CN104226777B - 一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法 - Google Patents

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Abstract

一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法，它涉及一种大曲率薄壁构件成形方法，以解决大曲率薄壁构件单纯的外压成形，坯料两端有约束时，成形件壁厚减薄严重、甚至是破裂；坯料两端无约束时，成形件容易失稳起皱的问题。方法：一、将板材卷制焊接而成圆筒，在圆筒的筒壁上以圆筒长度中心为基准对称设有材料流动控制筋；二、筒坯装入外压成形模具中；三、推动柱塞使得粘性软模材料通过注入通道由零件外侧注入并加载，筒坯局部发生缩径变形，直至贴合芯模；四、开启模具，取出外压成形零件并清除粘性软模材料，得到成形构件；五、去掉两端的材料流动控制筋，得到成品。本发明用于大曲率薄壁零件成形。

Description

一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法
技术领域
本发明涉及一种大曲率薄壁构件成形方法，具体涉及一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法。
背景技术
大曲率薄壁构件是一种典型的壳体结构件，如图9所示。目前，加工此类零件常采用的方法是：1、对变形区进行单纯的软模压缩成形：当坯料两端无约束时，成形原理如图10所示，由于坯料两端处于自由状态，筒坯材料在粘性软模材料附着应力的作用下向变形区流动，若补充的材料大于表面积的增加，在环向压应力的作用下，就会产生失稳起皱等缺陷，严重降低了成形件的表面质量；当坯料两端有约束8时，成形原理如图11所示，由于坯料两端处于约束状态，成形时非变形区的材料很难向变形区流动，变形区表面积的增加只能靠自身壁厚的减薄实现，因而该方法在变形区最小直径处容易出现壁厚分布不均匀、局部严重减薄、甚至破裂。2、外压多道次成形：成形原理如图12所示，即增加加工次数分步成形，控制单道次变形量于失稳起皱范围内，逐步成形出所需的零件形状，由于增加了加工次数，模具复杂、成形频繁、成形精度差、成本高。
发明内容
本发明为解决大曲率薄壁构件单纯的外压成形，坯料两端有约束时，成形件壁厚减薄严重、甚至是破裂；坯料两端无约束时，成形件容易失稳起皱；同时，也为解决多道次成形存在的模具复杂、成形频繁、成形精度差、成本高的问题，提供了一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法。
本发明的一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、制作筒坯：将板材卷制焊接而成圆筒，在圆筒的筒壁上以圆筒长度中心为基准对称设有材料流动控制筋，材料流动控制筋距离变径区入口的距离s为5mm～30mm；
步骤二、筒坯装入外压成形模具中：将筒坯装入外压成形模具的芯模和外模中；
步骤三、外压成形：推动柱塞使得粘性软模材料通过注入通道由零件外侧注入并加载，外压成形的压力小于400MPa，筒坯局部发生缩径变形，直至贴合芯模；
步骤四、开启模具，取出外压成形零件并清除粘性软模材料，得到成形构件；
步骤五、去掉两端的材料流动控制筋：将成形构件的两端材料流动控制筋切割掉，最后得到成品。
本发明与现有方法相比具有以下有益效果：
一、本发明成形时通过坯料两端的材料流动控制筋调节和控制粘性软模材料的轴向流动，使得成形零件缩径量大、壁厚变化率小且分布均匀、尺寸精度高、表面质量好；避免了成形零件壁厚减薄和起皱，成形零件不易破裂。
二、本发明的模具结构简单、成本低。
三、本发明采用半固态的粘性物质作为软模材料，充分利用了半固态粘性软模材料高压下流动性好的特点，且半固态粘性软模材料高压下容易密封，因此可以容易地在型腔内建立高压和控制成形过程。粘性软模材料具有较强的应变速率敏感性，可以在筒坯表面建立非均匀的压力场，适应于筒坯变形过程应力的变化，粘性软模材料与筒坯界面的粘性附着应力可以促进筒坯材料向变形较大区域流动，提高了成形构件壁厚分布的均匀性。通过材料流动控制筋控制材料轴向流动的外压成形，能够整体成形出大曲率薄壁轴对称零件。此外，该方法还有成形零件表面质量好、尺寸精度高等特点，适合于飞机、汽车及航天器等领域大曲率薄壁构件的成形制造。
附图说明
图1是具体实施方式一的步骤一中板材卷制焊接而成圆筒的示意图；
图2是具体实施方式一的步骤一中在圆筒的筒壁上加工材料流动控制筋2-1的示意图；
图3是具体实施方式一中筒坯2装入外压成形模具中成形初始阶段模具和构件形状示意图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是具体实施方式一中成形中间阶段模具和构件形状示意图；
图6是图5的B-B剖视图；
图7是具体实施方式一中成形终了阶段模具和零件形状示意图；
图8是大曲率薄壁构件成形后构件示意图；
图9是大曲率薄壁构件的示意图；
图10是大曲率薄壁构件无约束时外压成形原理图；
图11是大曲率薄壁构件有约束时外压成形原理图；
图12是大曲率薄壁构件多道次外压成形原理图。
图中1是芯模、2是坯料、3是芯轴、4是注入模、5是注入通道、6是粘性软模材料、7是柱塞、8是约束。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图8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、制作筒坯2：将板材卷制焊接而成圆筒，见图1，在圆筒的筒壁上以圆筒长度中心M-M为基准对称设有材料流动控制筋2-1，材料流动控制筋2-1距离变径区入口的距离s为5mm～30mm，见图2；筒坯2两端的材料流动控制筋2-1的结构形状可以不同。通过材料流动控制筋2-1的阻力调节和控制材料的端部流入量，从而使成形件壁厚减薄较小且无褶皱。
步骤二、筒坯2装入外压成形模具中：将筒坯2装入外压成形模具的芯模1和外模4中，见图3和见图4；外压成形模具为现有技术；
步骤三、外压成形：推动柱塞7使得粘性软模材料6通过注入通道5由零件外侧注入并加载，外压成形的压力小于400MPa，筒坯2局部发生缩径变形，见图5和见图6，直至贴合芯模1，见图7；
步骤四、开启模具，取出外压成形零件并清除粘性软模材料6，见图8，得到成形构件9；
步骤五、去掉两端的材料流动控制筋2-1：将成形构件9的两端材料流动控制筋2-1切割掉，最后得到成品，见图9。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的材料流动控制筋2-1距离变径区入口的距离s为20mm。对于一般的大曲率外压零件成形质量较好，特殊的成形件，需要合理的调节控制筋距芯模入口的距离s。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1～图8说明本实施方式，本实施方式的步骤一、步骤二和步骤三中的筒坯2的材质为不锈钢或高温合金。对于大曲率零件外压成形，如果不采用控制筋，缩径量较小，大曲率零件成形难以实现，而采用控制筋的方法成形，缩径量较大，可以实现较大曲率零件成形。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的步骤一、步骤二和步骤三中的筒坯2的壁厚为0.2mm～1.5mm。通过控制筋参数调节，可以很好的控制端部材料的流入量，因此可以成形的零件壁厚范围较宽。其它步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式的步骤一的筒坯2两端的材料流动控制筋2-1的高度h为0.5mm～2mm。对于不同的零件几何形状，调节控制筋的高度，可以很好的控制端部材料的流入量，提高成形件的表面质量。其它步骤与具体实施方式三相同。其它步骤与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式的步骤一的筒坯2两端的材料流动控制筋2-1的半径R为2mm～6mm。对于不同的零件几何形状，调节半径R的大小，可以控制端部材料的流入量，使得壁厚减薄较小且无起皱。其它步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图3～图7说明本实施方式，本实施方式的步骤二中的芯模1结构为分瓣式结构。其它步骤与具体实施方式一、二、四或五相同。
具体实施方式八：结合图3～图7说明本实施方式，本实施方式的步骤二中的外模4的结构为分体式结构。其它步骤与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图3～图7说明本实施方式，本实施方式的步骤三和步骤四中的粘性软模材料6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400,000～600,000g/mol，高分子聚合物半固态材料的粘度为10,000～16,000Pa·s。其它步骤与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：结合图3～图7说明本实施方式，本实施方式的步骤三和步骤四中的粘性软模材料6为甲基乙烯基硅橡胶。常温下为固态，容易密封；流动性好，可以始终包覆于零件表面且能成形出局部半径较小的零件；具有一定的粘度，介质和板材之间建立粘性附着应力，有利于板材的流动，提高成形件壁厚分布的均匀性；具有较高的应变速率敏感性，能在型腔内建立非均匀的压力场，改善材料的流动状态。其它步骤与具体实施方式八相同。

