CN111715764B - 一种薄壁杯形件的旋转拉深成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种薄壁杯形件的旋转拉深成形方法，包括①下料，②均匀化热处理，③坯料和模具加热并保温，④坯料放入V形型腔中，冲头在上旋转液压机的带动下向下运动，先接触到坯料上表面，冲头匀速向下运动，使得接触面金属陆续流入冲头端面的型槽内，与冲头合为一体，冲头带动坯料开始扭转和下压，同时坯料外围部分金属陆续受挤压流入到多道次圆弧凸面台，首先外围金属的一侧接触到第一道次圆弧凸面台，与另一侧形成高度差，然后使得在接下来向下的扭挤变形过程中，两边形成速度差，最后挤入长方形型腔，直至运动到规定位置。本案能改善钢铁材料的成形性、提高成形构件的综合力学性能、克服传统变薄拉深成形的薄壁杯形构件各向强度差异大的缺点。

Description

一种薄壁杯形件的旋转拉深成形方法

技术领域

本发明属于金属塑性加工工艺及成形技术领域，具体说是一种用于钢铁材料拉深成形的技术，特别涉及一种薄壁杯形件的旋转拉深成形方法。

背景技术

随着航空航天、国防军工、交通运输等领域的飞速发展，迫切需要采用高强韧轻质构件来实现轻量化，其中杯形构件为最具代表性的结构形式之一。拉深实质上就是将毛坯的凸缘部分材料逐渐转移到筒壁的过程,在转移的过程中,凸缘的材料由于受到拉深力的作用,在径向产生拉应力,由于凸缘部分直径逐渐变小,凸缘部分材料之间产生挤压作用,在切向产生压应力,在拉应力和压应力的共同作用下,凸缘部分的金属产生塑性变形,径向伸长,切向压缩,尺寸减小,且不断被拉入凹模洞口中变成筒形的空心件。变薄拉深是一种通过改变带有底壁的空心筒状杯形件的壁厚,来得到杯形件的工艺方法,现有的技术中，用半成品坯件进行变薄拉深的工艺方法有很多。变薄拉深工艺广泛应用于航空航天、交通运输、国防军工等领域。传统变薄拉深成形的杯形构件的各向强度差异更加明显，压扭变形工艺就是其中的一种。压扭变形工艺源于20世纪50年代末苏联学者对平砧镦粗工艺缺陷的改造——对上平砧的轴向直线运动复合一个绕轴向的旋转运动，将有害摩擦变成有益剪切作用，解决了镦粗变形时摩擦带来的不利影响。目前实际生产应用的高压扭转是压扭变形工艺的一种特殊情况，其制备工艺为：变形体在平压头与凹模之间承受约几千兆帕的压力作用，同时平压头或凹模旋转，变形体还受到强烈的剪切力作用，从而获得很大塑性变形。这种高压与扭转的复合加载方式产生的剧烈塑性变形能有效地将材料晶粒细化至微纳米量级，获得无疏松孔洞的材料，避免了残留孔隙对材料产生的不良影响。目前，国内外成功开发了上/下工作台旋转的成形液压机，但是利用这些液压机的压扭成形工艺，通常用于制备尺寸较小的圆形扁薄工件，无法成形一定形状要求的零件，在工业生产中应用存在一定的局限性。

发明内容

本发明的主要目的是针对薄壁杯形构件的成形，提出一种薄壁杯形构件的旋转拉深成形方法，能有效改善钢铁材料的成形性、提高成形构件的综合力学性能、克服传统变薄拉深成形的薄壁杯形构件各向强度差异大的缺点。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：一种薄壁杯形件的旋转拉深成形方法，包含如下步骤：

