CN110773954B

CN110773954B - 一种变壁厚双鼓形回转体筒形构件成形的方法

Info

Publication number: CN110773954B
Application number: CN201910981418.8A
Authority: CN
Inventors: 李国俊; 吴昂; 赵熹; 张治民; 王强; 张慧芳; 程眉; 郭睿; 高畅
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2039-10-16
Also published as: CN110773954A

Abstract

本发明涉及一种变壁厚双鼓形回转体筒形构件成形的方法，它属于金属塑性加工技术领域。本发明主要是解决现有双鼓形构件的加工方法存在的成形难、性能低和工艺繁琐的技术问题。本发明采用的技术方案是：一种变壁厚双鼓形回转体筒形构件成形的方法，其所述成形步骤为：1)反挤压成形变壁厚杯形件；2)将变壁厚杯件放入一次缩口模具中进行第一次缩口；3)将步骤2)成形的缩口工件放入二次缩口模具中成形下部为第一鼓肚的二次缩口工件；4)三次缩口及钢砂胀形：将钢砂装入二次缩口工件的型腔中，并将二次缩口工件放入三次缩口模具中，成形为变壁厚双鼓形回转体筒形构件。

Description

一种变壁厚双鼓形回转体筒形构件成形的方法

技术领域

本发明涉及一种变壁厚双鼓形回转体筒形构件成形的方法，它属于金属塑性加工技术领域。

背景技术

变壁厚双鼓形构件如图1所示，其上下有两个鼓肚，“腰部”直径小于鼓肚直径，形成“肚大口小”的特殊外形。图中轴向最大高度为h，最大直径为d，变壁厚为t，且不同高度的壁厚均不相同。传统工艺成形该种双鼓形且“肚大口小”类构件常采用以下工艺：

1)、机加工：选取直径D>d且高度H>h的棒料，根据最大包容原则通过将棒料机加工方式完成。缺点：①材料利用率很低，不足10％；②机加工后的产品性能未得到提升，与原始棒料性能相同；③机加工难度大，且效率低下，不适合大批量生产。

2)冲压胀形：采用冲压胀形成形双鼓形构件的工艺流程(见图2)为：等厚薄板等体积下料→拉伸杯形件→添加胀形介质冲压成形。缺点：①胀形极限系数K₁＝0.78值(d₂/d₁应大于0.78)，即d₁与d₂的差值不能太大；②冲压成形板材为等厚度坯料，即冲压胀形后的双鼓形构件壁厚也相等，若要成形变壁厚构件则需再进行机加工，工序繁琐；③若胀形所用的介质为油或水，特别是对于较难成形的构件，装置复杂且成本较高，对模具的精度也有更高的要求，否则会使胀形介质跑、冒、滴、漏严重，影响最终成形；④若采用聚氨酯作为冲压胀形介质，介质不耐高温，且胀形系数大于0.78(d₂/d₁)，局限性大；⑤胀形介质不能循环使用；⑥胀形设备对成形时的胀形压力有最高限制为25MPa，若成形壁厚较厚，体积较大的双鼓形构件时胀形压力不够大会导致侧壁失稳，影响成形质量，且到达设备压力极限时会对设备造成不可逆的损坏，风险较高。

3)铸造成形：采用铸造的方法虽成形精度高，模具简单，但在铸造过程中产生的缺陷也较多，例如疏松、气孔、裂纹和夹砂等，且铸造成形的构件性能较低，不适合应用于对强度要求较高的环境以及对组织晶粒度有较高要求的条件；铸造缺陷也会成为构件服役过程中裂纹、疲劳的萌生源，使用安全系数较低。

发明内容

本发明的目的是解决现有双鼓形构件的加工方法存在的成形难、性能低和工艺繁琐的技术问题，提供一种变壁厚双鼓形回转体筒形构件成形的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种变壁厚双鼓形回转体筒形构件成形的方法，其所述成形步骤为：

