CN106216479A - 一种空心构件的成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空心构件的成形方法，其技术方案是：步骤一模具准备，并在模具上加设四个反变形结构，冲头安装单向阀；步骤二将初始管坯放入模具型腔，合模，端部密封；步骤三向管坯内部充填流体介质；步骤四反变形机构对向移动；步骤五反变形结构回退至初始位置；重复步骤四、五至成形出所需形状；卸掉内部流体压力，打开模具，取出零件。通过在模具中设置反变形机构，实现花瓣形状的重复和累积利用，在消除摩擦的定轧作用同时，降低了成形压力，避免了破裂缺陷的发生，提高了壁厚均匀性。

Description

一种空心构件的成形方法
技术领域
本发明涉及机械制造领域，特别涉及一种空心构件的成形方法。
背景技术
目前，矩形截面空心构件是理想的承载结构形式，对于抗弯、抗扭载荷，矩形截面空心构件的破坏模式最少，能够有效平衡强度与稳定性失效问题，进而获得最大的极限抗弯、抗剪承载能力，因此，矩形截面空心构件是航空、航天和汽车装备的重要结构形式。
在当前的矩形截面空心构件制造工艺中，一般通过冲压-焊接和内高压直接成形等方式成形，第一种方式引入了两条纵向焊缝，破坏了结构的完整性并导致焊接热变形；第二种方式则需要极高的成形压力，导致直边区与圆角区的过渡处存在应力集中，壁厚减薄剧烈甚至开裂，而该类构件在形状与精度方面影响航空装备的突防能力、打击精度和气动性能，特别是疲劳性能。
为避免受成形压力的制约并提高壁厚均匀性，有学者提出通过花瓣预成型来提高圆角成形能力，但是该方式主要是起到降低成形初期的整形压力，并且对提高壁厚均匀性作用不大，而且由于花瓣形状是通过预成型实现的，因此需专门的预成型工序，特别是花瓣形状只在成形初期起作用，由于只在花瓣截面形状消失前才起到降低整形压力的作用，因此需要的花瓣特征一般比较明显，反变形量较大，这反而削弱了整形推力的作用。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种空心构件的成形方法，通过在模具中设置反变形机构，实现花瓣形状的重复和累积利用，在消除摩擦的定轧作用同时，降低了成形压力，避免了破裂缺陷的发生，提高了壁厚均匀性，以满足航空航天等领域对该类构件在形状精度和壁厚均匀性上的高精度要求。
一种空心构件的成形方法，其技术方案是包括以下步骤实现：
步骤一：模具准备，首先根据构件形状的需要设计下模具、上模具、左冲头和右冲头，下模具与压力机的下工作台连接，上模具与压力机的上滑块连接，冲头开设介质填充孔，并通过单向阀与高压源连接；
步骤二：在模具上设置反变形机构，反变形机构一端朝向模具型腔，一端伸出模具型腔，并能实现沿需要方向的送进和后退；
步骤三：初始管坯准备，选用尺寸合适的初始管坯，其要点为初始管坯的横截面周长与终成形件的横截面周长相近，一般初始管坯的横截面周长应等于终成形件横截面周长的0.7-1.2倍；
步骤四：将初始管坯放入模具型腔，合模，冲头沿轴向进给至管坯端部密封，施加合模力；
步骤五：从介质填充孔向管坯内部填充液体介质至管坯型腔充满；
步骤六：反变形机构朝向模具型腔内部做对向移动，管坯直壁部位形成微小凹陷，内部液体体积被不断压缩，液体压力升高，材料向圆角部位填充成形；
步骤七：反变形机构逐渐后退至初始位置，然后升高内部液体压力，在液体压力作用下，直壁部位的凹陷不断展平，形成了沿切向的水平推力，同时由于凹陷的存在管坯与模具不接触，消除了摩擦的钉扎作用，材料非常容易被推至圆角区域，圆角进一步减小；
步骤八：重复步骤六和步骤七，直至达到终成形件形状；
步骤九：打开单向阀，卸掉内部液体，冲头后退至成形件可方便取出，打开模具，取出成形件。
上述的下模具与压力机的下工作台连接，上模具与压力机的上滑块连接，左冲头与高压源之间加装单向阀。
