CN109719187A - 一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空航天用薄壁件，具体公开了一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置，装置包括型模、芯模、型模套筒、成形介质密封圈、粘性介质注入缸、粘性介质加载动力源液压缸、型模端部密封加载动力源液压缸和成形过程控制系统。该装置的加载注入孔的布置根据其位置和型模腔的径向宽度而不同，即不同位置加载注入孔的直径、夹角和间距参数设置不同，并根据型模腔的尺寸大小、不同材料的强度、不同搭边量以及不同分子量的粘性介质匹配对应的加载力曲线，获得稳定的非对称变径薄壁零件，成形质量稳定、效率高，对航空航天用薄壁件的制造提供了批量制造的加工装置。

Description

一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置

技术领域

本发明涉及航空航天领域的复杂曲面薄壁件加工制造技术，尤其涉及一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置。

背景技术

非对称变径薄壁零件是航空及航天领域典型的复杂曲面壳体结构件，其特点是壁厚薄、非对称度大以及变径大。目前对于此类零件的成形制造，目前一般采用分体成形、组合焊接的制造方法。分体成形多采用冲压、旋压(甚至热旋压)、聚氨酯橡胶等手段。由于结构特点，零件分体的个数较多，工序繁多，成本高，尺寸精度受每一分体成形工序的影响，质量控制困难。由于壁厚较薄、每一分体成形件形状不规则；组合焊接过程热应力和弹性变形影响尺寸精度的控制，加剧了质量控制的难度，使成形质量难以满足日益提高的零件性能使用要求。

此外，专利CN101462134B公开了一种“非对称变径壁厚分布均匀的薄壁零件环向流动成形方法”，该发明利用非封闭坯料轴向和环向同时流动变形，实现了非对称薄壁零件壁厚均匀成形。然而，对于壁厚分布不均匀的或径向截面多次变化或逐渐变化的薄壁件，却得不到稳定的成形效果，这主要是加载力控制不精确导致。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于如何精确控制加载力以获得稳定的变径薄壁件，针对现有技术中的缺陷，提供了一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置。

一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置，装置包括型模、芯模、型模套筒、成形介质密封圈、粘性介质注入缸、粘性介质加载动力源液压缸、型模端部密封加载动力源液压缸和成形过程控制系统。所述型模为分瓣模，型模内设有型模腔，型模置于型模套筒内；所述芯模置于型模内部，非封闭筒坯料置于型模与芯模之间，所述芯模内设有与芯模同轴的介质仓，芯模侧壁上设置多个加载注入孔，多个所述加载注入孔与型模腔所在区域相对应，粘性介质通过多个所述加载注入孔对筒坯料加载压力；所述成形介质密封圈设置在芯模外壁上、下两端与非封闭筒坯料之间；所述粘性介质注入缸设置在型模和芯模底部，所述粘性介质注入缸中心的柱塞腔与芯模的介质仓连通；所述柱塞设置在粘性介质注入缸中心位置的柱塞腔内，柱塞的柱塞杆与粘性介质加载动力源液压缸被驱动的连接并为粘性介质进行加载提供动力，所述粘性介质加载动力源液压缸置于粘性介质注入缸底部；所述型模端部密封加载动力源液压缸置于型模和芯模顶部，为端部密封提供加载力。

优选的，所述型模腔在型模的内壁面上呈径向截面弧度角α、轴向高度h₁的区域内设置；多个所述加载注入孔对应于所述型模腔在所述芯模的侧壁上呈径向截面弧度角β、轴向高度h₂的区域内设置，在径向截面上相邻两个所述加载注入孔的径向夹角为θ，在轴向上相邻两个所述加载注入孔的轴向间距为Δh；不同位置的加载注入孔的轴向间距Δh和径向夹角θ取值不同；其中，h₂的取值为h₂＝h₁-(3～50)mm，β取值小于α。

