CN107363154A - 一种复杂网格筋环件的胀挤成形方法 - Google Patents

一种复杂网格筋环件的胀挤成形方法 Download PDF

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钱东升
邓加东
华林
兰箭
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Abstract

本发明公开了一种复杂网格筋环件的胀挤成形方法,包括以下步骤:S1、采用易于通过锻造或轧环方式制备的环坯进行胀挤成形,根据环件尺寸和体积合理设计环坯尺寸;S2、根据环件及网格筋结构尺寸,合理设计胀挤模具,该胀挤模具包括压挤模、胀形块、套模以及压板,所述压挤模和胀形块均采用弧形分瓣式结构;S3、按所设计的环坯和模具加工制备后在胀形机上安装定位,利用胀形机胀挤成形网格筋环件。本发明能够实现复杂网格筋环件的结构整体塑性成形,可取代传统网格筋连接成形,提高制造效率、提升产品质量、降低制造成本。

Description

一种复杂网格筋环件的胀挤成形方法
技术领域
[0001] 本发明属于装备制造技术领域,涉及一种复杂网格筋环件成形技术,具体涉及一 种复杂网格筋环件的胀挤成形方法。
背景技术
[0002] 环形构件(简称环件)是航空、航天和武器装备中常用的关键结构件。现代先进装 备设计中,广泛采用表面带纵横交错加强筋的复杂网格筋环件,以减轻重量、保障强度、促 进轻量化,但是这也给环件制造带来了很大困难。目前,此类网格筋环件通常是先通过锻 造、乳环等方式整体塑性成形环件基体,然后再通过焊接、铆接等方式逐一连接成形网格 筋。这种网格筋连接成形方式不仅效率低、成本高,而且筋与基体连接部位的组织性能难以 稳定保障,无法适应航空、航天和武器装备发展对关键零构件提出的高性能、高效率、低成 本制造要求,因此迫切需要开发复杂网格筋环件成形新技术。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种复杂网格筋环件的胀挤成形方法,它可以实现环件表 面网格筋结构整体塑性成形,取代传统的连接成形,从而提高环件性能和制造效率,降低制 造成本。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005] —种复杂网格筋环件的胀挤成形方法,包括以下步骤:
[0006] SI、环坯设计:环坯高度与环件高度相等,环坯外半径比环件外半径小1〜2mm,根 据环坯与环件体积守恒原理,计算得到环坯内半径;
[0007] S2、胀挤模具设计:该胀挤模具包括用于成形环件网格筋的压挤模、用于驱动所述 压挤模与环坯紧密接触的胀形块、用于限制环坯材料周向流动的套模以及用于限制环坯材 料轴向流动的压板,所述压挤模设置在胀形块的外侧且设置在套模的内侧,所述压挤模采 用弧形分瓣式结构,其包括多个弧形分瓣模,所述压挤模的工作型面结构尺寸与环件网格 筋结构尺寸相对应,所述胀形块采用弧形分瓣式结构,其包括多个分瓣胀块;
[0008] S3、胀挤成形:将环坯和胀挤模具放在胀形机上安装定位,环坯具有网格筋的一面 与压挤模的工作型面接触,胀形机的楔形滑块设置在胀形块内,启动胀形机,驱动楔形滑块 从大径端向小径端运动,推动各个分瓣胀块沿径向向外运动,从而推动压挤模或环坯使两 者紧密接触,使得环坯材料逐渐填充压挤模型腔使网格筋成形,当环坯材料完全充满压挤 模型腔使网格筋完全成形后,胀挤过程结束,得到网格筋环件。
[0009] 按上述技术方案,所述压挤模的瓣数与环件网格筋中的纵筋数量相等。
[0010] 按上述技术方案,步骤S2中,压板设置在环坯上端面并通过活动插销固定其轴向 位置。
[0011] 按上述技术方案,当网格筋设置在环件内表面时,步骤S3中,环坯设置在压挤模与 套模之间。
[0012] 按上述技术方案,当网格筋设置在环件外表面时,步骤S3中,环坯设置在胀形块与 压挤模之间。
