CN109940119A - 一种用于薄壁筒形件的内外表面交叉筋热成型工艺和模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于薄壁筒形件的内外表面交叉筋热成型工艺和模具，本发明通过两种方式实现高温径向旋挤成形工艺，对比常温下的径向旋挤成形，可以实现对于薄壁筒形结构件双面任意交叉高筋特征一体化成形的目标。本发明的模具包括用作于承载构件的外模，在所述外模的内部内嵌有内膜，在所述内膜的内部设有若干加热电阻，在加热电阻的内侧设置有片模，薄壁筒形件安装在片模内，在片模的内外壁上设有交叉筋凹模，交叉筋凹模用于在薄壁筒形件的内外壁上形成交叉筋。

Description

一种用于薄壁筒形件的内外表面交叉筋热成型工艺和模具

技术领域

本发明涉及金属热成型领域，具体地说，特别涉及到一种用于薄壁筒形件的内外表面交叉筋热成型工艺和模具。

背景技术

目前通过环轧技术能够在结构件外壁上成形出环筋特征，其方法主要是通过碾环机带动主动辊旋转和下压，实现坯料连续增量塑性成形，原理是将普通主动辊和被动辊换成带有环筋特征的轧辊，在初始阶段控制材料周向流动使整个环件直径增大，当环件外壁与被动辊接触后，坯料变形区金属径向流动将占据主导，材料会流向环筋位置，从而形成圆筒坯料外壁的环筋特征。

这种工艺的缺陷在于：

1)只适合于壁厚较厚，径厚比较小的厚壁结构件，无法在薄壁结构件上成形出环筋特征。若结构件的壁厚很薄，在环轧过程中，三向受力不均匀会严重影响结构件的尺寸精度，尤其是壁厚均匀性和圆度。

2)成形出环筋特征为单一筋，难以成形出交叉筋。因为交叉筋与单一筋相比，坯料变形区金属的三向流动规律将更加难以预测，并且成形过程的机理将更加复杂，相应的环轧参数也会随之变化。

另外，在环轧过程中，纵筋在成形过程中将会面临重叠问题，由于坯料直径与轧辊直径不同，因此很难保证筒形结构件纵筋的重复性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种用于薄壁筒形件的内外面交叉筋热成型工艺及其模具，可在薄壁筒形件的内外表面形成交叉筋，从而解决了现有技术中存在的问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种用于薄壁筒形件的内外表面交叉筋热成型工艺，包括如下步骤：

1)组装径向旋挤模具，将薄壁筒形件安装到径向旋挤模具的内部，然后进行隔热处理，在径向旋挤模具的内外表面形成隔热涂层；

2)将胚料灌注至径向旋挤模具内部，并将径向旋挤模具安装到碾环机的芯轴上，通过设置在径向旋挤模具内部的加热电阻进行加热，待温度达到目标温度时，停止加热；

3)启动碾环机，依靠碾轮的转动和下压实现的多道次径向旋挤成形；当温度低于250℃时，关闭碾环机，通过加热电阻将温度再次加热到目标温度；

4)重复步骤，直至进给量累积达到目标厚度。

进一步的，所述隔热处理的工艺为：采用高压喷枪对径向旋挤模具进行喷涂，直至在径向旋挤模具的内外表面和片模的内表面形成厚度为0.5mm的隔热涂层，喷涂完毕后放置48小时固化。

进一步的，所述径向旋挤模具包括用作于承载构件的外模，在所述外模的内部内嵌有内膜，在所述内膜的内部设有若干加热电阻，在加热电阻的内侧设置有片模，薄壁筒形件安装在片模内，在片模的内外壁上设有交叉筋凹模，交叉筋凹模用于在薄壁筒形件的内外壁上形成交叉筋。

进一步的，所述片模包括若干组外片模和内片模，在每组片模的内内模上设有一加热电阻。

一种用于薄壁筒形件的内外表面交叉筋热成型工艺，包括如下步骤：

1)组装径向旋挤模具，将薄壁筒形件安装到径向旋挤模具的内部，将胚料灌注至径向旋挤模具内部，并将径向旋挤模具安装到碾环机的芯轴上，然后将开口感应加热器安装到径向旋挤模具的下方；

2)启动开口感应加热器，对径向旋挤模具进行预热；

3)启动碾环机，通过碾轮的转动带动径向旋挤模具旋转，保证径向旋挤模具受热均匀；

4)当温度达到目标温度时，碾轮开始下压，依靠碾轮的转动和下压实现多道次径向旋挤成形，并实时监控径向旋挤模具内的温度，保证工件温度维持在目标温度，直至进给量累积达到目标厚度。

进一步的，所述径向旋挤模具包括用作于承载构件的外模，在所述外模的内部内嵌有内膜，在内模的内侧设置有片模，薄壁筒形件安装在片模内，在片模的内外壁上设有交叉筋凹模，交叉筋凹模用于在薄壁筒形件的内外壁上形成交叉筋，在径向旋挤模具的下方设置有开口感应加热器，开口感应加热器通过恒温控制箱控制温度。

