CN105537362A - 一种降低大尺寸板材构件充液拉深力的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种降低大尺寸板材构件充液拉深力的装置及方法，涉及一种薄壁深腔曲面板材构件的成形装置及方法，以解决大尺寸板材构件充液拉深时液体介质反作用力大导致设备吨位大、能耗高的问题。该装置包括凸模、压边圈、凹模、液室和背压模，其中背压模的上表面为内凹曲面，曲面形状和上方凸模的对应部分曲面形状相同，背压模的侧壁可沿液室底部大通孔的侧壁上下滑动。当凸模向下运动至一定深度时，板坯的下表面与背压模的上表面接触并完全贴合，背压模随凸模同时夹持板坯同时向下运动，贴合处的板坯不受高压液体作用，只有背压模外侧环形区域内的板坯下表面受高压液体作用，由于减少了高压液体对凸模的作用面积，从而降低了充液拉深力。

Description

一种降低大尺寸板材构件充液拉深力的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种深腔板材构件成形装置及方法，具体涉及一种大尺寸薄壁深腔曲面板材构件的充液拉深成形装置及方法。
背景技术
板材充液拉深成形采用液体介质代替模具传递载荷，使板材在液体介质的压力作用下贴靠凸模，在控制液体介质压力和压边力的同时，使凸模下移将板材拉入凹模，实现薄壁板材构件成形(图1-传统原理图)。充液拉深成形过程中，利用液室内的液体压力，使贴靠凸模的材料在“摩擦保持”作用下避免减薄开裂，并利用一定的液体压力在板材与凹模之间形成“液体润滑效果”，能显著提高成形极限、减少成形道次，具有成形精度高、表面质量好等特点，适合深腔板材构件成形；此外，充液拉深成形曲面件时产生反胀变形并形成“软拉深筋效果”，可有效控制悬空区内皱，对复杂薄壁曲面构件的成形十分有利。但是，在充液拉深成形过程中，液体介质对凸模产生较大的反作用力，压力机输出的总拉深力(F)包括二个部分，一部分是使板材发生塑性变形所需的成形力(F1)，另一部分用于克服液体介质对凸模的反作用力(F2)，即F＝F1+F2。尤其是大尺寸或超大尺寸构件充液拉深时，液体介质产生的反作用力(F2)随着液体压力和作用模具面积的增加而大幅增加，已经远远超出板材的成形力(F1)，导致设备吨位急剧增加，产生大量额外的能耗。例如，直径3m的半球形封头充液拉深时，总拉深力需要10000吨，其中8500吨用于克服液体介质对凸模的反作用力，占总拉深力的82％。为了降低充液拉深所需的拉深力，降低大尺寸构件充液拉深的设备吨位，减小能耗、降低设备造价，需要一种可降低大尺寸板材构件充液拉深力的装置及方法。
针对以上问题，国内外研究人员提出了以下技术思路：
1、专利ZL201110171454.1公开了一种可减小充液拉深压边力的装置及方法，在充液室的上端面上设有引流孔和引流槽引出流体介质，减小或消除法兰区流体压力分布的区域，并能以较小的压边力得到预定的流体压力。但是该专利并没有涉及减小拉深力的装置及方法。
2、专利ZL201410400252.1公开一种板材多点凸模充液拉深成形装置及方法，由于采用离散的多点凸模拉深成形板材时，高压液压作用的实际面积被离散的凸模分解，因此可以有效降低拉深力。但是该装置及方法存在板材表面易产生压痕缺陷，构件一次成形精度差等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低大尺寸板材(板坯厚度与板坯直径之比≤0.3％)构件充液拉深力的装置及方法，以解决大尺寸板材构件充液拉深时液体介质反作用力大导致设备吨位大、能耗高的问题。
本发明为实现上述目的采取的技术方案是：
