CN108067574B - 一种压力成型装置及压力成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力成型装置和压力成型方法，属于金属工件加工技术领域，为解决现有装置及方法中胚料流程太远而导致成型困难、工件质地不均匀等问题而设计。本发明压力成型装置包括上模、下模和动模，上模和下模相对设置且可相对运动，动模插设于下模中、和/或套设于上模和下模外，且动模可相对上模和下模上下运动，上模、下模和动模共同围成模腔，成型过程中，动模相对上模和下模运动以动态增大模腔的体积。本发明压力成型装置和基于所述压力成型装置的压力成型方法，模腔的体积可以动态增大，胚料流程短、胚料流程均衡、流线均匀稳定、工件质地均匀。

Description

一种压力成型装置及压力成型方法

技术领域

本发明涉及金属工件加工技术领域，尤其涉及一种压力成型装置及基于所述压力成型装置的压力成型方法。

背景技术

模锻是在外力的作用下使金属坯料在模具内产生塑性变形并充满模腔，以获得所需形状和尺寸的锻件的锻造方法。在模锻加工中，坯料整体发生明显的塑性变形，有较大量的塑性流动；流动的胚料充填模腔，充满后，保持压力，形成需要的形状。

大多数金属是在热态下模锻的，所以模锻也称为热模锻。与自由锻相比，模锻能够锻出形状更为复杂、尺寸比较准确的锻件，生产效率比较高，可以大量生产形状和尺寸都基本相同的锻件，便于随后的切削加工过程采用自动机床和自动生产线。模锻后的锻件内部形成带有方向性的纤维组织，即流线。选定合理的模锻工艺和模具，使流线的分布与零件的外形一致，可以显著提高锻件的机械性能。

通常的模锻模具和基于该模具的模锻工艺如图1所示。如图1中a所示，模锻模具包括相对设置且可相对运动的上模1和下模2，上模1与下模2之间形成模腔3；如图1中b所示，模腔3内放入胚料5，压力P作用在上模进而作用于胚料5；如图1中c所示，在压力P的作用下，胚料5发生变形流动，逐渐填充模腔3的空隙，同时上模1向下移动，持续对胚料5施加压力；如图1中d所示，胚料5填充满模腔所有空隙，上模1向下移动到极限位置，压力P继续保持一段时间，使胚料5充分流动变形，达到致密组织的作用。

但是，上述传统的模锻模具和模锻工艺存在以下缺点：

1、胚料5受压变形后填充最近的模腔3空间，然后压力增大、推动着胚料5向更远处填充，整个填充过程是由近及远，如果工件的形状比较复杂，具有较大长度的部位，那么由于胚料5的流动路程太长，往往导致成型不好、工件质地不均匀，尤其是在锻造有较大长度的薄壁结构时，难度会大大增加；

2、为了能够良好的成型，往往在模具设计时，刻意增加工件的壁厚，这就带来增加后期机加工切削量的负面效果，工序复杂、经济上不合理；

3、胚料5变形流动充满模腔3后，压力才能够逐步上升到预设的最大成型压力，然后保压，这时候由于摩擦阻力的影响，胚料5下部受到的压力势必会小于胚料5上部受到的压力，导致整个工件的受力不均衡；

4、胚料料流要填满模腔3，至少受到内外两个面的摩擦阻力，成型所需克服的摩擦阻力大、成型压力高，且模具易磨损、使用寿命短；

5、模具润滑要求高，由于模具表面润滑的差异容易导致料流通道阻力的不均等，润滑好阻力低的位置，容易过早形成料流，润滑差阻力高的位置容易过晚形成料流，这样，整个成型端面上就容易造成物料的折叠和料流的紊乱，最终影响产品质量。

发明内容

有鉴于上述问题，本发明的一个目的在于提出一种可以解决胚料流动路程太远而导致的成型困难、成型工件质地不均匀问题的压力成型装置。

本发明的另一个目的在于提出一种对长度较大的工件的加工精度高、切削余量小的压力成型方法。

为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：

一种压力成型装置，包括上模、下模和动模，所述上模和所述下模相对设置且可相对运动，所述动模插设于所述下模中、和/或套设于所述上模和所述下模外，且所述动模可相对所述上模和所述下模上下运动，所述上模、所述下模和所述动模共同围成模腔，成型过程中，所述动模相对所述上模和所述下模运动以动态增大所述模腔的体积。

