CN111112431A - 充液挤压成型的方法及其获得的叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种充液挤压成型的方法及其获得的叶片，包括以下步骤：模具制备：制作凹模和凸模；密封定位：对预制管坯的两端分别进行扩口，并对扩口进行密封，再将预制管坯安装在凹模的成型腔内，采用压块将预制管坯两端压紧并定位在凹模内；挤压支撑合模：向预制管坯内注满液体并使凸模缓慢下行挤压预制管坯，同时使液体增压至第一液体压力P1并保持不变，直至凹模的分型面与凸模的分型面接触，以使预制管坯受到周向挤压应力形成预成形零件；高压整形：在凸模上加吨位，增加液体压力至第二液体压力P2使得预成形零件定型，泄压，形成零件。本发明的充液挤压成型的方法，合模作用对预制管坯进行周向挤压，使得零件两端的小圆角成形到位。

Description

充液挤压成型的方法及其获得的叶片
技术领域
本发明涉及航空零件成形方法领域，特别地，涉及一种充液挤压成型的方法。此外，本发明还涉及一种包括上述充液挤压成型的方法获得的叶片。
背景技术
叶片零件的特点较扁而两边不完全对称，空间扭曲，在成形过程中容易发生不贴模、夹料、起皱等现象。充液成形是指采用液体(油或水)作为传力介质代替刚性凸模或凹模传递载荷，使坯料在传力介质压力作用下贴靠凹模或凸模以实现金属板材零件的成形。充液成形主要分为充液拉深成形和液体凸模拉深，前者利用液体介质代替凹模，而后者是以液体介质作为凸模。但是，采用充液成形工艺对于极小圆角成形到位所需的胀形力非常大，容易造成零件局部失稳而起皱，并且充液成形工艺同样存在成形不到位等问题。
发明内容
本发明提供了一种充液挤压成型的方法及其获得的叶片，以解决现有技术加工两侧带有小圆角的零件造成成形不到位，并零件局部失稳而起皱的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种充液挤压成型的方法，通过充液挤压形成空间扭曲且侧向带小圆角的零件，小圆角为小于R1.5的圆角，包括以下步骤：
模具制备：根据需挤压成形零件的轮廓制作出配合作用的凹模和凸模；
密封定位：对预制管坯的两端分别进行扩口，并采用推头分别推进预制管坯两端的扩口内以对预制管坯两端的扩口进行密封，再将预制管坯安装在凹模的成型腔内，采用压块将预制管坯两端压紧并定位在凹模内；挤压支撑合模：向预制管坯内注满液体并使凸模缓慢下行挤压预制管坯，同时使液体增压至第一液体压力P1并保持不变，直至凹模的分型面与凸模的分型面接触，以使预制管坯受到周向挤压应力形成预成形零件；
高压整形：在凸模上加吨位，增加液体压力至第二液体压力P2使得预成形零件在第二液体压力P2的作用下定型，泄压，形成零件。
进一步地，预制管坯的制备包括：根据零件模型计算等效截面周长a，控制预制管坯的截面周长b，使得预制管坯的截面周长b大于等于等效截面周长a，且预制管坯直径与零件模型的等效圆管直径的差值小于等于1mm。
进一步地，预制管坯一端的推头设有用于液体注入预制管坯内部的进液口，以将液体通过进液口注入至预制管坯内；推头与预制管坯的接触部位设有密封圈。
进一步地，挤压支撑合模的具体步骤为：
通过进液口向预制管坯内部注入液体并使液体充满预制管坯内腔；
对凸模施压控制凸模下行速度使得预制管坯逐步发生塑性变形，同时开启增压器使液体压力逐渐增加至第一液体压力P1并保持不变；