反变形机构的宽度a 1为0.1a~0.3a，高度b 1为0.1b~0.3b，长度l 1为0.9l ~1.0l ，且能随顶出机构做前进和后退动作。
反变形机构朝向模具型腔内部对向移动，管坯直壁部位形成微小凹陷，管坯横截面形状变为微花瓣形状，同时由于内部液体体积被不断压缩，液体压力升高，材料向圆角部位填充，圆角半径不断减小并逐渐成形，其中，反变形机构9和反变形机构13的压下量为0.01a-0.3a，反变形机构11和反变形机构15的压下量为0.01b-0.3b。
另外，空心构件的成形装置，包括下工作台、下模具、介质填充孔、左冲头、上模具、上滑块、右冲头、四个顶出机构、四个反变形机构、高压源、单向阀，下模具与压力机的下工作台连接，上模具与压力机的上滑块连接，左冲头与高压源之间加装单向阀，在模具上设置四个反变形机构，四个反变形机构的一端朝向中间的模具型腔，另一端伸出模具型腔，并与压力机的四个顶出机构连接；左冲头和右冲头沿轴向进给至管坯端部密封，施加合模力。
上述的反变形机构的宽度a 1约为0.1a ~0.3a ，高度b 1约为0.1b ~0.3b ，长度l 1为0.9l ~1.0l 。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
（1）微型花瓣形状能产生极大的水平推力，大大降低了圆角整形压力，打破了该类零件过度依赖增压器公称能力的生产现状；
（2）微型花瓣形状能产生极大的水平推力，使构件处在周向压应力状态，该应力状态避免了现有技术中常见的破裂缺陷，成形件组织致密，机械性能得到提高；
（3）微型花瓣形状在整个成形过程中，重复形成展平，使坯料变形部位与模具内表面始终处在虚接触状态，消除了摩擦力对金属流动的抑制作用，提高了变形均匀性，成形件的壁厚均匀性得到保证，且对成形件表面质量破坏小；
（4）成形件是在正变形和反变形的交替作用下成形，能充分利用材料的包申格效应，抑制构件的回弹，成形件维型精度极高；
（5）管坯直壁部分始终处在沿厚向均匀压应力状态，能保证该部位自始至终均参与塑性变形，协调金属流动的均匀性，进一步保证成形件的壁厚均匀性。
（6）由于微型花瓣形状是由反变形机构实现的，不需要预成型工序，并可通过控制反变形量灵活的实现不同变形阶段所需的最佳微型花瓣形状；
本发明设计合理、工作可靠、效果显著，具有较强的推广价值。
附图说明
附图1是本发明的成形装置的结构示意图；
附图2是本发明的成形装置的A-A结构图；
附图3是模具合模并施加端部密封后变形情况示意图；
附图4是图3的B-B结构示意图；
附图5是充填液体介质进而形成内部压力示意图；
附图6是图5的B-B结构示意图；
附图7为反变形机构促成微花瓣形状示意图；
附图8为反变形机构后退完毕示意图；
附图9为升高压力至微花瓣形状消失示意图；
附图10为模具打开情况示意图；
附图11为图10的B-B结构图；
图中：下工作台1、下模具2、介质填充孔3、左冲头4、上模具5、上滑块6、右冲头7、顶出机构8、10、12、14、反变形机构A（9）、反变形机构B（11）、反变形机构C（13）、反变形机构D（15）、高压源16、单向阀17。
具体实施方式
一种空心构件的成形方法，其技术方案是包括以下步骤实现：
步骤一：模具准备，首先根据构件形状的需要设计响应的下模具2、上模具5、左冲头4和右冲头7，上述与现有技术相同，此不赘述。下模具2与压力机的下工作台1连接，上模具5与压力机的上滑块6连接，左冲头4与高压源16之间加装单向阀17；
步骤二：在模具上设置反变形机构A（9）、反变形机构B（11）、反变形机构C（13）、反变形机构D（15），反变形机构一端朝向模具型腔，一端伸出模具型腔，并与压力机的顶出机构8、10、12、14连接。其要点为反变形机构的宽度a 1约为0.1a ~0.3a ，高度b 1约为0.1b ~0.3b，长度l 1为0.9l ~1.0l 。且能随顶出机构做前进和后退动作；
