CN103357804A - 铝合金筋板锻件阻尼式流动控制成形工艺及模具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝合金筋板类锻件阻尼式流动控制成形方法，采用预锻和终锻两步成形步骤，预锻时通过降压腔来降低成形载荷，终锻时在锻件的腹板部位施加阻尼力，确保腹板部位不发生塑性变形，而变形仅发生在筋条部位。本发明还提供了实现上述方法的模具，通过在凹模内设置阻尼器实现向锻件的腹板部位施加作用力。本发明通过阻尼力控制金属流动，使金属分布在成形过程得到合理调节，进而实现降低成形载荷的目的。

Description

铝合金筋板锻件阻尼式流动控制成形工艺及模具

技术领域

本发明属于塑性成形领域，具体涉及一种铝合金筋板锻件阻尼式流动控制成形工艺及其模具，用于飞机等铝合金筋板类锻件的生产。

背景技术

筋板结构广泛应用于航空航天领域的结构件中，其长、宽方向的尺寸较大，高度尺寸相对较小，具有大的水平投影面积、薄的腹板和纵横交错的筋条，能在保证构件强度的同时，节省材料和大幅减轻重量。

薄腹高筋的结构特点对锻件成形时的金属流动提出了很高的要求。筋板构件一般采用分体制造后再通过铆接或焊接的方式制造；对于性能要求较高的筋板构件，通常采用锻造或轧制方法预成形出形状简单的毛坯，然后通过数控加工或化铣加工的方法将筋条逐个加工。这些方法制造的筋板构件的连接部位强度低，带筋部位的金属流线被切断，极大地削弱了抗拉强度和抗弯曲疲劳强度，影响构件长期使用的效果。

近年来，由于模锻成形技术具有压实材料、焊合缺陷、保持流线连续、提高性能的显著优势，筋板构件直接模锻成形成为一个重要的发展趋势。但由于筋板构件的变形抗力大，且铝合金等航空材料在封闭型腔中流动时的摩擦阻力较大，导致筋板构件模锻成形时所需要的设备吨位非常大。为了提高金属流动性能、降低成形力，杨平在《筋板类锻件等温精密成形技术研究》(锻压技术，2006，3：55-58)和吴跃江在《局部加载条件对筋板类构件成形材料流动影响的模拟研究》(中国机械工程，2006，17：21-51)中分别采用等温锻造和局部加载模锻成形方式加工筋板构件；戴亮在《不同截面形状结构件等温成形规律的物理模拟》(锻压技术，2004，6：23-26)中采用等温或热模锻成形Z型、T型、H型、王字型等不同截面形状的构件。这些模锻成形技术都是通过提高模具温度减小金属变形抗力，或者通过分步成形减小单步成形力的方式实现成形力的降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不同于上述现有技术的适用于铝合金筋板类锻件的流动控制精密成形方法，采用预锻和终锻两步成形工艺，预锻时通过分流降压来降低成形载荷，终锻时在锻件的腹板部位施加阻尼力，确保腹板部位不发生塑性变形，而变形仅发生在筋条部位，以起到降低成形载荷的作用，具有工艺成形力小、所需设备吨位小、且成形容易和生产效率高的特点。

本发明的另一目的还提供了实现上述成形工艺的模具。

一种铝合金筋板类锻件阻尼式流动控制成形方法，包括预锻件成形和终锻件成形步骤，具体为：

(1)预锻件成形：

设计预锻件的尺寸：在预锻件与终锻件体积相等的前提下，预锻件的腹板厚度及沿长度方向各处的横截面面积与终锻件腹板厚度及沿长度方向对应各处的横截面积相等，预锻件筋条高度低于终锻件筋条高度，预锻件筋条宽度大于终锻件筋条宽度，预锻件筋条与腹板间的过渡圆角半径大于终锻件筋条与腹板间的过渡圆角半径；

备料：依据预锻件的尺寸准备金属厚板作毛坯；

成形：将毛坯放入预锻模具成形得到预锻件；

(2)终锻件成形：

将预锻件放入终锻模具，对预锻件的腹板区域施加向上的作用力，使其与向下的压力机作用力协作将腹板压紧；成形过程中，预锻件的腹板部位不发生变形，仅在筋条部位发生变形，从而得到终锻件。