凸模下行直至凹模的分型面与凸模的分型面接触，预制管坯的外形面分别紧贴凹模的内壁面和凸模的内壁面，通过周向挤压应力与充入液体的第一液体压力P1共同作用下，使得预制管坯两侧的小圆角成形到位，形成预成形零件。
进一步地，挤压支撑合模过程中的第一液体压力P1的获取为：
Figure BDA0002328815970000021
其中，K为安全系数；t为预制管坯的厚度；d为预制管坯的外径；δs为预制管坯的抗拉强度系数。
进一步地，第二液体压力P2为100MPa～140MPa。
进一步地，第二液体压力P2保压的时间为2min～5min。
进一步地，在预制管坯扩口之前对预制管坯外表面、预制管坯与推头抵接的部位分别涂上润滑油；高压整形中泄压后还包括修剪处理，修剪处理包括去除预制管坯两端的扩口部分。
根据本发明的另一方面，还提供了一种如上述充液挤压成型的方法获得的叶片，叶片两端的小圆角为r0.8～r1.5。
本发明具有以下有益效果：
本发明的充液挤压成型的方法，通过凹模和凸模的合模作用对预制管坯进行周向挤压，使得零件侧向的小圆角成形到位。先将推头插入到预制管坯里进行扩口密封，带推头的预制管坯整体放入凹模，预制管坯两端通过压块压实定位，向预制管坯内注入液体并控制液体增压至第一液体压力P1，凸模缓慢下行挤压预制管坯，使得预制管坯沿径向一定轨迹变形，凸模与凹模合模后加吨位，再进行高压定型，泄压，形成零件。上述充液挤压成型的方法将预制管坯安装在带有压块的合模装置中，在凹模与凸模的合模过程中使得预制管坯受到周向挤压应力的作用，解决了充液成形过程中合模胀形侧向小圆角不到位的问题，改变传统液压胀形中零件双向受拉状态。并且，通过控制预制管坯里液体压力和凸模缓慢下行，有效的防止局部失稳而起皱，从而使零件的侧向小圆角精确成形到位。将上述充液挤压成型的方法应用于航空复杂零件的生产，并辅之以现代计算机控制技术，不仅可减少加工工序，缩短生产周期，降低成本，降低废品率、提高零件质量，同时还能改善生产环境、减少对操作者技能的依赖性。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的合模装置示意图；以及
图2是本发明优选实施例的充液挤压成型的方法的挤压成形过程示意图。
附图标号说明：
1、凹模；2、压块；3、推头；4、凸模。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明优选实施例的合模装置示意图；图2是本发明优选实施例的充液挤压成型的方法的挤压成形过程示意图。
如图1和图2所示，本实施例的充液挤压成型的方法，通过充液挤压形成空间扭曲且侧向带小圆角的零件，小圆角为小于R1.5的圆角，包括以下步骤：
模具制备：根据需挤压成形零件的轮廓制作出配合作用的凹模1和凸模4；
密封定位：对预制管坯的两端分别进行扩口，并采用推头3分别推进预制管坯两端的扩口内以对预制管坯两端的扩口进行密封，再将预制管坯安装在凹模1的成型腔内，采用压块2将预制管坯两端压紧并定位在凹模1内；挤压支撑合模：向预制管坯内注满液体并使凸模4缓慢下行挤压预制管坯，同时使液体增压至第一液体压力P1并保持不变，直至凹模1的分型面与凸模4的分型面接触，以使预制管坯受到周向挤压应力形成预成形零件；
高压整形：在凸模4上加吨位，增加液体压力至第二液体压力P2使得预成形零件在第二液体压力P2的作用下定型，泄压，形成零件。
