CN108213210A - 一种复杂截面u型板件的模压大塑性变形模具、使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具、使用方法，所述上模和下模的顶面具有啮合齿，底面为平面，所述上模和下模具有啮合齿的一面相互啮合为一副压平模，两副压弯模具的啮合齿的齿型相互错开，所述上模和下模的啮合齿分别具有侧边平面齿、斜面齿、曲面齿和圆弧平面齿，所述上模和下模的U型侧边上交替设置侧边平面齿和斜面齿，所述上模和下模的U型底部的圆弧过渡处交替设置曲面齿和圆弧平面齿。本发明模具形式的巧妙设计使得实施过程中不再需要旋转坯料，突破了传统模压需要对坯料进行旋转，只能对方形等规则截面板件实施大变形的限制，能够实现复杂形状板件的模压大塑性变形。

Description

一种复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具、使用方法

技术领域

本发明涉及一种模具设计技术，尤其涉及的是一种复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具、使用方法。

背景技术

目前聚变堆包层第一壁的结构设计采用的是U型壁方案，U型壁上设计了矩形冷却管道，第一壁作为包层结构中面向高温等离子体的部件，要直接承受来自等离子体的高热负载和强中子壁负载，所处的环境十分恶劣，其结构安全可靠性直接影响着整个包层模块的正常运行，而U型壁的设计形式和严苛的服役环境无疑对第一壁的使用性能及加工工艺提出了更高的要求。

大塑性变形是在20世纪70年代末发展起来的先进塑性成形工艺方法，可以在保证材料外形尺寸基本不发生变化的前提下，引入大量的塑性应变来达到细化晶粒的目的，进而制备出性能优异的超细晶材料。传统的大塑性变形工艺如高压扭转、等径角挤压、多向锻造等仍存在所制备的材料组织结构不均匀以及生产效率低、材料尺寸规格有限、成本高、工艺路线复杂等缺陷，且多针对小尺寸块体材料，只有累积叠轧焊接和反复折弯-压直工艺适用于超细晶板材的制备，由于累积叠轧焊接存在工艺条件要求苛刻，反复折弯-压直存在变形效果不足等缺点，其在制备大体积超细晶金属板材的实际应用上受到了较大的限制。

模压大塑性变形工艺作为一种较新的工艺方法，通过齿面局部加载的方式在板材局部渐次累积剪切大塑性变形，克服了传统大塑性变形工艺难以制备大尺寸超细晶板材的缺点，且变形过程中齿面作用区材料发生剪切塑性流动，更容易累积足够的等效应变而实现材料的组织细化与性能改善，其工艺过程相对简单，对设备要求较低，具有良好的工业应用前景。然而，传统的模压工艺模具主要由一副压弯模和一副压平模组成，使用过程中需要将变形坯料进行一定角度的旋转以累积均匀的剪切变形，对坯料的轮廓形状有较高要求，主要应用于方形等规则截面板坯的制备，其模具结构与形式限制了该工艺在复杂形状板件上的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何在坯料不旋转的前提下实现大的塑性变形，提供了一种复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具、使用方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明是一种复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具，包括两副配合使用的U型压弯模具，每副压弯模具包括上模和下模，所述上模和下模的顶面具有啮合齿，底面为平面，所述上模和下模具有啮合齿的一面相互啮合为一副压平模，两副压弯模具的啮合齿的齿型相互错开，所述上模和下模的啮合齿分别具有侧边平面齿、斜面齿、圆弧平面齿和曲面齿，所述上模和下模的U型侧边上交替设置侧边平面齿和斜面齿，所述上模和下模的U型底部的圆弧过渡处交替设置曲面齿和圆弧平面齿。

每副压弯模具中，侧边平面齿和圆弧平面齿分别平行于上模和下模的底面设置，所述斜面齿与上模和下模的底面倾斜设置。

所述斜面齿与上模和下模的底面夹角为45°或135°。

斜面齿的倾斜角度决定着同样工艺下变形量大小，倾角太小，单道次累计应变小；倾角太大，在压平阶段容易产生折叠缺陷；既考虑变形量又考虑成形质量，选择角度45°。

每副压弯模具中，两侧每块侧边平面齿和斜面齿的投影面积相等。

所述侧边平面齿在上模或下模底面的投影为矩形，所述圆弧平面齿在上模或下模底面的投影为扇形或矩形。

每副压弯模具中，两个圆弧过渡处的曲面齿与圆弧过渡处的圆弧平面齿投影面积相等。

限定投影面积相等主要保证两次压弯变形时刚好可以对整个坯料进行剪切变形，在一个道次中没有重叠的剪切区域。主要是保证两副模具的对应关系，另外，曲面投影面积不做限定会导致某些曲面倾角过大，影响成形效果，并且这样设定在实际建模和加工时要更为容易。

