CN104307983B - 一种柔性包容结构、多点型材拉弯模具及拉弯成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性包容结构、多点型材拉弯模具及拉弯成型方法，其中柔性包容结构的内部形成密封空间，该密封空间填充柔性介质为柔性填充物。依据型材截面特征，设计并更换柔性填充物，使其适应型材截面的多变性。柔性填充物在封闭包容结构内，承受三向压应力，能够支撑型材截面从而不发生畸变。该拉弯成型方法采用了含有柔性包容结构的多点型材拉弯模具，缩短了成形生产周期，节约了成本，为轻质新型高强铝合金框架类零件提供了高效、数字化的生产方式。

Description

一种柔性包容结构、多点型材拉弯模具及拉弯成型方法

技术领域

本发明涉及金属型材加工设备技术领域，特别是一种多点型材拉弯成型用柔性包容结构，还是一种含有该柔性包容结构的多点型材拉弯模具，更是一种拉弯成型方法。

背景技术

型材零件遍布飞机全身，截面形式各异，材料包括新型铝(锂)合金和钛合金，在机身用于框、梁、长桁主承力结构，在机翼用作加强结构，机舱内部用于座椅滑轨。型材弯制的零件是构成飞机主承力框架的重要结构件，其成形质量直接关系到飞机的装配精度、整机气动外形、使用寿命，成为影响飞机研制及保证飞机整体服役性能的技术关键，也是影响飞机制造周期、成本和效益的主要因素之一。

与蒙皮不同的是，型材零件主要为平面曲线结构，主要特征表现为型材截面形式。结合蒙皮拉形方法，与本发明相关的现有技术有以下几种：

1、多点模具蒙皮拉形技术

柔性多点模具是基于以点代面思想，通过大量离散的高度可调冲头来拟合模具的三维型面，以满足不同型面零件成形需求的一种模具。柔性多点模具蒙皮拉形即采用柔性多点模具进行蒙皮拉形新型加工技术。由多个冲头连同高度调节机构和电气控制系统组成柔性多点蒙皮拉形模具，冲头按照一定规律排列形成拉形模具表面，在冲头表面覆盖弹性垫层，成形板料依据冲头组成的型面拉形，以改善零件表面质量。

2、实体模具型材拉弯成形技术

目前，型材拉弯成形采用实体模具，依据设备的不同，可分为转台式拉弯成形及张臂式拉弯成形。为了便于制造，拉弯模具由工作部分、垫板和底板数层拼合组成，用螺栓及销钉连接而成。模具材料主要为低碳钢板、铸铁、厚铝板、环氧树脂等。传统铝合金型材采用拉弯成形工艺制造，与蒙皮拉形技术现状类似，每项零件对应一项成形模具和切割工装，数量众多实体模具工装的设计、制造、修型、贮存、保养消耗了大量成本占用了巨大空间。型材拉弯成形工艺中，模具只能按照理论型面制造，由于回弹问题不可避免，经常需要修正模具型面，造成二次或多次加工成本并增加了生产准备周期。另外，采用木基体和铝基体制造的模具易受温度、潮湿度的影响造成开裂，也需多次修模。

3、片层式离散模具型材拉弯成形技术

美国七十年代公开了片层式离散模具，可采用此模具进行型材拉弯成形。该类模具利用片层式离散模具进行的拉弯成形模具，该模具由层状基本体构成，而基本体可以由高强度钢板加工制成。在基本体上打定位销孔，采用具有一定刚度销棒将基本体连接起来，用以保证基本体顶部构成的型面满足设计要求。可构造的型面不能过多，由于定位销孔会大幅度削弱基本体的刚度，因此，一套片层式离散模具可以构造两、三种型面。

4、多点模具型材压弯成形技术

多点模具型材压弯成形技术采用多点耦合模具，上、下模具型面构造成指定曲率，上模与下模合模过程中将型材压弯，由于压弯过程中型面只承受弯曲力，截面上没有拉应力，因此回弹大，可以通过调整上下模具型面对压弯型材进行回弹补偿。另外，由于型材截面尺寸不可能过大，通常要求多点模具的冲头尺寸很小，这样才能多点支撑型材的接触面，带来的问题便是过小的冲头承担的力有限。

