CN106112388B - 一种变截面筒形壳体的整体超塑成形方法 - Google Patents

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Abstract

一种变截面筒形壳体的整体超塑成形方法，首先进行坯料计算，采用轴向分段法将设计零件等分为若干段，测量每段的周长，根据结果制备周长变化趋势与该结果相近的筒形毛坯。而后将筒形毛坯进行热压预成形，使其截面外形的变化趋势与目标零件相近。最后，采用超塑成形进行整体吹塑，完成成形过程；本发明采用整体超塑成形方案，通过成形毛坯尺寸计算，成形模具设计，热压预成形，超塑终成形等过程，实现具有变截面形状的筒形金属壳体类零件的整体超塑成形，达到提高零件整体性，尺寸精度，壁厚分布精度的目的。

Description

一种变截面筒形壳体的整体超塑成形方法
技术领域
本发明涉及一种筒形金属壳体结构的成形工艺，特别是涉及一种变截面形状的筒形金属壳体的整体超塑成形工艺。
背景技术
超塑成形工艺通常应用于金属板材的成形，采用这种工艺可以成形外形复杂的曲面壳体零件，零件具有尺寸精度高、壁厚分布均匀、无内应力、形状稳定的优点，可应用于具有曲面气动外形的飞行器零件的制造，满足高精度的设计要求。
该工艺是高温下在零件模具型腔内，使用惰性气体对具有超塑性的金属板材坯料进行高压吹塑来实现的。超塑成形模具为全凹模形式，凹模型腔尺寸参考零件表面设计，将金属板材坯料置入凹模，高压气体吹塑时起到凸模压制的作用，当坯料变形完全贴模后完成超塑成形过程。
一般的，筒形零件的成形采用分段热压成形+组合焊接的方式，该方式局部成形精度较低，组合焊接后零件整体变形严重，进一步降低了尺寸精度。采用超塑成形的方式，选用金属筒形毛坯进行整体超塑成形，零件成形后尺寸精度高，整体无形状畸变，可有效改善传统成形方式的缺陷。但是，具有变截面结构的筒形件在超塑成形时易出现因为不同区域变形量的不同出现壁厚分布不均匀的现象。
发明内容
本发明的技术解决问题是：通过有针对性的毛坯准备与超塑成形工艺过程控制，解决具有变截面结构的筒形壳体在成形时外形精度低、壁厚分布不均匀的现象，提高产品尺寸精度。
本发明的技术方案是：一种变截面筒形壳体的整体超塑成形方法，通过下述方式实现：
将待加工筒形壳体沿轴向进行等距分拆，测量拆分后每个截面周长；
根据每个截面周长的变化形式，通过缩小截面周长作为毛坯图的周长，使得毛坯图的展开图为矩形或者扇形；
根据上述缩小的比例结合零件要求的厚度，确定板材毛坯的厚度；
根据展开图，对板材毛坯进行下料并沿零件轴向进行滚弯，之后焊接成筒形；
按照零件外形设计模具并考虑超塑成形过程中的热膨胀进行模具尺寸补偿；
在上述焊接成的筒形件前后开口处装入撑块，使用设计好的模具，对筒形件进行热压预成形；
将热压预成形后的筒形毛坯的前后开口加工成平面，并对开口处进行封焊。
等距拆分数量N满足下列关系式：
其中，E为零件前后两端外形面的截面周长均值；F为零件周长，代表向上取整。
测量拆分后每部分的截面周长中的截面为零件的内形面或者外形面，具体根据最终零件中最高尺寸精度要求的形面为准。
根据每个截面周长的变化形式，通过缩小截面周长作为毛坯图的周长，使得毛坯图的展开图为矩形或者扇形包括下列两种实现方式：
以零件轴线为坐标方向，当拆分后的截面周长依次呈现递增或者递减的情况时，毛坯图中零件轴向长度不变，在零件轴向方向上，将拆分后的每个截面的周长拟合成一条直线，之后将直线上的对应轴向上的拆分点按同一比例A缩短，缩短后的周长为毛坯的各截面周长，展开后得到展开图；
当拆分后的截面周长不符合上述情况时，从拆分后的截面周长忠选取最小截面周长对应的拆分点，将该拆分点的截面周长按比例A缩短后得到毛坯图上对应的基准点，穿过该基准点设计一条直线，使得该直线上对应零件两端点的周长值与拆分后对应截面周长的比值相同，以该直线作为毛坯图的周长，，展开后得到展开图。
