CN104607524A - 一种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置及方法，涉及一种拼焊板整体成形装置及方法，解决了现有拼焊板拉深成形破裂的问题。装置包括凸模、压边圈、凹模和充液室；边圈与凹模之间用于放置非等厚拼焊板；在凸模的型面上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的凸模沟槽，同时在压边圈的内孔及下表面上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的压边圈沟槽，用于约束厚壁区垂直于焊缝的方向发生变形；或在凹模的上表面及内孔上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的凹模沟槽，用于约束厚壁区垂直于焊缝的方向发生变形。本发明还提供了利用所述成形装置的大型曲面件的拼焊板整体拉深成形方法。用于采用等强度承载设计的非等厚对称拼焊板的充液拉深成形。

Description

一种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置及方法

技术领域

本发明涉及一种拼焊板整体成形装置及方法。

背景技术

封头等曲面件在石油化工、航空航天等领域应用广泛，直径一般在2000mm以上，是一种大型的曲面板材零件。现有的制造方法是拉深或者拉形方法制造出瓜瓣件，再将瓜瓣拼焊成球面件。由于该类零件通常和筒段组合构成压力容器，因此对焊缝的可靠性及承载能力要求高。目前现有的先分块成形再焊接的成形方法，其缺点是焊缝多，拘束度大，强制装配、焊接变形容易产生高水平焊接残余应力，承压条件下可靠性低。目前，迫切需要解决现有焊接残余应力高、可靠性差等问题，以满足使用环境的服役要求。

要从根本上解决上述问题，则需采用整体成形技术替代先成形再拼焊的制造方式，减少焊缝。目前，板材宽度一般在2500mm左右，不能满足整体成形所需的坯料尺寸要求，整体成形仍需拼焊的平板坯料。由于存在焊缝和母材性能的差异，尤其对于铝合金差异更为明显，且曲面件拉深成形过程中处于底部的焊缝受到双向拉应力的作用，应力水平高，焊缝容易发生破裂，制约试件整体成形的可成形性。针对上述问题，现有技术没有给出适合于大型曲面件的拼焊板拉深方法及装置。

发明内容

要解决的技术问题：

针对拼焊板拉深过程中焊缝产生破裂缺陷，而且无法成形出大型拼焊板曲面件的问题，本发明提供了一种大型曲面件的拼焊板拉深方法及装置，以避免拉深过程中焊缝的破裂、成形出大型拼焊板曲面件。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置，所述装置包括凸模、压边圈、凹模和充液室；凹模置于充液室之上且二者密封连接，凹模的下平面与充液室的上平面固定连接；压边圈设在凹模上方；凸模可沿压边圈、凹模上下移动；充液室设有与其介质腔相通的注液孔，注液孔用于与液压系统连接；其特征在于，压边圈与凹模之间用于放置板料，所述的板料是指非等厚拼焊板；

在凸模的型面上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的凸模沟槽，同时在压边圈的内孔及下表面上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的压边圈沟槽，用于约束厚壁区垂直于焊缝的方向发生变形；

或者，在凹模的上表面及内孔上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的凹模沟槽，用于约束厚壁区垂直于焊缝的方向发生变形。

所述板料是一面为焊缝所在的厚壁区厚度高于其他薄壁区厚度的阶梯表面、另一面为直面的非等厚拼焊板。

所述板料沿焊缝左右轴对称，板料的厚壁区和薄壁区在焊缝左右轴也对称分布。

当非等厚拼焊板的阶梯表面朝上时，所述凸模沟槽沿其延伸方向的中心纵剖面经过凸模的轴线，凸模沟槽沿凸模的外表面延伸形状与凸模型线轮廓形状一致，凸模沟槽的横截面形状与板料的厚壁区形状相当；所述压边圈沟槽是沿压边圈轴线镜像相对设置的两部分沟槽，每部分沟槽包括设置在压边圈内孔孔壁上且与内孔等高的压边圈内孔沟槽和设置在压边圈下表面且贯通环壁的压边圈下表面沟槽，且压边圈内孔沟槽和压边圈下表面沟槽在交汇处圆滑过渡连通；两部分沟槽沿其延伸方向的中心纵剖面共面且经过压边圈的轴线；压边圈沟槽的横截面形状与板料的厚壁区形状相当。

