CN104190776A - 一种提高大型薄壁曲面件型面精度的充液拉深成形方法 - Google Patents
一种提高大型薄壁曲面件型面精度的充液拉深成形方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种提高大型薄壁曲面件型面精度的充液拉深成形方法，涉及充液拉深成形方法。解决曲面件拉深过程中容易产生的局部起皱影响型面精度的问题。将辅助成形板料上表面刻画一定间距的同心圆，将辅助成形板料和目标成形板料叠放在凹模上进行拉深成形。利用辅助成形板料和目标成形板料回弹产生的间隙分离拉深件，测量辅助成形板料成形件的同心圆直径及厚度，在对应位置对初始拉深凸模型面母线进行法向内侧偏置，对偏置点拟合获得考虑辅助成形板料变形减薄的型面母线，根据拟合后的型面母线进行初始拉深凸模修整获得理想的拉深凸模型面，重新进行辅助成形板料和目标成形板料的拉深成形、分离，可获得型面精度得到改善的大型薄壁曲面件。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高大型、薄壁、曲面板材零件充液拉深成形方法。
背景技术
航空航天及石油化工领域的压力容器中，封头与筒段的组合焊接构成了压力容器的主体结构，这种结构形式被广泛采用。封头形状通常采用球面或者半椭球曲面，直径一般在2000mm以上，是一种大型的薄壁复杂曲面板材零件。上述封头通常采用旋压工艺制造，但存在一系列问题：(a)坯料厚度较薄时，容易起皱或开裂。可旋的极限厚径比(坯料厚度与直径之比)为3/1000，即直径1000mm的坯料，厚度不能小于3mm，否则起皱缺陷无法控制。采用可旋件厚度超过设计要求，必须采用后续机加、化铣去除多余厚度；(b)火焰加热导致组织性能下降。由于铝合金塑性较低，在旋压后期翻边时，必须通过火焰加热进行多次旋压，火焰加热温度难于精确控制，造成组织性能下降，影响可靠性；(c)旋压工艺参数多、加载路径复杂、加工时间长，尺寸精度一致性差，而且大尺寸高精度零件对旋压设备刚度和精度要求更高，德国等国家限制高端旋压设备出口。
基于充液拉深技术的优点，充液拉深可以解决开裂及组织性能下降问题。但由于试件整体尺寸大、超薄壁厚、型面复杂，充液拉深过程中即使液室压力反胀产生足够大的径向拉应力、悬空区发生严重减薄的条件下，悬空区内侧切向压应力仍然容易超过临界起皱压应力，局部起皱难题仍无法克服，贴模性差，严重影响试件的型面精度。
发明内容
针对大型复杂曲面件拉深过程中容易产生的局部起皱影响型面精度的问题，本发明提出采用辅助成形板材同步变形、实现目标成形板材成形的充液拉深成形方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种提高大型薄壁曲面件型面精度的充液拉深成形方法，所述方法的实现过程如下：
步骤A、利用辅助成形板料与目标成形板料在液压作用下同时拉深变形，辅助成形的板料、目标成形板料由上至下依次叠放在拉深模具的凹模上；辅助成形板料和液压共同作用于目标成形板料，对目标成形板料起到压边的作用；经充液拉深得到由辅助成形板料所成形的拉深件和目标成形板料所成形的拉深件；
步骤B、通过测量辅助成形板料所成形的拉深件的相关尺寸将未考虑辅助成形坯料厚度的凸模型面向内偏置，对偏置后的点进行拟合以获得理想的凸模的型面轮廓曲线；
步骤C、根据上述拟合后的轮廓曲线对凸模进行的型面修整，消除由辅助成形板料变形后在不同位置厚度的差别所产生的凸模的型面偏移量，保证目标成形板料所成形的拉深件的设计结构尺寸；
步骤D、利用型面修整后的凸模重新进行上述的充液拉深即可获得目标成形板料所成形的薄壁曲面件。
步骤A的具体实现过程如下：
步骤A1、制作圆形辅助成形板料，在其上画出一定间距的同心圆，同心圆上的点作为成形后的壁厚测量点；
