CN104550403A - 一种实现中空金属构件高温气压胀形的装置及工艺 - Google Patents

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姚圣杰
赵洪运
初冠南
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Abstract

本发明公开了一种实现中空金属构件高温气压胀形的装置,包括模具,模具分为上下两部分,每部分均分为内层和外层,外层为下模主体和上模主体;下模主体和上模主体对应布置;内层为内膜;下模主体固定在下模架上,下模主体和下模架之间设置有垫板;下模主体的两端各设置有一个主挡板、侧面各设置有一个侧挡板;主挡板的底板和侧板之间有一95°~110°的夹角;下模主体或上模主体上设置有凹形通道,凹形通道内嵌置有感应线圈;凹形通道之间的间距与感应线圈之间的间距相同,均为1~10mm。其工艺步骤分为四步。本发明不仅能降低成型设备投资、减小成形力,并且能够在高温下成形包括铝合金、镁合金以及高强钢在内的相关金属材料中空件。

Description

一种实现中空金属构件高温气压胀形的装置及工艺
技术领域
[0001] 本发明涉及一种装置及工艺,尤其涉及一种基于轴向温度及压力实现中空构件高 温气压胀形的装置及工艺,属于工业制造技术领域。
背景技术
[0002] 近年来,随着石油资源价格不断上涨,其储存量的日益紧张和不断严重的环境问 题,各国对汽车排放标准的要求越来越高。基于各种因素的影响,现在全球先进的汽车制造 业已经引领汽车制造向着低碳、绿色、节能环保和碰撞安全性等主要方向进行着快速发展。
[0003] 为了缓解能源压力和满足汽车消费者日益提高的质量需求,汽车轻量化成为汽车 制造领域研究的主要方向之一。实现汽车轻量化有两条基本途径:其一是优化更改汽车车 身,底盘结构,缩小零部件尺寸,降低零部件重量;其二是采用轻量化材料,如高强度钢、轻 质合金、复合材料以及夹层板材等材料代替传统的钢铁材料。
[0004] 结构件的轻质、高强度是实现汽车轻量化亟待解决的关键问题之一,随着材料科 学和制造技术的不断发展,一些新型材料开始得到大量应用。然而,这些材料在常温下普遍 存在成形性差,成形应力高,对模具磨损大等问题,传统的模具和工艺无法满足生产要求。 针对轻质材料在常温下成型困难的问题,出现两种高温快速成型技术,即高温金属气压成 形和快速塑性成形。
[0005] 在汽车领域里,高强超高强钢中空件的使用就是汽车轻量化的一种方法,然而高 强、超高强钢以及铝合金、镁合金等金属在常温状态下,成形性差,无法成型截面复杂的中 空构件;或者由于室温下的高强度所需的成型压力极高,因此对模具、压机等设备的要求 高,投入的成本的较高,故需要新的模具和方法来解决这些问题。
[0006] 另外,对于内高压成形技术,迄今为止一直需要解决的一个关键问题就是构件壁 厚减薄率的控制,尽可能实现成形后构件各处壁厚的均匀性。传统意义上的低温内高压成 形以及模具设计由于金属塑性有限以及模具的诸多限制,使得成形后构件无法获得较小的 圆角半径,并且在圆角半径较小的地方壁厚减薄率极高,易在该位置破损。因此需要一种全 新的能实现中空金属构件高温气压胀形的装置及工艺。
发明内容
[0007] 为了解决上述问题中的不足之处,本发明提供了一种一种实现中空金属构件高温 气压胀形的装置及工艺。
[0008] 为了解决以上技术问题,本发明采用的技术方案是:一种实现中空金属构件高温 气压胀形的装置,包括模具,模具分为上下两部分,每部分均分为内层和外层,外层为下模 主体和上模主体;下模主体和上模主体对应布置;内层为内膜;下模主体固定在下模架上, 下模主体和下模架之间设置有垫板;下模主体的两端各设置有一个主挡板、侧面各设置有 一个侧挡板;主挡板的底板和侧板之间有一 95°〜110°的夹角;下模主体或上模主体上 设置有凹形通道,凹形通道内嵌置有感应线圈;凹形通道之间的间距与感应线圈之间的间 距相同,均为1〜1〇_。