当拆分后的截面周长依次呈现递增或者递减的情况时，板材毛坯的厚度与零件要求厚度间比例为1：A；其他情况时，板材毛坯厚度与零件要求厚度间比例为1：0.5(A+C)；上述C为拆分后截面周长与对应毛坯图周长缩小比例的最小值。
A在80-90％间选择。
将零件最终的前后端面内形与毛坯对应位置的内形取交集，交集得到的外形为撑块的外形。
撑块沿零件轴向的厚度不大于零件轴向长度的10％，不小于50mm。
本发明与现有技术相比的有益效果：采用本发明方法在坯料准备时将其周长变化趋势制作成与目标零件一致，可使筒坯在后续超塑成形过程中，轴向上不同位置的材料在周长方向上变形率接近，从而使零件轴向的壁厚均匀。同时采用预成形的方式将筒坯外形变化与目标零件基本一致，可使筒坯在后续超塑成形过程中，环向上不同位置的材料变形率接近，从而使零件环向的壁厚均匀。此外结合超塑成形工艺本身可使零件外形尺寸精度达到较高水平的优势，利用超塑成形法制造的具有变截面外形的筒形壳体外表面尺寸精度高的同时壁厚分布均匀。
本发明采用整体超塑成形方案，实现具有变截面形状的筒形金属壳体类零件的整体超塑成形，达到提高零件整体性，尺寸精度，壁厚分布精度的目的。
附图说明
图1具有变截面结构的筒形壳体零件示意图；
图2将零件沿轴向进行等分示意图；
图3滚弯焊接后的筒形毛坯示意图；
图4筒形毛坯加入前后撑块示意图；
图5筒形毛坯的预成形示意图。
具体实施方式
以附图1所示的零件为例，进行具有变截面结构的筒形零件的均匀壁厚分布的超塑成形。具体流程如下：
1、成形毛坯尺寸计算
如附图2所示，根据零件设计图，将零件沿轴向进行等距分拆，等距拆分数量N满足下列关系式：其中，E为零件前后两端外形面的截面周长均值；F为零件周长，代表向上取整。测量经等分的每个截面周长。此截面可为零件内形面或外形面，具体选择按照最终零件的最高尺寸精度要求形面为准(例如：零件要求内形面尺寸精度高于外形面，则此时测量内形面截面，反之亦然)。截面周长测量完毕后，绘制毛坯图。
当零件各截面周长的变化接近线性，即从零件前端至尾端逐渐增大或逐渐减小，或基本保持不变，则毛坯图的具体计算机绘制方法为：在零件轴向方向上，将拆分后的每个截面的周长拟合成一条直线，之后将直线上的对应轴向上的拆分点按同一比例A(A在80-90％间选择)缩短，即拟合后的点对应的周长乘以A，得到缩短后的周长，缩短后的周长为毛坯的各截面周长，完成后制作展开图。板材毛坯平面尺寸为展开图尺寸，板材毛坯厚度与零件要求厚度间比例为1：A。
若零件各截面周长变化较大，不呈现线性变化，例如出现了前端周长较大，中段较小，尾端较大(或前端周长较小，中段较大，尾端较小)，则会给展开图制作及板材毛坯准备带来困难。此时，绘制毛坯图的具体方法为：零件轴向长度不变，保证零件周长最小截面位置处的毛坯截面周长按比例A缩短(A在80-90％间选择)，毛坯前端及尾端处截面周长相对于零件相同位置截面周长的缩小比例B(此时B值小于A值)一致，保证毛坯外形为柱形筒件或锥形筒件，即毛坯展开图为矩形或扇形。此外，毛坯中有局部截面的缩小比例小于B值，设定毛坯中相对零件截面缩小程度最高处的缩小比例为C值，板材毛坯厚度与零件要求厚度间比例为1：0.5(A+C)。
2、毛坯准备
按计算后的尺寸进行下料，下料后将毛坯沿零件轴向进行滚弯，最终将毛坯滚弯成筒形，而后通过焊接将滚弯板材两端连接成为筒形，如附图3所示。
3、超塑成形模具设计
按照零件外形进行模具设计，以零件外形尺寸为基础，超塑成形过程在高温状态下完成，成形材料与模具材料在加热状态下的线膨胀系数存在较大差异，在设计模具尺寸时需采用尺寸补偿公式：
Ldie＝Lpart(1+ΔT*αpart)/(1+ΔT*αdie)
其中：Ldie——模具尺寸；
Lpart——零件尺寸；
ΔT——成形温度与室温温差；
αpart——成形材料在成形温度下的线膨胀系数；
αdie——模具材料在成形温度下的线膨胀系数。
4、毛坯预成形