[0013] 按上述技术方案,步骤S3中,在放置环坯前,根据环坯尺寸、性能和设备吨位来确 定是否需要对环坯进行预先加热,若坯料壁厚小、冷塑性好且设备吨位大,则对室温环坯直 接胀挤成形,否则先将环坯加热至材料热成形温度范围后在胀挤成形。
[0014] 按上述技术方案,当网格筋设置在环件内表面时,步骤S3中,胀挤过程结束后,取 下压板,驱动楔形滑块回程,胀形块沿径向收回,带动压挤模与环件分离,顶出环件即可得 到网格筋环件。
[0015] 按上述技术方案,当网格筋设置在环件外表面时,步骤S3中,胀挤过程结束后,取 下压板,驱动楔形滑块回程,胀形块沿径向收回,向上抽出套模,然后沿径向向外抽出压挤 模与环件分离,顶出环件即可得到网格筋环件。
[0016] 本发明,具有以下有益效果:本发明采用兼具胀形与挤压工艺特点的胀挤方法,通 过合理的环坯和模具设计,利用胀挤塑性变形来实现环件表面网格筋整体成形,不仅效率 高、成本低,而且消除了连接带来的局部组织性能不稳定性问题;此外,通过模具约束下的 胀挤塑性变形,还可以精整环件形状尺寸,并且消减环件内部残余应力,从而提高环件尺寸 精度及其稳定性。相比网格筋环件的传统制造方法,本发明具有提尚制造效率、提升广品质 量和降低生产成本的显著技术经济效果。
附图说明
[0017] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
[0018] 图Ia是本发明实施例中内网格筋环件的结构示意图;
[0019] 图Ib是本发明实施例中外网格筋环件的结构示意图;
[0020] 图2a是本发明实施例中内网格筋环件的截面尺寸示意图;
[0021] 图2b是本发明实施例中外网格筋环件的截面尺寸示意图;
[0022] 图3是本发明实施例中环坯的截面尺寸示意图;
[0023] 图4a是本发明实施例中内网格筋环件的弧形分瓣式压挤模的结构示意图;
[0024] 图4b是本发明实施例中内网格筋环件的弧形分瓣式压挤模的剖视图;
[0025] 图4c是沿图4a中A-A线的剖视图;
[0026] 图5a是本发明实施例中内网格筋环件胀挤成形开始阶段的示意图;
[0027] 图5b是本发明实施例中内网格筋环件胀挤成形结束阶段的示意图;
[0028] 图5c是本发明实施例中内网格筋环件胀挤成形结束后脱模阶段的示意图;
[0029] 图6a是沿图5a中B-B线的剖视图;
[0030] 图6b是沿图5b中C-C线的剖视图;
[0031] 图7a是本发明实施例中外网格筋环件的弧形分瓣式压挤模的结构示意图;
[0032] 图7b是本发明实施例中外网格筋环件的弧形分瓣式压挤模的剖视图;
[0033] 图7c是沿图7a中D-D线的剖视图;
[0034] 图8a是本发明实施例中外网格筋环件胀挤成形开始阶段的示意图;
[0035] 图8b是本发明实施例中外网格筋环件胀挤成形结束阶段的示意图;
[0036] 图8c是本发明实施例中外网格筋环件胀挤成形结束后脱模阶段的示意图;
[0037] 图9a是沿图8a中E-E线的剖视图;
[0038] 图9b是沿图8b中F-F线的剖视图;
[0039] 图中:1-环还;2-套模;3a_内压挤模;3b_外压挤模;4-胀形块;5-楔形滑块;6a_内 网格筋环件;6b_外网格筋环件;7-压板;8-工作台。
具体实施方式
[0040] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不 用于限定本发明。
[0041] 在本发明的较佳实施例中,如图Ia至图9b所示,一种复杂网格筋环件的胀挤成形 方法,包括以下步骤:
[0042] SI、环坯设计:环坯高度与环件高度相等,环坯外半径比环件外半径小1〜2mm,根 据环坯与环件体积守恒原理,计算得到环坯内半径;
[0043] S2、胀挤模具设计:该胀挤模具包括用于成形环件网格筋的压挤模、用于驱动压挤 模与环坯紧密接触的胀形块、用于限制环坯材料周向流动的套模以及用于限制环坯材料轴 向流动的压板,压挤模设置在胀形块的外侧且设置在套模的内侧,压挤模采用弧形分瓣式 结构,其包括多个弧形分瓣模,压挤模的工作型面结构尺寸与环件网格筋结构尺寸相对应, 胀形块采用弧形分瓣式结构,其包括多个分瓣胀块;