当非等厚拼焊板的直面朝上时，所述凹模沟槽是沿凹模轴线镜像相对设置的两部分沟槽，每部分沟槽包括设置在凹模上表面且贯通环壁的凹模上表面沟槽和设置在凹模内孔孔壁上且与内孔等高的凹模内孔沟槽，且凹模上表面沟槽和凹模内孔沟槽在交汇处圆滑过渡连通；两部分沟槽沿其延伸方向的中心纵剖面共面且经过凹模的轴线；凹模沟槽的横截面形状与板料的厚壁区形状相当。

所述非等厚拼焊板经机械加工后的厚壁区与薄壁区的厚度比不小于1.5，厚壁区与薄壁区圆角过渡，圆角大于厚壁区与薄壁区的厚度差。

所述凸模沟槽和压边圈沟槽截面的宽度和深度大于板料厚壁区0.5mm，截面的凸圆角大于板料厚壁区与薄壁区的过渡圆角0.5mm。

所述凹模沟槽截面的宽度和深度大于板料厚壁区0.5mm，截面的凸圆角大于板料厚壁区与薄壁区的过渡圆角0.5mm。

利用上述成形装置的大型曲面件的拼焊板整体拉深成形方法，该方法的步骤如下：

步骤一、充液室的充液孔与液压系统连接：首先将充液室上的注液孔与液压系统连接，然后向介质腔内注入流体介质；

步骤二、然后在凹模上表面放置非等厚的板料，板料具有阶梯表面的一面向上；

步骤三、压边圈向下移动并施加压边力，压边圈凹槽与板料厚壁区吻合：

通过液压机的压边缸控制压边圈向下移动，压边圈的沟槽至与板料吻合，厚壁区进入板料的凹槽，压边圈下表面与薄壁区接触并施加压边力F，压边力F为压边圈、凹模之间的板料所受到夹持部分的法兰区面积与单位压边力的乘积；

步骤四、通过液压机的主缸控制凸模向下移动，直到凸模的凹槽与板料的厚壁区相吻合并与薄壁区接触，通过充液孔向充液室内充入液体介质,充液室内逐步填满液体介质,空气逐步被排出,并使充液室内部建立起5MPa的压力；

步骤五、当充液室内部建立起5MPa的压力后,凸模下行,增加压边圈的压边力至3000KN～5000KN,通过充液孔继续向充液室充入液体介质,提高充液室内部液体介质的压力至15MPa，直至拉深结束，成形出拼焊板曲面件。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出一种大型曲面件的拼焊板拉深方法及装置适于对采用等强度承载设计的非等厚对称拼焊板的充液拉深成形，制造较大型的整体曲面件。

本发明优点是通过等强度承载设计的非等厚拼焊板，使焊缝承载截面厚度增大，降低垂直焊缝方向所受的拉应力，抗破裂能力提高；板料厚壁区截面与凸模型面的沟槽相吻合，约束厚壁区垂直焊缝方向发生较大的变形，进一步提高焊缝的抗失稳破裂能力；另外，利用充液拉深成形过程中的充液室压力可增强坯料与凸模之间的有益摩擦，减小拉应力，降低薄弱的焊缝区破裂的可能性；焊缝长度方向经历塑性变形，强度高，试件承压能力强。对于大型复杂曲面件，采用非等厚拼焊板，可实现整体成形，避免先成形后焊接产生的焊接应力，制件承压能力及耐冲击能力强，可靠性高。本发明方法及装置用于采用等强度承载设计的非等厚对称拼焊板的充液拉深成形。

附图说明

图1为本发明所述成形装置结构示意图(主视剖视图)，图2为本发明中的凸模1的主视剖视图，图3是图2的在视图；图4为压边圈2的主视剖视图，图5是图4的俯视图；图6为板料7的俯视图(图中，A表示薄壁区，B表示厚壁区，C表示焊缝)，图7是图6的D-D剖视图；图8是凹模3的主视剖视图，图9是图8的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1至7所示，本实施方式所述的大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置包括凸模1、压边圈2、凹模3和充液室4；凹模3置于充液室4之上且二者通过密封圈6密封连接，凹模3的下平面与充液室4的上平面固定连接；压边圈2设在凹模3上方；凸模1可沿压边圈2、凹模3上下移动；充液室4设有与其介质腔5相通的注液孔4-1，注液孔4-1用于与液压系统连接；压边圈2与凹模3之间用于放置板料7，所述的板料7是指非等厚拼焊板；

