CN103358433A - 超塑成型模具和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超塑成型模具和方法。其中，超塑成型模具包括：上模，上模设置有预成型结构的预成型模腔；以及下模，下模上向内凹设有成型模腔，成型模腔与预成型模腔对应，以使下模和上模闭合时成型模腔和预成型模腔形成封闭空间，并且，上模和下模分别设置有上进气孔和下进气孔，上进气孔和下进气孔均与封闭空间相通。利用本发明的超塑成型模具，不仅可以完成超塑成型工艺，并且，预成形和最终成形可以在同一模具完成，预成形后可以立即进行成形，具有产品一体成形性好、机械性能好、产品厚度均匀、产品种类丰富、制备工艺简单、生产周期短、废品率低、生产成本低等优点，适用于工业化生产，具有广阔的应用空间和巨大的市场推广价值。

Description

超塑成型模具和方法

技术领域

本发明涉及制造技术领域，具体而言，涉及一种超塑成型模具和方法。

背景技术

超塑成型技术，尤其是超塑气胀成型技术是一个比较新颖、先进而未成熟的技术，具有性能好、精度高、工序简单、操作方便等优点，在保证产品质量的同时还节约了能源和设备。现有技术中，大圆角的盒体零件成型采取凹凸模成形、液压成形等成形方式，但是对于例如小圆角零件成型时，存在着容易破裂、工件厚度均匀性不一致、工件机械性能减低，导致成形废品率增加等问题。

因此，目前的超塑成型技术有待进一步改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种超塑成型模具。

本发明的另一个目的是提供一种超塑成型方法。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种超塑成型模具。根据本发明实施例，所述模具包括：上模，所述上模设置有预成型结构的预成型模腔；以及下模，所述下模上向内凹设有成型模腔，所述成型模腔与所述预成型模腔对应，以使所述下模和所述上模闭合时所述成型模腔和所述预成型模腔形成封闭空间，并且，所述上模和所述下模分别设置有上进气孔和下进气孔，所述上进气孔和所述下进气孔与所述封闭空间相通。

利用根据本发明实施例的超塑成型模具，不仅可以完成超塑成型工艺，并且，预成形和成形可以在同一模具完成，预成形后可以立即进行成形。在使用时，以上模（根据实际需要也可以是下模）的具有预成型结构（根据实际需要进行设计）的预成型模腔作为预成形模腔，成形出预成形态后可以立即将气压反转，以下模（根据实际需要也可以是上模）作为最终成形模腔，获得成型产品。另外，由于预成形结构的存在，在成形复杂盒形工件，特别是有内扣盒形工件时，预成形时的材料厚度保护区必须向易变薄区推送，而不是现有的预成型技术中的纯粹将易变薄区的原材料预先保留，因为只作预先保留很有可能因保护区过早贴模，导致只留有一小部份的材料能够被用来拉伸出极小的圆角，其它部分不能再参与成型，而且利用根据本发明实施例的超塑成型模具，预成形时的原材料厚度保护区不单必须向易变薄区推送，并且被推送的保护区必须尽量接近易变薄区的形状，从而可以有效地防止保护区过早贴模，使成型的厚度可以控制。利用根据本发明实施例的超塑成型模具在进行成型，具有产品一体成形性好、产品的机械性能好、产品的厚度均匀、产品种类丰富、制备工艺简单、生产周期短、产量高、废品率低、生产成本低等优点，适用于工业化、规模化生产，具有广阔的应用空间和巨大的市场推广价值。

根据本发明的一些实施例，上述超塑成型模具还可以具有下列附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述预成型模腔具有环形凹槽、球形、椭圆球形、扇形、波浪形、马鞍形以及方形中的至少一种结构。由此，在成形时，由于预成形结构的存在，原材料可以根据设计鼓起不同形状的泡，鼓起泡后厚度变薄，可以起到两个积极作用：（1）.原材料薄处成形时所需的力量小，在成形时会更优先变形及变薄，如果该位置按理想状态落在成形工件比较难变薄的位置，可以进一步将原材料借用到需要的位置；（2）.基于力学矢量分析，气胀成形时原材料鼓起泡的位置会倾向摊平，因此可利用鼓起的泡的摊平倾向将厚度保护区推向预先设计的理想的位置，帮助将板材的厚度保护区落在最终工件的边角，从而可以解决的例如盒形工件的边角厚度比其他位置薄等问题，使产品的薄厚均匀。

根据本发明的一个实施例，所述模具的预定位置设置有石墨。由此，石墨在液压机的压力下可以填补任何微小的空隙，而且在高温下不会熔化或分解，可以长期保持封气效果，封闭效果非常理想，有利于抑制成型时产生孔洞。