1)反挤压成形变壁厚杯形件：将棒料加热后，装入反挤压模具的凹模中，反挤压模具的凸模下行，将棒料反挤压成形变壁厚杯形件；

2)对变壁厚杯件进行第一次缩口：将步骤1)成形的变壁厚杯形件放入一次缩口模具下方并对中，一次缩口模下行，使杯形件上端部直径缩小，直至缩口到设计尺寸，成形为肚大口小的缩口工件，缩口系数D₁/D₂＝0.5～0.6。式中：D₁为缩口完成后口部直径，D₂为原始杯形件直径；

3)成形下部为第一鼓肚的二次缩口工件：将步骤2)成形的缩口工件放入二次缩口模具下方对中，二次缩口模下行，使缩口工件腰部直径缩小，成形下部为第一个鼓肚的二次缩口工件，胀形系数K₁＝0.3～0.4；

4)三次缩口及钢砂胀形：将钢砂装入二次缩口工件的型腔中，并将三次缩口模具的分体凹模设在缩口工件的外围，然后将应力圈套在分体凹模的外面，接着与三次缩口模对中，三次缩口模下行，设置在三次缩口模中心的可调式芯棒压入钢砂中，钢砂充满型腔，使二次缩口工件成形为变壁厚双鼓形回转体筒形构件。

进一步地，所述反挤压模具由上模板、下模板、反挤压凸模、反挤压凹模、应力圈和垫板组成，所述反挤压凸模设在上模板的底面上，所述反挤压凹模设在下模板上表面的中部，所述垫板设在反挤压凹模的底部并位于下模板上，所述应力圈套在反挤压凹模的外围。

进一步地，所述一次缩口模具由一次缩口上模板、一次缩口模、卸料杆、打杆和下平板组成，所述一次缩口模设在一次缩口上模板的底面上，所述卸料杆设在一次缩口模中间设置的卸料杆孔中且能上下运动，所述打杆装在一次缩口模侧面上部设置的打杆孔中其端部与卸料杆上端设置的锥面相接触，所述下平板设在一次缩口模的下方。

进一步地，所述二次缩口模具由二次缩口上模板、二次缩口模、二次缩口打杆、二次缩口卸料杆和二次缩口下平板组成，所述二次缩口模设在二次缩口上模板的底面上，所述二次缩口卸料杆设在二次缩口模中间设置的孔中且能上下运动，所述二次缩口打杆设在二次缩口模侧面上部设置的打杆孔中其端部与二次缩口卸料杆上端设置的锥面相接触，所述二次缩口下平板设在二次缩口模的下方。

进一步地，所述三次缩口模具由三次缩口上模板、三次缩口模、可调式芯棒、分体凹模、三次缩口应力圈和三次缩口下平板组成，所述三次缩口模设在三次缩口上模板的底面上，所述可调式芯棒的上部装在三次缩口模中间设置的螺纹孔中并通过螺纹连接，所述分体凹模装在三次缩口下平板上表面的中部，所述三次缩口应力圈套在分体凹模的外围。

进一步地，所述钢砂的直径为0.5mm～1mm。

本发明的有益效果是：

1、本发明将传统挤压工艺与冲压胀形工艺相结合，避免了传统机加工、铸造和冲压胀形性能低、操作繁琐、和“跑、冒、滴、漏”带来的工作环境差等问题，改善了环境，属于环境友好型成形工艺。通过挤压与胀形，大幅提高产品性能40％以上，且使用通用压力机即可完成，模具设备简单，成本投入低，操作简便，适用范围广。

2、本发明突破传统胀形压力为25MPa的限制，使用不同载荷的液压机与模具及钢砂的配合形成胀形超高压，从而可以成形不同大小、不同壁厚的双鼓形构件。在成形时，毛坯内胀形的压力可通过灌入钢砂的多少和可调式芯棒压入钢砂的深度来控制，可最大程度的防止侧壁失稳。

3、钢砂作为一种干净、环保的介质可重复使用，钢砂颗粒尺寸在0.5mm～1mm之间，避免钢颗粒尺寸过大，流动性不强而起不到胀形作用等问题。

4、经四个道次成形，可通过调节模具结构、尺寸来成形任意缩口系数、胀形系数、及变壁厚或等壁厚的构件，且壁厚可大可小，突破传统缩口工艺极限成形系数0.74和传统胀形极限系数0.78的限制。

