CN110773879A - 一种金属镂空结构预制空位成形装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属镂空结构预制空位成形装置及其方法，它涉及一种成形装置及成形方法。本发明的目的是要解决传统的塑性成形方法主要以完整板材作为对象，减重幅度受到限制，不能满足轻量化结构的要求的问题。一种金属镂空结构预制空位成形装置包括上压块、压力弹簧、两个导柱、凸模、两个压边块和凹模。当制备镂空板的板材为铝合金或不锈钢时方法为：一、制备镂空板；二、放置镂空板；三、施加压力。当制备镂空板的板材材质为钛合金、镁合金、高温合金或金属间化合物时方法为：一、制备镂空板；二、放置镂空板；三、加热至Tm并施加压力。本发明可获得三维曲面镂空结构。

Description

一种金属镂空结构预制空位成形装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种成形装置及成形方法。
背景技术
随着各行各业节能减排的需求日益迫切，对金属结构件轻量化方面的要求越来越高，传统的通过完整板材成形获得轻量化结构的方法已逐渐无法满足需求。在保证刚度、强度的基础上，如何减少重量，已成为目前结构件塑性成形发展的重要方向。传统的塑性成形方法主要以完整板材作为对象，减重幅度受到限制，如果直接通过原始坯料减重，则可以大幅提高构件的轻量化指标，对于塑性成形领域结构件的发展具有重要的推动作用。
发明内容
本发明的目的是要解决传统的塑性成形方法主要以完整板材作为对象，减重幅度受到限制，不能满足轻量化结构的要求的问题，而提供一种金属镂空结构预制空位成形装置及其方法。
一种金属镂空结构预制空位成形装置包括上压块、压力弹簧、两个导柱、凸模、两个压边块和凹模；
所述的上压块的两端分别与两个导柱滑动连接，两个导柱的底端通过螺栓与凹模固定连接；上压块和凹模之间设有两个压边块，压边块与导柱滑动连接；
所述的凸模的上端面与上压块的下端面固定连接，上压块与压边块之间的导柱的外表面设有压力弹簧，镂空板置于凹模与两个压边块形成的空隙中。
当制备镂空板的板材为铝合金或不锈钢时，一种金属镂空结构预制空位成形方法是按以下步骤完成的：
一、制备镂空板：
通过激光切割、线切割或水切割的加工方法在板材的中间区域预制镂空形状，得到镂空板；
步骤一中所述的镂空板上具有镂空形状的部分为变形区，其余部分为压边区；
二、将镂空板置于凹模与两个压边块形成的空隙中，镂空板的压边区与凹模及压边块相接触；
三、利用压力机向上压块施加压力，上压块带动凸模向下移动，凸模挤压镂空板的变形区进入到凹模中，得到三维曲面镂空结构，即完成一种金属镂空结构预制空位成形方法。
当制备镂空板的板材材质为钛合金、镁合金、高温合金或金属间化合物时，一种金属镂空结构预制空位成形方法是按以下步骤完成的：
一、制备镂空板：
通过激光切割、线切割或水切割的加工方法在板材的中间区域预制镂空形状，得到镂空板；
步骤一中所述的镂空板上具有镂空形状的部分为变形区，其余部分为压边区；
二、将镂空板置于凹模与两个压边块形成的空隙中，镂空板的压边区与凹模及压边块相接触，将镂空板加热至0.3Tm～0.6Tm，Tm为熔点；
三、利用压力机向上压块施加压力，上压块带动凸模向下移动，凸模挤压温度为0.3Tm～0.6Tm的镂空板的变形区进入到凹模型腔中，得到三维曲面镂空结构，即完成一种金属镂空结构预制空位成形方法。
本发明的优点：
一、本发明提出一种金属镂空结构预制空位成形方法，主要通过切割方法在原始坯料上面预制空位，然后通过模具塑性成形的方法获得三维曲面镂空结构，本发明不仅可以一次性成形出三维曲面镂空结构，提高刚度，而且可以大幅提高材料使用率，降低成本，是一种典型的省材成形方法；
二、通过本发明的方法得到的三维曲面镂空结构的刚度K值可达到相同材质、相同重量、相同形状的完整零件的1.5～4.5倍；
三、镂空板坯料的原始孔隙率为25％，经过本发明的方法制备得到的三维曲面镂空结构的孔隙率可达到55％以上。
本发明可获得三维曲面镂空结构。
附图说明
图1为实施例一所述的一种金属镂空结构预制空位成形装置的结构示意图；
