁. 轻量化结构内高压成形技术. 1999, 7:139-142.

3.王忠金, 高铁军, 刘建光, 李毅. 一种轴对称薄壁大截面比异型曲面零件的内外压复合成形方法. 中国发明专利, 2007, 授权号:ZL200610151056.2。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种薄壁环筋筒形件的整体成形工艺方法，本发明可实现薄壁环筋筒形件的一步成形，省去了分体成形二次连接等工序，避免了焊缝接头和焊接热变形的引入，大大提高了构件的可靠性、维型精度，降低了加工成本。

其技术方案是：由以下步骤实现：

（A）、模具运行准备：

a、在模具型腔上与加强筋相对应的部位开设溢流孔，并设有流量调节阀；

b、制作无缝薄壁筒，采用旋压工艺制备无缝薄壁筒，

c、依据终成形件的需求将薄壁筒弯曲成轴线为空间曲线的无缝薄壁筒，其中，无缝薄壁筒的轴线与终成形件的轴线一致，

d、制作加强筋，在平面板料上直接套料得到，

e、加强筋在成形前，即焊接在准备好的无缝薄壁筒上，制作出初始带筋管坯，

f、将初始带筋管坯放入由上模和下模组成的模具型腔，

g、通过上模和下模组成模具，合模并施加合模力，通过左冲头和右冲头对初始带筋管坯的端部实行密封，

h、通过应变速率敏感介质充填通道向模具与初始带筋管坯间充填应变速率敏感成形介质，

i、通过液体介质充填通道向初始带筋管坯内部填充液体成形介质；

（B）、成形：

a、增大无缝薄壁筒内部的液体压力，

b、于此同时调节流量调节阀控制应变速率敏感介质流态，促使无缝薄壁筒和加强筋的协调变形，

c、升高初始带筋管坯内部压力至管坯完全贴模，并保压3～5s；

（C）、取件：

a、卸掉初始带筋管坯的内部压力，

b、密封冲头后退至与模具型腔完全分开，

c、打开模具，从模具中取出零件。

优选的，上述的溢流孔的数量及其截面积根据终成形件的胀形量和加强筋的相对高厚比选取，选取的原则如下：胀形量大则增加溢流孔数量降低溢流孔截面积，加强筋高厚比大则增加溢流孔数量降低溢流孔截面积。

优选的，上述的无缝薄壁筒和加强筋采用铝合金、不锈钢、高温合金或钛合金制成，无缝薄壁筒和加强筋的壁厚为0.5-5mm。

优选的，上述的应变速率敏感传力介质为高分子聚合物半固态材料，高分子聚合物半固态材料的分子量为100000~1000000g/mol，高分子聚合物半固态材料的粘度为8000~20000Pa·s。

本发明的有益效果是：相比分体成形技术，薄壁环筋筒形件双介质差压成形采用流体作为传力介质，实现了环筋构件协调变形的加载模式，流体介质能灵活的适应深腔构件的空间封闭变截面型腔变化，实现了薄壁环筋筒形件的整体成形。成形构件除环向加强筋部位，无其他焊缝，特别是完全避免了纵向焊缝，提高了构件的整体性和可靠性。流体加载模式从根本上消除了筋板侧翻力矩，弱化了薄筋对成形的制约作用，特别适于薄壁件成形。工艺顺序改为先焊加强筋然后成形，无需分体组焊，降低了焊接热变形和焊接残余应力，成形件的维型精度得到大幅提高。相比传统流体成形技术，该工艺成形时腔体内、外充填不同性质的传力介质。通过内外介质的传力特性差异，实现变形所需的差压加载条件，提供消除变形不均所需的非均匀压力场，使不同部位处在不同应力状态下变形，实现薄壁环筋筒形件各部位的协调成形。因差压是由介质自身的物理特性形成的，故无需布置多个独立压力液室即可产生连续压力梯度，避开了高压动密封、构件形状变化不可视等闭模内高压成形的技术难题。在模具溢流孔位置加设流量调节阀，通过控制应变速率敏感介质的溢出量和溢出速度，充分发挥其变形协调性的调节作用，进一步保证了不同区域变形速率的协调性控制，进而促进筒体和筋板的协调变形；该工艺方法具有成形工序少，制造成本低，成形出的构件整体性好等特点。本发明设计合理、便于实施、效果显著，具有较强的推广价值。

附图说明

图1是本发明的模具示意图；

图1.1是图1的a-a剖视图；

图1.2是图1的b-b剖视图；

图2是薄壁管弯曲的示意图；

图3是加强筋套料的示意图；

图4是初始带筋管坯的组装示意图；

图5是初始带筋管坯放入模具的示意图；

图6是合模、轴向密封的示意图；

图7是模具与筒体间充填应变速率敏感介质的示意图；

图7.1是图7的a-a剖视图；

图7.2是图7的b-b剖视图；

图8是筒体内部充填液体传力介质的示意图；

图9是加压成形的示意图；

图9.1是图9的a-a剖视图；

图9.2是图9的b-b剖视图；

图10是终成形的示意图；

上图中：上模1，右冲头2，液体介质充填通道3，下模4，应变速率敏感介质充填通道5、7，左冲头6，溢流孔8，流量调节阀9，薄壁筒10，无缝薄壁筒11，平面板料12，加强筋13、14，初始带筋管坯15。