预成形前，需要对筒形毛坯3进行局部支撑处理。筒形件在前后开口处装入前撑块4、后撑块5，将零件最终的前后端面内形与毛坯对应位置的内形取交集，交集得到的外形为撑块的外形，使撑块能够装入筒形毛坯，防止毛坯预成形时被过度压扁，如附图4所示。撑块厚度不大于零件轴向长度的10％，不小于50mm。使用超塑成形模具(上模1、下模)，对筒形毛坯进行热压预成形。将筒形毛坯装入模具型腔中，在成形材料高温软化状态下将超塑成形模具进行合模，使筒形毛坯能够完全装入模具型腔，如附图5所示。
5、超塑终成形前处理及终成形
对完成超塑预成形的筒形毛坯前后开口进行加工，加工为平面。而后对开口处进行封焊，选用封焊板规格时，其厚度为筒形毛坯原始板厚的80％～100％。最后，使用超塑成形模具进行超塑终成形，完成零件成形过程。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种变截面筒形壳体的整体超塑成形方法，其特征在于通过下述方式实现：
将待加工筒形壳体沿轴向进行等距分拆，测量拆分后每个截面周长；
根据每个截面周长的变化形式，通过缩小截面周长作为毛坯图的周长，使得毛坯图的展开图为矩形或者扇形；
根据上述缩小的比例结合零件要求的厚度，确定板材毛坯的厚度；
根据展开图，对板材毛坯进行下料并沿零件轴向进行滚弯，之后焊接成筒形；
按照零件外形设计模具并考虑超塑成形过程中的热膨胀进行模具尺寸补偿；
在上述焊接成的筒形件前后开口处装入撑块，使用设计好的模具，对筒形件进行热压预成形；
将热压预成形后的筒形毛坯的前后开口加工成平面，并对开口处进行封焊；
上述根据每个截面周长的变化形式，通过缩小截面周长作为毛坯图的周长，使得毛坯图的展开图为矩形或者扇形包括下列两种实现方式：
以零件轴线为坐标方向，当拆分后的截面周长依次呈现递增或者递减的情况时，毛坯图中零件轴向长度不变，在零件轴向方向上，将拆分后的每个截面的周长拟合成一条直线，之后将直线上的对应轴向上的拆分点按同一比例A缩短，缩短后的周长为毛坯的各截面周长，展开后得到展开图；
当拆分后的截面周长不符合上述情况时，从拆分后的截面周长中 选取最小截面周长对应的拆分点，将该拆分点的截面周长按比例A缩短后得到毛坯图上对应的基准点，穿过该基准点设计一条直线，使得该直线上对应零件两端点的周长值与拆分后对应截面周长的比值相同，以该直线作为毛坯图的周长，展开后得到展开图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：等距拆分数量N满足下列关系式：
其中，E为零件前后两端外形面的截面周长均值；F为零件周长，代表向上取整。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：测量拆分后每部分的截面周长中的截面为零件的内形面或者外形面，具体根据最终零件中最高尺寸精度要求的形面为准。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当拆分后的截面周长依次呈现递增或者递减的情况时，板材毛坯的厚度与零件要求厚度间比例为1：A；其他情况时，板材毛坯厚度与零件要求厚度间比例为1：0.5(A+C)；上述C为拆分后截面周长与对应毛坯图周长缩小比例的最小值。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：A在80-90％间选择。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将零件最终的前后端面内形与毛坯对应位置的内形取交集，交集得到的外形为撑块的外形。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：撑块沿零件轴向的厚度不大于零件轴向长度的10％，不小于50mm。
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