实现所述铝合金筋板类锻件阻尼式流动控制成形方法的预锻模具，包括组合凹模和组合凸模；组合凹模下端连接下模板2，下模板2固定于工作台1上；组合凸模上端连接上模板15，上模板15固接于压力机滑块16；上、下模板17、2之间设有一对限位组件；组合凹模与下模板2之间设有预锻件的顶出组件。

进一步地，所述组合凹模包括凹模座和凹模；凹模座包括挤压筒3，挤压筒3固定于下模板2；挤压筒3内部放有凹模垫块5，挤压筒3和凹模垫块5一起放置于凹模垫板4上，凹模垫板4内嵌于下模板2内；凹模包括置于挤压筒3内凹模垫块5上的预锻镶块10，预锻镶块10开有矩形孔，矩形孔内放置预锻滑块9；预锻镶块10与挤压筒3之间形成的筋条型腔深度比预锻件筋条的高度向下延长3～4mm。

实现所述铝合金筋板类锻件阻尼式流动控制成形方法的终锻模具，包括组合凹模和组合凸模；组合凹模下端连接下模板2，下模板2固定于工作台1上；组合凸模上端连接上模板15，上模板15固接于压力机滑块16；上、下模板17、2之间设有一对限位组件；组合凹模与下模板2之间设有终锻件的顶出组件；组合凹模内设有阻尼器。

进一步地，所述组合凹模包括凹模座和凹模；凹模座包括挤压筒3，挤压筒3固定于下模板2；挤压筒3内部放有凹模垫块5，挤压筒3和凹模垫块5一起放置于凹模垫板4上，凹模垫板4内嵌于下模板2内；凹模包括置于挤压筒3内凹模垫块5上的终锻镶块29，终锻镶块29开有矩形孔，矩形孔内放置阻尼器27。

进一步地，所述阻尼器为弹簧或液压组件。

进一步地，所述阻尼器27的上端放置有终锻滑块28，阻尼器27的下端设有阻尼器垫块26。

本发明的技术效果体现在：

本发明工艺方法采用预锻和终锻两步成形工艺，预锻时通过分流降压来降低成形载荷，终锻时在锻件的腹板部位施加阻尼力，确保腹板部位不发生塑性变形，而变形仅发生在筋条部位，可有效控制板坯金属在凸凹封闭型腔中的流动方向，确保筋板类锻件顺利成形；大幅度降低模锻成形力，减小模锻设备吨位；模具制造、安装、使用和维修方便，工作可靠，使用寿命长。

本发明的预锻组合凹模由预锻镶块10、预锻滑块9和挤压筒3组成，凸模与组合凹模闭合后，腹板型腔的高度与终锻件腹板厚度相等，而预锻镶块10与挤压筒3之间形成的筋条型腔的深度比预锻件筋条的高度向下延长了3～4mm；筋条型腔的高度除掉延长的深度后比终锻件筋条高度减小、宽度增加，筋条与腹板两个型腔间的过渡圆角增大。这种型腔结构，预锻结束时，在预锻件筋条型腔的下端形成一个自由空间。在预锻过程中，从工件的腹板部位至筋条的下端形成了一个压应力绝对值由最大→零(|σ|_max→0)的应力梯度场，不仅促使变形金属顺利地流入筋条型腔，充分体现了对流动方向的控制，而且可大幅度降低预锻成形力，从而减小所需设备的吨位。