所述模具还包括预应力圈，所述预应力圈内设有用于压弯模具啮合后放入的腔体。

一种复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具的使用方法，包括以下步骤：

(1)将预应力圈定位，预热第一副压弯模具和预应力圈，将第一副压弯模具的下模放入到预应力圈，将坯料加热后放入预应力圈的型腔内，将第一副压弯模具的上模放入坯料上，然后对坯料进行第一阶段压弯；

(2)将第一副压弯模具配合成压平模后替换步骤(1)的压弯模具，将经过第一阶段压弯后的坯料压平；

(3)再使用第二副压弯模具将压平后的坯料进行第二阶段压弯；

(4)将第二副压弯模具配合成压平模后再将第二阶段压弯后的坯料压平。

所述压弯模具的圆弧过渡处采用曲面齿与平面齿交替设置的形式进行过渡，单副模具侧边的平面齿与斜面齿交替分布，不同模具的平面齿与斜面齿刚好错位分布一个齿形，以满足两副模具配合使用时产生均匀剪切变形。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明的两副模具可作三副模具使用，节约了模具材料及加工成本，实际操作中模具交替使用，定位简单，拆模容易，无需螺栓等连接零部件。模具形式的巧妙设计使得实施过程中不再需要旋转坯料，突破了传统模压需要对坯料进行旋转，只能对方形等规则截面板件实施大变形的限制，能够实现复杂形状板件的模压大塑性变形。

附图说明

图1是本发明的第一副压弯模具的结构示意图；

图2是图1压弯模具组合后的俯视图；

图3是图1压弯模具组合后的立体图；

图4是本发明的第二副压弯模具的结构示意图；

图5是图4压弯模具组合后的俯视图；

图6是图4压弯模具组合后的立体图；

图7是预应力圈的结构示意图；

图8是模拟一道次坯料塑性变形等效应变变化柱状图；

图9是模拟一道次坯料塑性变形等效应变分布云图；

图10是一道次坯料塑性变形后实物图，其中(a)为坯料平放图，(b)为坯料立放图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～7所示，本实施例包括两副配合使用的U型压弯模具1和预应力圈2，所述预应力圈2内设有用于压弯模具1啮合后放入的腔体，每副压弯模具1包括上模11和下模12，所述上模11和下模12的顶面具有啮合齿，底面为平面，所述上模11和下模12具有啮合齿的一面相互啮合为一副压平模，两副压弯模具的啮合齿的齿型相互错开，所述上模11和下模12的啮合齿分别具有侧边平面齿13、斜面齿14、曲面齿15和圆弧平面齿16，所述上模11和下模12的U型侧边上交替设置侧边平面齿13和斜面齿14，所述上模11和下模12的U型底部的圆弧过渡处交替设置曲面齿15和圆弧平面齿16。

每副压弯模具1中，侧边平面齿13和圆弧平面齿16平行于上模11和下模12的底面设置，所述斜面齿14与上模11和下模12的底面倾斜设置。

每副压弯模具中，两侧每块侧边平面齿13和斜面齿14的投影面积相等，两个圆弧过渡处的曲面齿15与圆弧过渡处的圆弧平面齿16投影面积相等。

所述侧边平面齿13在上模11或下模12底面的投影为矩形，所述圆弧平面齿16在上模11或下模12底面的投影为扇形或矩形。

所述斜面齿14与上模11和下模12的底面夹角为45°或135°。

目前国际热核聚变实验堆实验包层模块采用的结构材料大多为低活化铁素体/马氏体钢。低活化钢机械性能及热物理性能较好，中子活化水平较低，具有低的韧脆转变温度和良好的抗辐照损伤、抗辐照蠕变与抗疲劳能力，具有较为成熟的工业基础。本实施例实验可对包层模块第一壁的设计制造提供思路与参考。

在获取了第一壁单层U型流道的关键参数(包括U型流道截面各尺寸，单层流道所需材料的体积等)后，设计出可用于U型流道制造的模压大塑性变形模具，模具主要参数包括侧边平面齿13与斜面齿14宽、斜面齿14倾角、圆弧过渡处曲面齿15、圆弧平面齿16的转角角度及曲面形状、整体齿高等，根据U型流道的相关参数确定侧边平面齿13与斜面齿14宽为10mm，斜面齿14倾角为45°，圆弧过渡处的转角为90°，圆弧过渡处曲面齿15、圆弧平面齿16的转角角度为30°，模具整体齿高为10mm，然后根据模具外轮廓设计出相应预应力圈2。

