CN111745029A - 一种径向差厚的曲面件成形方法及装置 - Google Patents

一种径向差厚的曲面件成形方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种径向差厚的曲面件成形方法及装置，该方法采用如下步骤：加工出外圈厚中间薄的径向差厚板；向下模腔室内注满低温介质；下模上放置径向差厚板；施加初始压边力；凸模下行，在与径向差厚板上表面接触时停止，建立初始液体压力；凸模继续下行，同时对径向差厚板施加径向压力；增大刚性压边圈的压边力，并控制下模腔室内的液体压力，直至拉深成形过程结束。本发明通过采用径向加载和低温介质充液拉深相结合的复合成形方法，利用铝合金材料在低温条件下，强度提高、塑性明显增强的特性，使薄区在低温条件下拉深，该区材料的承载能力高，从而解决薄区易破裂的问题；同时通过径向加载推动厚区材料向下模内流动，从而防止厚薄过渡区破裂。

Description

一种径向差厚的曲面件成形方法及装置
技术领域
本发明涉及构件成形技术领域，特别是涉及一种径向差厚的曲面件成形方法及装置。
背景技术
大型容器通常由封头、框环及筒体焊接而成，在石油化工、航空航天等特种行业领域应用广泛。由于承载安全及刚度需要，大型容器的封头一般为半球形或半椭球形，直径一般2000mm以上，壁较薄，属于超薄壁厚(厚径比<3/1000)，而筒体厚度一般大于封头，中间通过厚度渐变的框环连接。封头可通过整体拉深成形或者分块成形、焊接，框环通过环轧制造,再机加去除90％以上材料，周期长、材料利用率低、成本高。
为提高承载能力及可靠性，降低成本，逐步采用封头和框环一体化、整体成形方法进行制造。目前已经出现厚板旋压方法进行成形，为降低起皱的可能，采用厚板坯(30-50mm)进行旋压，再进行球冠部分的大面积数控加工减薄至5mm左右，通过环形过渡区渐变到环形厚区，环形厚区与筒体焊接。该制造方法的缺点是旋压过程容易出现起皱、开裂缺陷，特别是铝合金等低塑性材料需要加热，缺陷控制难度大，加热不均导致组织性能不一致，后续机械加工量大，导致尺寸精度差、周期长、成本高。如果采用差厚平板直接拉深，由于厚区厚度大于薄区，薄区承受较大的径向拉应力，拉深过程中薄区底部以及厚薄过渡区容易破裂。
发明内容
本发明的目的是提供一种径向差厚的曲面件成形方法及装置，以解决上述现有技术存在的问题，通过采用径向加载结合低温充液拉深工艺，解决径向差厚的曲面件的薄区以及薄厚过渡区容易破裂的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种径向差厚的曲面件成形方法，包括以下步骤，
S01，将等厚平板加工成外圈厚中间薄的径向差厚板，形成的所述径向差厚板一面为平面，另一面为非平面；
S02，通过低温介质系统从充液孔向下模腔室内注满低温介质；
S03，将所述径向差厚板的非平面向下放在下模上表面中间位置；
S04，通过压力机压边滑块带动刚性压边圈下行，与所述径向差厚板接触后，施加初始压边力；
S05，通过压力机拉深滑块带动凸模下行，在与所述径向差厚板上表面接触时停止，通过低温介质系统使所述下模腔室内建立初始液体压力；
S06，所述压力机拉深滑块继续下行，同时通过径向加压装置对所述径向差厚板施加径向压力，所述径向差厚板逐渐向所述下模腔室内移动；
S07，通过所述压力机压边滑块增大所述刚性压边圈的压边力，并在拉深成形过程中通过所述低温介质系统控制所述下模腔室内的液体压力，直至拉深成形过程结束。
优选地，所述径向差厚板的厚壁区和薄壁区之间具有斜面过渡，所述斜面角度为10-15°。
优选地，步骤S03中还包括在将所述径向差厚板放在下模中间位置之前，先将弹性压边圈放置所述下模上，所述弹性压边圈与所述径向差厚板的薄区吻合。
优选地，步骤S04中，施加的初始单位压边力为1-2MPa；