本发明所述的一种降低大尺寸板材构件充液拉深力的装置包括凸模、压边圈、凹模、液室和背压模；凸模位于压边圈的上方，凸模被固定在双动压力机的主缸上，压边圈位于凹模的上方，压边圈被固定在双动压力机的压边缸上用于板坯压边，凹模位于液室的上端面，凹模与液室之间固定连接，液室侧壁设有液体注入孔，液室底部设有大通孔，液室被固定在双动压力机的工作台面上，背压模位于凸模正下方的液室内部，背压模的上表面为内凹曲面，曲面形状和上方凸模的对应部分曲面形状相同，背压模的侧壁可沿液室底部大通孔的侧壁上下滑动，背压模的底部与底板和连杆固定连接，连杆被固定在双动压力机的下顶出缸上，背压模的直径按照公式计算(其中，d为背压模直径，D为凸模直径，H为总拉深深度，h为背压模上表面底部距离板材初始位置高度，h取0.3～0.5H)。此外，在凹模、液室和背压模的上表面以及大通孔的侧壁分别设有至少一道环形密封圈，用于液体密封。
背压模的上表面内填充有聚氨酯垫或弹性橡胶。
背压模的底部的连杆可替换为弹簧或氮气缸支撑并固定在双动压力机的工作台面上。
利用上述装置对板材构件进行充液拉深的加工方法是按照以下步骤实现的：
(1)从液体注入孔向液室内注入液体，液体介质的液面与凹模的上表面持平；
(2)在凹模的上表面放置待成形板坯；
(3)控制顶出缸带动背压模上行至距离板坯下表面一定距离(h)；
(4)控制压边缸带动压边圈下行至与板坯相接触，与板坯接触后施加一定的压边力；
(5)通过增压系统从液体注入孔向液室内的液体加压使其对板坯产生流体压力，同时凸模在主缸的带动下向下运动，带动板坯从凹模表面向液室内运动进行拉深，中心部分板坯在底部高压液体作用下与凸模底部表面贴合，由于与凸模底部局部接触的板坯面积小，此时总拉深力(F)比较小；
(6)凸模向下运动至一定深度(h)时，板坯的下表面与背压模的上表面接触并完全贴合，与背压模贴合处的液体被完全排出，贴合处的板坯不受高压液体作用，只有背压模外侧环形区域内的板坯下表面受高压液体作用，以确保还有足够的“摩擦保持”效果可以避免板材的开裂和起皱，但由于减少了高压液体对凸模的作用面积，降低了高压液体产生的反作用力，总拉深力(F)增加不多；
(7)凸模继续向下运动，背压模随凸模同时夹持板坯向下运动，直至拉深深度H时成形结束。
背压模上表面底部距离板材初始位置高度(h)为0.3～0.5倍的凸模总拉深深度(H)。
本发明包含以下有益效果：
一、本发明利用充液拉深初期液体压力小、液体作用面积小，而充液拉深中期、后期液体压力和液体作用面积急剧增加的特点，在凸模向下运动至一定高度时，利用凸模和背压模同时夹持板坯进行充液拉深，在凸模和背压模之间形成无高压液体的作用区域，从而减少了高压液体对凸模的作用面积，降低了高压液体产生的反作用力，实现了降低板材充液拉深拉深力的目的；二、本发明可以显著降低大尺寸或超大尺寸构件充液拉深的拉深力，避免对大吨位、高能耗、昂贵设备的依赖；以直径3m的半球形封头充液拉深为例，减少的高压液体作用面积约为55％～75％，降低的高压液体反作用力可达5700吨以上，设备吨位可降低50％以上，经济效益十分显著。三、本发明所述的装置中，背压相对直径(d/D)对总拉深力(F)的影响十分显著，计算结果见表1所示，可见随着背压模相对直径(h/H)增加，总拉深力(F)显著降低。
表1背压模相对直径(d/D)与总拉深力(F)的关系
附图说明
图1是传统充液拉深示意图，图2是本发明的充液拉深开始实施过程示意图，图3是本发明的充液拉深中间实施过程示意图，图4是本发明的充液拉深最终实施过程示意图，图5是本发明的具体实施方式二的示意图，图6是本发明的具体实施方式三的示意图，图7是本发明的充液拉深与传统充液拉深的拉深力对比图。