如图2-5，在凸模1的型面上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的凸模沟槽1-1，同时在压边圈2的内孔及下表面上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的压边圈沟槽2-1，用于约束厚壁区垂直于焊缝的方向发生变形；

所述板料7是一面为焊缝所在的厚壁区厚度高于其他薄壁区厚度的阶梯表面、另一面为直面的非等厚拼焊板。所述板料7沿焊缝左右轴对称(所述焊缝为直缝)，板料7的厚壁区和薄壁区在焊缝左右轴也对称分布。

所述凸模沟槽1-1沿其延伸方向的中心纵剖面经过凸模1的轴线(凸模1的凹槽与过凸模1轴心的面对称，且分布于整个凸模1的外表面)，凸模沟槽1-1沿凸模1的外表面延伸形状与凸模型线轮廓形状一致，凸模沟槽1-1的横截面形状与板料7的厚壁区形状相当；

所述压边圈沟槽2-1是沿压边圈2轴线镜像相对设置的两部分沟槽，每部分沟槽包括设置在压边圈内孔孔壁上且与内孔等高的压边圈内孔沟槽2-1-1和设置在压边圈下表面且贯通环壁的压边圈下表面沟槽2-1-2，且压边圈内孔沟槽2-1-1和压边圈下表面沟槽2-1-2在交汇处圆滑过渡连通；两部分沟槽沿其延伸方向的中心纵剖面共面且经过压边圈2的轴线(压边圈2的凹槽与过压边圈2轴心的面对称，且分布于压边圈2的下表面、内孔面及圆角区域)；压边圈沟槽2-1的横截面形状与板料7的厚壁区形状相当。

本实施方式所述的装置适于当非等厚拼焊板的阶梯表面朝上时，即非等厚拼焊板的阶梯表面朝上置于压边圈2和凹模3之间的情形。

具体实施方式二：如图8和9所示，本实施方式所述的大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置，仅在凹模3的上表面及内孔上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的凹模沟槽3-1，用于约束厚壁区垂直于焊缝的方向发生变形。所述凹模沟槽3-1是沿凹模3轴线镜像相对设置的两部分沟槽，每部分沟槽包括设置在凹模上表面且贯通环壁的凹模上表面沟槽3-1-1和设置在凹模内孔孔壁上且与内孔等高的凹模内孔沟槽3-1-2，且凹模上表面沟槽3-1-1和凹模内孔沟槽3-1-2在交汇处圆滑过渡连通；两部分沟槽沿其延伸方向的中心纵剖面共面且经过凹模3的轴线；凹模沟槽3-1的横截面形状与板料7的厚壁区形状相当。

凸模1和压边圈2均无需设置沟槽。其它组成及连接关系与具体实施方式一所述装置相同。

本实施方式所述的装置适于当非等厚拼焊板的直面朝上时，即非等厚拼焊板的直表面朝上置于压边圈2和凹模3之间的情形。

具体实施方式三：利用具体实施方式一的成形装置的大型曲面件的拼焊板整体拉深成形方法的步骤如下：

步骤一、充液室的充液孔与液压系统连接：首先将充液室4上的注液孔4-1与液压系统连接，然后向介质腔5内注入流体介质；

步骤二、然后在凹模3上表面放置非等厚的板料7，板料7具有阶梯表面的一面向上；

步骤三、压边圈向下移动并施加压边力，压边圈凹槽与板料厚壁区吻合：

通过液压机的压边缸控制压边圈2向下移动，压边圈2的沟槽至与板料7吻合，厚壁区进入板料7的凹槽，压边圈2下表面与薄壁区接触并施加压边力F，压边力F为压边圈2、凹模3之间的板料7所受到夹持部分的法兰区面积与单位压边力的乘积；

步骤四、通过液压机的主缸控制凸模1向下移动，直到凸模1的凹槽与板料7的厚壁区相吻合并与薄壁区接触，通过充液孔4-1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5MPa的压力；