图2为实施例二中所述的镂空板的示意图，图中1为变形区，2为压边区；
图3为实施例二利用实施例一的金属镂空结构预制空位成形装置得到的三维曲面镂空结构的数码照片图；
图4为实施例三中所述的镂空板的示意图，图中1为变形区，2为压边区；
图5为实施例三利用实施例一的金属镂空结构预制空位成形装置得到的三维曲面镂空结构的数码照片图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种金属镂空结构预制空位成形装置包括上压块2、压力弹簧3、两个导柱4、凸模5、两个压边块6和凹模7；
所述的上压块2的两端分别与两个导柱4滑动连接，两个导柱4的底端通过螺栓与凹模7固定连接；上压块2和凹模7之间设有两个压边块6，压边块6与导柱4滑动连接；
所述的凸模5的上端面与上压块2的下端面固定连接，上压块2与压边块6之间的导柱4的外表面设有压力弹簧3，镂空板1置于凹模7与两个压边块6形成的空隙中。
本实施方式中上压块2可以在压力作用下上下运动，从而达到成形的目的；
本实施方式中压力弹簧3的主要作用是在上压块2向下运动时对压边块6施加压力，压力弹簧3固定在导柱4上；
本实施方式中导柱4的主要作用是保证凸模5与凹模7型腔对中；
本实施方式中凸模5的主要作用是成形三维镂空曲面结构，凸模5通过螺栓固定在上压块2上；
本实施方式中压边块6的主要作用是固定镂空板压边区，防止其移动；
本实施方式中凹模7的主要作用是获得三维曲面形状。
具体实施方式二：本实施方式是当制备镂空板的板材为铝合金或不锈钢时，一种金属镂空结构预制空位成形方法是按以下步骤完成的：
一、制备镂空板：
通过激光切割、线切割或水切割的加工方法在板材的中间区域预制镂空形状，得到镂空板；
步骤一中所述的镂空板上具有镂空形状的部分为变形区，其余部分为压边区；
二、将镂空板1置于凹模7与两个压边块6形成的空隙中，镂空板1的压边区与凹模7及压边块6相接触；
三、利用压力机向上压块2施加压力，上压块2带动凸模5向下移动，凸模5挤压镂空板1的变形区进入到凹模7中，得到三维曲面镂空结构，即完成一种金属镂空结构预制空位成形方法。
本实施方式的优点：
一、本实施方式提出一种金属镂空结构预制空位成形方法，主要通过切割方法在原始坯料上面预制空位，然后通过模具塑性成形的方法获得三维曲面镂空结构，本实施方式不仅可以一次性成形出三维曲面镂空结构，提高刚度，而且可以大幅提高材料使用率，降低成本，是一种典型的省材成形方法；
二、通过本实施方式的方法得到的三维曲面镂空结构的刚度K值可达到相同材质、相同重量、相同形状的完整零件的1.5～4.5倍；
三、镂空板坯料的原始孔隙率为25％，经过本实施方式的方法制备得到的三维曲面镂空结构的孔隙率可达到55％以上。
本实施方式可获得三维曲面镂空结构。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二的不同点是：所述的铝合金为5083铝合金、7075铝合金、2195铝锂合金、5083铝合金或5A90铝锂合金。其它步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式是当制备镂空板的板材材质为钛合金、镁合金、高温合金或金属间化合物时，一种金属镂空结构预制空位成形方法是按以下步骤完成的：
一、制备镂空板：
通过激光切割、线切割或水切割的加工方法在板材的中间区域预制镂空形状，得到镂空板；
步骤一中所述的镂空板上具有镂空形状的部分为变形区，其余部分为压边区；
二、将镂空板1置于凹模7与两个压边块6形成的空隙中，镂空板1的压边区与凹模7及压边块6相接触，将镂空板加热至0.3Tm～0.6Tm，Tm为熔点；
三、利用压力机向上压块2施加压力，上压块2带动凸模5向下移动，凸模5挤压温度为0.3Tm～0.6Tm的镂空板1的变形区进入到凹模7型腔中，得到三维曲面镂空结构，即完成一种金属镂空结构预制空位成形方法。
本实施方式的优点：
一、本实施方式提出一种金属镂空结构预制空位成形方法，主要通过切割方法在原始坯料上面预制空位，然后通过模具塑性成形的方法获得三维曲面镂空结构，本实施方式不仅可以一次性成形出三维曲面镂空结构，提高刚度，而且可以大幅提高材料使用率，降低成本，是一种典型的省材成形方法；