本发明的终锻组合凹模将预锻镶块10替换为终锻镶块29，镶块孔中的预锻滑块9替换为阻尼器27，当凸、凹模闭合且终锻滑块28顶面与镶块凹模型腔底面平齐时，其封闭型腔的形状及尺寸与筋板类锻件的相同，在预锻件放入终锻凹模进行终锻成形的过程中，凸模向下行程对工件施加正向作用力与随之向下行程的阻尼器27通过终锻滑块28对工件施加的反作用力一起将工件的腹板夹紧，使其不产生压缩变形，而仅在筋条部分产生挤压变形，即工件的筋条宽度变小、高度增加、过渡圆角半径减小，最后成形为筋板类终锻件。这样，避免了腹板部位的金属向筋条型腔作长距离流动所要克服的流动阻力，因此，在克服了阻尼力之后，仍然显著降低了终锻成形力，从而减小了所需设备吨位。同现有开式模锻方法比较：除大幅降低成形力外，还有锻件无飞边，不仅提高了材料利用率，且避免了因切除飞边而产生的金属纤维外露的缺陷；同现有等温模锻比较：除显著提高生产率外，还可提高锻件外观及内在质量，且模具使用寿命长。

综上所述，本发明提出的一种在筋板构件锻造成形过程中主动施加阻尼力的成形工艺及模具，通过阻尼力控制金属流动，使金属分布在成形过程得到合理调节，进而降低成形载荷。

附图说明

图1为预锻模具结构示意图，图1a为预锻模具主剖视图，图1b为图1a中I区的局部放大视图；

图2为终锻模具结构示意图；

图3为预锻组合凹模实施例主剖视图；

图4为筋板锻件预锻组合凹模实施例俯视图；

图5为筋板锻件终锻组合凹模实施例主剖视图；

图6为筋板锻件终锻组合凹模实施例俯视图；

图7为筋板锻件厚板毛坯示意图，图7a为俯视图，图7b为图7a的A-A剖视图，图7c为图7a的B-B剖视图；

图8为筋板预锻件示意图，图8a为俯视图，图8b为图8a的A-A剖视图，图8c为图9a的B-B剖视图；

图9为筋板终锻件示意图，图9a为俯视图，图9b为图9a的A-A剖视图，图9c为图9a的B-B剖视图。

图中标记为：工作台垫板1，下模板2，挤压筒3，凹模垫板4，凹模垫块5，顶料杆6，顶料板7，驱动杆8，预锻滑块9，预锻镶块10，凹模定位键11，左下限位块12，左高度调节垫块13，左上限位块14，上模板15，压力机滑块16，凸模定位圈17，凸模垫板18，凸模定位键19，凸模20，压紧环21，凹模固定圈22，右上限位块23，右高度调节垫块24，右下限位块25，阻尼器垫块26，阻尼器27，终锻滑块28，终锻镶块29。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

一种铝合金筋板类锻件阻尼式流动控制成形方法，包括预锻件成形和终锻件成形步骤，

1、预锻件成形：

(1)设计预锻件的尺寸

预锻件的腹板厚度及沿长度方向各横截面面积与终锻件腹板厚度及沿长度方向各对应横截面积相等、并适度减小筋条高度、增加筋条宽度、加大筋条与腹板间的过渡圆角半径。一般预锻件筋条高度比终锻件高度减小20％～30％，筋条宽度和过渡圆角半径根据体积相等原则计算确定。采用三维造型软件完成预锻件三维实体造型，得到预锻件的体积。

(2)备料

筋板类锻件选用轧制金属厚板作毛坯，毛坯长度L及宽度B的名义尺寸与预锻件长度及宽度的名义尺寸L_p、B_p相等，根据体积相等原则，得到毛坯厚度H＝V_f/(L_p·B_p)，V_f为锻件体积；为了毛坯顺利放入预锻凹模，L与B分别略小于L_p与B_p；同理，L_p、B_p分别略小于锻件的名义尺寸L_f、B_f。

(3)成形

将毛坯放入预锻凹模，在压力机作用下使毛坯在凹模和凸模形成的封闭型腔内成形得到预锻件。

2、终锻件成形：

将预锻件放入终锻凹模，利用内置的阻尼器在筋板类预锻件面向凹模一侧的腹板区域施加向上的作用力，使其与向下的凸模作用力(即压力机作用力)一起将腹板压紧。在压力机作用下，凸模下行，由于阻尼器的作用预锻件的腹板部位不发生变形，预锻件仅在筋条部位变形，直至得到最终锻件。