5、多点模具型材拉弯成形技术

多点模具与型材拉弯成形结合是一门新的技术。与多点模具蒙皮拉形技术类似，该技术采用离散冲头构造目标型面，然后在冲头上铺柔性垫层，将型材置于垫层上进行拉形，拉弯工艺与实体模具型材拉弯成形工艺一致。为了保证冲头与型材接触面更多接触，需要尺寸较小的冲头，这样便导致冲头的行程小、刚度弱、模具成本高等问题。如果采用单层冲头组成多点模具，这样冲头尺寸较大，对型材拉弯型面的拟合程度降低，仅适用于放边拉弯情况，对于收边拉弯则无法实施(以T型材为例，腹板受拉应力时为放边拉弯，腹板受压应力时为收边拉弯)。

现有技术的不足：

实体模具与蒙皮拉形类似，每一种型材零件需要对应一种模具，这样便导致模具的制造周期长、成本高、占用大量库房存储空间等。

采用片层式离散模具进行拉弯成形具有一定的柔性，但是可重构的模具外形受定位销孔的限制，一般2～3个，因为片层基本体上的定位销孔不能过多，否则影响刚度。另外，这样方式每次调形都要人工拆装，费时费力。

多点压弯成形过程中型材截面仅受弯曲力，造成零件回弹大。多点拉弯成形施加截面拉应力，使得零件回弹减小。两者存在的共性问题，由于型材截面尺寸不大，为了充分支撑型材，往往需要小尺寸冲头，从而导致冲头行程小、刚度弱、成本高等一系列问题。即使这样也不能满足型材截面复杂多变的情况。如果采用单层冲头组成的多点模具，则型面的拟合精度降低且仅适用于放边拉弯的情况。

发明内容

为了解决现有的多点模具技术应用于型材拉弯成形时存在无法适应型材截面多样性的问题。本发明提供了一种柔性包容结构、多点型材拉弯模具及拉弯成型方法，其中柔性包容结构的内部为柔性填充物，形成密封空间。依据型材截面特征，设计并更换冲头结构内柔性填充物，使其适应型材截面的多变性。柔性填充物在封闭包容结构内，承受三向压应力，能够支撑型材截面从而不发生畸变。以上技术应用于型材多点模具拉弯成形，缩短了成形生产周期，节约了成本，为轻质新型高强铝合金框架类零件提供了高效、数字化的生产方式。

本发明为解决其技术问题采用的技术方案是：一种柔性包容结构，包括能够套装在型材外的卡套，卡套的顶部与顶推油缸连接，卡套的底部与多点模具冲头连接，卡套的两端分别设有用于封堵卡套的端面挡板，端面挡板上设有用于型材穿过的通孔，卡套和卡套两端的端面挡板围成的封闭空间内填充有能够包裹型材的柔性填充物。

柔性填充物为聚氨酯柔性填充物。

柔性填充物的弹性模量为20MPa～300MPa，硬度为绍尔A80～A96。

当型材插接于所述柔性包容结构内时，柔性填充物受压应力，柔性填充物为分体式结构。

当型材插接于所述柔性包容结构内时，柔性填充物能够充满型材与卡套之间的空腔，柔性填充物内设有与型材相匹配的通孔。

卡套为分体式结构，卡套包括上卡头和下卡头，上卡头和下卡头的截面呈凹字形。

上卡头的顶部与顶推油缸固定连接，下卡头的底部与多点模具冲头固定连接，下卡头的底部的内表面为弧面。

端面挡板设置在卡套外，所述柔性包容结构还包括用于使端面挡板与卡套固定连接的两个挡板导套，上部的挡板导套固定套设在顶推油缸外，端面挡板的上端插接于上部的挡板导套和顶推油缸之间，下部的挡板导套固定套设在多点模具冲头外，端面挡板的下端插接于下部的挡板导套和多点模具冲头之间。