根据本发明的一个实施例，所述上模和所述下模分别连接有上加热板和下加热板，所述上加热板和所述下加热板分别连接有上隔热板和下隔热板。由此，可以根据实际需求对模具加热，使模具能够保持合理的成型温度。

进一步地，还可以将温度控制系统和气压控制系统应用在上述模具上。

在本发明的另外一个方面，本发明提出了一种超塑成型方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：预成型，以便对原材料进行初步成型，获得预成型工件；以及成型，以便对所述预成型工件进行成型，获得成型产品，并且，所述预成型和成型在同一模具中完成。利用根据本发明实施例的超塑成型方法进行成型，具有产品一体成形性好、产品的机械性能高、产品的厚度均匀、产品种类丰富、制备工艺简单、生产周期短、产量高、废品率低、生产成本低等优点，适用于工业化、规模化生产，具有广阔的应用空间和巨大的市场推广价值。

根据本发明的一些实施例，上述超塑成型方法还可以具有下列附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述预成型完成后立即进行所述成型，现有的预成形技术由于和成形是两个分开进行的工序，原材料晶粒往往在第一次成形期间到第二次成形之前的时间被放大，减低了原材料的成型性能，导致工件的废品率增加，而此技术问题可以通过根据本发明的实施例的超塑成型方法得到有效解决。

根据本发明的一个实施例，所述模具为根据以上实施例所述的模具，前面针对超塑成型模具所描述的技术特征和优点也适用于该方法，不再赘述。

根据本发明的一个实施例，所述预成型在所述模具的所述预成模腔中进行，所述成型在所述模具的所述成型模腔中进行。由此，预成型和成型在同一模具中完成，缩短了成型时间，减少了劳动强度，并且有利于降低生产成本，提高生产效率。

根据本发明的一个实施例，从所述下进气孔向所述封闭空间输入一定气压的气体，使原材料向上进入所述预成型模腔，进行所述预成型，以获得预成型工件；完成所述预成型后，从所述上进气孔向所述封闭空间输入一定气压的气体，使所述预成型工件向下进入所述成型模腔，进行所述成型，以获得成型产品。

根据本发明的一个实施例，所述模具为通过有限元模拟优化设计的模具。本发明的模具预成形型腔的结构通过有限元模拟优化设计，然后数控加工而成，实现把最终产品在成形时所需要的量预先成形出来，预成形的结构旨在改善产品的厚度均匀性。

根据本发明的实施例的超塑成型模具和方法可以实现下列优点至少之一：

1、根据本发明的实施例的超塑成型模具和方法，可以在加热条件下进行成形，避免了回弹引起的例如尺寸超差等问题，使成形出来的产品精度高、表面质量良好；

2、根据本发明的实施例的超塑成型模具和方法，改善了产品的薄厚均匀性，增强了产品的机械使用性能，并且有效地解决了成形时因破裂而造成废品增多等技术问题；

3、根据本发明的实施例的超塑成型模具和方法，可以在同一模具中完成预成形及成形两个步骤，防止了原材料晶粒变大而造成的成型产品性能减退，同时也减少了出模及周转的时间，提高了生产速度；

4、根据本发明的实施例的超塑成型模具和方法，由于解决了模具内密封问题，可以在本发明的模具上实现背压成形，可达到抑制产品孔洞化和改善产品性能的效果；

5、根据本发明的实施例的超塑成型模具和方法，由于解决了晶粒变大导致成形性减低以及厚度不均等重大问题，大大提高生产复杂产品的可能性，因此赋予设计师更大的设计自由度，令以往工艺上不可行的设计变成可行；

6、根据本发明的实施例的超塑成型模具和方法，成型产品精度高、没有一般金属成形技术的物料回弹，而且表面质量好，因此可以应用在精度要求高的产品上，如电子产品外壳、交通工具外壳、工程结构件、家具等；

7、根据本发明的实施例的超塑成型模具和方法，本发明的成型工序少、速度快、成本低、成品率高，为超塑气胀成形的批量化生产创造了有利条件，有利于推动超塑成形技术在应用和发展。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有技术中的超塑气胀成形的成型示意图；

图2是根据本发明一个实施例的超塑成型模具的结构示意图；

图3是根据本发明另外一个实施例的超塑成型模具的预成型模腔的结构示意图，在图3中，A显示了预成型模腔的平面结构，B显示了预成型模腔的剖面结构；

图4是根据本发明一个实施例的超塑成型方法的流程示意图。

附图标记：

上模1、下模2、预成型模腔3、成型模腔4、上进气孔5、下进气孔6、下加热板7、上加热板8、上隔热板9、下隔热板10、板材11。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的组件或具有相同或类似功能的组件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”“等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明是基于发明人的下列发现而完成的：