图1给出本发明预锻模具结构示意图，预锻模具包括组合凹模和组合凸模。组合凹模下端连接下模板2，下模板2固定于工作台1上；组合凸模上端连接上模板15，上模板15固接于压力机滑块16；上、下模板17、2之间设有一对限位组件；组合凹模与下模板2之间设有预锻件的顶出组件。

如图3和4所示，组合凹模包括凹模座和凹模。凹模座包括挤压筒3，挤压筒3内部放有凹模垫块5，凹模垫块5提供锻件顶出行程；挤压筒3和凹模垫块5一起置于凹模垫板4上并通过凹模定位键11定位，凹模垫板4内嵌于下模板2内；挤压筒3外部呈台阶形，挤压筒3通过台阶、压紧环21、凹模固定圈22和螺钉与下模板2连接。凹模包括置于挤压筒3内凹模垫块5上的预锻镶块10，预锻镶块10开有多个(本实施例为四个)矩形孔，矩形孔内放置预锻滑块9。预锻镶块10与挤压筒3之间形成的筋条型腔深度比预锻件筋条的高度向下延长3～4mm。

组合凸模包括凸模20和凸模定位圈17，通过螺钉将凸模20与凸模垫板18、上模板15连接在一起，凸模垫板18嵌入于上模板15内，起到对凸模左右定位作用；在上模板15与凸模20之间设有对凸模起固定和定位作用的凸模定位圈17和凸模定位键19，通过螺钉固定。

限位组件包括左限位组件和右限位组件。左限位组件包括左上限位块14、左下限位块12。左上限位块14固接于上模板15，左下限位块12固接于下模板2。在压力机驱动下，上模板和凸模下行，当左上限位块14到达左下限位块12处，上模板和凸模受阻停止移动。还可在左下限位块12上添设左高度调节垫块13，以适应不同厚度的腹板。右限位组件结构与左限位组件相同，包括右上限位块23、右下限位块25和右高度调节垫块24。

顶出组件由驱动杆8、顶料板7及顶料杆6组成；驱动杆8的杆部穿过凹模垫板4和下模板2的中心孔，其头部环形台肩支承在凹模垫板4的台阶孔内，顶料杆6置于凹模垫块5的孔内支承在顶料板7上。

图2给出本发明终锻模具结构示意图，终锻模具与预锻模具结构大致相同，区别在于，将预锻镶块10替换为终锻镶块29，镶块矩形孔中的预锻滑块9替换为阻尼器27(阻尼器局部放大图参见图5)，阻尼器27通过阻尼器垫块26放于凹模垫块5上，为了防止阻尼器直接接触锻件，在阻尼器27上端还需放置一终锻滑块28。阻尼器27可采用弹簧等弹性元件或液压组件。图6给出了组合凹模俯视图，终锻模具的终锻镶块与挤压筒之间的筋条型腔比图4所示的预锻模具的筋条型腔窄。

如图1和图2所示，本发明的一个实施例，用于铝合金筋板类锻件的生产，包括通用模架、组合凸模、组合凹模座、预锻组合凹模、终锻组合凹模及顶出装置；

图3和图4为筋板类预锻组合凹模主剖视图与俯视图；图5和图6为筋板类终锻组合凹模主剖视图与俯视图。

利用上述模具进行筋板类锻件阻尼式流动控制成形的过程如下：

第一步：预锻凹模装配在凹模座中，在凸、凹模处于闭合状态时，对凸、凹模通电加热至250℃左右，开动压力机使凸模上升到上限位置，将加热到约450℃的铝合金厚板毛坯(参见图7)，放入预锻组合凹模的型腔中；开动压力机，凸模随压力机滑块下行，进入挤压筒后，凸模在挤压筒内壁的导向作用下对毛坯施加作用力，迫使毛坯金属产生塑性流动充填凹模型腔，而成形为筋板预锻件(参见图8)，筋条型腔下端仍有3～4mm的空腔作为自由空间而起到分流降压的作用；当左、右上、下限位块接触，预锻成形结束；凸模随压力机滑块回程至上限位置时，压力机工作台下面的顶出机构的驱动杆向上行程，通过顶出组件将预锻滑块向上移动，预锻滑块将预锻件从组合凹模中顶出；取出预锻件后，顶出机构驱动杆向下行程回到初始位置，一个工作周期结束；依次循环，直到将全部预锻件生产完为止。