步骤S05中，所述初始液体压力为2-6MPa；
步骤S07中，增大所述刚性压边圈的单位压边力至2-4MPa；控制所述下模腔室内的液体压力在5-10MPa的范围。
优选地，还包括步骤S08，卸载所述径向加压装置的压力，卸载所述下模腔室液体压力以及压边力，所述压力机拉深滑块带动所述凸模回程，所述压力机压边滑块带动所述刚性压边圈上行，取出成形的曲面件，并将所述曲面件上的所述弹性压边圈取下，得到最终的径向差厚的曲面件。
本发明的另一个目的还在于提供一种径向差厚的曲面件成形装置，包括凸模、分别与径向差厚板上下表面接触的刚性压边圈和下模；
所述刚性压边圈与所述下模之间还设置有径向加压装置，用于向所述径向差厚板施加径向压力；
所述下模设置有下模腔室，所述下模外壁上设置有与内部下模腔室连通的充液孔，所述充液孔与低温介质系统连接。
优选地，还包括弹性压边圈，所述弹性压边圈设置在所述径向差厚板非平面侧的薄区与所述凹模上表面之间。
优选地，所述径向加压装置包括加载油缸以及与所述加载油缸的活塞杆相连的加载板，所述加载板端面为弧面且与所述径向差厚板端部弧形面配合，所述加载油缸沿所述径向差厚板的周向均匀设置若干个。
优选地，所述低温介质系统包括液氮泵以及设置在所述液氮泵与所述充液孔之间管路上的压力阀。
优选地，所述下模包括凹模和低温介质容器，所述凹模与所述低温介质容器之间设置有密封圈，所述充液孔设置在所述低温介质容器上。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明通过先加工出径向差厚板，然后再对径向差厚板进行拉深的方式进行径向差厚的曲面件的成形；在成形过程中采用径向加载和低温介质充液拉深相结合的复合成形方法，利用铝合金材料在低温条件下，强度提高、塑性明显增强的特性，使薄区在低温条件下拉深，该区材料的承载能力高，从而解决薄区易破裂的问题；同时通过径向加载推动厚区材料向下模内流动，从而防止厚薄过渡区破裂。
本发明解决了通过差厚平板直接拉深的薄壁区和薄厚过渡区容易破裂的问题，同时相对于厚板旋压法成形，还具有材料利用率高，组织性能无变化、一致性好，成形周期短，可靠性高等优势。
2、通过在非平面的薄区与下模之间设置弹性压边圈，使得径向差厚板的薄区在成形过程中始终有支撑，避免成形过程中薄区变形起皱的问题。
3、通过将加载板的一端设置为与径向差厚板端面相适配弧面，使得加载油缸更好、更均匀的将力施加到径向差厚板的外周；通过将加载油缸沿径向差厚板的周向均匀设置若干个，使得径向差厚板受到的径向力更加均匀，从而保证径向差厚的曲面件的外形尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为径向差厚的曲面件成形装置结构示意图；
图2为径向差厚板的截面示意图；
图3为径向差厚板形状示意图；
其中，1、凸模；2、刚性压边圈；3、弹性压边圈；4、凹模；5、低温介质容器；5.1、充液孔；6、低温介质；7、密封圈；8、加载油缸；8.1、活塞杆；8.2、油缸法兰；8.3、缸体；9、加载板；10、径向差厚板；10.1、薄壁区；10.2、厚壁区；10.3、斜面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种径向差厚的曲面件成形方法及装置，以解决现有技术存在的问题，通过采用径向加载结合低温充液拉深工艺，解决径向差厚的曲面件的薄区以及薄厚过渡区容易破裂的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
请参考图1-图3，本实施例提供一种径向差厚的曲面件成形方法，目标成形的径向差厚的曲面件的内轮廓为半椭圆球面，母线方程为
Figure BDA0002571014760000041
材质为2219铝合金，成形板料外径为Φ4200mm、薄壁区厚度为8mm，厚壁区厚度为20mm，成形过程包括以下步骤，