一种多点型材拉弯模具，包括多个一一对应的顶推油缸和多点模具冲头，顶推油缸位于多点模具冲头的上方，每个顶推油缸与多点模具冲头之间设有一个上述的柔性包容结构。

一种拉弯成型方法，所述拉弯成型方法使用了上述的多点型材拉弯模具，所述拉弯成型方法包括以下步骤：

步骤一、将端面挡板套在型材上；

步骤二、根据卡套和型材的形状制作柔性填充物；

步骤三、将所述多点型材拉弯模具调形至水平位置；

步骤四、将柔性填充物固定在型材与卡套之间的所述空腔中并且使柔性填充物受压应力；

步骤五、使夹钳夹紧型材并且按照设定的运动轨迹运动；

步骤六、使夹钳对型材施加设定的回弹补偿量。

本发明的有益效果是：该柔性包容结构的内部为柔性填充物，形成密封空间。依据型材截面特征，设计并更换冲头结构内柔性填充物，使其适应型材截面的多变性。柔性填充物在封闭包容结构内，承受三向压应力，能够支撑型材截面从而不发生畸变。该拉弯成型方法缩短了成形生产周期，节约了成本，为轻质新型高强铝合金框架类零件提供了高效、数字化的生产方式。

附图说明

下面结合附图对本发明所述的柔性包容结构及多点型材拉弯模具作进一步详细的描述。

图1是柔性包容结构的主视图。

图2是柔性包容结构的右视图。

图3是端面挡板的立体图。

图4是多点型材拉弯模具装卡型材时的示意图。

图5是多点型材拉弯模具拉弯成型时的示意图。

图6是多点型材拉弯模具拉弯结束取件时的示意图。

其中1.型材，2.卡套，21.上卡头，22.下卡头，3.顶推油缸，31.顶推油缸的活塞杆，4.多点模具冲头，5.端面挡板，51.通孔，6.柔性填充物，7.挡板导套，8.夹钳；

10.柔性包容结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的柔性包容结构作进一步详细的说明。一种柔性包容结构10，包括能够套装在型材1外的卡套2，卡套2的顶部与顶推油缸3连接，卡套2的底部与多点模具冲头4连接，卡套2的两端分别设有用于封堵卡套2的端面挡板5，端面挡板5上设有用于型材1穿过的通孔51，卡套2和卡套2两端的端面挡板5围成的封闭空间内填充有能够包裹型材1的柔性填充物6，如图1、图2和图3所示。

使用时，将型材1穿过卡套2、端面挡板5和柔性填充物6，使型材1在拉弯的过程中柔性填充物6始终紧密的贴合于型材1的表面，当型材1的截面形状特殊时，柔性填充物6也能够很好与型材1表面进行贴合，从而保证了型材在拉弯成型过程中受力均匀，提高了加工的精度与合格率。

在本实施例中，柔性填充物6为聚氨酯柔性填充物。该柔性填充物6的弹性模量为20MPa～300MPa，硬度为绍尔A80～A96。

为了便于加工及安装，柔性填充物6为分体式结构，如图1所示，柔性填充物6包括上半部分和下半部分。为了使型材1在拉弯的过程中，柔性填充物6能够很好与型材1表面进行贴合，柔性填充物6在没有填入卡套2内时的体积要大于卡套2内的容积，但也保证柔性填充物6在受压后能够充满卡套2内。这样当型材1插接于所述柔性包容结构内时，柔性填充物6被封闭在该包容结构内，承受三向压应力，能够支撑型材截面从而不发生畸变。

另外，为了使柔性填充物6能够很好与型材1表面进行贴合，当型材1插接于所述柔性包容结构内时，柔性填充物6能够充满型材1与卡套2之间的空腔，柔性填充物6内设有与型材1相匹配的通孔，如图1所示，当型材1的截面为T型时，上半部分和下半部分组合在一起的柔性填充物6含有与该型材1的截面相匹配的T型。