二、通过本实施方式的方法得到的三维曲面镂空结构的刚度K值可达到相同材质、相同重量、相同形状的完整零件的1.5～4.5倍；
三、镂空板坯料的原始孔隙率为25％，经过本实施方式的方法制备得到的三维曲面镂空结构的孔隙率可达到55％以上。
本实施方式可获得三维曲面镂空结构。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四的不同点是：所述的钛合金为TC4、TA15、Ti55或Ti60。其它步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四至五之一不同点是：所述的镁合金为AZ31、LZ91或Mg-Gd-Y-Zn稀土镁合金。其它步骤与具体实施方式四至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同点是：所述的高温合金为GH4169或GH99。其它步骤与具体实施方式四至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同点是：所述的金属间化合物为TiAl或Ti2AlNb。其它步骤与具体实施方式四至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同点是：步骤一中所述的板材的厚度为3mm～10mm。其它步骤与具体实施方式四至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同点是：步骤一中所述的镂空板的孔隙率为25％～30％。其它步骤与具体实施方式四至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种金属镂空结构预制空位成形装置包括上压块2、压力弹簧3、两个导柱4、凸模5、两个压边块6和凹模7；
所述的上压块2的两端分别与两个导柱4滑动连接，两个导柱4的底端通过螺栓与凹模7固定连接；上压块2和凹模7之间设有两个压边块6，压边块6与导柱4滑动连接；
所述的凸模5的上端面与上压块2的下端面固定连接，上压块2与压边块6之间的导柱4的外表面设有压力弹簧3，镂空板1置于凹模7与两个压边块6形成的空隙中。
图1为实施例一所述的一种金属镂空结构预制空位成形装置的结构示意图；
实施例二：当制备镂空板的板材为5083铝合金时，利用实施例一的金属镂空结构预制空位成形装置制备的三维曲面镂空结构是按以下步骤完成的：
一、制备镂空板：
通过激光切割的加工方法在板材的中间区域预制镂空形状，得到镂空板；
步骤一中所述的镂空板上具有镂空形状的部分为变形区，其余部分为压边区；
步骤一中所述的板材的厚度为5mm；
步骤一中所述的镂空板的原始孔隙率为25％；
二、将镂空板1置于凹模7与两个压边块6形成的空隙中，镂空板1的压边区与凹模7及压边块6相接触；
三、利用压力机向上压块2施加压力，上压块2带动凸模5向下移动，凸模5挤压镂空板1的变形区进入到凹模7中，得到三维曲面镂空结构，即完成一种金属镂空结构预制空位成形方法。
实施例二步骤一中所述的板材的力学性能为抗拉强度220MPa，镂空板的体积减小25％，材料本身的力学性能不变；实施例二步骤三得到的三维曲面镂空结构的刚度K值是相同材质、相同重量、相同形状的完整零件的4倍。
图2为实施例二中所述的镂空板的示意图，图中1为变形区，2为压边区；
图3为实施例二利用实施例一的金属镂空结构预制空位成形装置得到的三维曲面镂空结构的数码照片图。
实施例二得到的三维曲面镂空结构的孔隙率为65％。
实施例三：当制备镂空板的板材为TC4铝合金时，利用实施例一的金属镂空结构预制空位成形装置制备的三维曲面镂空结构是按以下步骤完成的：
一、制备镂空板：
通过激光切割在板材的中间区域预制镂空形状，得到镂空板；
步骤一中所述的镂空板上具有镂空形状的部分为变形区，其余部分为压边区；
步骤一中所述的板材的厚度为6mm；
步骤一中所述的镂空板的原始孔隙率为30％；
二、将镂空板1置于凹模7与两个压边块6形成的空隙中，镂空板1的压边区与凹模7及压边块6相接触，将镂空板加热至0.5Tm；