(1)坯料下料；

(2)均匀化热处理，制备锻压成形所用坯料；

(3)成形前准备：将均匀化热处理好的坯料加热到成形温度并保温，并将旋转拉深成形模具预热至成形温度30℃以上，所述旋转拉深成形模具包括与上旋转液压机连接的冲头、成形凹模和下模板，所述的冲头同轴设在成形凹模的上方，所述的成形凹模连接在下模板上；所述的成形凹模同轴开设供坯料置入的复合型腔，所述冲头与坯料接触的端面为圆锥形凸台模面，所述圆锥形凸台模面开设型槽；所述的复合型腔由上部为V形型腔、下部为长方形型腔复合而成，所述的V形型腔与长方形型腔的连接处两侧各设有与坯料接触的多道次圆弧凸面台，多道次圆弧凸面台为若干个从顶部到底部依次排列、并且圆弧半径依次变大的凸面台组成，使得多道次圆弧凸面台位置的型腔内径从顶部到底部依次变小；其中一侧的圆弧凸面台数量比另一侧的圆弧凸面台数量多一个，使所述的成形凹模为非对称环形回转体，多出的该圆弧凸面台设于该侧的最高处，成为第一道次圆弧凸面台，其余两侧的圆弧凸面台相互对称，将预热保温后的模具安装在液压机上；给冲头和成形凹模的复合型腔均匀喷抹水基石墨润滑剂，并将加热好的坯料放入复合型腔的V形型腔中，等待挤压变形；

(4)成形中：冲头在上旋转液压机的带动下向下运动，此时上旋转液压机不旋转，只做向下运动；随着冲头向下运动，冲头先接触到V形型腔内的待挤压坯料上表面，冲头匀速向下运动，使得接触面金属陆续流入冲头端面的型槽内，与冲头合为一体，上旋转液压机带动冲头开始旋转，冲头带动坯料开始扭转；冲头一边匀速旋转，一边匀速下压，同时坯料外围部分金属陆续受挤压流入到多道次圆弧凸面台，首先外围金属的一侧接触到第一道次圆弧凸面台，与另一侧形成高度差，然后使得在接下来向下的扭挤变形过程中，两边形成速度差，最后挤入长方形型腔，直至上旋转液压机向下运动到规定位置；

(5)成形结束：上旋转液压机停止旋转运动和向下运动后，上旋转液压机反向抬升，直至上旋转液压机行程复位，完成一个工作循环。

优选地，所述模具还包括顶出机构，在步骤(5)之后将所述坯料向上顶出成形凹模。

采用上述方案后，本发明的有益效果在于：

本发明的冲头与坯料接触的端面采用圆锥形凸台模面，有利于旋转挤压时金属流动，从而改善成形均匀性。上旋转液压机控制冲头旋转以及上下进给，旋转的冲头将被动摩擦变化为促进金属流动的主动摩擦，通过主动摩擦力给坯料施加扭矩作用，从而使坯料受到较大的扭矩力，压扭过程中迫使坯料产生高度方向的压缩变形和横截面上的剪切变形，消除挤压成形中摩擦的有害作用，降低成形力，并且有利于加大冲头下面的金属的静水压力，加上高温变形，提高金属的塑性。本发明的成形凹模为非对称环形回转体，第一道次圆弧凸面台以下为直径渐变的圆弧凸面台，并形成高度差，所以使得该种非对称变形回转体在变形过程中引入剪切变形，所以在成形过程中引入剪切变形，在变形过程中积累更大的应变，可以有效的实现晶粒细化，改善材料织构。单道次变形由于变形量大会导致变形过程中产生缺陷，本发明在之后二三道次变形过程中，得到快速的多道次连续变形，使得变形更加的均匀，改善钢铁材料的成形性，克服传统变薄拉深成形的薄壁杯形构件各向强度差异大的缺点。

附图说明

图1是本发明一实施例坯料在待挤压时的工作状态示意图；

图2是本发明一实施例坯料在挤压成形中的工作状态示意图；

图3是本发明一实施例坯料在挤压完成后的工作状态示意图；

图4是本发明一实施例一字型槽结构凸台模面冲头的剖视图；

图5是本发明一实施例一字型槽结构凸台模面冲头的仰视图；

图6是本发明一实施例十字型槽结构凸台模面冲头的仰视图；

图7是本发明一实施例外六角型槽结构凸台模面冲头的仰视图；

图8是本发明一实施例成形凹模的仰视图；

图9是本发明一实施例成形凹模的剖视图；

图10是本发明一实施例坯料的剖视图；

图11是图9中B处的放大图。

标号说明：

1、冲头；2、坯料；3、成形凹模；31、复合型腔；311、V形型腔；312、长方形型腔；4、定位销；5、紧固件；6、下模板；61、贯通孔；7、一字型槽；8、外六角型槽； 9、十字型槽；10、多道次圆弧凸面台；101、第一道次圆弧凸面台；102、第二道次圆弧凸面台；103、第三道次圆弧凸面台；104、第四道次圆弧凸面台；105、凹槽。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做详细的说明。