优选的，在所述型模腔径向或横向截面宽度大的区域，所述加载注入孔的周向间距Δh大；在所述型模腔径向或横向截面宽度小的区域，所述加载注入孔的周向间距Δh小。

优选的，在径向或横向上，相邻的两个加载注入孔的径向夹角θ依次增大或减小。

优选的，所述加载注入孔的个数根据型模腔的曲面形状和零件壁厚决定。

优选的，加载注入孔的个数为9～64个。

优选的，每个所述加载注入孔的直径为每个加载注入孔的直径大小根据所在位置确定，直径的取值范围为5mm～15mm。

优选的，在所述型模腔径向或横向截面宽度大的区域，所述加载注入孔的直径大；在所述型模腔径向或横向截面宽度小的区域，所述加载注入孔的直径小。

优选的，非封闭的筒坯料由板坯料卷制而成，且两端有一定的搭边量ΔL，所述搭边量ΔL＝f×L，其中f为工艺搭边参数，f＝1.03～1.25，L为零件径向截面周长，搭边区域利于非封闭筒坯料在环向容易向型模腔变形流动而设置。

优选的，所述搭边区域设置在与所述型模腔相对的一侧。

优选的，所述型模与芯模之间的间隙为δ，所述间隙δ大小根据搭边量ΔL设定，搭边量ΔL与间隙δ正相关，且间隙δ的取值满足δ＝(1.5～3.0)t，其中t为筒坯料的壁厚。

优选的，所述粘性介质注入缸采用模具钢加工，包括内缸和外套，内缸壁厚W，外套壁厚a×W，W取值范围为20mm～50mm，系数a取值范围为1.2～3.5，粘性介质注入缸内孔直径为d，高度为H，直径d的取值范围为40mm～80mm，高度H的取值范围为200mm～600mm。

优选的，所述粘性介质注入缸内的柱塞端部具有宽度D的凹槽，所述凹槽用于降低柱塞与注入缸体之间的摩擦力，凹槽的宽度D的取值范围为6mm～10mm。

优选的，装置还包括注入介质密封圈，所述注入介质密封圈设置在所述粘性介质注入缸的内缸的上端面与所述芯模的下端面之间；所述成形介质密封圈为YX型弹性材料密封圈，所述注入介质密封圈为O型弹性金属或橡胶材料密封圈。

优选的，在所述成形过程控制系统的控制下，所述粘性介质注入压力由粘性介质加载动力源液压缸加载力F控制，型模端部密封压力由型模端部密封加载动力源液压缸加载力F′控制，在成形过程中F′随着F的增大而增大，力F′与力F大小需要协调匹配，并根据型模腔的尺寸大小、不同材料的强度、不同搭边量以及不同分子量的粘性介质选择不同的关系曲线，以保证成形过程中筒坯料轴向和环向都可以向型腔补料。

实施本发明的，具有以下有益效果：本发明为非对称变径壁零件环向流动成形提供一种环向流动成形装置，该装置通过动力控制系统提供粘性介质注入压力，对粘性介质加载压力进行控制；粘性介质通过芯模侧壁上的加载注入孔作用到筒坯料表面产生成形力，芯模加载注入孔根据型模腔的形状有针对性的设计其位置、数量和大小，同时通过非封闭筒坯料设计一定的搭边余量，以及芯模和型模之间合理的间隙，从而可以调节粘性介质作用于筒坯料的位置及作用力的大小，对非对称变径薄壁零件成形过程中粘性介质加载合理控制，该装置简单、易操作，制造成本低，可以实现非对称变径壁零件环向流动成形。