[0009] 垫板上设由对上模主体和下模主体起固定作用的定位键槽;主挡板和垫板均通过 螺栓固定在下模架或上模架上。
[0010] 下模主体的四个角处各设置有一个导柱,导柱和设置在上模主体四角的导套相匹 配。
[0011] 内膜通过两块上压板被固定压制在上模主体或下模主体的内部;上压板与上模主 体或下模主体采用铆钉结合。
[0012] 感应线圈位于下模主体、上模主体与内膜之间;感应线圈为多个,多个感应线圈共 同组成感应线圈组,下模主体和上模主体中各布置有一个感应线圈组,感应线圈组中的单 个的感应线圈被导水软管连接成一组通路,形成一组冷却水。
[0013] 下模主体和上模主体吻合后形成模具内腔;感应线圈上均设置有一个金属触头。
[0014] 中空金属构件高温气压胀形的工艺,其工艺步骤为:
[0015] a、管坯预处理,包括预热或预弯曲,通过感应加热、电接触加热或加热炉加热至 300〜900°C,也可以不用预热,直接将管坯置于模具中进行加热;
[0016] b、管坯快速置于模具的下模主体中,在压机合模力的作用下合模后保压,保压压 力不低于100吨,并通过压机上两水平缸推动密封顶头将两管坯两端部密封,同时通过内 嵌于模具内部的感应线圈对管坯沿轴向的温度进行补偿加热;
[0017] c、按气体加压途径通入高压气体;同时,与气体加压路径相适应,匹配以合理的水 平缸进给速度,在模具的一侧或两侧轴向补料;在端部补料的同时,利用步骤b中感应加热 控制管坯不同位置的加热温度,以调节金属材料的局部区域流动特征,以保证应变最大处 不出现在圆角顶点等极易破裂位置;
[0018] d、待气体加压完毕,同时结束轴向补料,短时间保压后开模、取出构件并控制其冷 却速度,最终获得所需要的构件形状及性能。
[0019] 本发明不仅能降低成型设备投资、减小成形力,并且能够在高温下成形包括铝合 金、镁合金以及高强钢在内的相关金属材料中空件,尤其适合制备小圆角半径的复杂截面 产品。
附图说明
[0020] 图1为本发明的结构示意图。
[0021] 图2为图1的左视图。
[0022] 图3为软性排水管的排列状态结构示意图。
[0023] 图4为图3拆解后下半部分的结构示意图。
[0024] 图5为垫板的结构示意图。
[0025] 图6为感应线圈的安装状态结构示意图。
[0026] 图7a-图7d为本发明气压胀形工艺流程示意图。
[0027] 图8a-图8c为实施例1的实施过程示意图。
[0028] 图9a-图9c为实施例2的实施过程示意图。
[0029] 图中:1、下模架;2、垫板;3、下模主体;4、主挡板;5、模具内腔;6、感应线圈;7、上 模主体;8、上模架;9、内膜;10、金属触头;11、软管接头;12、导柱;13、导套;14、导套压板; 15、侧档板;16、上挡板;17、定位键槽;18、导水软管;19、顶头;20、充气孔。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0031] 如图1-图6所示,本发明包括下模架1、垫板2、主挡板4、模具内腔5、感应线圈6、 上模架8、内膜9、金属触头10、软管接头11、导柱12、导套13、导套压板14、侧档板15、上挡 板16、定位键槽17、导水软管18和模具。
[0032] 模具分为上下两部分,每部分均分为内外两层,外层为下模主体3和上模主体7 ; 下模主体3和上模主体7对应布置;内层为内膜19。内层采用低渗透性、高刚性的材料,用 来保证工件的外形;外层采用陶瓷材料,主要起支撑作用。下模主体3的四个角处各设置有 一个导柱12,导柱和设置在上模主体7四角的导套13相匹配。
[0033] 下模主体3固定在下模架1上,下模主体3和下模架1之间设置有垫板2。下模主 体3的两端各设置有一个主挡板4、侧面各设置有一个侧挡板15。主挡板4和垫板2均通 过螺栓固定在下模架1上。此段的结构形式同样适用于上模主体7与上模主体上的各部件 之间的连接组装关系。