步骤三：初始管坯，选择尺寸合适的初始管坯，其要点为初始管坯的横截面周长与终成形件的横截面周长相近，一般初始管坯的横截面周长应等于终成形件横截面周长的0.7-1.2倍；
步骤四： 将初始管坯放入模具型腔，合模，左冲头4和右冲头7沿轴向进给至管坯端部密封，施加合模力；
步骤五：由介质填充孔3向管坯内部填充液体介质至管坯内型腔充满为止；
步骤六：反变形机构A（9）、反变形机构B（11）、反变形机构C（13）、反变形机构D（15）朝向模具型腔内部对向移动，管坯直壁部位形成微小凹陷，管坯横截面形状变为微花瓣形状，同时由于内部液体体积被不断压缩，液体压力升高，材料向圆角部位填充，圆角半径不断减小并逐渐成形，其要点为反变形机构A（9）和反变形机构C（13）的压下量为0.01a-0.3a，反变形机构B（11）和反变形机构D（15）的压下量为0.01b-0.3b；
步骤七：反变形机构A（9）、反变形机构B（11）、反变形机构C（13）、反变形机构D（15）逐渐后退至初始位置，升高内部液体压力，在液体压力作用下，直壁部位的凹陷不断展平，同时由于液体压力的沿切向形成的水平推力，金属材料被进一步推至圆角区域；
步骤八：重复步骤六和步骤七，直至达到所需要的圆角大小成形出所需要的构件截面形状；
步骤九：打开单向阀17，卸掉内部液体，左冲头4和右冲头7后退至不影响成形件取出，打开模具，取出零件。
另外，上述的管坯材料为铝合金、镁合金、不锈钢、高强钢或钛合金，成形介质可以是水、乳化液、耐压油或气体。

Claims (1)

1.一种空心构件的成形方法，其特征是包括以下步骤实现：
步骤一：模具准备，首先根据构件形状的需要设计下模具、上模具、左冲头和右冲头，下模具与压力机的下工作台连接，上模具与压力机的上滑块连接，左、右冲头开设介质填充孔，并通过单向阀与高压源连接；
步骤二：在模具上设置反变形机构，反变形机构一端朝向模具型腔，一端伸出模具型腔，并能实现沿需要方向的送进和后退；
步骤三：初始管坯准备，选用尺寸合适的初始管坯，其要点为初始管坯的横截面周长与终成形件的横截面周长相近，初始管坯的横截面周长应等于终成形件横截面周长的0.7-1.2倍；
步骤四：将初始管坯放入模具型腔，合模，左、右冲头沿轴向进给至管坯端部密封，施加合模力；
步骤五：从介质填充孔向管坯内部填充液体介质至管坯型腔充满；
步骤六：反变形机构朝向模具型腔内部做对向移动，管坯直壁部位形成微小凹陷，内部液体体积被不断压缩，液体压力升高，材料向圆角部位填充成形；
步骤七：反变形机构逐渐后退至初始位置，然后升高内部液体压力，在液体压力作用下，直壁部位的凹陷不断展平，形成了沿切向的水平推力，同时由于凹陷的存在管坯与模具不接触，消除了摩擦的钉轧作用，材料容易被推至圆角区域，圆角进一步减小；
步骤八：重复步骤六和步骤七，直至达到终成形件形状；
步骤九：打开单向阀，卸掉内部液体，左、右冲头后退至成形件可方便取出，打开模具，取出成形件；
反变形机构朝向模具型腔内部对向移动，管坯直壁部位形成微小凹陷，管坯横截面形状变为微花瓣形状，同时由于内部液体体积被不断压缩，液体压力升高，材料向圆角部位填充，圆角半径不断减小并逐渐成形，其中，反变形机构A（9）和反变形机构C（13）的压下量为0.01a-0.3a，反变形机构B（11）和反变形机构D（15）的压下量为0.01b-0.3b，a为上模具型腔宽度的一半，b为下模具型腔的深度；
步骤二中，在模具上设置四个反变形机构，四个反变形机构的一端朝向中间的模具型腔，另一端伸出模具型腔，并与压力机的四个顶出机构连接；左冲头和右冲头沿轴向进给至管坯端部密封，施加合模力；反变形机构的宽度a 1为0.1a~0.3a，高度b 1为0.1b~0.3b，长度l 1为0.9l~1.0l，且能随顶出机构做前进和后退动作。
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