CN112139339B - 一种金属薄壁曲面件超低温成形设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属薄壁曲面件超低温成形设备，包括超低温介质传输增压单元、压力机、模具单元和控制系统；压力机上设置有压边缸、压边滑块、拉深缸和拉深滑块，压边缸能够驱动压边滑块进行竖直升降，拉深缸能够驱动拉深滑块进行竖直升降；模具单元包括凸模、压边圈和凹模；超低温介质传输增压单元包括自增压低温容器，压边圈中的低温通道、凹模中的低温通道及凹模的型腔分别通过低温管路与自增压低温容器的出口连通，凹模的型腔与自增压低温容器之间的低温管路上设置有低温泵，凹模和压边圈的侧壁中分别设置有温度传感器。本发明通过超低温介质直接冷却坯料，可实现金属薄壁曲面件超低温成形。
Description
技术领域
本发明涉及金属板件成形技术领域，特别是涉及一种金属薄壁曲面件超低温成形设备。
背景技术
薄壁曲面件是火箭、飞机、高铁和汽车等运载装备的关键构件，其几何形状、尺寸精度和综合性能直接影响到装备的气动性能、承载能力、有效载荷和使用寿命，如：运载火箭燃料贮箱箱底、飞机蒙皮、汽车覆盖件等。为满足新一代运载装备对轻量化和高可靠越来越高的要求，迫切需求高性能的整体化薄壁结构来替代现有的多块分体拼焊结构。薄壁曲面件整体化导致其形状越来越复杂、尺寸越来越大。为实现轻量化，还需要使用轻质高强的轻合金材料，使得此类薄壁曲面件越来越难成形。
以燃料贮箱箱底为例，由于壁厚超薄（厚度与直径之比小于3‰）和使用的高强铝合金室温塑性差，现有技术无法解决此类薄壁曲面件整体成形过程的起皱和开裂缺陷共存难题。近年，发展起来一种先进的超低温成形技术，利用铝合金在超低温条件下大幅提高的成形能力，在超低温度（<-160℃）条件下通过模具成形出铝合金薄壁曲面件。该方法不仅能显著提高成形极限、克服开裂的难题，还为增大压边力防止起皱提供了可行性。
超低温成形是一类全新的成形制造技术，其关键是如何实现坯料在超低温条件下变形。目前，该技术在国际上尚处于研究初期，没有成熟经验可借鉴。在超低温成形技术原理研究过程中，主要是将模具完全浸泡在超低温介质中，以实现均匀降温，但是存在大量消耗超低温介质、难于批量生产、无法成形大尺寸构件等系列问题；或者将成形工装置放于低温箱内，但存在无法将坯料冷却至较低温度的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属薄壁曲面件超低温成形设备，以解决上述现有技术存在的问题，利用超低温介质对成形模具和坯料进行直接冷却，实现薄壁曲面件超低温成形。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种金属薄壁曲面件超低温成形设备，包括超低温介质传输增压单元、压力机、模具单元和控制系统；所述压力机上设置有压边缸、压边滑块、拉深缸和拉深滑块，所述压边缸能够驱动所述压边滑块进行竖直升降，所述拉深缸能够驱动所述拉深滑块进行竖直升降；所述模具单元包括与所述拉深滑块的底端固连的凸模、与所述压边滑块的底端固连的压边圈和与所述压力机中的移动平台固连的凹模，所述凸模正对所述凹模，所述凸模与所述压边圈同轴；所述超低温介质传输增压单元包括自增压低温容器，所述压边圈中的低温通道、所述凹模中的低温通道及所述凹模的型腔分别通过低温管路与所述自增压低温容器的出口连通，所述凹模的型腔与所述自增压低温容器之间的所述低温管路上设置有低温泵，所述凹模和所述压边圈的侧壁中分别设置有温度传感器，所述凹模的型腔中设置有压力传感器，所述拉深缸、所述压边缸、所述自增压低温容器、所述低温泵、所述温度传感器及所述压力传感器分别与所述控制系统电连接。
优选的，所述压边圈中的低温通道与所述自增压低温容器之间的低温管路和所述凹模中的低温通道与所述自增压低温容器之间的低温管路上分别设置有与所述控制系统电连接的低温阀。
优选的，所述自增压低温容器中设置有超低温介质，所述超低温介质为液氩、液氮或液氦。
优选的，所述坯料通过所述超低温介质的直接冷却和所述模具预冷后的间接冷却冷却至设定温度，所述设定温度的范围为-270℃~-120℃。