[0034] 主挡板4的底板和侧板之间有一 95°〜110°的夹角,此种角度的设计能够限制 模具的上下运动同时又能限制左右移动,侧挡板15是阻止模具主体在前后方向上移动,从 而将模具主体完全固定在模架上面。
[0035] 垫板2上带有定位键槽17,可以对上、下模主体进行固定,保证模具工作的可靠 性。
[0036] 内膜9通过两块上压板16被固定压制在上模主体或下模主体的内部,再将上压板 16与上模主体或下模主体采用铆钉结合,上压板16为60mm*20mm*5mm的高强钢,内膜是通 过固定板的形式被固定,这样易于拆卸和安装,同时对不同的内膜可以通过一样的方式固 定,有利于提商内I旲的互换性。
[0037] 感应线圈6内嵌于下模主体1或上模主体7上预留出的凹形通道内,凹形通道通 道之间的间距即感应线圈之间的间距,均根据加热构件以及效率选择合适的数值,通常为 1〜10mm。感应线圈6位于下模主体3、上模主体7与内膜9之间;感应线圈6为多个,多个 感应线圈6共同组成感应线圈组,下模主体3和上模主体7中各布置有一个感应线圈组,感 应线圈组中的单个的感应线圈6被导水软管18连接成一组通路,形成一组冷却水,下模主 体3和上模主体7中各有一组冷却水。下模主体3和上模主体7吻合后形成模具内腔5。
[0038] 感应线圈6上均设置有一个金属触头10,金属触头的作用是将上、下模主体中的 感应线圈连接成一组组闭合的回路,上模主体中的接电端用一块导电性较好的铜板连接起 来,形成一个负极公共端。下模主体中的电极由单个控制器单独控制,从而达到各各感应线 圈能够通过控制进行单独的供电,使被加热材料受可控的温度调节,这样对于不同变形程 度有不同的加热温度,有利于材料加工。
[0039] 中空金属构件高温气压胀形的工艺,其工艺步骤如下,如图7a-图7d所示:
[0040] 1、管坯预处理(包括预热或预弯曲)通过感应加热、电接触加热或加热炉加热至 300〜900°C,也可以不用预热,直接将管坯置于模具中进行加热;
[0041] 2、管坯快速置于模具的下模主体中,在压机合模力的作用下合模后保压,保压压 力不低于100吨,并通过压机上两水平缸推动密封顶头将两管坯两端部密封(水平缸采取 恒压力可调速设计),同时通过内嵌于模具内部的感应线圈6对管坯沿轴向的温度进行补 偿加热;
[0042] 3、按气体加压途径通入高压气体;同时,与气体加压路径相适应,匹配以合理的水 平缸进给速度,在模具的一侧或两侧轴向补料;在端部补料的同时,利用步骤2中感应加热 控制管坯不同位置的加热温度,以调节金属材料的局部区域流动特征,以保证应变最大处 不出现在圆角顶点等极易破裂位置;
[0043] 4、待气体加压完毕,同时结束轴向补料,短时间保压后开模、取出构件并控制其冷 却速度,最终获得所需要的构件形状及性能。
[0044] 实施例1 :
[0045] 管坯经预热后,放入下模主体(如图7a所示);合模后保压,同时端部密封顶头压 紧管端密封(如图7b所示);感应线圈通电进行补偿加热,待达到预定温度后充高压气体 进行胀形(如图7c、7d所示)。通常在胀形过程中,管坯在位置h处先贴合模具,且在此处 有较大的壁厚减薄率。为降低壁厚减薄率,可通过控制图8a中带斜线的感应线圈工作运 行,使管坯I区域处于高温高塑性状态,同时施加管端补料,从而可以保证管坯能够在模腔 内较均匀变形,呈现图8b中所示状态。
[0046] 为成型出较小的圆角半径,如图8c中位置i所示。可联动控制轴向补料以及图8c 中灰色感应加热线圈,在实现管材局部区域II中保持高温高塑性的同时,通过补料获取胀 形量的极大值,从而可成形较小的圆角半径。
[0047] 实施例2 :
[0048] 管坯不经预热,直接放入下模主体(图7a);合模后保压,同时端部密封顶头压紧 管端密封(图7b);感应线圈通电进行直接加热升温,待达到预定温度及保温时间后充高压 气体进行胀形(图7c、图7d)。通过控制图9a中带斜线的感应线圈工作运行,使管坯I区 域处于高温高塑性状态,同时在相应一端施加管端补料,可以使模腔内管坯在预定的区域 首先胀形,呈现图9b中所示状态。