现有超塑成型技术中，预成形技术和成形往往是两个分开进行的，导致材料晶粒往往在第一次成形期间到第二次成形之前的时间被放大，减低了材料的成型性能，导致工件的成形废品率增加，而且现有的预成型技术纯粹将易变薄区的材料先保留，因为只作预先保留很有可能因保护区过早贴模，只留有一小部份的材料可以拉伸出极小的圆角，难以成型结构复杂的产品，还会导致产品机械性能下降及厚度不均匀等问题，以现有技术中的超塑气胀成形直接成形盒状件为例子，参考图1，板材一开始会以一个半球状的形态向下成形（第一条线，由上至下，下同），当板材第一次接触模具表面时（第二条线），两个表面会产生磨擦力，限制甚至防止板材继续流动，不参与之后的变形，随着不断成形，板材被模具贴死的面积愈来愈大（第三条线），愈后期的成形可供拉伸的材料愈少，以至到了最后，难度最高的尖角只能由一个面积很小板材去拉伸而成，其中以盒的四个边角减薄问题最为严重。因而，实际上目前尚无能够有效地解决上述技术问题的模具和方法。本发明的发明人惊奇地发现，通过本发明的技术方案，能够有效地解决现有技术中的例如上述的技术问题。结合以上所述的发明内容以及以下部分，本发明技术方案的特征和优点将得到详细地描述。

需要特别说明的是，上述的“发现”均是本发明的发明人在付出了大量艰苦的试验后，意外获得的。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种超塑成型模具。根据本发明实施例，如图2所示，该模具包括：上模1和下模2，其中，上模1设置有预成型结构的预成型模腔3，预成型模腔3的形状和结构不受特别限制，可以根据不同需要进行不同的设计，例如可以选自环形凹槽、球形、椭圆球形、扇形、波浪形、马鞍形以及方形结构，图3显示了环形凹槽结构；下模2端面上向内凹设有的成型模腔4，预成型模腔3与成型模腔4对应，当上模1和下模2闭合时预成型模腔3和成型模腔4形成封闭空间，并且上模1和下模2分别设置有与封闭空间相通的上进气孔5和下进气孔6，通过上进气孔5和下进气孔6可以向封闭空间输入气体。当然，相关技术人员应该理解的是，根据实际需要模具也可以分为左模和右模，预成型模腔3不仅可以设置在上模1上，还可以设置在其它位置，例如下模2上，这些均落在本发明的保护范围以内。

在利用根据本发明实施例的超塑成型模具进行成形的技术手段不受特别限制，例如根据本发明的一些实施例，参考图2，首先从下进气孔6向封闭空间输入一定气压的气体，使板材向上进入预成型模腔3中进行预成型，以获得预成型工件；完成预成型后，从上进气孔5向封闭空间输入一定气压的气体，使预成型工件向下进入成型模腔4中进行成型，最后利用模具的顶出机构出模，从而获得成型产品。相关技术人员也可以借鉴现有技术的其它成形手段，不再赘述。

进一步地，还可以对上述模具做改进，例如根据本发明的一些实施例，如图2所示，上模1和下模2分别连接有上加热板8和下加热板7，上加热板8和下加热板7分别连接有上隔热板9和下隔热板10，从而使模具能够获得理想的成型温度。

在本发明中，本发明的发明人创造性地在模具中应用了石墨，在模具的预定位置设置石墨，优选采用耐高温性能可以达到1000摄氏度的石墨，石墨在液压机的压力下可以填补任何微小的空隙，而且在高温下不会熔化或分解，可以长期保持封气效果，封气效果非常理想，有利于抑制成型时产生孔洞。

在本发明的另外一个方面，本发明提出了一种超塑成型方法。参考图4，根据本发明的实施例，超塑成型方法可以包括以下步骤：

S1：预成型

在该步骤中，通过预成型S1对原材料进行初步成型，可以获得预成型工件。

在利用根据本发明实施例的超塑成型方法进行成形时，所用模具的种类以及结构不受特别限制，例如根据本发明的一些实施例，模具的结构如图2所示，在预成型S1时，首先从下进气孔6向封闭空间输入一定气压的气体，使原材料向上进入预成型模腔3中进行预成型，从而获得预成型工件。另外，前面针对超塑成型模具所描述的特征和优点，也当然地适用该方法，不再赘述。