本发明的充液挤压成型的方法，通过凹模和凸模的合模作用对预制管坯进行周向挤压，使得零件侧向的小圆角成形到位。先将推头插入到预制管坯里进行扩口密封，带推头的预制管坯整体放入凹模，预制管坯两端通过压块压实定位，向预制管坯内注入液体并控制液体增压至第一液体压力P1，凸模缓慢下行挤压预制管坯，使得预制管坯沿径向一定轨迹变形，凸模与凹模合模后加吨位，再进行高压定型，泄压，形成零件。上述充液挤压成型的方法将预制管坯安装在带有压块的合模装置中，在凹模与凸模的合模过程中使得预制管坯受到周向挤压应力的作用，解决了充液成形过程中合模胀形侧向小圆角不到位的问题，改变传统液压胀形中零件双向受拉状态。并且，通过控制预制管坯里液体压力和凸模缓慢下行，有效的防止局部失稳而起皱，从而使零件的侧向小圆角精确成形到位。将上述充液挤压成型的方法应用于航空复杂零件的生产，并辅之以现代计算机控制技术，不仅可减少加工工序，缩短生产周期，降低成本，降低废品率、提高零件质量，同时还能改善生产环境、减少对操作者技能的依赖性。上述液体为柔性液体，介质可以包括油或水。
上述压块2压紧在预制管坯推入有推头3的位置，以使预制管坯和推头3共同压紧在凹模1上。上是压块2也可以固定在凹模1上合模装置还包括与凹模固定并限制推头轴向移动的限位模。压块2紧靠限位模布设，彼此顶抵相互限位。
本实施例中，预制管坯的制备包括：根据零件模型计算等效截面周长a，控制预制管坯的截面周长b，使得预制管坯的截面周长b大于等于等效截面周长a，且预制管坯直径与零件模型的等效圆管直径的差值小于等于1mm。上述充液挤压成型的方法制备的零件多为空间扭曲且两侧带小圆角的零件，因此，通过零件模型计算等效截面周长a，依据等效截面周长a焊接或制备预制管坯的截面周长b，也可以是任意合理管坯，通过预成型处理获得预制管坯。上述预制管坯的截面周长b需要略大于零件模型等效截面周长a或者最终成形的零件的截面周长，以使得预制管坯在液体压力的支持下，在合模过程中预制管坯受到合模装置的均匀的周向挤压应力，使得预制管坯精准成形。上述预制管坯直径Rb，等效圆管直径Ra，需要满足Rb－Ra≤1mm，否则也失去了精准挤压成型的意义。上述预制管坯可采用不锈钢、高温合金、铝合金、钛合金以及非金属塑性良好的材料制备获得。
本实施例中，预制管坯一端的推头3设有用于液体注入预制管坯内部的进液口，以将液体通过进液口注入至预制管坯内。上述仅在预制管坯一端的推头3上设有进液口，将液体通过进液口进入预制管坯，并充满整个预制管坯内腔，使得在对液体加压过程中，预制管坯各部位受到液体支撑力，使得预制管坯变形均匀，并使得预制管坯进入塑性变形区达到一个可控范围，进而减少零件成形后收缩变形，提高零件的成形精度。优选地，推头3与预制管坯的接触部位设有密封圈。推头3与预制管坯的接触部位设有密封圈。预制管坯的两端头由于受到压块2压紧和推头3扩张，其并不会随着凸模下行发生变形，密封圈保证预制管坯内部的密封状态，有效防止内部压力增加时液体流出。密封圈处于压块2的压紧区域范围内。
如图1和图2所示，本实施例中，挤压支撑合模的具体步骤为：
通过进液口向预制管坯内部注入液体并使液体充满预制管坯内腔；
对凸模4施压控制凸模4下行速度使得预制管坯逐步发生塑性变形，同时开启增压器使液体压力逐渐增加至第一液体压力P1并保持不变；
凸模4下行直至凹模1的分型面与凸模4的分型面接触，预制管坯的外形面分别紧贴凹模1的内壁面和凸模4的内壁面，通过周向挤压应力与充入液体的第一液体压力P1共同作用下，使得预制管坯两侧的小圆角成形到位，形成预成形零件。
