CN103341543B - 一种变曲率薄壁零件环向流动成形方法 - Google Patents

Abstract

一种变曲率薄壁零件环向流动成形方法，它涉及一种轴线为空间曲线的变截面薄壁零件成形装置及方法，以解决轴线为空间曲线的变截面薄壁零件成形采用分体成形、组合焊接方法的问题。装置：模腔的形状是模腔轴线为空间曲线的变截面通道，型模腔由进口端至封闭端沿轴向的截面形状依次过渡为圆形、宽短轴椭圆、窄短轴椭圆、腰形和月牙形，芯模设置在型模腔中，芯模的侧壁上设有数个加载注入孔，柱塞设置在软模腔中。方法：一、对板坯料搭边设计；二、设计加载注入孔的位置；三、筒状板坯料置于芯模与型模之间；四、将粘弹塑性软模注入软模腔中；五、推动柱塞将粘弹塑性软模注入芯模腔中；六、取出变曲率薄壁零件。本发明用于变曲率薄壁零件成形。

Description

一种变曲率薄壁零件环向流动成形方法

技术领域

本发明涉及一种轴线为空间曲线的变截面薄壁零件成形方法，具体涉及一种变曲率薄壁零件环向流动成形方法。

背景技术

轴线为空间曲线的变截面薄壁零件是航空航天领域上一类较为典型的壳体结构件。其主要特点和成形难点是壁厚均匀性要求较高，轴线为空间曲线，沿轴线截面形状、尺寸变化较大，具体表现为圆形截面端直径为280mm～320mm，沿轴线方向圆形截面逐渐过渡到椭圆截面，截面长轴尺寸为300mm～360mm，短轴尺寸为120mm～300mm，椭圆形截面逐渐过渡到月牙形截面，截面内侧圆弧半径为70mm～110mm，外侧圆弧半径为340mm～380mm。目前，轴线为空间曲线的变截面薄壁零件大都采用分体成形、组合焊接的成形方法。分体成形一般采用冲压的方法，各分体曲面复杂，冲压过程中壁厚不容易控制。在焊接过程中热应力和弹性变形影响尺寸精度。

专利公开号为CN101462134B、公开日期为2011年02月02日的发明专利公开了一种“非对称变径壁厚分布均匀的薄壁零件环向流动成形方法”。该方法中坯料轴向被约束，成形时坯料仅发生环向流动，且该方法适于成形两端截面形状差异大，轴线为空间曲线的变曲率、变截面薄壁零件，该方法中非封闭坯料环向和轴向同为自由端，坯料同时通过环向和轴向流动补充变形，同时初始非封闭筒坯两端形状与型模形状几乎相同。

发明内容

本发明的目的是为解决轴线为空间曲线的变截面薄壁零件成形采用分体成形、组合焊接的成形方法，无法一体成形的问题，而提供一种变曲率薄壁零件环向流动成形方法。

本发明的是通过以下技术方案来实现的：

装置：所述装置包括型模、堵头、芯模、介质仓和柱塞，型模的内部设有型模腔，型模腔的进口端位于型模的底部，型模腔的封闭端位于型模的侧边，模腔的形状是模腔轴线为空间曲线的变截面通道，型模腔由进口端至封闭端沿轴向的截面形状依次过渡为圆形、宽短轴椭圆、窄短轴椭圆、腰形和月牙形，型模腔的两端设有设置环状凸起，芯模设置在型模腔中，芯模内部设有与模腔轴线同轴的芯模腔，芯模的侧壁上设有数个加载注入孔，介质仓设置在型模的底部且位于芯模腔进口处，介质仓上设有与芯模腔相通的软模腔，柱塞设置在软模腔中，堵头设置在芯模腔的封闭端。

方法：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、首先对板坯料进行搭边设计：将板坯料卷成筒状，且两端应有搭边，其坯料搭边长度△L为：△L＝f×L

其中：f为工艺搭边系数，取值范围为1.03～1.06，L为圆形截面的周长或月牙形截面的周长，L取二者中数值大的；

步骤二、设计加载注入孔的位置：设坯料搭边△L所对应的夹角θ为搭边夹角，坯料搭边△L的两个端点的起始角度β为20°～30°，在搭边夹角θ和起始角度β所对应区域外的芯模侧壁上加工加载注入孔，相邻两个加载注入孔沿轴向的间距t为5mm～20mm；