本发明提供一种薄壁杯形件的旋转拉深成形模具，如图1所示，包括与上旋转液压机(图中未示出)连接的冲头1、成形凹模3、下模板6和下垫板(图中未示出)，所述的冲头1同轴设在成形凹模3的上方，所述的下垫板设在成形凹模3和下模板6之间，起到缓冲的作用，成形凹模3、下垫板通过紧固件5及定位销4与下模板6连接。

所述的成形凹模3同轴开设供坯料2置入的复合型腔31，所述的复合型腔31由上部为V形型腔311、下部为长方形型腔312复合而成，V形型腔311衔接长方形型腔312，坯料2的直径大于长方形型腔312的直径，长方形型腔312设有一定的拔模斜度；所述的V形型腔311与长方形型腔312的连接处两侧各设有与坯料2接触的多道次圆弧凸面台10，结合图9和图11，多道次圆弧凸面台10为若干个从顶部到底部依次排列、并且圆弧半径依次变大的凸面台组成，使得成形凹模在多道次圆弧凸面台10位置的型腔内径从顶部到底部依次变小；其中一侧的圆弧凸面台数量比另一侧的圆弧凸面台数量多一个，使所述的成形凹模3为非对称环形回转体，多出的该圆弧凸面台设于该侧的最高处，成为第一道次圆弧凸面台101，第一道次圆弧凸面台101与坯料2接触的最高处和最低处有一定的高度差H，其余两侧的圆弧凸面台(分别为第二道次圆弧凸面台102、第三道次圆弧凸面台103和第四道次圆弧凸面台104)相互对称，各圆弧凸面台之间均具有凹槽105，坯料2从上一个圆弧凸面台流至下一个圆弧凸面台会经历一次填充凹槽105 的膨胀过程，使得坯料2在经历过整个多道次圆弧凸面台10期间会反复缩径、再扩径。

所述的坯料2放置在冲头1与成形凹模3之间，冲头1为回转件，所述冲头1与坯料2接触的端面为圆锥形凸台模面，如图4所示。

如图5-图6所示，所述圆锥形凸台模面开设一字型槽7、十字型槽9或外六角型槽8，所述一字型槽7为型槽呈“一”字形分布的对称结构，所述十字型槽9为型槽呈“十”字形分布的对称结构，所述外六角型槽8为型槽呈“外六角”形分布的对称结构。

一实施例：

以所述圆锥形凸台模面的凸台结构设计为一字型槽7，以及坯料2采用为内径50mm、外径62mm的45号钢杯形件作为具体实例，对一种薄壁杯形件旋转挤压成形方法做详细的介绍。

实施例中所采用的模具部件的具体尺寸如下：参看图4、5、10、11所示，冲头1 的直径D取50mm，一字型槽7尺寸L1为20mm，L2为18mm，L3为10mm，L4为8mm；多道次圆弧凸面台10中α1为30°，α2为3°，第一道次圆弧半径R1为5mm，第二道次圆弧半径R2为9mm，第三道次圆弧半径R3为6mm，第四道次圆弧半径R4为7mm，H为 2mm；坯料23尺寸Φ1为50mm，Φ2为62mm，所述的圆锥形凸台模面的锥角的取值范围为175°-179°，所述的冲头1的旋转速度的取值范围为1r/min-5r/min，所述的V形型腔311的斜度的取值范围为10°-45°。

参看图1-3所示，一种薄壁杯形件的旋转拉深成形方法，包含如下步骤：

(1)坯料2下料；

(2)均匀化热处理，制备锻压成形所用坯料2；

(3)成形前准备：将均匀化热处理好的坯料2加热到成形温度并保温，并将上述的一种薄壁杯形件的旋转拉深成形模具预热至成形温度30℃以上，将预热保温后的模具安装在液压机上；给冲头1和成形凹模3的复合型腔31均匀喷抹水基石墨润滑剂，并将加热好的坯料2放入复合型腔31的V形型腔311中，等待挤压变形；