步骤A2、拉深模具处于打开状态,通过外接的液压泵从充液孔向充液室内注满液体介质,将目标成形板料和辅助成形的板料和叠放在位于充液室上方的凹模上,辅助成形板料放在目标成形板料上面，带有同心圆的面向上，通过压力机压边滑块带动与之连接的压边圈下行,将辅助成形板料和目标成形板料压住,并施加初始压边力，施压区域的单位压边力大小为1-2MPa,通过压力机拉深滑块带动与之连接的凸模下行,在与辅助成形板料上表面接触时停止,通过凹模与充液室之间的密封圈实现密封，保证外接的液压泵及压力阀能建立起充液室内的初始压力3-10MPa；
步骤A3、当充液室内部建立起初始压力3-10MPa后,压力机拉深滑块带动凸模继续下行,进行拉深，通过压边滑块增大压边圈的压边力,施压区域的单位压边力大小为2-4MPa，拉深成形过程中，通过外接的液压泵及压力阀控制充液室内的压力范围在5-15MPa，拉深成形结束后，卸载充液室内压力及压边力，压力机拉深滑块带动凸模回程，压边滑块带动压边圈上行，使模具处于打开状态，取出由辅助成形板料所成形的拉深件和由目标成形板料所成形的拉深件；
步骤A4、利用辅助成形板料和目标成形板料弹性模量的不同导致由辅助成形板料所成形的拉深件和由目标成形板料所成形的拉深件成形后回弹量的差别，移去辅助成形板料所成形的拉深件。
步骤B中的拉深件的相关尺寸是指同心圆直径及不同同心圆处的壁厚。
所述辅助成形板料的弹性模量大于目标成形板料的弹性模量。
所述薄壁曲面件是指壁厚与直径之比小于千分之三的回转体件。
本发明首先将辅助成形板料上表面刻画一定间距的同心圆，将辅助成形板料和目标成形板料叠放在凹模上，通过压力机拉深滑块带动凸模、压边滑块对压边圈施加压边力和液压泵施加充液室压力进行深成形。利用辅助成形板料和目标成形板料回弹产生的间隙分离拉深件，测量辅助成形板料成形件的同心圆直径及厚度，在对应位置对初始拉深凸模型面母线进行法向内侧偏置，对偏置点拟合获得考虑辅助成形板料变形减薄的型面母线，根据拟合后的型面母线进行初始拉深凸模修整获得理想的拉深凸模型面，重新进行辅助成形板料和目标成形板料的拉深成形、分离，可获得型面精度得到改善的大型薄壁曲面件。
本发明的有益效果是：
本发明提出采用辅助成形板材与目标成形板材叠放、增加相对厚度并进行充液拉深的方法制造目标板材的超薄壁厚曲面件，降低减薄量，消除局部起皱，提高型面精度，样板间隙可达到0.3mm。
本发明优点是辅助成形板料与目标成形板料在液压作用下同时变形，相对厚度增加，抗失稳能力提高，避免拉深过程中局部起皱，影响贴模性；辅助成形板材和目标成形板材共同承担液压，悬空区抗失稳破裂能力提高，可施加更高的液压，减小回弹及变薄量；辅助成形板材和液压共同作用于目标成形板材，对目标成形板材起到压边的作用，避免目标成形板材失稳起皱；辅助成形板材和拉深凸模可根据成形需要进行调整，方便工艺实施。
利用本发明方法制得的曲面件的尺寸能达到直径2500mm，壁厚能达到1mm；以样板间隙表征的曲面件精度可达到0.3mm。
附图说明
图1为本发明辅助成形板料示意图；图2为本发明充液拉深示意图；图3为本发明拉深件示意图；图4为本发明修整后的凸模示意图；图5为本发明成形的薄壁复杂曲面件示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～5所示，本实施方式所述的一种提高大型薄壁曲面件型面精度的充液拉深成形方法实现过程为：
(1)制作圆形辅助成形板料1，在其上画出一定间距的同心圆(同心圆间距越小越好)，如图1所示，同心圆上的点作为成形后的壁厚测量点；
(2)模具处于打开状态,通过外接的液压泵从充液孔6向充液室4内注满液体介质5,将目标成形板料2和辅助成形的板料1和叠放在凹模7上,辅助成形板料1放在目标成形坯料2上面，带有同心圆的面向上，通过压力机压边滑块带动与之连接的压边圈8下行,将辅助成形板料1和目标成形板料2压住,并施加初始压边力，施压区域的单位压边力大小为1-2MPa,通过压力机拉深滑块带动与之连接的凸模9下行,在与辅助成形板料1上表面接触时停止,通过凹模7与充液室4之间的密封圈3实现密封，保证外接的液压泵及压力阀能建立起充液室内的初始压力3-10MPa；