图中：1-凸模，2-凹模，3-压边圈，4-液室，4-1表示液室(充液室)，5-背压模，5-1表示连杆，6-板坯，7-密封圈；8-双动压力机的主缸，9-双动压力机的压边缸，10-双动压力机的顶出缸，11-聚氨酯垫或弹性橡胶。
具体实施方式
具体实施方式一：如图2所示，本实施方式的降低大尺寸板材构件充液拉深力的装置，包括凸模1、凹模2、压边圈3、液室4和背压模5；凸模1与压边圈3同轴且凸模1可沿压边圈3的轴向通孔上下移动，凸模1被固定在双动压力机的主缸上，压边圈3位于凹模2的上方，压边圈3被固定在双动压力机的压边缸上用于板坯6压边，凹模2位于液室4的上端面上，凹模2与液室4之间固定连接，液室4被固定在双动压力机的工作台面上，液室4侧壁设有液体注入孔4-1；背压模5的上表面为内凹曲面，曲面形状和上方凸模1的对应部分曲面形状相吻合，背压模5穿过液室底部大通孔，背压模5的上端位于凸模1正下方的液室内部，背压模的侧壁可沿液室底部大通孔的孔壁上下滑动，背压模5的底部具有连杆5-1，连杆5-1被固定在双动压力机的下顶出缸上，背压模5的内凹曲面直径按照公式计算，其中，D为凸模直径，H为总拉深深度，h为背压模上表面底部距离板材初始位置高度，h取0.3～0.5H；
在凹模2和液室4之间、背压模的侧壁和液室底部大通孔的孔壁之间以及背压模内凹曲面的边缘分别设有至少一道环形密封圈7，用于液体密封。
当凸模向下运动至一定深度时，板坯的下表面与背压模的上表面接触并完全贴合，背压模随凸模同时夹持板坯同时向下运动，贴合处的板坯不受高压液体作用，只有背压模外侧环形区域内的板坯下表面受高压液体作用，由于减少了高压液体对凸模的作用面积，从而降低了充液拉深力。
利用上述装置对板材构件进行充液拉深的加工方法是按照以下步骤实现的(如图2～4所示)：(1)从液体注入孔向液室内注入液体，液体介质的液面与凹模的上表面持平；(2)在凹模的上表面放置待成形板坯；(3)控制顶出缸带动背压模上行至距离板坯下表面一定距离h；(4)控制压边缸带动压边圈下行至与板坯相接触，与板坯接触后施加一定的压边力；(5)通过增压系统从液体注入孔向液室内的液体加压使其对板坯产生流体压力，同时凸模在主缸的带动下向下运动，带动板坯从凹模表面向液室内运动进行拉深，中心部分板坯在底部高压液体作用下与凸模底部表面贴合，由于与凸模底部局部接触的板坯面积小，此时总拉深力(F)比较小；(6)凸模向下运动至一定深度(h)时，板坯的下表面与背压模的上表面接触并完全贴合，与背压模贴合处的液体被完全排出，贴合处的板坯不受高压液体作用，只有背压模外侧环形区域内的板坯下表面受高压液体作用，以确保还有足够的“摩擦保持”效果可以避免板材的开裂和起皱，但由于减少了高压液体对凸模的作用面积，降低了高压液体产生的反作用力，总拉深力(F)增加不多；(7)凸模继续向下运动，背压模随凸模同时夹持板坯向下运动，直至拉深深度(H)时成形结束。
具体实施方式二：如图5所示，本实施方式的背压模上部为一个上表面开口的容框，内部填充有聚氨酯垫或弹性橡胶11。其他组成与连接关系与具体实施方式一相同。利用上述装置对板材构件进行充液拉深的加工方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图6所示，本实施方式的背压模的底部由弹簧或氮气缸支撑并固定在双动压力机的工作台面上。其他组成与连接关系与具体实施方式一相同。利用上述装置对板材构件进行充液拉深的加工方法与具体实施方式一相同。
实施例1：结合图2～4说明本实施例的实施过程。采用上述装置与方法对直径3350mm椭球形封头构件进行充液拉深成形。凸模拉深总行程为1000mm，板坯半径为4200mm，板厚为8mm，液体压力加载曲线为线性增加，拉深行程50％时达到最大液体压力12MPa，随后保压至拉深结束。根据普通充液拉深拉深力计算公式可得最大拉深力为12775吨。如果采用本发明所述方法，最大拉深力为5761吨，拉深力可降低54.9％。