5、本发明不仅能成形变壁厚或等壁厚的双鼓形构件，而且可以根据产品要求成形多种回转体或非回转体多鼓形构件，使带鼓形的“肚大口小”的特殊性构件的简单成形成为可能。

6、本发明适用于任何有色金属及黑色金属，且在冷、温、热状态下均可进行，不受材料及温度的限制。

7、如果采用镁合金做坯料，晶粒度由原来0.2提高到0.02，性能由原来150MPa提高到270MPa达到成形和改性的理想效果。

8、钢砂可将胀形和强化内表面强度一次完成，是一种表面强化的好方法。

附图说明

图1是变壁厚双鼓形构件示意图；

图2是现有冲压胀形工艺示意图；

图3是本发明一次缩口示意图；

图4是本发明缩口系数示意图；

图5是本发明二次缩口示意图；

图6是本发明三次缩口示意图；

图7是本发明没入体积比示意图；

图8是本发明反挤压模具结构示意图；

图9是本发明一次缩口模具结构示意图；

图10是本发明二次缩口模具结构示意图；

图11是本发明三次缩口模具结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图3～图7所示，本实施例中的一种变壁厚双鼓形回转体筒形构件成形的方法，其所述成形步骤为：

2)对变壁厚杯件进行第一次缩口：将步骤1)成形的变壁厚杯形件放入一次缩口模具下方并对中，一次缩口模下行，使杯形件上端部直径缩小，直至缩口到设计尺寸，成形为肚大口小的缩口工件；如图4所示，缩口系数D₁/D₂﹦0.5～0.6，式中：D₁为缩口完成后口部直径，D₂为原始杯形件直径。通过本步骤使缩口变壁厚杯形件可突破缩口系数D₁/D₂﹦0.74的限制，使缩口系数达到0.5～0.6。

3)成形下部为第一鼓肚的二次缩口工件：将步骤2)成形的缩口工件放入二次缩口模具下方对中，二次缩口模下行，使缩口工件腰部直径缩小，成形下部为第一个鼓肚的二次缩口工件，胀形系数K₁＝0.3～0.4；图5中，d₁₁为第一鼓肚最大内径，d₁₂为第一鼓肚最小直径，d₁₃为二次缩口模工作带直径，若要调整最小直径d₁₂的大小，只需改变二次缩口模工作带直径d₁₃即可。通过本步骤可突破原始胀形系数K₁＝0.78，使K₁值达到0.3～0.4。

4)三次缩口及钢砂胀形：将钢砂27装入二次缩口工件的型腔中，并将三次缩口模具的分体凹模设在缩口工件的外围，然后将应力圈套在分体凹模的外面，接着与三次缩口模对中，三次缩口模下行，设置在三次缩口模中心的可调式芯棒压入钢砂中，钢砂充满型腔，使二次缩口工件成形为变壁厚双鼓形回转体筒形构件。可调式芯棒没入钢砂的体积要等于1.1倍空白三角区体积，如图7所示。

如图8所示，所述反挤压模具由上模板1、下模板5、反挤压凸模2、反挤压凹模6、应力圈3和垫板4组成，所述反挤压凸模设在上模板的底面上，所述反挤压凹模设在下模板上表面的中部，所述垫板设在反挤压凹模的底部并位于下模板上，所述应力圈套在反挤压凹模的外围。图中，7为反挤压工件。

如图9所示，所述一次缩口模具由一次缩口上模板8、一次缩口模9、卸料杆11、打杆12和下平板10组成，所述一次缩口模设在一次缩口上模板的底面上，所述卸料杆设在一次缩口模中间设置的卸料杆孔中且能上下运动，所述打杆装在一次缩口模侧面上部设置的打杆孔中其端部与卸料杆上端设置的锥面相接触，所述下平板设在一次缩口模的下方。图中，13为缩口工件。