进一步的，所述内膜采用分体式结构，内膜包括底座和四片分模，内膜通过底座和四片分模构成的L形结构与外模装配。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

通过两种方式实现高温径向旋挤成形工艺，对比常温下的径向旋挤成形，可以实现对于薄壁筒形结构件双面任意交叉高筋特征一体化成形的目标；

本发明采用两套不同的径向旋挤模具，分别对应两种高温成形工艺，能够很好的解决重筋和薄壁结构件成形易造成几何缺陷问题。

本发明结构设计精炼，体积和占地面积较小，设备制造、运输、安装、调试等过程方便，制造维护成本较低。

附图说明

图1为本发明第一种成形工艺示意图；

图2位本发明第二种成形工艺示意图；

图3为本发明循环加热仿真温度场分布示意图；

图4为本发明循环加热温升曲线；

图5为本发明隔热材料温度测试曲线；

图6为本发明双面交叉直筋薄壁筒形件；

图7为本发明双面交叉斜筋薄壁筒形件；

图中：1.碾轮；2.隔热涂层；3.片模；4.分体内模；5.外模；6.芯轴；7.加热电阻；8.筒形结构件；9.径向旋挤模具；10.半开口感应加热器；11.恒温控制箱。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1

如图1所示，为本发明第一种成形工艺，图中所示主要结构为径向旋挤模具，该模具主要分为四部分，最外侧为整体式的外模5，也是主要的承载构件，分体内模4内嵌在外模5内部，两者以L型方式装配；分体内模4由底座和四片分模组成，这种结构能够确保试验结束后脱模便利；加热电阻7均匀分布在分体内模四周，12根加热电阻在圆周以30度角度间隔分布，并且每一个加热电阻对应一对带有交叉筋特征的片模3；筒形结构件8则安装在片模3中间，其外直径与片模3内直径相同，都为200mm；片模3由内外片模组成，内片模外壁带有任意交叉筋特征，用于成形筒形件内壁交叉筋特征，外片模内壁带有任意交叉筋特征，用于成形筒形件外壁交叉高筋特征，目标零件如图6所示，筋高5mm，筋宽3mm，壁厚6mm。

为了确保在加热过程中温度均匀分布，在ABAQUS建模进行温度场仿真，12根加热电阻温度设定为400℃，如图3所示，可以看到整个筒形结构件内壁上温度分布比较均匀，从结果中提取筒形结构件内部温度分布曲线，如图4所示，可以看到温度随时间逐渐升高并最终达到稳态，稳态温度为300℃，能够达到试验所需温度；加热电阻为分体式结构，即连接线与主体可分离，直径8mm，长度100mm，功率选取600W。

径向旋挤模具组装完毕后，对整个模具进行隔热处理，按照试验温度和材料特性，选取了一种名为ZS-1耐高温隔热保温涂料的隔热涂层，并测试了其隔热性能，在样件表面均匀喷涂0.5mm厚涂层，测得其升温曲线，如图5所示，可以看出该材料隔热性能优良；试验方法是利用高压喷枪对整个模具进行喷涂，包括模具四周和片模3内表面，喷涂厚度为0.5mm，喷涂完毕后放置48小时，待完全固化后进行下一步试验。

整个模具将借助试验设备立式碾环机进行试验，设备最大载荷为30t；如图1所示，将这个模具安装到芯轴上，芯轴直径按照模具尺寸进行订制，中间直径为100mm；模具安装完毕后，对模具进行加热，并实时监测筒形结构件温度变化，待温度达到300℃时，停止加热，将加热电阻7的连接线拔除；开启设备，设定碾轮转速为1rpm，单道次压下量为0.05mm，依靠碾轮的转动和下压实现筒形结构件的多道次径向旋挤成形；当温度低于250℃时，停止设备进行加热，重复该步骤直到进给量累积达到3mm，实验结束。

实施例2

如图2所示，为本发明第二种成形工艺，图中所示主要结构为径向旋挤模具9，半开口感应加热器10，PID恒温控制箱11。其中径向旋挤模具9与第一种工艺中最大区别为无需使用内置型加热电阻，则内部分体内模4取消加热电阻预制孔，其结构也采用底座与四片分模组合，这种结构能够确保试验结束后脱模便利；最外侧为整体式的外模5，也是主要的承载构件；分体内模4内嵌在外模5内部，两者以L型方式装配；筒形结构件8安装在片模3中间，其外直径与片模内3直径相同，都为200mm；该径向旋挤模具9安装在碾环机芯轴6上，配合碾轮1进行径向旋挤成形；考虑到在成形过程中，整个模具都处在旋转受力状态下，因此设计出半开口感应加热器10，能够实现在旋转过程中持续加热，下方的PID恒温控制箱11则采用PID闭环控制系统，保证成形温度恒定在400℃；目标零件如图7所示，该零件交叉筋为斜45°，两条加强筋以90°相交，筋宽为3mm，筋高为5mm。