[0044] S3、胀挤成形:将环坯和胀挤模具放在胀形机上安装定位,环坯具有网格筋的一面 与压挤模的工作型面接触,胀形机的楔形滑块设置在胀形块内,启动胀形机,驱动楔形滑块 从大径端向小径端运动,推动各个分瓣胀块沿径向向外运动,从而推动压挤模或环坯使两 者紧密接触,使得环坯材料逐渐填充压挤模型腔使网格筋成形,当环坯材料完全充满压挤 模型腔使网格筋完全成形后,胀挤过程结束,得到网格筋环件。
[0045] 在本发明的优选实施例中,压挤模的瓣数与环件网格筋中的纵筋数量相等。
[0046] 在本发明的优选实施例中,步骤S2中,压板设置在环坯上端面并通过活动插销固 定其轴向位置。
[0047] 在本发明的优选实施例中,当网格筋设置在环件内表面时,步骤S3中,环坯设置在 压挤模与套模之间。
[0048] 在本发明的优选实施例中,当网格筋设置在环件外表面时,步骤S3中,环坯设置在 胀形块与压挤模之间。
[0049] 在本发明的优选实施例中,步骤S3中,在放置环坯前,根据环坯尺寸、性能和设备 吨位来确定是否需要对环坯进行预先加热,若坯料壁厚小、冷塑性好且设备吨位大,则对室 温环坯直接胀挤成形,否则先将环坯加热至材料热成形温度范围后在胀挤成形。
[0050] 在本发明的优选实施例中,当网格筋设置在环件内表面时,步骤S3中,胀挤过程结 束后,取下压板,驱动楔形滑块回程,胀形块沿径向收回,带动压挤模与环件分离,顶出环件 即可得到网格筋环件。
[0051] 在本发明的优选实施例中,当网格筋设置在环件外表面时,步骤S3中,胀挤过程结 束后,取下压板,驱动楔形滑块回程,胀形块沿径向收回,向上抽出套模,然后沿径向向外抽 出压挤模与环件分离,顶出环件即可得到网格筋环件。
[0052] 以下根据内表面网格筋环件(内网格筋环件)和外表面网格筋环件(外网格筋环 件)分别对本发明进行说明。
[0053] 1、使用本发明胀挤成形内网格筋环件,包括以下步骤:
[0054] (1)环坯设计
[0055] 内网格筋环件如图Ia所示,其截面尺寸如图2a所示,内网格筋环件胀挤成形用环 坯采用如图3所示的简单的矩形回转截面环坯,以便于容易通过锻造、乳环等塑性加工方法 制备,环坯尺寸可根据环件体积和尺寸,结合体积守恒原理,按下式设计:BQ = B,RQ = R —(1
Figure CN107363154AD00061
式中,Bo、Ro、Π)分别表示环坯的高度、外半径和内半径;B、R、V分 别表示环件的高度、外半径和体积;
[0056] ⑵模具设计
[0057] 如图5a_图6b所示,用于胀挤成形内网格筋环件的胀挤模具包括用于成形的内压 挤模3a、胀形块4和用于约束环坯1的套模2及压板7;
[0058] 如图4a_图4c所示,内压挤模直接与环坯内表面接触压挤成形内网格筋,内压挤模 采用弧形分瓣式结构,其瓣数N通常与环件网格筋中的纵筋数量η相等,其工作型面结构尺 寸与环件网格筋结构尺寸相对应,内压挤模主要几何参数可按如下设计:= =
Figure CN107363154AD00062
_式中,1^、心1山、(^、0分别表不内压挤模的 工作面高度、工作面凸台半径、工作面凸台高度、工作面凸台斜度、工作面圆心角;HjhHj2* 别表示内压挤模上成形横筋的凹槽宽度和成形纵筋的凹槽半宽;r表示环件内径,L、H、a分 别表示网格筋的高度、宽度和斜度,此外,压挤模内半径&2可根据模具材料和成形载荷进行 强度设计确定;
[0059] 胀形块用来推动压挤模运动,同样采用弧形分瓣式结构,其瓣数可根据胀形机结 构确定,胀形块外半径等于内压挤模内半径,胀形块高度等于环件高度,胀形块内径可根据 胀形机结构确定;