进一步地，所述动模套设于所述上模和所述下模外，所述下模的上表面的投影面积与所述上模的下表面的投影面积不相等。

进一步地，所述动模包括至少两个子动模，所述子动模可在动力装置的驱动下沿径向运动。

进一步地，所述下模包括至少两个子下模，所述子下模可在动力装置的驱动下沿径向运动以使得所述下模沿径向扩张、收缩。

进一步地，所有所述子下模在压力成型过程中形成实心圆柱体或中空圆柱体，在压力成型结束后在动力装置驱动下先沿径向向外侧运动以使得所述下模扩张、再沿径向向内侧运动以使得所述下模收缩。

进一步地，所述下模包括至少两个呈扇形的子下模和至少两个呈锲形的子下模，呈扇形的所述子下模和呈锲形的所述子下模交替设置，所有所述子下模在压力成型过程中形成中空圆柱体，在压力成型结束后在动力装置驱动下呈锲形的所述子下模和呈扇形的所述子下模依次沿径向向内侧运动以使得所述下模收缩。

进一步地，所述动模的侧壁与所述下模侧壁间的间隙宽度沿周向不等，和/或所述动模的侧壁与所述下模侧壁间的间隙宽度沿与轴向平行方向不等。

另一方面，本发明采用以下技术方案：

一种基于上述任一所述的压力成型装置的压力成型方法，包括如下步骤：

步骤A、将待加工的胚料置于由所述上模、所述下模和所述动模围成的模腔中；

步骤B、对所述上模和/或所述下模施加压力，压力传递到胚料上；

步骤C、所述动模在动力装置的驱动下以预定速度向使模腔体积增大的方向运动，胚料迅速变形并填充由所述动模运动所形成的模腔空间，直至所述动模运动到止点，模腔最终成型、工件最终成型；

步骤E、去除对所述上模和/或所述下模施加的压力、打开所述压力成型装置、取出工件。

进一步地，步骤B中，对所述上模和/或所述下模施加的压力为预设的最大成型压力P，在步骤B和步骤C中始终保持压力值为P。

进一步地，所述动模套设于所述上模和所述下模外，步骤E中打开压力成型装置的方法包括：

步骤E1、升高返回所述上模；

步骤E2、使所述动模的子动模沿径向向外侧运动以打开所述动模；

步骤E3、使所述下模的子下模沿径向向外侧运动以使得所述下模沿径向扩张撑开工件、然后使所述子下模沿径向向内侧运动收缩所述下模，将所述下模与工件分离；或，使所述子下模沿径向向内侧运动收缩所述下模，将所述下模与工件分离；

其中，步骤E1与步骤E2的次序不限。

本发明的有益效果如下：

本发明压力成型装置具有以下优点：

1、包括可以相对于上模和下模上下运动的动模，在压力成型过程中，模腔的体积动态增大，胚料会及时快速填补增大的空间从最近点开始充型，这样就保证了胚料只走最短的流程、胚料流程均衡、流线均匀稳定、工件质量均匀；

2、由于胚料流程短，在模具设计时候，不需要过多考虑为减少阻力而放大料流经过通道的圆角过渡、不需要为保证料流通畅而加大壁厚的设计、对薄壁零件的加工精度高、切削余量小,甚至不再切削；

3、可以通过控制外模的运动速度精确控制模腔体积的增加速度，实现胚料的变形量与模腔体积的增加量之间的完美平衡，避免了传统压力成型装置中胚料受力后变形量及流动速度难以控制的问题；

4、整个成型过程中压力可以一直保持最大并且可以随时停止动模的运动对工件保压，胚料组织受力均衡稳定，成型的工件质量更好，避免了传统模锻工艺只能够在模锻结束的最终阶段实施保压、工件质地不均匀的问题；

5、因为动模是可以移动的，所以料流受到的摩擦阻力来自上模或下模的一个摩擦面，成型所需克服的摩擦阻力低，成型压力低、装置的平均寿命长、成本低；

6、润滑要求低。

本发明提供的基于上述压力成型装置的压力成型方法对长度较大、壁厚较薄的工件的加工精度高、切削加工余量小。

附图说明

图1是现有技术中压力成型装置的压力成型过程的结构示意图；

图2是本发明优选实施例一提供的第一种结构的压力成型装置的压力成型过程的结构示意图；

图3是本发明优选实施例一提供的第二种结构的压力成型装置的结构示意图；

图4是本发明优选实施例二提供的下模处于收缩状态的结构示意图；

图5是本发明优选实施例二提供的下模处于张开状态的结构示意图；

图6是本发明优选实施例三提供的下模处于收缩状态的结构示意图；

图7是本发明优选实施例三提供的下模处于张开状态的结构示意图。

图中：

1、上模；2、下模；3、模腔；4、动模；5、胚料；21、子下模。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