具体地，通过预制管坯一端的推头3的进液口向预制管坯内部充满液体，对凸模4施压并调整凸模4下行速度，同时开启增压器，并设有压力传感器，使液体压力逐渐增加至第一液体压力P1并保持不变，可还设置一个闭环控制系统，可以时时反馈和调节内部压力，维持第一液体压力P1在一个屈服压力范围内，此时预制管坯沿径向一定轨迹发生塑性变形，直至凹模1的分型面与凸模4的分型面接触，预制管坯的外形面通过内部液体压力支撑紧贴凹模1与凸模4的内壁面，形成预成形零件。如图2的预制管坯挤压成形的流程为a→b→c→d→e→f。
本实施例中，挤压支撑合模过程中的第一液体压力P1的获取为：
Figure BDA0002328815970000051
其中，K为安全系数；t为预制管坯的厚度；d为预制管坯的外径；δs为预制管坯的抗拉强度系数。通过该公式可获取合适的第一液体压力P1，该第一液体压力P1使预制管坯的壁面变形均匀，且预制管坯的变形进入塑性变形区以达到一个可靠的范围，进而减少零件成形后的收缩变形。
本实施例中，使得预制管坯内的第一液体压力P1和凸模的合模速度的相匹配，维持预制管坯内的第一液体压力P1保持在一个屈服压力范围内，避免第一液体压力P1过低使零件起皱，第一液体压力P1过高使零件飞边。
本实施例中，第二液体压力P2为100MPa～140MPa。优选地，第二液体压力P2保压的时间为2min～5min。上述高压整形，通过施加吨位，防止维持预制管坯内部加压使得凸模向上行移动，从而使的预成形零件在高压条件下维持2min～5min，使零件定型，防止泄压后零件收缩回弹，进而提高零件的成形质量。第二液体压力P2过低，起不到定型的作用。吨位与加压的压力和预制管坯有关，即符合F＝PS
本实施例中，在预制管坯扩口之前对预制管坯外表面、预制管坯与推头3抵接的部位分别涂上润滑油。用于减小预制管坯与凹模1与凸模4之间，预制管坯与压块2之间的摩擦力，增强预制管坯受力时的延展性，使预制管坯变形均匀，进一步减少零件成形后的收缩变形，最终提高零件成形质量。高压整形中泄压后还包括修剪处理，修剪处理包括去除预制管坯两端的扩口部分。泄压后，将成形的零件从合模装置中取出，需要去除预制管坯两端的扩口部分，清理零件表面，获得高精度的零件。
根据本发明的另一方面，还提供了一种如上述充液挤压成型的方法获得的叶片，叶片两端的小圆角为r0.8～r1.5。本发明的充液挤压成型的方法制备获得的叶片，通过控制预制管坯的周长，在被压支撑合模过程中，预制管坯周向受挤压应力，使材料变形进入塑性变形区，减小叶片成形后的收缩变形，也是的叶片两侧小圆角精确成形到位；通过控制预制管坯里的液体压力和合模速度防止叶片局部失稳而起皱，提高了叶片的成形精度和稳定性，
实施例
模具制备：叶片截面周长143.3mm，等效圆管直径为45.6mm，随脊线变化两侧小圆角为r0.8～r1.5，上述小圆角为r0.8～r1.5是通过将叶片在长度方向等距剖切，每个截面的宽度方向的小圆角；根据叶片的轮廓制做出配合作用的凹模和凸模；
密封定位：选择材料GH4169制成预制管坯的外径为46mm，壁厚为0.5mm，在预制管坯的两端采用带有橡胶圈的推头推进预制管坯内，其一端推头设有进液口，再将预制管坯安装在凹模的成型腔内，并采用压块将预制管坯两端压紧定位；挤压支撑合模：通过进液口向预制管坯内部充满液体；对凸模施压控制凸模缓慢下行，同时开启增压器使液体压力逐渐增加至第一液体压力P1为3MPa并保持不变；直至凸模下行至与凹模的分型面接触，此时预制管坯的外形面紧贴凹模与凸模的内壁面并且预制管坯两侧的小圆角成型到位，形成预成形叶片。