第二步：将终锻组合凹模替代预锻组合凹模，其余工作过程与上述过程基本相同，其不同之处是将预锻件代替厚板毛坯，模锻时凸模同阻尼器将预锻件的腹板夹紧使其不发生塑性变形，并一同向下行程，迫使筋条部位产生挤压变形，直到成形得到终锻件(参见图9)；顶出时通过顶出组件向上移动将终锻件从组合凹模中顶出。

Claims (7)

1.一种铝合金筋板类锻件阻尼式流动控制成形方法，包括预锻件成形和终锻件成形步骤，具体为：

(1)预锻件成形：

设计预锻件的尺寸：在预锻件与终锻件体积相等的前提下，预锻件的腹板厚度及沿长度方向各处的横截面面积与终锻件腹板厚度及沿长度方向对应各处的横截面积相等，预锻件筋条高度低于终锻件筋条高度，预锻件筋条宽度大于终锻件筋条宽度，预锻件筋条与腹板间的过渡圆角半径大于终锻件筋条与腹板间的过渡圆角半径；

备料：依据预锻件的尺寸准备金属厚板作毛坯；

成形：将毛坯放入预锻模具成形得到预锻件；

(2)终锻件成形：

将预锻件放入终锻模具，对预锻件的腹板区域施加向上的作用力，使其与向下的压力机作用力协作将腹板压紧；成形过程中，预锻件的腹板部位不发生变形，仅在筋条部位发生变形，从而得到终锻件。

2.实现权利要求1所述铝合金筋板类锻件阻尼式流动控制成形方法的预锻模具，包括组合凹模和组合凸模；组合凹模下端连接下模板(2)，下模板(2)固定于工作台(1)上；组合凸模上端连接上模板(15)，上模板(15)固接于压力机滑块(16)；上、下模板(17、2)之间设有一对限位组件；组合凹模与下模板(2)之间设有预锻件的顶出组件。

3.根据权利要求2所述的预锻模具，其特征在于，所述组合凹模包括凹模座和凹模；凹模座包括挤压筒(3)，挤压筒(3)固定于下模板(2)；挤压筒(3)内部放有凹模垫块(5)，挤压筒(3)和凹模垫块(5)一起放置于凹模垫板(4)上，凹模垫板(4)内嵌于下模板(2)内；凹模包括置于挤压筒(3)内凹模垫块(5)上的预锻镶块(10)，预锻镶块(10)开有矩形孔，矩形孔内放置预锻滑块(9)；预锻镶块(10)与挤压筒(3)之间形成的筋条型腔深度比预锻件筋条的高度向下延长3～4mm。

4.实现权利要求1所述铝合金筋板类锻件阻尼式流动控制成形方法的终锻模具，包括组合凹模和组合凸模；组合凹模下端连接下模板(2)，下模板(2)固定于工作台(1)上；组合凸模上端连接上模板(15)，上模板(15)固接于压力机滑块(16)；上、下模板(17、2)之间设有一对限位组件；组合凹模与下模板(2)之间设有终锻件的顶出组件；组合凹模内设有阻尼器。

5.根据权利要求4所述的终锻模具，其特征在于，所述组合凹模包括凹模座和凹模；凹模座包括挤压筒(3)，挤压筒(3)固定于下模板(2)；挤压筒(3)内部放有凹模垫块(5)，挤压筒(3)和凹模垫块(5)一起放置于凹模垫板(4)上，凹模垫板(4)内嵌于下模板(2)内；凹模包括置于挤压筒(3)内凹模垫块(5)上的终锻镶块(29)，终锻镶块(29)开有矩形孔，矩形孔内放置阻尼器(27)。

6.根据权利要求4或5所述的终锻模具，其特征在于，所述阻尼器(27)为弹簧或液压组件。

7.根据权利要求5所述的终锻模具，其特征在于，所述阻尼器27的上端放置有终锻滑块(28)，阻尼器(27)的下端设有阻尼器垫块(26)。

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