本实施例的复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具的使用方法，包括以下步骤：

(1)将预应力圈2放置在公称力2000KN的RZU200HF压力机模架上配合定位，预热第一副压弯模具和预应力圈2，将第一副压弯模具的下模12放入到预应力圈2，将坯料加热至一定温度保温足够时间后放入预应力圈2内腔中，再配合放入上模11，压力机以一定速度下行进行第一阶段压弯；

(2)将第一副压弯模具配合成压平模后替换步骤(1)的压弯模具，将经过第一阶段压弯后的坯料压平；

(3)再使用第二副压弯模具将压平后的坯料进行第二阶段压弯；

(4)将第二副压弯模具配合成压平模后再将第二阶段压弯后的坯料压平。

将一道次内，在第一副压弯模具内压弯定义为第一阶段stage1，然后压平定义为第二阶段stage2，在第二副压弯模具内压弯定义为第三阶段stage3，最后再压平定义为第四阶段stage4。

这四个阶段的应变模拟结果如图8和图9所示，经过四次累积，可以看出，一道次总的累积平均应变1.44，直边部分应变较大，坯料存在一定的应变分区。

从图中可以看出，第一阶段变形量较小，部分区域剪切变形效果明显，第二阶段直边区域模压变形特征明显，圆弧区域变形相对较小，第三阶段累积应变效果明显，相对较为均匀，第四阶段总的累积平均应变1.44，直边部分应变较大，坯料存在一定的应变分区。

坯料经过四个阶段一道次塑性变形后实物图如图10所示，可以看出，实际模压一道次变形后，坯料成形状况良好，表面较为平整，未出现明显缺陷，证明该工艺具备实际操作性。

最终随着道次的累加，变形量越来越大，可以实现所需结构的大塑性变形，显著改善其综合使用性能。具体的变形道次可根据实际需要确定。

本发明并未对变形加工的材料进行限定，该工艺不仅可加工常见金属材料，也可用于金属基复合材料加工。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具，其特征在于，包括两副配合使用的U型压弯模具，每副压弯模具包括上模和下模，所述上模和下模的顶面具有啮合齿，底面为平面，所述上模和下模具有啮合齿的一面相互啮合为一副压平模，两副压弯模具的啮合齿的齿型相互错开，所述上模和下模的啮合齿分别具有侧边平面齿、斜面齿、圆弧平面齿和曲面齿，所述上模和下模的U型侧边上交替设置侧边平面齿和斜面齿，所述上模和下模的U型底部的圆弧过渡处交替设置曲面齿和圆弧平面齿。

2.根据权利要求1所述的一种复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具，其特征在于，每副压弯模具中，侧边平面齿和圆弧平面齿分别平行于上模和下模的底面设置，所述斜面齿与上模和下模的底面倾斜设置。

3.根据权利要求2所述的一种复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具，其特征在于，每副压弯模具中，两侧每块侧边平面齿和斜面齿的投影面积相等。

4.根据权利要求2所述的一种复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具，其特征在于，每副压弯模具中，两个圆弧过渡处的曲面齿与圆弧过渡处的圆弧平面齿投影面积相等。

5.根据权利要求2所述的一种复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具，其特征在于，所述侧边平面齿在上模或下模底面的投影为矩形，所述圆弧平面齿在上模或下模底面的投影为扇形或矩形。

6.根据权利要求2所述的一种复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具，其特征在于，所述斜面齿与上模和下模的底面夹角为45°或135°。

7.根据权利要求1所述的一种复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具，其特征在于，所述模具还包括预应力圈，所述预应力圈内设有用于压弯模具啮合后放入的腔体。

8.一种如权利要求7任一项所述的复杂截面U型板件的模压大塑性变形模具的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将预应力圈定位，预热第一副压弯模具和预应力圈，将第一副压弯模具的下模放入到预应力圈，将坯料加热后放入预应力圈的型腔内，将第一副压弯模具的上模放入坯料上，然后对坯料进行第一阶段压弯；

(2)将第一副压弯模具配合成压平模后替换步骤(1)的压弯模具，将经过第一阶段压弯后的坯料压平；

(3)再使用第二副压弯模具将压平后的坯料进行第二阶段压弯；

(4)将第二副压弯模具配合成压平模后再将第二阶段压弯后的坯料压平。