步骤五、当充液室4内部建立起5MPa的压力后,凸模1下行,增加压边圈2的压边力至3000KN,通过充液孔4-1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，成形出拼焊板曲面件。

具体实施方式四：利用具体实施方式二的成形装置的大型曲面件的拼焊板整体拉深成形方法的步骤与具体实施方式三类似。只是非等厚拼焊板的直面朝上。

具体实施方式五：利用具体实施方式一的成形装置的大型曲面件的拼焊板整体拉深成形方法的步骤再进行描述如下：

(1)采用两块板进行焊接、再机加方法制作圆形板料7，如图3所示，板料厚壁区的厚度为t₀、宽度为w,薄壁区的厚度为t₁，薄壁区与厚壁区之间的过渡圆角为R。

(2)模具处于打开状态,通过外接的液压泵从充液孔4-1向充液室4内注满液体介质5,将板料7放在凹模3的中间位置上,板料7的厚壁区所在面向上,通过压力机压边滑块带动压边圈2下行，压边圈2的沟槽2-1与坯料7的厚壁区相吻合，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1下行,凸模1的沟槽1-1与板料7的厚壁区相吻合，在与板料7上表面接触时停止,通过凹模3与充液室4之间的密封圈6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1继续下行,进行拉深，通过压边滑块增大压边圈2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，坯料1逐渐流入，厚壁区逐渐贴靠凸模1的凹槽1-1，薄壁区贴靠凸模1其余工作表面，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1回程，压边滑块带动压边圈2上行，使模具处于打开状态，取出所成形的拉深件。

实施例：

给出利用本发明所述装置及方法成形大型铝合金拼焊板曲面件：

目标成形件内轮廓为半椭球面，母线方程为板料为2A12铝合金，成形板料外径为4000mm、薄壁区厚度为5mm，厚壁区厚度为8.5mm；

成形过程如下：

(1)采用两块宽度2000mm、厚度8.5mm的铝合金板料进行焊接，再进行机械加工制作非等厚的轴对称成形板料7，使薄壁区厚度为5mm，薄壁区与厚壁区之间的过渡圆角R为3.5mm，形状如图3所示；

(2)模具处于打开状态,将成形板料7放置到凹模3上,成形板料7厚壁区带有过渡圆角的面向上(阶梯面朝上),带有沟槽1-1的凸模1(图2)下行,在与成形板料7上表面接触时停止,凸模1的沟槽1-1与成形板料7的厚壁区相吻合，压边圈2下行(图3),压边圈2的沟槽2-1与成形板料7的厚壁区相吻合,并施加18000KN的压边力,通过充液孔4-1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5MPa的压力；

(3)当充液室4内部建立起5MPa的压力后,凸模1下行,增加压边圈2的压边力至3000KN,通过充液孔4-1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，成形出直径为3350mm铝合金拼焊板曲面件。

通过上述可看出，本发明装置及方法可成型出直径为3350mm铝合金拼焊板拉深成形的曲面件，经测试，所成形的直径为3350mm铝合金拼焊板拉深成形的曲面件的承压能力大于或等于2.7Mpa；同比条件下，比采用先成形再拼焊的方法提高了30％。

Claims (9)

1.一种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置，所述装置包括凸模(1)、压边圈(2)、凹模(3)和充液室(4)；凹模(3)置于充液室(4)之上且二者密封连接，凹模(3)的下平面与充液室(4)的上平面固定连接；压边圈(2)设在凹模(3)上方；凸模(1)可沿压边圈(2)、凹模(3)上下移动；充液室(4)设有与其介质腔(5)相通的注液孔(4-1)，注液孔(4-1)用于与液压系统连接；其特征在于，压边圈(2)与凹模(3)之间用于放置板料(7)，所述的板料(7)是指非等厚拼焊板；

在凸模(1)的型面上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的凸模沟槽(1-1)，同时在压边圈(2)的内孔及下表面上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的压边圈沟槽(2-1)，用于约束厚壁区垂直于焊缝的方向发生变形；

或者，在凹模(3)的上表面及内孔上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的凹模沟槽(3-1)，用于约束厚壁区垂直于焊缝的方向发生变形。

2.根据权利要求1所述的一种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置，其特征在于：所述板料(7)是一面为焊缝所在的厚壁区厚度高于其他薄壁区厚度的阶梯表面、另一面为直面的非等厚拼焊板。