(3)当充液室4内部建立起初始压力3-10MPa后,压力机拉深滑块带动凸模9继续下行,进行拉深，通过压边滑块增大压边圈8的压边力,施压区域的单位压边力大小为2-4MPa，拉深成形过程中，通过外接的液压泵及压力阀控制充液室4内的压力范围在5-15MPa，拉深成形结束后，卸载充液室内压力及压边力，压力机拉深滑块带动凸模9回程，压边滑块带动压边圈8上行，使模具处于打开状态，取出由辅助成形板料和目标成形板料所成形的拉深件10和11，如图2所示；
(4)利用辅助成形板料1和目标成形板料2弹性模量的不同导致拉深件10和拉深件11成形后回弹量的差别，移去辅助成形板料所成形的拉深件10，如图3所示。
(5)测量拉深件10上的同心圆直径及不同同心圆处的壁厚，将未考虑辅助成形坯料厚度的凸模9的初始型面的母线在对应同心圆直径的位置向内偏置，偏移量为该处的壁厚值，对偏置后的点进行拟合，即可获得理想的凸模9的型面轮廓曲线；
(6)根据拟合后的轮廓曲线对凸模9进行的型面修整(图4)，消除由辅助成形板料1变形后在不同位置厚度的差别所产生的凸模9的型面偏移量，保证拉深件11的结构尺寸，重新进行上述的充液拉深即可获得目标成形板料2所成形的薄壁复杂曲面件(图5)。
实施例
实施例1：目标成形件内轮廓为半椭球面，母线方程为目标成形板料为304不锈钢，弹性模量190Gpa,目标成形板料外径为Φ2600mm、厚度为3mm；辅助成形板料为Q235钢，弹性模量210Gpa，辅助成形板料外径为Φ2600mm、厚度为5mm。成形过程中初始的凸模型面为半椭球面，母线方程为
成形过程如下：
(1)制作圆形辅助成形板料1，在其上画出间距为10mm的同心圆，作为直径及壁厚测量的定位线，如图1所示；
(2)模具处于打开状态,将辅助成形板料1和目标成形板料2对中放置在凹模7上,辅助成形板料1放置在目标成形板料2上面，压边圈8下行,将目标成形板料2和辅助成形板料1压住,并施加1350KN的压边力,凸模9下行,在与辅助成形板料1上表面接触时停止,通过充液孔6向充液室4内充入液体介质5,充液室4内逐步填满液体介质5,空气逐步被排出,并使充液室4内部建立起3MPa的压力，如图2所示；
(3)当充液室4内部建立起8MPa的压力后,凸模9下行,增加压边圈8的压边力至3000KN,通过充液孔6继续向充液室4充入液体介质5,提高充液室4内部液体介质5的压力至15MPa，直至拉深结束。
(4)利用辅助成形板料1和目标成形板料2弹性模量的不同产生的脱离间隙，分离取出辅助成形板料1所成形的拉深件10和目标成形板料所成形的拉深件11，如图3所示；
(5)测量拉深件10上的同心圆直径及不同同心圆处的壁厚，将未考虑辅助成形坯料厚度的凸模9初始型面的母线在对应直径位置点向内做径向偏置，偏移量为该处的壁厚值，对偏置后的点进行拟合，即可获得理想的凸模9的型面轮廓曲线；
(6)根据拟合后的轮廓曲线对凸模9进行的型面修整(图4)，消除由辅助成形板料1变形后在不同位置厚度的差别所产生的凸模9的型面偏移量，保证拉深件11的结构尺寸，重新进行上述的充液拉深，切边后即可获得目标成形板料2所成形的半椭球形薄壁复杂曲面件(图5)。
实施例2：目标成形件内轮廓为半椭球面，母线方程为目标成形板料为2195铝合金，弹性模量约为72GPa目标成形板料外径为Φ4000mm、厚度为3mm；辅助成形板料为45钢，弹性模量约为210Gpa，辅助成形板料外径为Φ4000mm、厚度为8mm。成形过程中初始的凸模型面为半椭球面，母线方程为
成形步骤与实施例1完全相同，由于零件材料与规格变化，因此成形各参数变化如下：