优选的，所述模具的冷却通过模具出口的超低温介质温度、压力和模具温度，实时调节低温阀开口大小，实现模具温度精确控制，模具冷却温度范围为-270℃~0℃。
优选的，凹模的型腔超低温介质增压通过自增压低温容器向型腔内先快速充填超低温介质，待充满后再通过低温泵增加低温介质压力至设定压力，实现大体积超低温介质压力快速建立，压力设定范围为0.8~30MPa。
优选的，所述凸模与所述拉深滑块之间、所述凹模与所述移动平台之间、所述压边圈与所述压边滑块之间分别夹设有隔热板。
优选的，所述压力机包括上横梁、下横梁、所述移动平台、液压电气系统和四根拉杆，所述拉杆的两端分别穿过所述上横梁和所述下横梁，且所述拉杆上螺纹连接有四个螺母，其中两个所述螺母位于所述上横梁两侧且紧贴所述上横梁，另两个所述螺母位于所述下横梁两侧且紧贴所述下横梁，且四根所述拉杆呈四角分布，所述移动平台设置在所述下横梁上，所述拉深缸和所述压边缸分别与所述液压电气系统连接。
优选的，每根所述拉杆上均套设有一个立柱，所述立柱竖直固设在所述上横梁和所述下横梁之间，所述移动平台设置在所述下横梁上，所述压边滑块和所述拉深滑块分别与四根所述立柱四角八面导向。
优选的，所述控制系统包括可编程逻辑控制器PLC、信号输入模块、通讯模块、信号输出模块和触摸屏，所述信号输入模块、所述通讯模块、所述信号输出模块和所述触摸屏分别与所述可编程逻辑控制器PLC电连接，所述压力机、所述自增压低温容器、所述低温阀和所述低温泵分别与所述信号输出模块电连接，所述温度传感器和所述压力传感器分别与所述信号输入模块电连接。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的金属薄壁曲面件超低温成形设备通过超低温介质直接冷却坯料，可实现金属薄壁曲面件超低温成形。本发明金属薄壁曲面件超低温成形设备通过超低温介质传输增压，实现坯料高效冷却，使坯料在超低温条件下发生变形，显著提高成形极限；本发明金属薄壁曲面件超低温成形设备通过超低温介质对坯料进行直接冷却，避免了大尺寸模具难冷却问题；本发明的金属薄壁曲面件超低温成形设备通过闭环控制超低温介质传输流量，有利于实现模具温度精确控制；本发明的金属薄壁曲面件超低温成形设备，通过大流量快速低压充填和低温泵增压，有利于实现大体积超低温介质压力快速建立。本发明金属薄壁曲面件超低温成形设备的各组成部分具有独立的电气液压系统，可以独立支配相应单元运行，采用分系统模块化组装、网络通迅集成控制，便于实现产业化。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明金属薄壁曲面件超低温成形设备的结构示意图；
图2为本发明金属薄壁曲面件超低温成形设备中控制系统的示意图；
其中：1、压力机；101、螺母；102、下横梁；103、拉杆；104、移动平台；105、压边滑块；106、立柱；107、拉深滑块；108、上横梁；109、压边缸；110、拉深缸；2、隔热板；3、凹模；4、坯料；5、压边圈；6、凸模；7、控制系统；8、自增压低温容器；9、超低温介质；10、低温阀；11、低温泵；12、低温管道；13、温度传感器；14、低温通道；15、压力传感器。
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付出创造性劳动的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金属薄壁曲面件超低温成形设备，以解决上述现有技术存在的问题，利用超低温介质对成形模具和坯料进行直接冷却，实现薄壁曲面件超低温成形。
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。
如图1至图2所示：本实施例提供了一种金属薄壁曲面件超低温成形设备，包括超低温介质传输增压单元、压力机1、模具单元和控制系统7。控制系统7主要包括控制元器件、信号采集系统、输出量变换系统、执行元件和控制软件等，执行联控系统的各个信号采集和命令发送。