附图说明

图1是非对称变径薄壁零件环向流动成形装置结构示意图；

图2(a)-图2(c)是非对称变径薄壁零件环向流动成形模具结构以及成形过程示意图；

图3是图2(a)的A-A剖视图；

图4是图2(b)的B-B剖视图；

图5是图2(c)的C-C剖视图；

图6是型模具有多个型模腔时图2(a)的A-A剖视图；

图7是芯模结构示意图；

图8是图7的D-D剖视图；

图9是粘性介质注入缸结构示意图；

图10是粘性介质注入缸柱塞结构示意图；

图11是加载力的关系曲线。

图中：1、型模；1-1、型模腔；2、芯模；2-1、介质仓；2-2、加载注入孔；3、型模套筒；4、筒坯料；5、成形介质密封圈；5-1、注入介质密封圈；6、粘性介质注入缸；6-1、内缸；6-2、外套；7、柱塞；8、粘性介质加载动力源液压缸；9、型模端部密封加载动力源液压缸。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：结合图1～图8说明本实施方式，一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置，装置型模1、芯模2、型模套筒3、成形介质密封圈5、注入介质密封圈5-1、粘性介质注入缸6、粘性介质加载动力源液压缸8、型模端部密封加载动力源液压缸9和成形过程控制系统。

型模1为分瓣模，型模1内设有型模腔1-1，型模1置于型模套筒3内；所述芯模2置于型模1内部，非封闭的筒坯料4置于型模1与芯模2之间，所述芯模2内设有与芯模2同轴的介质仓2-1，芯模2侧壁上设置多个加载注入孔2-2，多个加载注入孔2-2与型模腔1-1所在区域相对应，粘性介质通过多个加载注入孔2-2对筒坯料加载压力；所述成形介质密封圈5设置在芯模2外壁上、下两端与非封闭筒坯料4之间；所述粘性介质注入缸6设置在型模1和芯模2底部，与介质仓2-1相连通；所述柱塞设置在粘性介质注入缸6内，与粘性介质加载动力源液压缸8相连，为粘性介质加载提供动力，所述粘性介质加载动力源液压缸8置于粘性介质注入缸6底部；所述型模端部密封加载动力源液压缸9置于型模1和芯模2顶部，为端部密封提供加载力。

具体实施方式二：结合图2、图3、图7和图8说明本实施方式，本实施方式为芯模2侧壁的加载注入孔2-2在高度为h₂、水平截面内夹角为β的区域内依据型模腔曲面形状分布，加载注入孔2-2沿高度方向间距为Δh，水平截面内加载注入孔2-2间的夹角为θ，不同位置的加载注入孔2-2间距Δh和夹角θ取值不同。如图7和图8所示，本实施方式中的间距Δh分别为Δh₁～Δh₅，夹角θ为θ₁～θ₅。

在所述型模腔1-1径向或横向截面宽度大的区域，所述加载注入孔2-2的周向间距Δh大；在所述型模腔1-1径向或横向截面宽度小的区域，所述加载注入孔2-2的周向间距Δh小。在该实施例中，间距Δh设置为Δh₁>Δh₂>Δh₃>Δh₄>Δh₅。

优选的，在径向或横向上，相邻的两个加载注入孔2-2的径向夹角θ依次增大或减小，该实施例中将θ₁>θ₂>θ₃>θ₄>θ₅。

所述h₂的取值为h₂＝h₁-(3～50)mm，所述β取值小于α。其中，h₁为型模腔高度，α为型模腔水平截面内夹角。其他组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2、图3、图7和图8说明本实施方式，本实施方式为加载注入孔2-2的个数根据型模腔曲面形状1-1形状和零件壁厚决定，加载注入孔的个数为9～64个。他组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图7说明本实施方式，本实施方式为每个加载注入孔2-2的直径为每个加载注入孔2-2的直径大小根据所在位置确定，所述直径的取值范围为5mm～15mm。其他组成及连接关系与具体实施方式二相同。该实施例中将