Claims (10)

1.一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、制作筒坯(2)：将板材卷制焊接而成圆筒，在圆筒的筒壁上以圆筒长度中心(M-M)为基准对称设有材料流动控制筋(2-1)，材料流动控制筋(2-1)距离变径区入口的距离s为5mm～30mm；
步骤二、筒坯(2)装入外压成形模具中：将筒坯(2)装入外压成形模具的芯模(1)和外模(4)中；
步骤三、外压成形：推动柱塞(7)使得粘性软模材料(6)通过注入通道(5)由零件外侧注入并加载，外压成形的压力小于400MPa，筒坯(2)局部发生缩径变形，直至贴合芯模(1)；
步骤四、开启模具，取出外压成形零件并清除粘性软模材料(6)，得到成形构件(9)；
步骤五、去掉两端的材料流动控制筋(2-1)：将成形构件(9)的两端材料流动控制筋(2-1)切割掉，最后得到成品。
2.根据权利要求1所述一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法，其特征在于：所述步骤一中的材料流动控制筋(2-1)距离变径区入口的距离s为20mm。
3.根据权利要求1或2所述一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法，其特征在于：所述步骤一、步骤二和步骤三中的筒坯(2)的材质为不锈钢或高温合金。
4.根据权利要求3所述一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法，其特征在于：所述步骤一、步骤二和步骤三中的筒坯(2)的壁厚为0.2mm～1.5mm。
5.根据权利要求1、2或4所述一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法，其特征在于：所述步骤一的筒坯(2)两端的材料流动控制筋(2-1)的高度h为0.5mm～2mm。
6.根据权利要求5所述一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法，其特征在于：所述步骤一的筒坯(2)两端的材料流动控制筋(2-1)的半径R为2mm～6mm。
7.根据权利要求1、2或4所述一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法，其特征在于：所述步骤二中的芯模(1)结构为分瓣式结构。
8.根据权利要求7所述一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法，其特征在于：所述步骤二中的外模(4)的结构为分体式结构。
9.根据权利要求8所述一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法，其特征在于：所述步骤三和步骤四中的粘性软模材料(6)为高分子聚合物半固态材料。
10.根据权利要求8所述一种大曲率薄壁构件粘性介质外压成形方法，其特征在于：所述步骤三和步骤四中的粘性软模材料(6)为甲基乙烯基硅橡胶。
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