压力机1包括上横梁108、下横梁102、移动平台104、液压电气系统和四根拉杆103，拉杆103的两端分别穿过上横梁108和下横梁102，且拉杆103上螺纹连接有四个螺母，其中两个螺母位于上横梁108两侧且紧贴上横梁108，另两个螺母位于下横梁102两侧且紧贴下横梁102，且四根拉杆103呈四角分布，移动平台104设置在下横梁102上。每根拉杆103上均套设有一个立柱106，立柱106竖直固设在上横梁108和下横梁102之间，移动平台104设置在下横梁102上，压边滑块105和拉深滑块107分别与四根立柱106四角八面导向。拉深缸110和压边缸109分别与液压电气系统连接，液压电气系统用于为压力机1各个动作具体控制、执行和提供动力，液压电气系统与控制系统7电连接。本实施例中的压力机1也可以采用双动四柱结构，有利于降低超低温成形设备的制造成本。
压力机1上设置有压边缸109、压边滑块105、拉深缸110和拉深滑块107，压边缸109能够驱动压边滑块105进行竖直升降，拉深缸110能够驱动拉深滑块107进行竖直升降，压边缸109和拉深缸110均设置在上横梁108上，压边滑块105和拉深滑块107为上下结构或内外结构，压边滑块105和拉深滑块107分别与四根立柱106四角八面导向，压边缸109和拉深缸110上分别安装有压力传感器和位移传感器，实时采集压力和位移信号，用于反馈给控制系统7以方便控制系统7控制压边滑块105和拉深滑块107动作；模具单元包括与拉深滑块107的底端固连的凸模6、与压边滑块105的底端固连的压边圈5和与压力机1中的移动平台104固连的凹模3，凸模6正对凹模3，凸模6与压边圈5同轴；凸模6与拉深滑块107之间、凹模3与移动平台104之间、压边圈5与压边滑块105之间分别夹设有隔热板2，隔热板2能够防止低温模具吸热。必要时，还可以对凸模6型面进行隔热处理，防止凸模6与坯料接触后对坯料温度的影响，也可以通过模架间接连接凸模6、凹模3和压边圈5，以便于各部分协调工作。
超低温介质传输增压单元包括自增压低温容器8，压边圈5中的低温通道14、凹模3中的低温通道14及凹模3的型腔分别通过低温管路与自增压低温容器8的出口连通，凹模3的型腔与自增压低温容器8之间的低温管路上设置有低温泵11，凹模3和压边圈5的侧壁中分别设置有温度传感器13，凹模3的型腔中设置有压力传感器15。自增压低温容器8中设置有超低温介质9，超低温介质9为液氩、液氮或液氦。自增压低温容器8用于储存超低温介质9，可以通过超低温介质9汽化自行增压，压力范围一般为0.02MPa~1.6MPa。低温管道12用于连接自增压低温容器8、低温阀10、低温泵11和模具，将超低温介质9传输到模具及其型腔。低温阀10用于控制超低温介质9传输控制，实际是通过比例调节阀门开口大小，调节介质传输流量。低温泵11用于凹模3型腔内的超低温介质9增压，压力一般为0.8MPa~30MPa。
拉深缸110、压边缸109、自增压低温容器8、低温泵11、温度传感器13及压力传感器15分别与控制系统7电连接。压边圈5中的低温通道14与自增压低温容器8之间的低温管路和凹模3中的低温通道14与自增压低温容器8之间的低温管路上分别设置有与控制系统7电连接的低温阀10。控制系统7用于对压力机1、超低温介质传输增压单元综合控制，实现模具温度、低温介质温度与压力、压边力、拉深位移协同控制。
参照图2，实施例金属薄壁曲面件超低温成形设备的各组成部分具有独立的电气液压系统，可以独立支配相应单元运行。采用安全型可编程逻辑控制器PLC作为控制中心，可编程逻辑控制器PLC的具体型号为SIEMENS PLC(CPU1515)，可编程逻辑控制器PLC与ProfiNet通迅模块电连接，ProfiNet通迅模块通过路由器组网连接，在触摸屏上进行综合控制，通过ProfiNet控制各单元来实现综合控制，使用ProfiNet控制的分单元这种方式具有信号响应快，抗干扰能力强的优势，采用分系统模块化组装、网络通迅集成控制，便于实现产业化。
本实施例金属薄壁曲面件超低温成形设备在工作过程中通过超低温介质传输增压单元对坯料4根据变形需要选择性的注入到凹模3、压边圈5以及凹模3的型腔中，以对坯料4进行冷却降温和加压，实现超低温成形。坯料4通过模具预冷后间接冷却和超低温介质9直接冷却相结合的方式实现均匀或分区冷却。成形区坯料4冷却温度范围为-270℃~-120℃。模具冷却时，通过模具出口的超低温介质9温度、压力和模具温度，实时调节低温阀10开口大小，实现模具温度精确控制，模具冷却温度范围为-270℃~0℃。