S01，如图2、图3所示，采用外径为Φ4200mm、厚度为20mm的铝合金板料进行铣削加工，加工成薄壁区10.1内径为Φ3500mm、厚度8mm，薄壁区10.1与厚壁区10.2之间具有斜面10.3过渡，且斜面10.3与板料平面之间的夹角为10°-15°的径向差厚板10，最终形成的径向差厚板10一面为平面，另一面为非平面。
S02，模具处于打开状态，凹模4安装在低温介质容器5的上方并且凹模4和低温介质容器5之间通过密封圈7进行密封，凹模4和低温介质容器5组合成下模；通过低温介质系统从充液孔5.1向下模腔室内注满低温介质6，本实施例中的低温介质6优选液氮。
S03，将径向差厚板10的非平面向下放在凹模4上表面中间位置。
本步骤中，还在凹模4上表面与径向差厚板10的薄壁区10.1之间设置弹性压边圈3，弹性压边圈3与凹模4上方的径向差厚板10薄壁区10.1吻合，用于对成形过程中对刚性压边圈2和凹模4之间的薄壁区10.1进行支撑，避免在成形过程中出现起皱的情况。
S04，通过压力机压边滑块带动刚性压边圈2下行，与径向差厚板10接触后，施加初始单位压边力1-2MPa。
S05，通过压力机拉深滑块带动凸模1下行，在与径向差厚板10上表面接触时停止，通过低温介质系统使下模腔室内建立初始液体压力2-6MPa。
S06，压力机拉深滑块带动凸模1继续下行，同时通过外接的液压系统使八个加载油缸8的缸体8.3的油口T1进油、T2出油，一定压力的液压油推动活塞杆8.1产生推力，进一步通过加载板9传递到径向差厚板10的外周，径向差厚板10在凸模1以及加载油缸8的作用下，逐渐向凹模4内移动。
本步骤中采用的加载板9的厚度为19.5mm，加载板9与径向差厚板10接触的弧段长度约820mm，加载油缸8作用力35T，产生平均径向压力20MPa。
加载油缸8的数量以及推力的大小可以根据成形件的外缘弧段大小、径向差厚板10厚壁区10.2的厚度以及薄壁区10.1和厚壁区10.2的厚度比确定。
S07，通过压力机压边滑块增大刚性压边圈2的单位压边力至2-4MPa，并在拉深成形过程中通过低温介质系统的液氮泵和压力阀控制下模腔室内的液体压力在5-10MPa的范围，直至拉深成形过程结束。
S08，卸载加载油缸8的压力，卸载下模腔室液体压力以及压边力，压力机拉深滑块带动凸模1回程，压力机压边滑块带动刚性压边圈2上行，取出成形的曲面件，并将曲面件上的弹性压边圈3取下，得到最终的径向差厚的曲面件。
实施例二
如图1所示，本实施例提供一种应用实施例一中径向差厚的曲面件成形方法的径向差厚的曲面件成形装置，包括凸模1、分别与径向差厚板10上下表面接触的刚性压边圈2和下模。
下模可以是一个一体设置的结构，也可以是由分体的凹模4和低温介质容器5组成，本实施例中采用由凹模4和低温介质容器5组成的下模，并在凹模4和低温介质容器5之间设置密封圈7，从而防止在凹模4和低温介质容器5的腔室内充入液体，尤其是建立腔室内的液体压力时，造成泄漏。
刚性压边圈2与凹模4之间设置有径向加压装置，用于向径向差厚板10施加径向压力。
径向加压装置可以是液压油、气缸、油缸等，在需要压力较小是还可以采用弹簧。本实施例中在成形过程中需要施加较大的径向压力，因此本实施例中的径向加载装置优选采用加载油缸8，加载油缸8沿径向差厚板10的周向均匀设置若干个，并通过油缸法兰8.2固定在凹模4上，加载油缸8的活塞杆8.1端部设置加载板9，活塞杆8.1通过加载板9将推力传递到径向差厚板10的端部。加载板9端面为弧面，并且与径向差厚板10外周弧形面相配合。
低温介质容器5的外壁上设置有与内部连通的充液孔5.1，充液孔5.1与低温介质系统连接。低温介质系统包括液氮泵以及设置在液氮泵与充液孔5.1之间管路上的压力阀，通过液氮泵以及压力阀向低温介质容器5内充液氮，并建立液体压力。