[0049] 然后在合适的时间在管坯另一端施加轴向补料,可以实现管坯在位置h处优先贴 合模具,如图9c所示。当然,可以通过控制图9c中所示区域的黑色感应线圈工作与否,调 控其相应位置金属管坯的流动特性,以达到所需要的壁厚控制目标。
[0050] 上述实施方式并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领 域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也均属于本发 明的保护范围。

Claims (7)

1. 一种实现中空金属构件高温气压胀形的装置,包括模具,其特征在于:所述模具分 为上下两部分,每部分均分为内层和外层,外层为下模主体(3)和上模主体(7);下模主体 (3)和上模主体(7)对应布置;内层为内膜(19);下模主体(3)固定在下模架(1)上,下模 主体(3)和下模架(1)之间设置有垫板(2);下模主体(3)的两端各设置有一个主挡板(4)、 侧面各设置有一个侧挡板(15);主挡板(4)的底板和侧板之间有95°〜110°的夹角;下 模主体(1)或上模主体(7)上设置有凹形通道,凹形通道内嵌置有感应线圈(6);凹形通道 之间的间距与感应线圈之间的间距相同,均为1〜l〇mm。
2. 根据权利要求1所述的实现中空金属构件高温气压胀形的装置,其特征在于:所述 垫板(2)上设由对上模主体和下模主体起固定作用的定位键槽(17);所述主档板(4)和垫 板(2)均通过螺栓固定在下模架(1)或上模架(8)上。
3. 根据权利要求1所述的实现中空金属构件高温气压胀形的装置,其特征在于:所述 下模主体(3)的四个角处各设置有一个导柱(12),导柱和设置在上模主体(7)四角的导套 (13)相匹配。
4. 根据权利要求1所述的实现中空金属构件高温气压胀形的装置,其特征在于:所述 内膜(9)通过两块上压板(16)被固定压制在上模主体或下模主体的内部;上压板(16)与 上模主体或下模主体采用铆钉结合。
5. 根据权利要求1所述的实现中空金属构件高温气压胀形的装置,其特征在于:所述 感应线圈(6)位于下模主体(3)、上模主体(7)与内膜(9)之间;感应线圈(6)为多个,多 个感应线圈(6)共同组成感应线圈组,下模主体(3)和上模主体(7)中各布置有一个感应 线圈组,感应线圈组中的单个的感应线圈(6)被导水软管(18)连接成一组通路,形成一组 冷却水。
6. 根据权利要求5所述的实现中空金属构件高温气压胀形的装置,其特征在于:所述 下模主体(3)和上模主体(7)吻合后形成模具内腔(5);所述感应线圈(6)上均设置有一 个金属触头(10)。
7. 根据权利要求1所述的实现中空金属构件高温气压胀形的装置,其特征在于:所述 中空金属构件高温气压胀形的工艺,其工艺步骤为: a、 管坯预处理,包括预热或预弯曲,通过感应加热、电接触加热或加热炉加热至300〜 900°C,也可以不用预热,直接将管坯置于模具中进行加热; b、 管坯快速置于模具的下模主体中,在压机合模力的作用下合模后保压,保压压力不 低于100吨,并通过压机上两水平缸推动密封顶头将两管坯两端部密封,同时通过内嵌于 模具内部的感应线圈对管坯沿轴向的温度进行补偿加热; c、 按气体加压途径通入高压气体;同时,与气体加压路径相适应,匹配以合理的水平缸 进给速度,在模具的一侧或两侧轴向补料;在端部补料的同时,利用步骤b中感应加热控制 管坯不同位置的加热温度,以调节金属材料的局部区域流动特征,以保证应变最大处不出 现在圆角顶点等极易破裂位置; d、 待气体加压完毕,同时结束轴向补料,短时间保压后开模、取出构件并控制其冷却速 度,最终获得所需要的构件形状及性能。
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