径向旋挤模具安装完成后，将这个模具安装到芯轴上，并将半开口感应加热器10安装到模具外侧，调整与模具间的距离，保证间隙在20mm以内，开启半开口感应加热器10，将功率调整至15kw，目标温度设定为400℃，对模具进行预热，并通过温控系统实时检测工件温度，开启设备，设定碾轮转速为0.5rpm，此时碾轮无压下量，保证模具旋转即可，目的是使模具在旋转过程中能够均匀受热，当工件温度到达400℃时碾轮开始下压，单道次压下量为0.05mm，依靠碾轮的转动和下压实现筒形结构件恒定高温下多道次径向旋挤成形，并实时监控型腔内工件温度，保证工件温度维持在400℃，当累积进给量达到3mm时，实验结束。

实验结果表明，本发明双面任意交叉高筋特征薄壁结构件一体化成形工艺可以在高温下有效实现薄壁筒形结构件的双面交叉高筋特征成形的功能，该加工工艺能够突破传统薄壁结构件上高筋和交叉筋难以成形的局限性，结合高温成形手段，高温降低材料的屈服应力，再结晶消除加工硬化，并结合径向旋挤工艺，利用闭式径向旋挤模具，最终能够很好的加工出双面交叉高筋特征薄壁结构件；另一方面可以有效减小设备的占地空间，运输、安装、调试等过程更加方便，制造维护成本低廉。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种用于薄壁筒形件的内外表面交叉筋热成型工艺，其特征在于，包括如下步骤：

1)组装径向旋挤模具，将薄壁筒形件(8)安装到径向旋挤模具的内部，然后进行隔热处理，在径向旋挤模具的内外表面形成隔热涂层(2)；

2)将胚料灌注至径向旋挤模具内部，并将径向旋挤模具安装到碾环机的芯轴(6)上，通过设置在径向旋挤模具内部的加热电阻(7)进行加热，待温度达到目标温度时，停止加热；

3)启动碾环机，依靠碾轮(1)的转动和下压实现的多道次径向旋挤成形；当温度低于250℃时，关闭碾环机，通过加热电阻将温度再次加热到目标温度；

4)重复步骤3)，直至进给量累积达到目标厚度。

2.根据权利要求1所述的用于薄壁筒形件的内外表面交叉筋热成型工艺，其特征在于，所述隔热处理的工艺为：采用高压喷枪对径向旋挤模具进行喷涂，直至在径向旋挤模具的内外表面和片模(3)的内表面形成厚度为0.5mm的隔热涂层(2)，喷涂完毕后放置48小时固化。

3.根据权利要求1所述的用于薄壁筒形件的内外表面交叉筋热成型工艺，其特征在于，所述径向旋挤模具包括用作于承载构件的外模(5)，在所述外模(5)的内部内嵌有内膜(4)，在所述内膜(4)的内部设有若干加热电阻(7)，在加热电阻(7)的内侧设置有片模(3)，薄壁筒形件(8)安装在片模(3)内，在片模(3)的内外壁上设有交叉筋凹模(31)，交叉筋凹模(31)用于在薄壁筒形件(8)的内外壁上形成交叉筋。

4.根据权利要求1所述的用于薄壁筒形件的内外表面交叉筋热成型工艺，其特征在于，所述片模(3)包括若干组外片模和内片模，在每组片模(3)的内片模上设有一加热电阻(7)。

5.一种用于薄壁筒形件的内外表面交叉筋热成型工艺，其特征在于，包括如下步骤：

1)组装径向旋挤模具，将薄壁筒形件(8)安装到径向旋挤模具的内部，将胚料灌注至径向旋挤模具内部，并将径向旋挤模具安装到碾环机的芯轴(6)上，然后将开口感应加热器(10)安装到径向旋挤模具的下方；

2)启动开口感应加热器(10)，对径向旋挤模具进行预热；

3)启动碾环机，通过碾轮(1)的转动带动径向旋挤模具旋转，保证径向旋挤模具受热均匀；

4)当温度达到目标温度时，碾轮(1)开始下压，依靠碾轮(1)的转动和下压实现多道次径向旋挤成形，并实时监控径向旋挤模具内的温度，保证工件温度维持在目标温度，直至进给量累积达到目标厚度。

6.根据权利要求5所述的用于薄壁筒形件的内外表面交叉筋热成型工艺，其特征在于，所述径向旋挤模具包括用作于承载构件的外模(5)，在所述外模(5)的内部内嵌有内膜(4)，在内膜(4)的内侧设置有片模(3)，薄壁筒形件(8)安装在片模(3)内，在片模(3)的内外壁上设有交叉筋凹模(31)，交叉筋凹模(31)用于在薄壁筒形件(8)的内外壁上形成交叉筋，在径向旋挤模具的下方设置有开口感应加热器(10)，开口感应加热器(10)通过恒温控制箱控制温度。

7.根据权利要求3或6所述的用于薄壁筒形件的内外表面交叉筋热成型工艺，其特征在于，所述内膜(4)采用分体式结构，内膜(4)包括底座和四片分模，内膜(4)通过底座和四片分模构成的L形结构与外模(5)装配。