[0060] 套模和压板用来约束环坯胀挤过程金属流动,促进网格筋成形并控制成形环件尺 寸,环形套模套住环坯,用于约束环坯金属周向流动,促进金属填充压挤模型腔,控制环件 外径尺寸,环形套模内径与环件外径相等,外径可根据套模材料和胀挤力进行强度计算确 定,高度可根据环件高度和压板高度来确定,压板压在环坯上端面并通过活动插销固定其 轴向位置,用于约束环坯轴向金属流动,促进金属填充压挤模型腔,控制环件高度尺寸,压 板外径通常略大于环件外径,壁厚可根据套模内径和环坯厚度确定,高度可根据材料和轴 向压力进行强度设计确定;
[0061] (3)胀挤成形
[0062] 胀挤成形前,将模具和环坯放置在工作台8上,首先紧贴胀形块4外表面将内压挤 模3a安装好,再将环坯1套到内压挤模3a上,放置坯料前,可根据环坯1尺寸、性能和设备吨 位来确定是否需要对环坯1进行预先加热,坯料壁厚小、冷塑性好且设备吨位大,可对室温 下的环坯1直接胀挤,反之需要将环坯1加热至材料热成形温度范围后胀挤,环坯1放置后, 将套模2套在环坯1外表面,压上端面压板7,如图5a所示;
[0063] 胀形过程中,胀形机动力系统驱动楔形滑块5向下运动,推动各个分瓣胀块沿径向 向外运动,从而推动各弧形分瓣模沿径向压挤环坯1内表面,环坯1受内压挤模3a的压挤直 径逐渐扩大至与套模2内表面贴合,在套模2约束和内压挤模3a持续挤压作用下,环坯1金属 逐渐填充内压挤模3a型腔使网格筋成形,当金属完全充满内压挤模3a型腔使网格筋完全成 形后,胀挤过程结束,如图5b所示;
[0064] 胀挤结束后,取下压板7,液压系统驱动楔形滑块5向上回程,胀形块4沿径向收回, 带动内压挤模3a向内收回与内网格筋环件6a内表面分离,然后取出套模2、顶出内网格筋环 件6a,最终获得胀挤成形的内网格筋环件,如图5c所示。
[0065] 2、使用本发明胀挤成形外网格筋环件,包括以下步骤:
[0066] (1)环坯设计
[0067] 图Ib是外网格筋环件示意图,其截面尺寸如图2b所示,外网格筋环件胀挤用环坯 设计方法与内网格筋环坯相同,采用矩形回转截面环坯,如图3所示,其尺寸可根据环件体 积和尺寸,采用内网格筋环件胀挤用环坯尺寸设计公式进行设计;
[0068] ⑵模具设计
[0069] 如图Sa-图9b所示,用于胀挤成形外网格筋环件的胀挤模具同样包含用于成形的 外压挤模、胀形块、用于固定外挤压模的套模以及用于约束环坯的压板,其形状尺寸设计方 法与内网格筋环件胀挤用模具类似;
[0070] 如图7a-图7c所示,外压挤模直接与环坯外表面接触压挤成形网格筋,也采用弧形 分瓣式结构,其设计方法与内压挤模类似,模具主要几何参数可按如下设计= N7=V, B/ =
Figure CN107363154AD00071
分别是压挤 模瓣数、环件网格筋中的纵筋数量;Bj 7、Rj 7、Lj 7、a」'、Θ'分别表示外压挤模的工作面高度、 工作面凸台半径、工作面凸台高度、工作面凸台斜度、工作面圆心角;分别表示外 压挤模上成形横筋的凹槽宽度和成形纵筋的凹槽半宽;V表示环件外径,LW、V分别表 示网格筋的高度、宽度和斜度,此外,外压挤模外半径可根据模具材料和成形载荷进行 强度设计确定;
[0071] 分瓣式外压挤模安装在套模内,胀挤过程中套模提供一个周向紧固力约束所有分 瓣式压挤模,其内径等于外压挤模外半径,其高度结合外压挤模高度和压板高度来确定,其 外径可根据套模材料和胀挤力进行强度设计来确定;
[0072] 胀形块用来胀挤环件内表面使其扩径,同样采用弧形分瓣式结构,其瓣数可根据 胀形机结构确定,胀形块外半径略小于环坯内半径1〜2mm,胀形块高度等于环件高度,胀形 块内径可根据胀形机结构确定;
[0073] 压板压在环坯上端面并通过活动插销固定其轴向位置,用于约束环坯轴向金属流 动,促进金属填充压挤模型腔,控制环件高度尺寸,压板外径等于套模内径,壁厚可根据胀 形块和环坯厚度确定,高度可根据材料和轴向压力进行强度设计确定;
[0074] (3)胀挤成形