高压整形：在凸模上加吨位，增加液体压力至第二液体压力P2为120MPa，持续3min，完成定型，泄压，修剪预成形叶片去除两端的扩口，获得叶片。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种充液挤压成型的方法，通过充液挤压形成空间扭曲且侧向带小圆角的零件，小圆角为小于R1.5的圆角，其特征在于，包括以下步骤：
模具制备：根据需挤压成形零件的轮廓制作出配合作用的凹模(1)和凸模(4)；
密封定位：对预制管坯的两端分别进行扩口，并采用推头(3)分别推进预制管坯两端的扩口内以对所述预制管坯两端的扩口进行密封，再将所述预制管坯安装在凹模(1)的成型腔内，采用压块(2)将所述预制管坯两端压紧并定位在所述凹模(1)内；
挤压支撑合模：向所述预制管坯内注满液体并使所述凸模(4)缓慢下行挤压所述预制管坯，同时使液体增压至第一液体压力P1并保持不变，直至所述凹模(1)的分型面与所述凸模(4)的分型面接触，以使所述预制管坯受到周向挤压应力形成预成形零件；
高压整形：在所述凸模(4)上加吨位，增加液体压力至第二液体压力P2使得所述预成形零件在第二液体压力P2的作用下定型，泄压，形成零件。
2.根据权利要求1所述的充液挤压成型的方法，其特征在于，
所述预制管坯的制备包括：根据零件模型计算等效截面周长a，控制所述预制管坯的截面周长b，使得所述预制管坯的截面周长b大于等于等效截面周长a，且所述预制管坯直径与所述零件模型的等效圆管直径的差值小于等于1mm。
3.根据权利要求1所述的充液挤压成型的方法，其特征在于，
所述预制管坯一端的所述推头(3)设有用于液体注入所述预制管坯内部的进液口，以将液体通过所述进液口注入至所述预制管坯内；
所述推头(3)与所述预制管坯的接触部位设有密封圈。
4.根据权利要求3所述的充液挤压成型的方法，其特征在于，
所述挤压支撑合模的具体步骤为：
通过所述进液口向所述预制管坯内部注入液体并使液体充满所述预制管坯内腔；
对所述凸模(4)施压控制所述凸模(4)下行速度使得所述预制管坯逐步发生塑性变形，同时开启增压器使液体压力逐渐增加至第一液体压力P1并保持不变；
所述凸模(4)下行直至所述凹模(1)的分型面与凸模(4)的分型面接触，所述预制管坯的外形面分别紧贴所述凹模(1)的内壁面和所述凸模(4)的内壁面，通过周向挤压应力与充入液体的第一液体压力P1共同作用下，使得所述预制管坯两侧的小圆角成形到位，形成预成形零件。
5.根据权利要求4所述的充液挤压成型的方法，其特征在于，
所述挤压支撑合模过程中的第一液体压力P1的获取为：
Figure FDA0002328815960000021
其中，K为安全系数；t为预制管坯的厚度；d为预制管坯的外径；δs为预制管坯的抗拉强度系数。
6.根据权利要求1所述的充液挤压成型的方法，其特征在于，
所述第二液体压力P2为100MPa～140MPa。
7.根据权利要求6所述的充液挤压成型的方法，其特征在于，
所述第二液体压力P2保压的时间为2min～5min。
8.根据权利要求1所述的充液挤压成型的方法，其特征在于，
在所述预制管坯扩口之前对所述预制管坯外表面、所述预制管坯与所述推头(3)抵接的部位分别涂上润滑油；
所述高压整形中泄压后还包括修剪处理，所述修剪处理包括去除所述预制管坯两端的扩口部分。
9.一种如权利要求1至8任一项所述的充液挤压成型的方法获得的叶片，其特征在于，所述叶片两端的小圆角为r0.8～r1.5。
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