优选实施例一：

本文的描述中，需要理解地是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本优选实施例提供了一种压力成型装置，其主要但不局限用作模锻成型装置。请参阅图2，本实施例提供的压力成型装置包括上模1、下模2和动模4，上模1和下模2相对设置且可相对运动，动模4套设于上模1和下模2外且可相对上模1和下模2上下运动，上模1、下模2和动模4共同围成模腔3，成型过程中，动模4相对上模1和下模2运动，动模4的内壁与上模1或下模2的外壁间的间隙增大以动态增大模腔3的体积；压力成型装置还包括压力组件，压力组件为压力成型装置提供压力。压力组件优选但不局限为液压缸。

本实施例提供的压力成型装置包括可以相对于上模1和下模2上下运动的动模4，在压力成型过程中，模腔3的体积动态增大，胚料5会及时快速填补增大的模腔空间、从最近点开始充型，这样就保证了胚料5只走最短的流程、胚料5流程均衡、流线均匀稳定、工件质地均匀，且由于胚料5流程短，在模具设计时候，不需要过多考虑为减少阻力而放大料流经过通道的圆角过渡、不需要为保证料流通畅而加大壁厚的设计、对薄壁零件的加工精度高、切削余量小、甚至不再切削；同时，可以通过控制外模的运动速度精确控制模腔3体积的增加速度，实现胚料5的变形量与模腔3体积的增加量之间的完美平衡，避免了传统压力成型装置中胚料5受力后变形量及流动速度难以控制的问题；另外，整个成型过程中压力可以一直保持最大并且可以随时停止动模4的运动对工件保压，胚料组织受力均衡稳定，成型的工件质量更好，避免了传统模锻只能够在模锻结束的最终阶段实施保压、工件质地不均匀的问题；再者，因为动模4是可以移动的，所以料流受到的摩擦阻力来自上模1或下模2的一个摩擦面，成型所需克服的摩擦阻力低，成型压力低、装置的平均寿命长、成本低；再者，没有大行程的料流出现，所以，阻力的差异不会造成成型质量的变化，这样就能够保证产品质量的稳定、润滑要求低。

在上述结构的基础上，下模2的上表面的投影面积与上模1的下表面的投影面积不相等，以便于胚料5在成型过程中流动。

在上述结构的基础上，动模4优选为包括至少两个子动模，子动模可在动力装置的驱动下沿径向运动，以便于在成型过程结束后，通过沿径向向外侧驱动子动模来打开动模4。子动模的数量不作具体限制，可以根据压力成型装置以及工件的尺寸进行具体设置。驱动子动模沿相对于上模1和下模2上下运动以及驱动子动模沿径向运动的动力装置均优选但不局限为液压缸。

在上述结构的基础上，下模2包括至少两个子下模，子下模可在动力装置的驱动下沿径向运动以使得下模2沿径向扩张、收缩。以便于在成型过程结束后，通过沿径向运动子下模来将下模2和工件进行分离。驱动子下模运动的动力装置优选但不局限为液压缸。

为了适用于成型不等壁厚工件，动模4的侧壁与下模2侧壁间的间隙宽度沿周向不等，和/或动模4的侧壁与下模2侧壁间的间隙宽度沿与轴向平行方向不等。请参阅图3，上模1、下模2和动模4共同围成模腔3，模腔3为不规则形状，位于图中左侧的动模4部分的上部与下模2间的间隙宽度d1小于位于图中右侧的动模4部分的上部与下模2间的间隙宽度d2，位于图中右侧的动模4部分的上部与下模2间的间隙宽度d2小于其下部与下模2间的间隙宽度d3。在传统的模锻成型工艺中，胚料5受压向下变形填充模腔3，d2大于d1，成型阻力低，则胚料5优先充满间隙宽度为d2的空间，胚料5经过间隙宽度为d2的空间，来到下部间隙宽度为d3位置的时候，空间体积突然增大，下部的料流势必发生堆积作用，这样就容易发生折叠卷料。以上成型过程，难以保证流线的均匀稳定，产品质量无法保证，而本实施例的压力成型装置中，模腔3动态增大、胚料5从下部逐步填充模腔3，故虽然下部间隙宽度为d3位置的截面大、空间大，但也会优先填满，在填充过程中，动模4是可控的逐步下降，胚料5“层层堆积”般逐步填充空出的空间，所以，尽管d1、d2尺寸相差很大，也不会发生料流的偏析，二者的位置会同步被料流填满，从而能够很好的实现周向的不等壁厚、轴向的不等壁厚的工件的成型。