具体实施方式五：结合图3～图5说明本实施方式，本实施方式为筒坯料由板坯料卷制而成，且两端应有一定的搭边量ΔL，所述搭边量ΔL＝f×L。搭边区域依据有利于非封闭筒坯料在环向较容易地向型模腔1-1变形流动确定，如正对型模腔1-1的反侧。其中，f为工艺搭边系数，取值范围为1.03～1.25，L为零件圆形截面周长。其他组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图6说明本实施方式，本实施方式为型模具有多个型模腔时，搭边区域的所在位置为多个型模腔所在区域的反侧，有利于非封闭筒坯料在环向较容易地向型模腔1-1变形流动。其他组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图3说明本实施方式，本实施方式为型模1与芯模2之间的间隙为δ，所述间隙δ大小根据搭边量ΔL设定，搭边量ΔL较大时，间隙δ应取值较大，所述间隙δ的取值为δ＝(1.5～3.0)t(t为筒坯料壁厚)。其他组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：结合图9说明本实施方式，本实施方式为粘性介质注入缸6采用模具钢加工，包括内缸6-1和外套6-2，内缸壁厚W，外套壁厚a×W，所述W取值范围为20mm～50mm，所述a取值范围为1.2～3.5，粘性介质注入缸6内孔直径为d，高度为H，所述直径d的取值范围为40mm～80mm，所述高度H的取值范围为200mm～600mm。其他组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图10说明本实施方式，本实施方式为所述粘性介质注入缸柱塞7端部具有宽度D的凹槽，以便降低柱塞与注入缸体之间的摩擦力，所述宽度D的取值范围为6mm～10mm。其他组成及连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式为成形介质密封圈5为YX型弹性材料密封圈。所述注入介质密封圈5-1为弹性金属或橡胶材料密封圈。其他组成及连接关系与具体实施方式九相同。

具体实施方式十一：结合图1和图11说明本实施方式，本实施方式为粘性介质注入压力由粘性介质加载动力源液压缸8加载力F控制，型模端部密封压力由型模端部密封加载动力源液压缸9加载力F′控制，在成形过程中F′随着F的增大而增大；为保证成形过程中筒坯料轴向和环向都可以向型腔补料，力F′与力F大小需要协调匹配，根据型模腔1-1的尺寸大小、不同材料的强度、不同搭边量以及不同分子量的粘性介质，选择a、b、c三种不同的关系曲线。其他组成及连接关系与具体实施方式十相同。

综上所述，通过不同位置加载注入孔2-2的直径、夹角和间距参数的不同设置，以及根据型模腔1-1的尺寸大小、不同材料的强度、不同搭边量以及不同分子量的粘性介质匹配对应的加载力曲线，获得稳定的非对称变径薄壁零件，成形质量稳定、效率高，对航空航天用薄壁件的制造提供了批量制造的加工装置。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置，装置包括型模(1)、芯模(2)、型模套筒(3)、成形介质密封圈(5)、粘性介质注入缸(6)、粘性介质加载动力源液压缸(8)、型模端部密封加载动力源液压缸(9)和成形过程控制系统，其特征在于：所述型模(1)为分瓣模，型模(1)内设有型模腔(1-1)，型模(1)置于型模套筒(3)内；所述芯模(2)置于型模(1)内部，非封闭筒坯料(4)置于型模(1)与芯模(2)之间，所述芯模(2)内设有与芯模(2)同轴的介质仓(2-1)，芯模(2)侧壁上设置多个加载注入孔(2-2)，多个所述加载注入孔(2-2)与型模腔(1-1)所在区域相对应，粘性介质通过多个所述加载注入孔(2-2)对筒坯料(4)加载压力；所述成形介质密封圈(5)设置在芯模(2)外壁上、下两端与非封闭筒坯料(4)之间；所述粘性介质注入缸(6)设置在型模(1)和芯模(2)底部，所述粘性介质注入缸(6)中心的柱塞腔与芯模(2)的介质仓(2-1)连通；所述柱塞(7)设置在粘性介质注入缸(6)中心位置的柱塞腔内，柱塞(7)的柱塞杆与粘性介质加载动力源液压缸(8)被驱动的连接并为粘性介质进行加载提供动力，所述粘性介质加载动力源液压缸(8)置于粘性介质注入缸(6)底部；所述型模端部密封加载动力源液压缸(9)置于型模(1)和芯模(2)顶部，为端部密封提供加载力。