为了便于加工和安装，卡套2为分体式结构，卡套2包括上卡头21和下卡头22，上卡头21和下卡头22的截面呈凹字形，如图1所示。上卡头21和下卡头22的连接部位分别设有凹槽和突起，上卡头21和下卡头22通过凹槽和突起插接。

上卡头21的顶部与顶推油缸的活塞杆31的下端固定连接，下卡头22的底部与多点模具冲头4的上端固定连接，下卡头22的底部的内表面为弧面。

端面挡板5设置在卡套2外，端面挡板5的面积大于卡套2内的孔径，即端面挡板5能够覆盖卡套2的端部，如图2所示，所述柔性包容结构还包括用于使端面挡板5与卡套2固定连接的两个挡板导套7，上部的挡板导套7固定套设在顶推油缸3外，端面挡板5的上端插接于上部的挡板导套7和顶推油缸3之间，下部的挡板导套7固定套设在多点模具冲头4外，端面挡板5的下端插接于下部的挡板导套7和多点模具冲头4之间。两个挡板导套7在竖直方向的投影为矩形，将两个挡板导套7固定于卡套2的两端后，顶推油缸的活塞杆31和多点模具冲头4相向移动，端面挡板5的上端插接于上部的挡板导套7和顶推油缸的活塞杆31之间，端面挡板5的下端插接于下部的挡板导套7和多点模具冲头4之间，从而将两个挡板导套7固定在卡套2的两端，如图2所示。

一种多点型材拉弯模具，包括多个一一对应的顶推油缸3和多点模具冲头4，顶推油缸3位于多点模具冲头4的上方，每个顶推油缸3与多点模具冲头4之间设有一个上述的柔性包容结构10，如图4至图6所示，即柔性包容结构的数量与顶推油缸3或多点模具冲头4的数量相同。

一种拉弯成型方法，该拉弯成型方法使用了上述的多点型材拉弯模具，以铝合金T型材圆弧框收边拉弯成形为例介绍该拉弯成型方法，即T型材腹板在内侧，所述拉弯成型方法包括以下步骤：

步骤一、将端面挡板5套在型材1上；

步骤二、根据卡套2和型材1的形状制作柔性填充物6；即依据型材T型截面特征，制作聚氨酯柔性填充物，使该聚氨酯柔性填充物中心孔符合T型截面形式，以“T”型材与腹板连接的底板平面为分型面，将填充物分为上下两块。在垂直于型材轴线方向预留填充物长度为合模后上下卡头高度的5％～10％，这样上下卡头合模的过程中能够使柔性填充物以预紧状态包覆型材。

步骤三、将所述多点型材拉弯模具调形至水平位置，上下卡头呈现打开状态；

步骤四、将柔性填充物6固定在型材1与卡套2之间的所述空腔中并且使柔性填充物6受压应力；将柔性填充物6一部分包覆型材1置于下卡头22内，柔性填充物6的另一部分置于上卡头21内，上卡头21在顶推油缸3的作用下下行，与下卡头22合模，保证合模后两端各有一个端面挡板5，在各冲头位置将端面挡板5置于上下挡板导套7内，如图2所示，上卡头21进一步进给，使柔性填充物6压缩，形成对柔性填充物6的三向压应力预紧力。

步骤五、使夹钳8夹紧型材1并且按照设定的运动轨迹运动；所有上下卡头合模后，型材1两端夹钳8对型材1施加预拉伸量，一般为0.5％～1.5％。保持上卡头21和顶推油缸3的压力及型材拉伸量的情况下，型材1两端夹钳8在设定的轨迹作用下进行缓慢弯曲运动，此时多点模具与型材弯曲进行随动调形。