如图10所示，所述二次缩口模具由二次缩口上模板14、二次缩口模15、二次缩口打杆18、二次缩口卸料杆17和二次缩口下平板16组成，所述二次缩口模设在二次缩口上模板的底面上，所述二次缩口卸料杆设在二次缩口模中间设置的孔中且能上下运动，所述二次缩口打杆设在二次缩口模侧面上部设置的打杆孔中其端部与二次缩口卸料杆上端设置的锥面相接触，所述二次缩口下平板设在二次缩口模的下方。图中，19为二次缩口工件。

如图11所示，所述三次缩口模具由三次缩口上模板20、三次缩口模21、可调式芯棒26、分体凹模25、三次缩口应力圈24和三次缩口下平板23组成，所述三次缩口模设在三次缩口上模板的底面上，所述可调式芯棒的上部装在三次缩口模中间设置的螺纹孔中并通过螺纹连接，所述分体凹模装在三次缩口下平板上表面的中部，所述三次缩口应力圈套在分体凹模的外围。图中，22为变壁厚双鼓形回转体筒形构件。

所述钢砂27的直径为0.5mm～1mm。

Claims

1.一种变壁厚双鼓形回转体筒形构件成形的方法，其特征在于，所述成形步骤为：

1）反挤压成形变壁厚杯形件：将棒料加热后，装入反挤压模具的凹模中，反挤压模具的凸模下行，将棒料反挤压成形变壁厚杯形件；

2）对变壁厚杯件进行第一次缩口：将步骤1）成形的变壁厚杯形件放入一次缩口模具下方并对中，一次缩口模下行，使杯形件上端部直径缩小，直至缩口到设计尺寸，成形为肚大口小的缩口工件，缩口系数D₁／D₂ =0.5～0.6，式中：D₁为缩口完成后口部直径，D₂为原始杯形件直径；

3）成形下部为第一鼓肚的二次缩口工件：将步骤2）成形的缩口工件放入二次缩口模具下方对中，二次缩口模下行，使缩口工件腰部直径缩小，成形下部为第一个鼓肚的二次缩口工件，胀形系数K₁=0.3～0.4；

4）三次缩口及钢砂胀形：将钢砂装入二次缩口工件的型腔中，并将三次缩口模具的分体凹模设在缩口工件的外围，然后将应力圈套在分体凹模的外面，接着与三次缩口模对中，三次缩口模下行，设置在三次缩口模中心的可调式芯棒压入钢砂中，钢砂充满型腔，使二次缩口工件成形为变壁厚双鼓形回转体筒形构件；

所述反挤压模具由上模板、下模板、反挤压凸模、反挤压凹模、应力圈和垫板组成，所述反挤压凸模设在上模板的底面上，所述反挤压凹模设在下模板上表面的中部，所述垫板设在反挤压凹模的底部并位于下模板上，所述应力圈套在反挤压凹模的外围；

所述一次缩口模具由一次缩口上模板、一次缩口模、卸料杆、打杆和下平板组成，所述一次缩口模设在一次缩口上模板的底面上，所述卸料杆设在一次缩口模中间设置的卸料杆孔中且能上下运动，所述打杆装在一次缩口模侧面上部设置的打杆孔中其端部与卸料杆上端设置的锥面相接触，所述下平板设在一次缩口模的下方；

所述二次缩口模具由二次缩口上模板、二次缩口模、二次缩口打杆、二次缩口卸料杆和二次缩口下平板组成，所述二次缩口模设在二次缩口上模板的底面上，所述二次缩口卸料杆设在二次缩口模中间设置的孔中且能上下运动，所述二次缩口打杆设在二次缩口模侧面上部设置的打杆孔中其端部与二次缩口卸料杆上端设置的锥面相接触，所述二次缩口下平板设在二次缩口模的下方；

所述三次缩口模具由三次缩口上模板、三次缩口模、可调式芯棒、分体凹模、三次缩口应力圈和三次缩口下平板组成，所述三次缩口模设在三次缩口上模板的底面上，所述可调式芯棒的上部装在三次缩口模中间设置的螺纹孔中并通过螺纹连接，所述分体凹模装在三次缩口下平板上表面的中部，所述三次缩口应力圈套在分体凹模的外围。

2.根据权利要求1所述的一种变壁厚双鼓形回转体筒形构件成形的方法，其特征在于：所述钢砂的直径为0.5mm～1mm。