凹模3的型腔进行超低温介质9增压时，首先通过自增压低温容器8向型腔内快速充填超低温介质9，待凹模3的型腔中充满超低温介质9后再通过低温泵11增加低温介质压力，实现大体积超低温介质9压力快速建立。
本发明的超低温成形设备，采用分系统模块化组装，通过网络通迅集成控制。本发明的超低温成形设备可用于铝合金、镁合金或钛合金超低温成形。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本说明书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 (5)
1.一种金属薄壁曲面件超低温成形设备，其特征在于：包括超低温介质传输增压单元、压力机、模具单元和控制系统；所述压力机上设置有压边缸、压边滑块、拉深缸和拉深滑块，所述压边缸能够驱动所述压边滑块进行竖直升降，所述拉深缸能够驱动所述拉深滑块进行竖直升降；所述模具单元包括与所述拉深滑块的底端固连的凸模、与所述压边滑块的底端固连的压边圈和与所述压力机中的移动平台固连的凹模，所述凸模正对所述凹模，所述凸模与所述压边圈同轴；所述超低温介质传输增压单元包括自增压低温容器，所述压边圈中的低温通道、所述凹模中的低温通道及所述凹模的型腔分别通过低温管路与所述自增压低温容器的出口连通，所述凹模的型腔与所述自增压低温容器之间的所述低温管路上设置有低温泵，所述凹模和所述压边圈的侧壁中分别设置有温度传感器，所述凹模的型腔中设置有压力传感器，所述拉深缸、所述压边缸、所述自增压低温容器、所述低温泵、所述温度传感器及所述压力传感器分别与所述控制系统电连接；所述凹模的型腔通过自增压低温容器快速充填超低温介质，待充满后再通过低温泵增加超低温介质压力，实现大体积超低温介质压力充填，并增加大尺寸坯料冷却速率，压力设定范围为0.8~30MPa；
所述压边圈中的低温通道与所述自增压低温容器之间的低温管路和所述凹模中的低温通道与所述自增压低温容器之间的低温管路上分别设置有与所述控制系统电连接的低温阀；
所述控制系统包括可编程逻辑控制器PLC、信号输入模块、通讯模块、信号输出模块和触摸屏，所述信号输入模块、所述通讯模块、所述信号输出模块和所述触摸屏分别与所述可编程逻辑控制器PLC电连接，所述压力机、所述自增压低温容器、所述低温阀和所述低温泵分别与所述信号输出模块电连接，所述压边缸和所述拉深缸上分别设置有位移传感器，所述位移传感器、所述温度传感器和所述压力传感器分别与所述信号输入模块电连接；
所述坯料通过所述超低温介质的直接冷却和所述模具预冷后的间接冷却冷却至设定温度，所述设定温度的范围为-270℃~-120℃；
所述模具的冷却通过模具出口的超低温介质温度、压力和模具温度，实时调节低温阀开口大小，实现模具温度精确控制，模具冷却温度范围为-270℃~0℃。
2.根据权利要求1所述的金属薄壁曲面件超低温成形设备，其特征在于：所述自增压低温容器中设置有超低温介质，所述超低温介质为液氩、液氮或液氦。
3.根据权利要求1所述的金属薄壁曲面件超低温成形设备，其特征在于：所述凸模与所述拉深滑块之间、所述凹模与所述移动平台之间、所述压边圈与所述压边滑块之间分别夹设有隔热板。
4.根据权利要求1所述的金属薄壁曲面件超低温成形设备，其特征在于：所述压力机包括上横梁、下横梁、所述移动平台、液压电气系统和四根拉杆，所述拉杆的两端分别穿过所述上横梁和所述下横梁，且所述拉杆上螺纹连接有四个螺母，其中两个所述螺母位于所述上横梁两侧且紧贴所述上横梁，另两个所述螺母位于所述下横梁两侧且紧贴所述下横梁，且四根所述拉杆呈四角分布，所述移动平台设置在所述下横梁上，所述拉深缸和所述压边缸分别与所述液压电气系统连接。
5.根据权利要求4所述的金属薄壁曲面件超低温成形设备，其特征在于：每根所述拉杆上均套设有一个立柱，所述立柱竖直固设在所述上横梁和所述下横梁之间，所述移动平台设置在所述下横梁上，所述压边滑块和所述拉深滑块分别与四根所述立柱四角八面导向。
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