步骤三、将步骤一中的筒状板坯料置于芯模与型模之间；

步骤四、将粘弹塑性软模注入软模腔中；

步骤五、推动柱塞将粘弹塑性软模注入芯模腔中，保证柱塞的成形压力等于或小于130MPa，粘弹性软模经过芯模的加载注入孔作用于筒状板坯料并使之变形，直至筒状板坯料的侧壁贴合在型模的内壁上；

步骤六、打开成形模具，取出变曲率薄壁零件，即完成一个成形过程。

本发明具有以下有益效果：

一、本发明的成形介质采用半固态的粘弹塑性软模，半固态的粘弹塑性软模具有高压下流动性好的特点，粘弹塑性软模压力场在高压下容易密封，可以在环向非封闭坯料和芯模构成的型腔内建立较高的压力，粘弹塑性软模材料的应变速率敏感性使坯料表面具有非均匀压力分布，可以在适应于非封闭坯料变形过程所需压力的变化，形成对成形过程的控制。粘弹塑性软模材料的粘性附着力同时也可以促使非封闭坯料在环向流动，非封闭坯料环向流动补给使壁厚的变化很小，使零件壁厚分布的均匀性得到保证。与已有的分体成形方法比较，利用本发明方法成形的轴线为空间曲线的变曲率、变截面薄壁零件具有表面质量好、壁厚分布均匀、尺寸精度相比已有的分体成形提高2～3倍。

二、利用本发明方法成形的零件壁厚减薄<5％，尺寸精度精确到0.1mm；已有的分体成形方法成形的零件壁厚减薄>10％，尺寸精度精确到1.00mm；零件加工前的壁厚为1.00mm。

三、本发明适于成形轴线为空间曲线的变曲率、变截面薄壁零件，适合于航空航天及动力机械等领域的轴线为空间曲线的变曲率、变截面薄壁零件的成形制造。

四、本发明的模具结构简单、制造成本低。

附图说明

图1是本发明的变曲率薄壁零件环向流动成形装置的整体结构主剖视图(即成形初始状态示意图)，图2是芯模3的结构主剖视图，图3是图2的I-I剖视图，图4是利用本发明的变曲率薄壁零件环向流动成形装置成形后的零件结构示意图，图5是图4的后视图，图6是图5的A-A截面图(即圆形1-3的截面示意图)，图7是图5的B-B截面图(即宽短轴椭圆1-4的截面示意图)，图8是图5的C-C截面图(即窄短轴椭圆1-5的截面示意图)，图9是图5的D-D截面图(即腰形1-6的截面示意图)，图10是图5的E-E截面图(即月牙形1-7的截面示意图)，图11是具体实施方式六中步骤六成形后变曲率薄壁零件的结构示意图(图中标记M答辩区域)，图12是零件成形中间状态示意图，图13是零件成形结束状态示意图，图14是图1的F-F截面图(即成形初始状态的F-F截面图)，图15是图12的G-G截面图(即成形中间状态的G-G截面图)，图16是图13的H-H截面图(即成形结束状态的G-G截面图)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图11说明本实施方式，本实施方式包括型模1、堵头2、芯模3、介质仓4和柱塞5，型模1的内部设有型模腔1-1，型模腔1-1的进口端位于型模1的底部，型模腔1-1的封闭端位于型模1的侧边，模腔1-1的形状是模腔轴线N-N为空间曲线的变截面通道，型模腔1-1由进口端至封闭端沿轴向的截面形状依次过渡为圆形1-3、宽短轴椭圆1-4、窄短轴椭圆1-5、腰形1-6和月牙形1-7，宽短轴b大于窄短轴a，型模腔1-1的两端设有设置环状凸起，环状凸起保证了环向非封闭坯料5在两端的轴向不产生沿轴线的位移，芯模3设置在型模腔1-1中，芯模3内部设有与模腔轴线N-N同轴的芯模腔3-1，芯模3的侧壁上设有数个加载注入孔3-2，介质仓4设置在型模1的底部且位于芯模腔3-1进口处，介质仓4上设有与芯模腔3-1相通的软模腔4-1，柱塞5设置在软模腔4-1中，堵头2设置在芯模腔3-1的封闭端，堵头2采用螺栓与芯模3固定连接。所述芯模3可由3～6个瓣制成一体。