三、利用压力机向上压块2施加压力，上压块2带动凸模5向下移动，凸模5挤压温度为0.5Tm的镂空板1的变形区进入到凹模7型腔中，得到三维曲面镂空结构，即完成一种金属镂空结构预制空位成形方法。
实施例三中步骤一中所述的板材的力学性能为220MPa，镂空板的体积减小25％，材料本身的力学性能不变；实施例三步骤三得到的三维曲面镂空结构刚度K值是相同材质、相同重量、相同形状的完整零件的4.5倍。
图4为实施例三中所述的镂空板的示意图，图中1为变形区，2为压边区；
图5为实施例三利用实施例一的金属镂空结构预制空位成形装置得到的三维曲面镂空结构的数码照片图。
实施例三得到的三维曲面镂空结构的孔隙率为55％。

Claims (10)

1.一种金属镂空结构预制空位成形装置，其特征在于一种金属镂空结构预制空位成形装置包括上压块(2)、压力弹簧(3)、两个导柱(4)、凸模(5)、两个压边块(6)和凹模(7)；
所述的上压块(2)的两端分别与两个导柱(4)滑动连接，两个导柱(4)的底端通过螺栓与凹模(7)固定连接；上压块(2)和凹模(7)之间设有两个压边块(6)，压边块(6)与导柱(4)滑动连接；
所述的凸模(5)的上端面与上压块(2)的下端面固定连接，上压块(2)与压边块(6)之间的导柱(4)的外表面设有压力弹簧(3)，镂空板置于凹模(7)与两个压边块(6)形成的空隙中。
2.一种金属镂空结构预制空位成形方法，其特征在于当制备镂空板的板材为铝合金或不锈钢时，一种金属镂空结构预制空位成形方法是按以下步骤完成的：
一、制备镂空板：
通过激光切割、线切割或水切割的加工方法在板材的中间区域预制镂空形状，得到镂空板；
步骤一中所述的镂空板上具有镂空形状的部分为变形区，其余部分为压边区；
二、将镂空板置于凹模(7)与两个压边块(6)形成的空隙中，镂空板的压边区与凹模(7)及压边块(6)相接触；
三、利用压力机向上压块(2)施加压力，上压块(2)带动凸模(5)向下移动，凸模(5)挤压镂空板的变形区进入到凹模(7)中，得到三维曲面镂空结构，即完成一种金属镂空结构预制空位成形方法。
3.根据权利要求2所述的一种金属镂空结构预制空位成形方法，其特征在于所述的铝合金为5083铝合金、7075铝合金、2195铝锂合金、5083铝合金或5A90铝锂合金。
4.一种金属镂空结构预制空位成形方法，其特征在于当制备镂空板的板材材质为钛合金、镁合金、高温合金或金属间化合物时，一种金属镂空结构预制空位成形方法是按以下步骤完成的：
一、制备镂空板：
通过激光切割、线切割或水切割的加工方法在板材的中间区域预制镂空形状，得到镂空板；
步骤一中所述的镂空板上具有镂空形状的部分为变形区，其余部分为压边区；
二、将镂空板置于凹模(7)与两个压边块(6)形成的空隙中，镂空板的压边区与凹模(7)及压边块(6)相接触，将镂空板加热至0.3Tm～0.6Tm，Tm为熔点；
三、利用压力机向上压块(2)施加压力，上压块(2)带动凸模(5)向下移动，凸模(5)挤压温度为0.3Tm～0.6Tm的镂空板的变形区进入到凹模(7)型腔中，得到三维曲面镂空结构，即完成一种金属镂空结构预制空位成形方法。
5.根据权利要求4所述的一种金属镂空结构预制空位成形方法，其特征在于所述的钛合金为TC4、TA15、Ti55或Ti60。
6.根据权利要求4所述的一种金属镂空结构预制空位成形方法，其特征在于所述的镁合金为AZ31、LZ91或Mg-Gd-Y-Zn稀土镁合金。
7.根据权利要求4所述的一种金属镂空结构预制空位成形方法，其特征在于所述的高温合金为GH4169或GH99。
8.根据权利要求4所述的一种金属镂空结构预制空位成形方法，其特征在于所述的金属间化合物为TiAl或Ti2AlNb。
9.根据权利要求4所述的一种金属镂空结构预制空位成形方法，其特征在于步骤一中所述的板材的厚度为3mm～10mm。
10.根据权利要求4所述的一种金属镂空结构预制空位成形方法，其特征在于步骤一中所述的镂空板的孔隙率为25％～30％。
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