具体实施方式

    结合附图1-10，对本发明作进一步的描述：

1、模具运行准备,

a、制作模具，模具由上模1、下模4和密封冲头组成，模具型腔分为送料区、胀形区，密封冲头包括左冲头和右冲头，上述与现有技术相同，此不赘述，在模具胀形区与加强筋相对应的部位开设溢流孔8，如图1、图1.1、图1.2所示，溢流孔的数量和直径视构件的胀形量和加强筋的高厚比而定，设计原则如下：胀形量大于15%，溢流孔数量应不少于20个，截面积不易大于5%的初始带筋管坯截面积；加强筋高厚比大于5，溢流孔数量应不少于20个，截面积不易大于5%的初始带筋管坯截面积，

b、制作无缝薄壁筒，采用旋压工艺制备无缝薄壁筒11，

c、依据终成形件的需求将薄壁筒10弯曲成轴线为空间曲线的无缝薄壁筒11，其要点为无缝薄壁筒11的轴线与终成形件的轴线一致，如图2所示，

d、制作加强筋13、14，在平面板料12上直接套料得到，如图3所示，

e、将加强筋13、14焊接到无焊缝薄壁筒11上，制作出初始带筋管坯15，如图4所示，

f、打开由上模1和下模4组成的模具，将初始带筋管坯15放入模具型腔中，如图5所示，

g、上模1与下模4合模，并施加相应合模力，其要点为合模力应能保证成形过程中上、下模具不会因内压升高而分开，密封冲头中的右冲头2和左冲头6开始轴向进给至管坯端部完成密封，如图6所示，

h、通过应变速率敏感介质充填通道5、7向模具与管坯间填充应变速率敏感介质，至模具和管坯间型腔充满为止，如图7所示，

i、通过密封冲头的液体介质充填通道3向管坯内部填充液体成形介质（如图8所示）至管坯型腔完全充满为止，

2、成形，

a、按合适的速度增大筒体内部液体压力，压力增速选取原则，对于管坯壁厚较薄或加强筋高厚比较大情况下，应选较大的压力增速，对于管坯壁厚较厚或加强筋高厚比较小的情况，则选应较低的内压增速，

b、与此同时调节流量调节阀9控制应变速率敏感介质流态，利用其变形抗力自增强的特点，形成消除变形速率不均的梯度压力分布，控制无缝薄壁筒11和加强筋13、14的变形顺序，保证无缝薄壁筒的筒体和加强筋，也就是筋板，同步协调变形，

c、进一步升高压力至胀形区管坯完全贴模，并保压3～5秒钟，

3、取件，

a、将初始带筋管坯15内部压力降低至0兆帕，

b、密封冲头后退至与模具型腔完全分开，

c、打开模具，从模具中取出零件。

需要说明的是：本实施方式中筒体和加强筋材料为本领域技术人员所熟知的铝合金、不锈钢、高温合金和钛合金。本实施方式中筒体和加强筋的壁厚为0.5-5mm。

本实施方案中应变速率敏感传力介质为本领域技术人员所熟知的高分子聚合物半固态材料，高分子聚合物半固态材料的分子量为400000~600000g/mol，高分子聚合物半固态材料的粘度为10000~16000Pa·s。其它与具体实施方式一相同。

本发明特别适用于成形薄壁、带加强筋、具有复杂封闭截面形状等筒形零件。

Claims (3)

1.一种薄壁环筋筒形件的整体成形工艺方法，其特征是由以下步骤实现：

（A）、模具运行准备：

a、在模具型腔上与加强筋相对应的部位开设溢流孔（8），并设有流量调节阀（9）；

b、制作无缝薄壁筒，采用旋压工艺制备无缝薄壁筒（11），

c、依据终成形件的需求将无缝薄壁筒（11）弯曲成轴线为空间曲线的无缝薄壁筒（11），其中，无缝薄壁筒的轴线与终成形件的轴线一致，

d、制作加强筋（13、14），在平面板料（12）上直接套料得到，

e、加强筋在成形前，即焊接在准备好的无缝薄壁筒（11）上，制作出初始带筋管坯（15），

f、将初始带筋管坯（15）放入由上模（1）和下模（4）组成的模具型腔，

g、通过上模（1）和下模（4）组成模具，合模并施加合模力，通过左冲头（6）和右冲头（2）对初始带筋管坯（15）的端部实行密封，

h、通过应变速率敏感介质充填通道（5、7）向模具与初始带筋管坯（15）间充填应变速率敏感介质，

i、通过液体介质充填通道（3）向初始带筋管坯（15）内部填充液体成形介质；

（B）、成形：

a、增大无缝薄壁筒（11）内部的液体压力，

b、于此同时调节流量调节阀（9）控制应变速率敏感介质流速，促使无缝薄壁筒（11）和加强筋（13、14）的协调变形，

c、升高无缝薄壁筒（11）内部压力至管坯完全贴模，并保压3～5s；

（C）、取件：

a、卸掉初始带筋管坯（15）的内部压力，

b、密封冲头后退至与模具型腔完全分开，

c、打开模具，从模具中取出零件；

所述的溢流孔（8）的数量及其截面积根据终成形件的胀形量和加强筋的相对高厚比选取，选取的原则如下：胀形量大则增加溢流孔数量降低溢流孔截面积，加强筋高厚比大则增加溢流孔数量降低溢流孔截面积。

2.根据权利要求1所述的薄壁环筋筒形件的整体成形工艺方法，其特征是：所述的无缝薄壁筒（11）和加强筋（13、14）采用铝合金、不锈钢、高温合金或钛合金制成，无缝薄壁筒和加强筋的壁厚为0.5-5mm。

3.根据权利要求1所述的薄壁环筋筒形件的整体成形工艺方法，其特征是：所述的应变速率敏感介质为高分子聚合物半固态材料，高分子聚合物半固态材料的分子量为100000~1000000g/mol，高分子聚合物半固态材料的粘度为8000~20000Pa·s。