本实施例还提供了一种基于上述压力成型装置的压力成型方法，包括如下步骤：

步骤A、将待加工的胚料5置于由上模1、下模2和动模4围成的模腔3中；

步骤B、对上模1和/或下模2施加压力，压力传递到胚料5上；

步骤C、动模4在动力装置的驱动下以预定速度向使模腔3体积增大的方向运动，胚料5迅速变形并填充由动模4运动所形成的模腔空间，直至动模4运动到止点，模腔3最终成型、工件最终成型；

步骤E、去除对上模1和/或下模2施加的压力、打开压力成型装置、取出工件。

该压力成型方法的步骤B中，对上模1和/或下模2施加的压力优选为预设的最大成型压力P，并且在步骤B和步骤C中始终保持压力值为P。需要指出地是，在步骤B和步骤C中逐步将对上模1和/或下模2施加的压力增加至预设的最大成型压力P也属于本实施例的保护范围。

本实施例提供的基于上述压力成型装置的压力成型方法对长度较大、壁厚较薄的工件的加工精度高、工件质地均匀、切削加工余量小。

优选实施例二：

本优选实施例提供了一种压力成型装置，其结构与优选实施例一提供的压力成型装置基本相同，不同之处在于：请参阅图4和图5，所有子下模21在压力成型过程中形成实心圆柱体或中空圆柱体，在压力成型结束后在动力装置驱动下先沿径向向外侧运动以使得下模扩张、再沿径向向内侧运动以使得下模收缩。驱动子下模21沿径向运动的动力装置优选但不局限为沿与压力成型装置的轴线平行的方向设置的液压缸和与液压缸的输出轴连接并将液压缸输出的直线往复运动转变为沿径向运动的传动机构。

本实施例还提供了一种基于上述压力成型装置的压力成型方法，其与优选实施例一提供的压力成型方法基本相同，不同之处在于：

步骤E中打开压力成型装置的方法包括：

步骤E1、升高返回上模；

步骤E2、使子动模沿径向向外侧运动打开动模；

步骤E3、使子下模21沿径向向外侧运动以使得下模沿径向扩张撑开工件、然后使子下模21沿径向向内侧运动收缩下模，将下模与工件分离；

其中，步骤E1与步骤E2的次序不限，即可以先进行步骤E1、再进行步骤E2，也可以先进行步骤E2、在进行步骤E1。

优选实施例三：

本优选实施例提供了一种压力成型装置，其结构与优选实施例一提供的压力成型装置基本相同，不同之处在于：请参阅图6和图7，下模包括至少两个呈扇形的子下模21和至少两个呈锲形的子下模21，呈扇形的子下模21和呈锲形的子下模21交替设置，所有子下模21在压力成型过程中形成中空圆柱体，在压力成型结束后在动力装置驱动下呈锲形的子下模21和呈扇形的子下模21依次沿径向向内侧运动以使得下模收缩。

本实施例还提供了一种基于上述压力成型装置的压力成型方法，其与优选实施例一提供的压力成型方法基本相同，不同之处在于：

步骤E中打开压力成型装置的方法包括：

步骤E1、升高返回上模；

步骤E2、使子动模沿径向向外侧运动打开动模；

步骤E3、使子下模21沿径向向内侧运动收缩所述下模，将下模与工件分离，具体地，呈锲形的子下模21和呈扇形的子下模21依次沿径向向内侧运动以使得下模收缩；

其中，步骤E1与步骤E2的次序不限。

优选实施例四：

本优选实施例提供了一种压力成型装置，其结构与优选实施例一提供的压力成型装置基本相同，包括上模、下模和动模，上模和下模相对设置且可相对运动，动模插设于下模中，上模、下模和动模共同围成模腔，成型过程中，动模相对上模和下模运动，动模的外壁与下模的内壁间的间隙增大以动态增大模腔的体积；压力成型装置还包括压力组件，压力组件为压力成型装置提供压力。压力组件优选但不局限为液压缸。