2.根据权利要求1所述的一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置，其特征在于：所述型模腔(1-1)在型模(1)的内壁面上呈径向截面弧度角α、轴向高度h₁的区域内设置；多个所述加载注入孔(2-2)对应于所述型模腔(1-1)在所述芯模(2)的侧壁上呈径向截面弧度角β、轴向高度h₂的区域内设置，在径向截面上相邻两个所述加载注入孔(2-2)的径向夹角为θ，在轴向上相邻两个所述加载注入孔(2-2)的轴向间距为Δh；不同位置的加载注入孔(2-2)的轴向间距Δh和径向夹角θ取值不同；其中，h₂的取值为h₂＝h₁-(3～50)mm，β取值小于α。

3.根据权利要求2所述的一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置，其特征在于：所述加载注入孔(2-2)的个数根据型模腔(1-1)的曲面形状和零件壁厚决定。

4.根据权利要求2所述的一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置，其特征在于：每个所述加载注入孔(2-2)的直径为每个加载注入孔(2-2)的直径大小根据所在位置确定，直径的取值范围为5mm～15mm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置，其特征在于：非封闭的筒坯料(4)由板坯料卷制而成，且两端有一定的搭边量ΔL，所述搭边量ΔL＝f×L，其中f为工艺搭边参数，f＝1.03～1.25，L为零件径向截面周长，搭边区域利于非封闭筒坯料(4)在环向容易向型模腔(1-1)变形流动而设置。

6.根据权利要求5所述的一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置，其特征在于：所述型模(1)与芯模(2)之间的间隙为δ，间隙δ大小根据搭边量ΔL设定，搭边量ΔL与间隙δ正相关，且间隙δ的取值满足δ＝(1.5～3.0)t，其中t为筒坯料(4)的壁厚。

7.根据权利要求1-4或6任一项所述的一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置，其特征在于：所述粘性介质注入缸(6)采用模具钢加工，包括内缸(6-1)和外套(6-2)，内缸壁厚W，外套壁厚a×W，W取值范围为20mm～50mm，系数a取值范围为1.2～3.5，粘性介质注入缸(6)内孔直径为d，高度为H，直径d的取值范围为40mm～80mm，高度H的取值范围为200mm～600mm。

8.根据权利要求7所述的一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置，其特征在于：所述粘性介质注入缸(6)内的柱塞(7)端部具有宽度D的凹槽，所述凹槽用于降低柱塞(7)与注入缸体之间的摩擦力，凹槽的宽度D的取值范围为6mm～10mm。

9.根据权利要求1-4、6或8任一项所述的一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置，其特征在于：装置还包括注入介质密封圈(5-1)，所述注入介质密封圈(5-1)设置在所述粘性介质注入缸(6)的内缸(6-1)的上端面与所述芯模(2)的下端面之间；所述成形介质密封圈(5)为YX型弹性材料密封圈，所述注入介质密封圈(5-1)为O型弹性金属或橡胶材料密封圈。

10.根据权利要求9所述的一种非对称变径薄壁零件环向流动成形装置，其特征在于：在所述成形过程控制系统的控制下，所述粘性介质注入压力由粘性介质加载动力源液压缸(8)加载力F控制，型模端部密封压力由型模端部密封加载动力源液压缸(9)加载力F′控制，在成形过程中F′随着F的增大而增大，力F′与力F大小需要协调匹配，并根据型模腔(1-1)的尺寸大小、不同材料的强度、不同搭边量以及不同分子量的粘性介质选择不同的关系曲线，以保证成形过程中筒坯料(4)轴向和环向都可以向型腔补料。