进一步的，本实施例中还包括弹性压边圈3，弹性压边圈3设置在径向差厚板10非平面侧的薄壁区10.1与凹模4上表面之间，呈环形形状，弹性压边圈3既能对径向差厚板10的薄壁区10.1进行支撑，同时又在成形过程中能够随着径向差厚板10进行变形并向凹模4内流动。
根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种径向差厚的曲面件成形方法，其特征在于：包括以下步骤，
S01，将等厚平板加工成外圈厚中间薄的径向差厚板，形成的所述径向差厚板一面为平面，另一面为非平面；
S02，通过低温介质系统从充液孔向下模腔室内注满低温介质；
S03，将所述径向差厚板的非平面向下放在下模上表面中间位置；
S04，通过压力机压边滑块带动刚性压边圈下行，与所述径向差厚板接触后，施加初始压边力；
S05，通过压力机拉深滑块带动凸模下行，在与所述径向差厚板上表面接触时停止，通过低温介质系统使所述下模腔室内建立初始液体压力；
S06，所述压力机拉深滑块继续下行，同时通过径向加压装置对所述径向差厚板施加径向压力，所述径向差厚板逐渐向所述下模腔室内移动；
S07，通过所述压力机压边滑块增大所述刚性压边圈的压边力，并在拉深成形过程中通过所述低温介质系统控制所述下模腔室内的液体压力，直至拉深成形过程结束。
2.根据权利要求1所述的一种径向差厚的曲面件成形方法，其特征在于：所述径向差厚板的厚壁区和薄壁区之间具有斜面过渡，所述斜面角度为10-15°。
3.根据权利要求1所述的一种径向差厚的曲面件成形方法，其特征在于：步骤S03中还包括在将所述径向差厚板放在下模中间位置之前，先将弹性压边圈放置所述下模上，所述弹性压边圈与所述径向差厚板的薄区吻合。
4.根据权利要求3所述的一种径向差厚的曲面件成形方法，其特征在于：
步骤S04中，施加的初始单位压边力为1-2MPa；
步骤S05中，所述初始液体压力为2-6MPa；
步骤S07中，增大所述刚性压边圈的单位压边力至2-4MPa；控制所述下模腔室内的液体压力在5-10MPa的范围。
5.根据权利要求4所述的一种径向差厚的曲面件成形方法，其特征在于：
还包括步骤S08，卸载所述径向加压装置的压力，卸载所述下模腔室液体压力以及压边力，所述压力机拉深滑块带动所述凸模回程，所述压力机压边滑块带动所述刚性压边圈上行，取出成形的曲面件，并将所述曲面件上的所述弹性压边圈取下，得到最终的径向差厚的曲面件。
6.一种采用如权利要求1-5任一项所述的径向差厚的曲面件成形方法的径向差厚的曲面件成形装置，其特征在于：包括凸模、分别与径向差厚板上下表面接触的刚性压边圈和下模；
所述刚性压边圈与所述下模之间还设置有径向加压装置，用于向所述径向差厚板施加径向压力；
所述下模设置有下模腔室，所述下模外壁上设置有与内部下模腔室连通的充液孔，所述充液孔与低温介质系统连接。
7.根据权利要求6所述的一种径向差厚的曲面件成形装置，其特征在于：还包括弹性压边圈，所述弹性压边圈设置在所述径向差厚板非平面侧的薄区与所述凹模上表面之间。
8.根据权利要求6或7所述的一种径向差厚的曲面件成形装置，其特征在于：所述径向加压装置包括加载油缸以及与所述加载油缸的活塞杆相连的加载板，所述加载板端面为弧面且与所述径向差厚板端部弧形面配合，所述加载油缸沿所述径向差厚板的周向均匀设置若干个。
9.根据权利要求8所述的一种径向差厚的曲面件成形装置，其特征在于：所述低温介质系统包括液氮泵以及设置在所述液氮泵与所述充液孔之间管路上的压力阀。
10.根据权利要求6所述的一种径向差厚的曲面件成形装置，其特征在于：所述下模包括凹模和低温介质容器，所述凹模与所述低温介质容器之间设置有密封圈，所述充液孔设置在所述低温介质容器上。
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