[0075] 胀挤成形前,将模具和环坯放置在工作台8上,首先将环坯1套到胀形块4上,放置 坯料前,可根据环坯1尺寸、性能和设备吨位来确定是否需要对环坯1进行预先加热,坯料壁 厚小、冷塑性好且设备吨位大,可对室温下环坯1直接胀挤,反之需要将环坯1加热至材料热 成形温度范围后胀挤,环坯1放置后,将外压挤模3b组装到套模2内表面并一起套在环坯1夕卜 表面,压上压板7并固定;
[0076] 胀形过程中,胀形机动力系统驱动楔形滑块5向下运动,推动胀形块沿径向向外运 动沿径向压挤环坯1内表面,环坯1受胀形块4的压挤直径逐渐扩大至与外压挤模3b内表面 贴合,在胀形块4和外压挤模3b持续挤压作用下,环坯1金属逐渐填充外压挤模3b型腔使网 格筋成形,当金属完全充满压外压挤模3b型腔使网格筋完全成形后,胀挤过程结束;
[0077] 胀挤结束后,取下压板7,液压系统驱动楔形滑块5向上回程,胀形块4沿径向收回, 与外网格筋环件6b内表面分离,然后取出套模2,向外抽出外压挤模3b,顶出外网格筋环件 6b,最终获得胀挤成形的外网格筋环件。
[0078] 应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换, 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1. 一种复杂网格筋环件的胀挤成形方法,其特征在于,包括以下步骤: 51、 环坯设计:环坯高度与环件高度相等,环坯外半径比环件外半径小1〜2mm,根据环 坯与环件体积守恒原理,计算得到环坯内半径; 52、 胀挤模具设计:该胀挤模具包括用于成形环件网格筋的压挤模、用于驱动所述压挤 模与环坯紧密接触的胀形块、用于限制环坯材料周向流动的套模以及用于限制环坯材料轴 向流动的压板,所述压挤模设置在胀形块的外侧且设置在套模的内侧,所述压挤模采用弧 形分瓣式结构,其包括多个弧形分瓣模,所述压挤模的工作型面结构尺寸与环件网格筋结 构尺寸相对应,所述胀形块采用弧形分瓣式结构,其包括多个分瓣胀块; 53、 胀挤成形:将环坯和胀挤模具放在胀形机上安装定位,环坯具有网格筋的一面与压 挤模的工作型面接触,胀形机的楔形滑块设置在胀形块内,启动胀形机,驱动楔形滑块从大 径端向小径端运动,推动各个分瓣胀块沿径向向外运动,从而推动压挤模或环坯使两者紧 密接触,使得环坯材料逐渐填充压挤模型腔使网格筋成形,当环坯材料完全充满压挤模型 腔使网格筋完全成形后,胀挤过程结束,得到网格筋环件。
2. 根据权利要求1所述的复杂网格筋环件的胀挤成形方法,其特征在于,所述压挤模的 瓣数与环件网格筋中的纵筋数量相等。
3. 根据权利要求1所述的复杂网格筋环件的胀挤成形方法,其特征在于,步骤S2中,压 板设置在环坯上端面并通过活动插销固定其轴向位置。
4. 根据权利要求1所述的复杂网格筋环件的胀挤成形方法,其特征在于,当网格筋设置 在环件内表面时,步骤S3中,环坯设置在压挤模与套模之间。
5. 根据权利要求1所述的复杂网格筋环件的胀挤成形方法,其特征在于,当网格筋设置 在环件外表面时,步骤S3中,环坯设置在胀形块与压挤模之间。
6. 根据权利要求1所述的复杂网格筋环件的胀挤成形方法,其特征在于,步骤S3中,在 放置环坯前,根据环坯尺寸、性能和设备吨位来确定是否需要对环坯进行预先加热,若坯料 壁厚小、冷塑性好且设备吨位大,则对室温环坯直接胀挤成形,否则先将环坯加热至材料热 成形温度范围后在胀挤成形。
7. 根据权利要求1所述的复杂网格筋环件的胀挤成形方法,其特征在于,当网格筋设置 在环件内表面时,步骤S3中,胀挤过程结束后,取下压板,驱动楔形滑块回程,胀形块沿径向 收回,带动压挤模与环件分离,顶出环件即可得到网格筋环件。
8. 根据权利要求1所述的复杂网格筋环件的胀挤成形方法,其特征在于,当网格筋设置 在环件外表面时,步骤S3中,胀挤过程结束后,取下压板,驱动楔形滑块回程,胀形块沿径向 收回,向上抽出套模,然后沿径向向外抽出压挤模与环件分离,顶出环件即可得到网格筋环 件。
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