当然，本实施例中还可以同时设置一套设于上模与下模外侧且可相对上模与下模运动的动模。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压力成型装置，其特征在于，包括上模(1)、下模(2)和动模(4)，所述上模(1)和所述下模(2)相对设置且可相对运动，所述动模(4)插设于所述下模(2)中、和/或套设于所述上模(1)和所述下模(2)外，且所述动模(4)可相对所述上模(1)和所述下模(2)上下运动，所述上模(1)、所述下模(2)和所述动模(4)共同围成模腔(3)，成型过程中，所述动模(4)相对所述上模(1)和所述下模(2)运动以动态增大所述模腔(3)的体积。

2.根据权利要求1所述的压力成型装置，其特征在于，所述动模(4)套设于所述上模(1)和所述下模(2)外，所述下模(2)的上表面的投影面积与所述上模(1)的下表面的投影面积不相等。

3.根据权利要求2所述的压力成型装置，其特征在于，所述动模(4)包括至少两个子动模，所述子动模可在动力装置的驱动下沿径向运动。

4.根据权利要求2所述的压力成型装置，其特征在于，所述下模包括至少两个子下模(21)，所述子下模(21)可在动力装置的驱动下沿径向运动以使得所述下模(2)沿径向扩张、收缩。

5.根据权利要求4所述的压力成型装置，其特征在于，所有所述子下模(21)在压力成型过程中形成实心圆柱体或中空圆柱体，在压力成型结束后在动力装置驱动下先沿径向向外侧运动以使得所述下模(2)扩张、再沿径向向内侧运动以使得所述下模(2)收缩。

6.根据权利要求4所述的压力成型装置，其特征在于，所述下模(2)包括至少两个呈扇形的子下模(21)和至少两个呈锲形的子下模(21)，呈扇形的所述子下模(21)和呈锲形的所述子下模(21)交替设置，所有所述子下模(21)在压力成型过程中形成中空圆柱体，在压力成型结束后在动力装置驱动下呈锲形的所述子下模(21)和呈扇形的所述子下模(21)依次沿径向向内侧运动以使得所述下模(2)收缩。

7.根据权利要求1至6任一项所述的压力成型装置，其特征在于，所述动模(4)的侧壁与所述下模(2)侧壁间的间隙宽度沿周向不等，和/或所述动模(4)的侧壁与所述下模(2)侧壁间的间隙宽度沿与轴向平行方向不等。

8.一种基于权利要求1至7任一所述的压力成型装置的压力成型方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A、将待加工的胚料置于由所述上模(1)、所述下模(2)和所述动模(4)围成的模腔(3)中；

步骤B、对所述上模(1)和/或所述下模(2)施加压力，压力传递到胚料上；

步骤C、所述动模(4)在动力装置的驱动下以预定速度向使模腔(3)体积增大的方向运动，胚料迅速变形并填充由所述动模(4)运动所形成的模腔空间，直至所述动模(4)运动到止点，模腔(3)最终成型、工件最终成型；

步骤E、去除对所述上模(1)和/或所述下模(2)施加的压力、打开所述压力成型装置、取出工件。

9.根据权利要求8所述的压力成型方法，其特征在于，步骤B中，对所述上模(1)和/或所述下模(2)施加的压力为预设的最大成型压力P，在步骤B和步骤C中始终保持压力值为P。

10.根据权利要求8或9所述的压力成型方法，其特征在于，所述动模(4)套设于所述上模(1)和所述下模(2)外，步骤E中打开压力成型装置的方法包括：

步骤E1、升高返回所述上模(1)；

步骤E2、使所述动模(4)的子动模沿径向向外侧运动以打开所述动模(4)；

步骤E3、使所述下模(2)的子下模(21)沿径向向外侧运动以使得所述下模(2)沿径向扩张撑开工件、然后使所述子下模(21)沿径向向内侧运动收缩所述下模(2)，将所述下模(2)与工件分离；或，使所述子下模(21)沿径向向内侧运动收缩所述下模(2)，将所述下模(2)与工件分离；

其中，步骤E1与步骤E2的次序不限。