具体实施方式二：结合图6说明本实施方式，本实施方式的圆形1-3截面的直径为280mm～320mm。此范围内能够满足成形零件的设计要求。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图7说明本实施方式，本实施方式的宽短轴椭圆1-4的截面尺寸为：宽短轴椭圆1-4上的宽长轴a为300mm～320mm，宽短轴椭圆1-4上的宽短轴b为220mm～300mm。此范围内能够满足成形零件的设计要求。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图8说明本实施方式，本实施方式的窄短轴椭圆1-5的截面尺寸为：窄短轴椭圆1-5上的窄长轴a′为330mm～360mm，窄短轴椭圆1-5上的窄短轴b′为120mm～200mm。此范围内能够满足成形零件的设计要求。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图10说明本实施方式，本实施方式的月牙形1-7的截面尺寸为：截面内侧圆弧半径r为70mm～110mm，截面外侧圆弧半径R为340mm～380mm。此范围内能够满足成形零件的设计要求。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图1、图3、图12、图13、图14、图15和图16说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：

步骤一、首先对板坯料6进行搭边设计：将板坯料6卷成筒状，且两端应有搭边，其坯料搭边长度△L为：△L＝f×L

其中：f为工艺搭边系数，取值范围为1.03～1.06，L为圆形截面的周长或月牙形截面的周长，L取二者中数值大的；

步骤二、设计加载注入孔3-2的位置：设坯料搭边△L所对应的夹角θ为搭边夹角，坯料搭边△L的两个端点的起始角度β为20°～30°，在搭边夹角θ和起始角度β所对应区域外的芯模3侧壁上加工加载注入孔3-2，相邻两个加载注入孔3-2沿轴向的间距t为5mm～20mm；

步骤三、将步骤一中的筒状板坯料6置于芯模3与型模1之间；

步骤四、将粘弹塑性软模7注入软模腔4-1中；

步骤五、推动柱塞5将粘弹塑性软模7注入芯模腔3-1中，保证柱塞5的成形压力等于或小于130MPa，在此压力作用下，利于粘弹塑性软模的密封和流动以及坯料的成形，粘弹性软模7经过芯模3的加载注入孔3-2作用于筒状板坯料并使之变形，直至筒状板坯料的侧壁贴合在型模1的内壁上；

步骤六、打开成形模具，取出变曲率薄壁零件，即完成一个成形过程。

具体实施方式七：结合图1、图3、图12、图13、图14、图15和图16说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的板坯料6为不锈钢、镍基高温合金或铁基高温合金。不锈钢的牌号为1Cr18Ni9Ti或0Cr18Ni9Ti；镍基高温合金的牌号为GH3030、GH3044、GH4169或GH99；铁基高温合金的牌号为GH161或GH13。由上述所述材料制成的轴线为空间曲线的变曲率、变截面形状复杂的薄壁零件完全可满足航空航天及动力机械等领域需要。其他步骤与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1、图3、图12、图13、图14、图15和图16说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的板坯料6的板厚为0.5mm～1.2mm。可满足航空航天及动力机械等领域需要。其他步骤与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：结合图1、图3、图12、图13、图14、图15和图16说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的板坯料6的板厚为0.8mm。适合要求轴线为空间曲线的变曲率、变截面薄壁零件的结构重量轻、强度要求较高和尺寸精度要求较高的场合。其他步骤与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式十：结合图1、图3、图12、图13、图14、图15和图16说明本实施方式，本实施方式为步骤一中的板坯料6的板厚为1mm。适合要求轴线为空间曲线的变曲率、变截面薄壁零件的结构重量轻、强度要求较高和尺寸精度要求较高的场合。其他步骤与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式十一：结合结合图2说明本实施方式，本实施方式为步骤二中的加载注入孔3-2的直径为8mm～15mm。此范围能够满足成形零件的设计要求。其他步骤与具体实施方式八相同。

具体实施方式十二：结合结合图2说明本实施方式，本实施方式为步骤二中的加载注入孔3-2的直径为10mm。此范围能够满足成形零件的设计要求。其他步骤与具体实施方式八相同。