3.根据权利要求2所述的一种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置，其特征在于：所述板料(7)沿焊缝左右轴对称，板料(7)的厚壁区和薄壁区在焊缝左右轴也对称分布。

4.根据权利要求3所述的一种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置，其特征在于：当非等厚拼焊板的阶梯表面朝上时，

所述凸模沟槽(1-1)沿其延伸方向的中心纵剖面经过凸模(1)的轴线，凸模沟槽(1-1)沿凸模(1)的外表面延伸形状与凸模型线轮廓形状一致，凸模沟槽(1-1)的横截面形状与板料(7)的厚壁区形状相当；

所述压边圈沟槽(2-1)是沿压边圈(2)轴线镜像相对设置的两部分沟槽，每部分沟槽包括设置在压边圈内孔孔壁上且与内孔等高的压边圈内孔沟槽(2-1-1)和设置在压边圈下表面且贯通环壁的压边圈下表面沟槽(2-1-2)，且压边圈内孔沟槽(2-1-1)和压边圈下表面沟槽(2-1-2)在交汇处圆滑过渡连通；两部分沟槽沿其延伸方向的中心纵剖面共面且经过压边圈(2)的轴线；压边圈沟槽(2-1)的横截面形状与板料(7)的厚壁区形状相当。

5.根据权利要求3所述的一种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置，其特征在于：当非等厚拼焊板的直面朝上时，

所述凹模沟槽(3-1)是沿凹模(3)轴线镜像相对设置的两部分沟槽，每部分沟槽包括设置在凹模上表面且贯通环壁的凹模上表面沟槽(3-1-1)和设置在凹模内孔孔壁上且与内孔等高的凹模内孔沟槽(3-1-2)，且凹模上表面沟槽(3-1-1)和凹模内孔沟槽(3-1-2)在交汇处圆滑过渡连通；两部分沟槽沿其延伸方向的中心纵剖面共面且经过凹模(3)的轴线；凹模沟槽(3-1)的横截面形状与板料(7)的厚壁区形状相当。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置，其特征在于：所述非等厚拼焊板经机械加工后的厚壁区与薄壁区的厚度比不小于1.5，厚壁区与薄壁区圆角过渡，圆角大于厚壁区与薄壁区的厚度差。

7.根据权利要求6所述的一种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置，其特征在于：所述凸模沟槽(1-1)和压边圈沟槽(2-1)截面的宽度和深度大于板料(7)厚壁区0.5mm，截面的凸圆角大于板料(7)厚壁区与薄壁区的过渡圆角0.5mm。

8.根据权利要求6所述的一种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置，其特征在于：所述凹模沟槽(3-1)截面的宽度和深度大于板料(7)厚壁区0.5mm，截面的凸圆角大于板料(7)厚壁区与薄壁区的过渡圆角0.5mm。

9.利用权利要求1至8中任一权利要求所述成形装置的大型曲面件的拼焊板整体拉深成形方法，其特征在于该方法的步骤如下：

步骤一、充液室的充液孔与液压系统连接：首先将充液室(4)上的注液孔(4-1)与液压系统连接，然后向介质腔(5)内注入流体介质；

步骤二、然后在凹模(3)上表面放置非等厚的板料(7)，板料(7)具有阶梯表面的一面向上；

步骤三、压边圈向下移动并施加压边力，压边圈凹槽与板料厚壁区吻合：

通过液压机的压边缸控制压边圈(2)向下移动，压边圈(2)的沟槽至与板料(7)吻合，厚壁区进入板料(7)的凹槽，压边圈(2)下表面与薄壁区接触并施加压边力F，压边力F为压边圈(2)、凹模(3)之间的板料(7)所受到夹持部分的法兰区面积与单位压边力的乘积；

步骤四、通过液压机的主缸控制凸模(1)向下移动，直到凸模(1)的凹槽与板料(7)的厚壁区相吻合并与薄壁区接触，通过充液孔(4-1)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5MPa的压力；

步骤五、当充液室(4)内部建立起5MPa的压力后,凸模(1)下行,增加压边圈(2)的压边力至3000KN～5000KN,通过充液孔(4-1)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，成形出拼焊板曲面件。