步骤六、使夹钳8对型材1施加设定的回弹补偿量；调形到考虑回弹补偿量的理论型面时多点模具调形结束，在型材两端夹钳施加一定补拉量，型材拉弯的曲率半径需要在以下范围内

$0\≤R\≤R_{\lim it}=\frac{4{(h-\mathrm{\Δ}h)}^2+B^2}{8\left(\right(h-\mathrm{\Δ}h)}$

h——活动挡板的下行极限高度，单位为mm；

Δh——当活动挡板达到下行极限高度时聚氨酯的压缩变形量，单位为mm；

B——多点模具冲头截面宽度，单位为mm；

R、R_limit——型材采用此包容结构时的弯曲半径与极限弯曲半径，单位为mm。

优选在型材两端夹钳施加补拉量，按照2％总应变量计算，补拉量对应预拉量为1.5％～0.5％。型材拉弯的曲率半径需要在0≤R≤R_limit范围内。

型材拉弯成形工艺结束后，顶推油缸3带动上卡头21退回，取下拉弯后型材零件，去掉端面挡板5，整个试验结束。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (7)

1.一种柔性包容结构，其特征在于，所述柔性包容结构包括能够套装在型材(1)外的卡套(2)，卡套(2)的顶部与顶推油缸(3)连接，卡套(2)的底部与多点模具冲头(4)连接，卡套(2)的两端分别设有用于封堵卡套(2)的端面挡板(5)，端面挡板(5)上设有用于型材(1)穿过的通孔(51)，卡套(2)和卡套(2)两端的端面挡板(5)围成的封闭空间内填充有能够包裹型材(1)的柔性填充物(6)；

卡套(2)为分体式结构，卡套(2)包括上卡头(21)和下卡头(22)，上卡头(21)和下卡头(22)的截面呈凹字形；端面挡板(5)设置在卡套(2)外，所述柔性包容结构还包括用于使端面挡板(5)与卡套(2)固定连接的两个挡板导套(7)，上部的挡板导套(7)固定套设在顶推油缸(3)外，端面挡板(5)的上端插接于上部的挡板导套(7)和顶推油缸(3)之间，下部的挡板导套(7)固定套设在多点模具冲头(4)外，端面挡板(5)的下端插接于下部的挡板导套(7)和多点模具冲头(4)之间。

2.根据权利要求1所述的柔性包容结构，其特征在于：柔性填充物(6)为聚氨酯柔性填充物。

3.根据权利要求1所述的柔性包容结构，其特征在于：当型材(1)插接于所述柔性包容结构内时，柔性填充物(6)受压应力，柔性填充物(6)为分体式结构。

4.根据权利要求1所述的柔性包容结构，其特征在于：当型材(1)插接于所述柔性包容结构内时，柔性填充物(6)能够充满型材(1)与卡套(2)之间的空腔，柔性填充物(6)内设有与型材(1)相匹配的通孔。

5.根据权利要求1所述的柔性包容结构，其特征在于：上卡头(21)的顶部与顶推油缸(3)固定连接，下卡头(22)的底部与多点模具冲头(4)固定连接，下卡头(22)的底部的内表面为弧面。

6.一种多点型材拉弯模具，其特征在于：所述多点型材拉弯模具包括多个一一对应的顶推油缸(3)和多点模具冲头(4)，顶推油缸(3)位于多点模具冲头(4)的上方，每个顶推油缸(3)与多点模具冲头(4)之间设有一个权利要求1～5中任一权利要求所述的柔性包容结构。

7.一种拉弯成型方法，其特征在于：所述拉弯成型方法使用了权利要求6所述的多点型材拉弯模具，所述拉弯成型方法包括以下步骤：

步骤一、将端面挡板(5)套在型材(1)上；

步骤二、根据卡套(2)和型材(1)的形状制作柔性填充物(6)；

步骤三、将所述多点型材拉弯模具调形至水平位置；

步骤四、将柔性填充物(6)固定在型材(1)与卡套(2)之间的空腔中并且使柔性填充物(6)受压应力；

步骤五、使夹钳(8)夹紧型材(1)并且按照设定的运动轨迹运动；

步骤六、使夹钳(8)对型材(1)施加设定的回弹补偿量。