具体实施方式十三：结合结合图2说明本实施方式，本实施方式为步骤二中的加载注入孔3-2的直径为12mm。此范围能够满足成形零件的设计要求。其他步骤与具体实施方式八相同。

具体实施方式十四：结合结合图1、图12、图13、图14、图15和图16说明本实施方式，本实施方式为步骤四中的粘弹塑性软模7为分子量在600,000g/mol～800,000g/mol之间、粘度在15,000Pa.s～20,000Pa.s之间的高分子聚合物材料，且其物态为半固态。高分子聚合物材料为甲基乙烯基硅橡胶。采用高分子聚合物材料，具有高压下流动性好，压力分布的的可控性好及容易获得高压等优点。其他步骤与具体实施方式六、七或九相同。

Claims (5)

1.一种变曲率薄壁零件环向流动成形方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、首先对板坯料(6)进行搭边设计：将板坯料(6)卷成筒状，且两端应有搭边，其坯料搭边长度△L为：△L＝f×L

其中：f为工艺搭边系数，取值范围为1.03～1.06，L为圆形截面的周长或月牙形截面的周长，L取二者中数值大的；

步骤二、设计加载注入孔(3-2)的位置：设坯料搭边△L所对应的夹角θ为搭边夹角，坯料搭边△L的两个端点的起始角度β为20°～30°，在搭边夹角θ和起始角度β所对应区域外的芯模(3)侧壁上加工加载注入孔(3-2)，相邻两个加载注入孔(3-2)沿轴向的间距t为5mm～20mm；

步骤三、将步骤一中的筒状板坯料置于芯模(3)与型模(1)之间；

步骤四、将粘弹塑性软模(7)注入软模腔(4-1)中；

步骤五、推动柱塞(5)将粘弹塑性软模(7)注入芯模腔(3-1)中，保证柱塞(5)的成形压力等于或小于130MPa，粘弹性软模(7)经过芯模(3)的加载注入孔(3-2)作用于筒状板坯料并使之变形，直至筒状板坯料的侧壁贴合在型模(1)的内壁上；

步骤六、打开成形模具，取出变曲率薄壁零件，即完成一个成形过程；

所述步骤六中的模具包括型模(1)、堵头(2)、芯模(3)、介质仓(4)和柱塞(5)，型模(1)的内部设有型模腔(1-1)，型模腔(1-1)的进口端位于型模(1)的底部，型模腔(1-1)的封闭端位于型模(1)的侧边，模腔(1-1)的形状是模腔轴线N-N为空间曲线的变截面通道，型模腔(1-1)由进口端至封闭端沿轴向的截面形状依次过渡为圆形(1-3)、宽短轴椭圆(1-4)、窄短轴椭圆(1-5)、腰形(1-6)和月牙形(1-7)，型模腔(1-1)的两端设有设置环状凸起，芯模(3)设置在型模腔(1-1)中，芯模(3)内部设有与模腔轴线N-N同轴的芯模腔(3-1)，芯模(3)的侧壁上设有数个加载注入孔(3-2)，介质仓(4)设置在型模(1)的底部且位于芯模腔(3-1)进口处，介质仓(4)上设有与芯模腔(3-1)相通的软模腔(4-1)，柱塞(5)设置在软模腔(4-1)中，堵头(2)设置在芯模腔(3-1)的封闭端。

2.根据权利要求1所述一种变曲率薄壁零件环向流动成形方法，其特征在于：所述步骤一中的板坯料(6)为不锈钢、镍基高温合金或铁基高温合金。

3.根据权利要求1或2所述一种变曲率薄壁零件环向流动成形方法，其特征在于：所述步骤一中的板坯料(6)的板厚为0.5mm～1.2mm。

4.根据权利要求3所述一种变曲率薄壁零件环向流动成形方法，其特征在于：所述步骤二中的加载注入孔(3-2)的直径为8mm～15mm。

5.根据权利要求1、2或4所述一种变曲率薄壁零件环向流动成形方法，其特征在于：所述步骤四中的粘弹塑性软模(7)为分子量在600,000g/mol～800,000g/mol之间、粘度在15,000Pa.s～20,000Pa.s之间的高分子聚合物材料，且其物态为半固态。