(4)成形中：冲头1在上旋转液压机的带动下向下运动，此时上旋转液压机不旋转，只做向下运动；随着冲头1向下运动，冲头1先接触到V形型腔311内的待挤压坯料2 上表面，冲头1以1mm/s的速度继续匀速向下运动，使得接触面金属陆续流入冲头1端面的一字型槽7内，与冲头1合为一体，上旋转液压机带动冲头1以规定速度 0.209439Rad/s开始旋转，冲头1带动坯料2开始扭转，旋转方向为“一字”面前推坯料2的方向；冲头1一边周向速度0.209439Rad/s匀速旋转，一边以轴向速度1mm/s匀速下压，同时坯料2外围部分金属陆续受挤压流入到多道次圆弧凸面台10，首先外围金属的一侧接触到第一道次圆弧凸面台101，与另一侧形成高度差，然后使得在接下来向下的扭挤变形过程中，两边形成速度差，从而在变形过程中引入了剪切变形，增大应变，虽然多道次圆弧凸面台10整体高度相对V形型腔和长方形型腔都来得短，但经多道次圆弧凸面台10后的坯料相当于经历了多道次变形，最后挤入长方形型腔312，直至上旋转液压机向下运动到规定位置；

(5)成形结束：上旋转液压机停止旋转运动和向下运动后，上旋转液压机反向抬升，直至上旋转液压机行程复位；随后坯料2被顶出，完成一个工作循环。

所述的下垫板和下模板6在对应复合型腔31的位置开设贯通孔61，贯通孔61内设有顶出机构，所述的顶出机构(图中未示出)包括顶块和顶杆，所述的顶块设于成形凹模3的长方形型腔312内，顶块与长方形型腔312腔壁间隙配合，顶块的底面设有螺纹孔，所述顶杆的顶端设有与螺纹孔配合连接的外螺纹，使得顶块通过螺纹连接在所述顶杆的顶端。所述的冲头1、成形凹模3、贯通孔61位于同一轴线上。用户可通过顶出机构将成形薄壁杯形件顶出。所述的长方形型腔312设有拔模斜度，在本实施例中，斜度α2为3°，便于坯料2成形过程中的金属流动和挤压完成后杯形件从成形凹模3中的取出。

本发明与传统拉深成形相比较，具有实质性的技术特点和显著的效果是：

(1)提高了合金材料的成形能力，能使合金材料获得更大的塑性变形。本挤压成形方法有效提高了变形体内部静水压力，可以极大程度提高钢铁材料的塑性；与传统拉深成形相比，本发明所提供的具有一字型槽凸台模面结构的冲头能变被动摩擦为促进金属流动的主动摩擦，通过主动摩擦力给坯料施加扭矩作用，迫使坯料产生高度方向的压缩变形和横截面上的剪切变形，消除挤压成形中摩擦的有害作用，迫使坯料发生大塑性变形。

(2)获得高致密结构，细化组织效果显著，降低挤压成形构件性能异向性。本发明通过改变合金材料内部应力应变状态。在成形过程中引入剪切变形，在变形过程中获得更大的应变，使晶粒细化效果更加的显著。而且本发明可以提高挤压成形构件的组织均匀性，降低挤压成形构件性能异向性。

(3)将上述具体尺寸带入Deform-3D有限元模拟软件进行模拟分析，进一步验证了本发明具有良好的成形效果，有效避免了开裂和折叠缺陷，同时冲头轴向载荷更小。模拟参数设置方面，材料导入的是45钢模型，模具和坯料温度均为1000℃，网格划分为 40000，冲头轴向下压速度为1mm/s，冲头绕轴旋转速度0.209439Rad/s，摩擦系数为0.3，第一道工序只有冲头下压时，行程设15mm，第二道工序边旋转边挤压时，行程设70mm，从模拟结果可以直观的看出，等效应变的柱状图分布较为均匀，折叠角(folding angle)Max：253°，损伤值(Damage)Max：0.699，Avg：0.210。并且，旋转挤压时冲头轴向载荷(Zload)稳定值为3200N左右，约0.32T，而传统拉深方法冲头轴向载荷(Z load)会达到9350N，约为0.935T，折叠角最大为：294°，损伤值最大为：0.901，Avg： 0.234。传统反挤压甚至更大。进一步论证了本发明方法的技术优势。此外，由于能降低变形体轴向的载荷要求，不但节省了成本，还使设备的使用寿命大幅度提高。