S2：成型

对步骤S1中获得的预成型工件进行成型S2，可以获得成型产品，并且，预成型S1和成型S2必须在同一模具中完成。

根据本发明的一些实施例，预成型S1完成后立即进行成型S2。

根据本发明的一些实施例，利用如图2所示的模具进行成型，在完成上述预成型S1后，从上进气孔5向封闭空间输入一定气压的气体，使预成型工件向下进入成型模腔4中进行成型S2，最后利用模具的顶出机构出模，从而获得成型产品。相关技术人员也可以借鉴现有技术的其它成形手段，不再赘述。

在本发明中，模具的设计及制备技术手段不受特别限制。例如根据本发明的具体实施例，模具为通过有限元模拟优化设计的模具，模具预成形型腔的结构通过有限元模拟优化设计，然后数控加工而成，实现把最终产品在成形时所需要的量预先成形出来，预成形的结构旨在改善产品的均匀性。

为了进一步详细阐述本发明的技术方案，下面通过具体的实施例对本发明进行说明，需要说明的是这些实施例仅仅是为了说明目的，而不能以任何方式解释成对本发明的限制。另外，在下列实施例中如果没有特别说明，则所采用的设备和材料均为市售可得的。

实施例1

参考图2和图3，通过计算模拟优化设计模具，并利用数控车床制造模具，以实现可以把最终工件需要的量预成形出来，将上模1的预成型模腔3的设计并制造为如图3所示环形凹槽结构。预成形结构旨在改善零件壁厚的均匀性，在成型时，环形凹槽的作用在于把正常超塑成形时贴壁后不参与变形的部分，提前变薄，增加其对成形均匀性的贡献，向下充气后，板材11贴膜时其位置正好落在角落，就算预成型不完全，因其预成型时厚度未发生变化，正好弥补此类不足满足整体的壁厚均匀性。

实施例2

下面阐述，利用实施例1所述模具、以厚度为1mm的5083铝合金板材为原材料、采用超塑气胀技术制备盒型电子壳体产品的成型工艺。

参考图2和图4，先对模具进行加热，350～600摄氏度后将板材11放在成型模腔4上，通过液压机的作用，上模1和下模2闭合密封，通过下进气孔6通入0.1～1MPa气体，板材11在气体压力下逐渐变形，最终与上模1的预成形型腔3贴合，然后通过上进气孔5通入0.4～5MPa气体，使板材11再向下变形，最终与成型模腔4贴合，成形结束后取出零件。

结果：边角处的厚度到达0.7～0.9mm，壳体的厚度均匀性有很大的改善，而现有超塑气胀成型制备的盒体零件的边角处是变形最薄的区域，只能在0.3～0.6mm的范围，而且，与现有超塑气胀成型的制备时间相比，缩短了10～30分钟的工艺时间，壳体四角的孔洞率减低到最小，对后期表面处理的影响减低到最低，符合电子行业金属壳体零件的技术标准要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种超塑成型模具，其特征在于，所述模具包括：

上模，所述上模设置有预成型结构的预成型模腔；以及

下模，所述下模上向内凹设有成型模腔，所述成型模腔与所述预成型模腔对应，以使所述下模和所述上模闭合时所述成型模腔和所述预成型模腔形成封闭空间，

并且，

所述上模和所述下模分别设置有上进气孔和下进气孔，所述上进气孔和所述下进气孔均与所述封闭空间相通。

2.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述预成型模腔具有环形凹槽、球形、椭圆球形、扇形、波浪形、马鞍形以及方形中的至少一种结构。

3.根据权利要求2所述的模具，其特征在于，所述模具的预定位置设置有石墨。

4.根据权利要求2所述的模具，其特征在于，所述上模连接有上加热板，所述下模连接有下加热板，所述上加热板连接有上隔热板，所述下加热板连接有上隔热板和下隔热板。

5.一种超塑成型方法，其特征在于，所述方法包括：

预成型，以便对原材料进行初步成型，获得预成型工件；以及

成型，对所述预成型工件进行成型，获得成型产品，

并且，

所述预成型和所述成型在同一模具中完成。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预成型完成后立即进行所述成型。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述模具为根据权利要求1～4中任何一项所述的模具。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预成型在所述模具的预成模腔中进行，所述成型在所述模具的成型模腔中进行。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，从所述下进气孔向所述封闭空间输入一定气压的气体，使原材料向上进入所述预成型模腔，进行所述预成型，以获得预成型工件；完成所述预成型后，从所述上进气孔向所述封闭空间输入一定气压的气体，使所述预成型工件向下进入所述成型模腔，进行所述成型，以获得成型产品。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述模具为通过有限元模拟优化设计的模具。

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