实施例2：结合图2～4说明本实施例的实施过程。采用上述装置与方法对直径5000mm椭球形封头构件进行充液拉深成形。凸模拉深总行程为1600mm，板坯半径为6500mm，板厚为8mm，液体压力加载曲线为线性增加，拉深行程50％时达到最大液体压力10MPa，随后保压至拉深结束。根据普通充液拉深拉深力计算公式可得最大拉深力为22915吨。如果采用本发明所述方法，最大拉深力为14747吨，拉深力可降低64％。

Claims (5)

1.一种降低大尺寸板材构件充液拉深力的装置，包括凸模(1)、凹模(2)、压边圈(3)、液室(4)和背压模(5)；凸模(1)与压边圈(3)同轴且凸模(1)可沿压边圈(3)的轴向通孔上下移动，凸模(1)被固定在双动压力机的主缸上，压边圈(3)位于凹模(2)的上方，压边圈(3)被固定在双动压力机的压边缸上用于板坯(6)压边，凹模(2)位于液室(4)的上端面上，凹模(2)与液室(4)之间固定连接，液室(4)被固定在双动压力机的工作台面上，液室(4)侧壁设有液体注入孔(4-1)；背压模(5)的上表面为内凹曲面，曲面形状和上方凸模(1)的对应部分曲面形状相吻合，背压模(5)穿过液室底部大通孔，背压模(5)的上端位于凸模(1)正下方的液室内部，背压模的侧壁可沿液室底部大通孔的孔壁上下滑动，背压模(5)的底部具有连杆(5-1)，连杆(5-1)被固定在双动压力机的下顶出缸上，背压模(5)的内凹曲面直径按照公式计算，其中，D为凸模直径，H为总拉深深度，h为背压模上表面底部距离板材初始位置高度，h取0.3～0.5H；
在凹模(2)和液室(4)之间、背压模的侧壁和液室底部大通孔的孔壁之间以及背压模内凹曲面的边缘分别设有至少一道环形密封圈，用于液体密封。
2.根据权利要求1所述的一种降低大尺寸板材构件充液拉深力的装置，其特征在于：背压模(5)的上表面内填充有聚氨酯垫或弹性橡胶。
3.根据权利要求1或2所述的一种降低大尺寸板材构件充液拉深力的装置，其特征在于：背压模(5)的底部的连杆(5-1)可替换为弹簧或氮气缸支撑并固定在双动压力机的工作台面上。
4.利用上述权利要求1所述装置的降低大尺寸板材构件充液拉深力的方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：
(1)从液体注入孔向液室内注入液体，液体介质的液面与凹模的上表面持平；
(2)在凹模的上表面放置待成形板坯；
(3)控制顶出缸带动背压模上行至距离板坯下表面一定距离(h)；
(4)控制压边缸带动压边圈下行至与板坯相接触，与板坯接触后施加一定的压边力；
(5)通过增压系统从液体注入孔向液室内的液体加压使其对板坯产生流体压力，同时凸模在主缸的带动下向下运动，带动板坯从凹模表面向液室内运动进行拉深，中心部分板坯在底部高压液体作用下与凸模底部表面贴合；
(6)凸模向下运动至一定深度(h)时，板坯的下表面与背压模的上表面接触并完全贴合，与背压模贴合处的液体被完全排出，贴合处的板坯不受高压液体作用，只有背压模外侧环形区域内的板坯下表面受高压液体作用，以避免板材的开裂和起皱；
(7)凸模继续向下运动，背压模随凸模同时夹持板坯向下运动，直至拉深深度H时成形结束。
5.根据权利要求4所述降低大尺寸板材构件充液拉深力的方法，其特征在于：背压模上表面底部距离板材初始位置高度(h)为0.3～0.5倍的凸模总拉深深度(H)。
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