本发明与其他拉深成形相比较，具有实质性的技术特点和显著的效果是：

(1)能挤压成形任意高度的坯料，突破了其他拉深方式只能用于制备尺寸较小的扁薄工件的局限。

(2)钢铁材料能获得更加均匀分布的大塑性变形，细化晶粒的效果更显著。本发明借助成形凹模对变形坯料的固定，“一字”形结构凸台模面冲头在旋转挤压时，形成扭压复合加载成形，迫使坯料产生高度方向的压缩变形和横截面上的剪切变形，从而使坯料获得更大的塑性变形。

(3)对旋转拉深成形的薄壁杯形件的缺陷消除优势明显。本发明的一字型槽凸台模面冲头结构与变形金属面接触，特别是冲头工作带及凸台部分的特定设计，使得金属在扭压复合加载变形时流动更加流畅，结合成形凹模内腔的特定设计，使金属在流动时没有死角、回流等情况的发生，从而有效避免了工件开裂和折叠缺陷。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (2)

1.一种薄壁杯形件的旋转拉深成形方法，其特征在于：包含如下步骤：

(1)坯料下料；

(2)均匀化热处理，制备锻压成形所用坯料；

(3)成形前准备：将均匀化热处理好的坯料加热到成形温度并保温，并将旋转拉深成形模具预热至成形温度30℃以上，该模具包括与上旋转液压机连接的冲头、成形凹模和下模板，所述的冲头同轴设在成形凹模的上方，所述的成形凹模连接在下模板上；所述的成形凹模同轴开设供坯料置入的复合型腔，所述冲头与坯料接触的端面为圆锥形凸台模面，所述圆锥形凸台模面开设型槽；所述的复合型腔由上部为V形型腔、下部为长方形型腔复合而成，所述的V形型腔与长方形型腔的连接处两侧各设有与坯料接触的多道次圆弧凸面台，多道次圆弧凸面台为若干个从顶部到底部依次排列、并且圆弧半径依次变大的凸面台组成，使得多道次圆弧凸面台位置的型腔内径从顶部到底部依次变小；其中一侧的圆弧凸面台数量比另一侧的圆弧凸面台数量多一个，使所述的成形凹模为非对称环形回转体，多出的该圆弧凸面台设于该侧的最高处，成为第一道次圆弧凸面台，其余两侧的圆弧凸面台相互对称，将预热保温后的模具安装在液压机上；给冲头和成形凹模的复合型腔均匀喷抹水基石墨润滑剂，并将加热好的坯料放入复合型腔的V形型腔中，等待挤压变形；

(4)成形中：冲头在上旋转液压机的带动下向下运动，此时上旋转液压机不旋转，只做向下运动；随着冲头向下运动，冲头先接触到V形型腔内的待挤压坯料上表面，冲头匀速向下运动，使得接触面金属陆续流入冲头端面的型槽内，与冲头合为一体，上旋转液压机带动冲头开始旋转，冲头带动坯料开始扭转；冲头一边匀速旋转，一边匀速下压，同时坯料外围部分金属陆续受挤压流入到多道次圆弧凸面台，首先外围金属的一侧接触到第一道次圆弧凸面台，与另一侧形成高度差，然后使得在接下来向下的扭挤变形过程中，两边形成速度差，最后挤入长方形型腔，直至上旋转液压机向下运动到规定位置；

(5)成形结束：上旋转液压机停止旋转运动和向下运动后，上旋转液压机反向抬升，直至上旋转液压机行程复位，完成一个工作循环。

2.如权利要求1所述一种薄壁杯形件的旋转拉深成形方法，其特征在于：所述模具还包括顶出机构，在步骤(5)之后将所述坯料向上顶出成形凹模。

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