在步骤(2)中：模具同样由左凸模，凹模，压边圈，充液室等组成，施加压边力为3750KN，充液室4内部建立5MPa的压力；
在步骤(3)中：充液室4内建立起5MPa的压力后，增加压边圈的压边力至8000KN，提高充液室4内部液体介质5的压力至10Mpa。
Claims (5)
1.一种提高大型薄壁曲面件型面精度的充液拉深成形方法，其特征在于：所述方法的实现过程如下：
步骤A、利用辅助成形板料(1)与目标成形板料(2)在液压作用下同时拉深变形，辅助成形的板料(1)、目标成形板料(2)由上至下依次叠放在拉深模具的凹模(7)上；辅助成形板料(1)和液压共同作用于目标成形板料(2)，对目标成形板料(2)起到压边的作用；经充液拉深得到由辅助成形板料所成形的拉深件(10)和目标成形板料所成形的拉深件(11)；
步骤B、通过测量辅助成形板料所成形的拉深件(10)的相关尺寸将未考虑辅助成形坯料厚度的凸模(9)型面向内偏置，对偏置后的点进行拟合以获得理想的凸模(9)的型面轮廓曲线；
步骤C、根据上述拟合后的轮廓曲线对凸模(9)进行的型面修整，消除由辅助成形板料(1)变形后在不同位置厚度的差别所产生的凸模(9)的型面偏移量，保证目标成形板料所成形的拉深件(11)的设计结构尺寸；
步骤D、利用型面修整后的凸模(9)重新进行上述的充液拉深即可获得目标成形板料(2)所成形的薄壁曲面件。
2.根据权利要求1所述的一种提高大型薄壁曲面件型面精度的充液拉深成形方法，其特征在于：步骤A的具体实现过程如下：
步骤A1、制作圆形辅助成形板料(1)，在其上画出一定间距的同心圆，同心圆上的点作为成形后的壁厚测量点；
步骤A2、拉深模具处于打开状态,通过外接的液压泵从充液孔(6)向充液室(4)内注满液体介质(5),将目标成形板料(2)和辅助成形的板料(1)和叠放在位于充液室(4)上方的凹模(7)上,辅助成形板料(1)放在目标成形板料(2)上面，带有同心圆的面向上，通过压力机压边滑块带动与之连接的压边圈(8)下行,将辅助成形板料(1)和目标成形板料(2)压住,并施加初始压边力，施压区域的单位压边力大小为1-2MPa,通过压力机拉深滑块带动与之连接的凸模(9)下行,在与辅助成形板料(1)上表面接触时停止,通过凹模(7)与充液室(4)之间的密封圈(3)实现密封，保证外接的液压泵及压力阀能建立起充液室(4)内的初始压力3-10MPa；
步骤A3、当充液室(4)内部建立起初始压力3-10MPa后,压力机拉深滑块带动凸模(9)继续下行,进行拉深，通过压边滑块增大压边圈(8)的压边力,施压区域的单位压边力大小为2-4MPa，拉深成形过程中，通过外接的液压泵及压力阀控制充液室(4)内的压力范围在5-15MPa，拉深成形结束后，卸载充液室内压力及压边力，压力机拉深滑块带动凸模(9)回程，压边滑块带动压边圈(8)上行，使模具处于打开状态，取出由辅助成形板料所成形的拉深件(10)和由目标成形板料所成形的拉深件(11)；
步骤A4、利用辅助成形板料(1)和目标成形板料(2)弹性模量的不同导致由辅助成形板料所成形的拉深件(10)和由目标成形板料所成形的拉深件(11)成形后回弹量的差别，移去辅助成形板料所成形的拉深件(10)。
3.根据权利要求2所述的一种提高大型薄壁曲面件型面精度的充液拉深成形方法，其特征在于：步骤B中的拉深件(10)的相关尺寸是指同心圆直径及不同同心圆处的壁厚。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种提高大型薄壁曲面件型面精度的充液拉深成形方法，其特征在于：所述辅助成形板料(1)的弹性模量大于目标成形板料(2)的弹性模量。
5.根据权利要求4所述的一种提高大型薄壁曲面件型面精度的充液拉深成形方法，其特征在于：所述薄壁曲面件是指壁厚与直径之比小于千分之三的回转体件。
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