CN113059012B - 一种大高径比锥筒的挤压拉伸复合成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大高径比锥筒的挤压拉伸复合成形方法，步骤一，毛坯入模：将预制成杯状的毛坯放入成形通道上；步骤二，挤压撑拉：模具凸模和环形压圈分别通过中轴柱塞和环形柱塞带动并进行下压，模具凸模和环形压圈的下压速度由中轴压缸和环形压缸独立控制；首先，模具凸模底部向下挤压毛坯变薄成形为锥筒的锥部；其次，环形压圈开始下压，毛坯在模具凸模侧壁和模具凹模内壁的挤压下向下成形为锥筒的侧壁；步骤三，撑拉结束：在锥筒的侧壁成形结束后，环形压缸回缩复位，模具凸模继续向下运动，至模具凸模带动毛坯穿出成形通道后，撑拉毛坯变形结束；步骤四，卸料抽芯：将模具凸模与毛坯分离，中轴压缸通过环形柱塞复位中轴柱塞。

Description

一种大高径比锥筒的挤压拉伸复合成形方法
技术领域
本发明涉及大型构件成形技术领域，特别涉及一种大高径比锥筒的挤压拉伸复合成形方法。
背景技术
大型锥筒形类构件(见图1(a))作为常见的承力构件，在装备中应用量巨大。目前制备大型锥筒形类构件传统的成形工艺是冲压法、旋压法、铸造法以及挤压法。
如图1(b)，冲压法是把构件分段加工，直壁部分采用板料卷圆后焊接，锥形头部分采用板料拉伸，然后将直壁与锥形头焊接完成，但是这种工艺流程多，焊缝强度低，难以满足大压力容器高力学性能的要求。
如图1(c)，多道次旋压成形工艺采用管形件作为毛坯，边旋转边加热保温，旋轮对管体进行多次旋压，工艺时间长，效率低。
如图2，变薄拉伸法，棒料进行反挤预成形厚壁筒后，进行多次壁厚变薄拉伸，模具套数多，成本高，拉伸次数多，材料进行多次加热，晶粒粗大，构件性能低，生产效率低，不能用于大批量生产。
上述大型锥筒形类构件加工过程中存在的强度低，效率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大高径比锥筒的挤压拉伸复合成形方法，克服上述缺陷，开发出高性能薄壁筒的一次成形方法。
为达成上述目的，本发明的解决方案为：一种大高径比锥筒的挤压拉伸复合成形方法，涉及一种成形大型锥筒的挤压拉伸复合成形设备，该成形设备包括模具凹模、中轴压缸、环形压缸、中轴柱塞、环形柱塞、模具凸模和环形压圈，模具凹模中部为贯通的成形通道，成形通道的直径从上至下逐步收拢以供毛坯形变，中轴压缸和环形压缸同轴心设置且分别上下架设于成形通道上，中轴压缸和环形压缸下部分别连接中轴柱塞和环形柱塞，中轴压缸和环形压缸分别控制中轴柱塞和环形柱塞的下压速度，所述环形压缸中部为贯通的柱塞通道，所述中轴柱塞穿过柱塞通道，
中轴柱塞和环形柱塞下端分别连接并带动模具凸模和环形压圈向下运动并挤压毛坯成形，模具凸模、环形压圈与模具凹模构成毛坯上部的封闭空间，环形压圈套设在模具凸模外，
模具凸模和环形压圈带动毛坯从成形通道中向下挤出，模具凸模形状与锥筒的内腔一致，模具凸模与成形通道之间的间隙为毛坯成形锥筒的壁厚；
该方法具体包括以下步骤：
步骤一，毛坯入模：将预制成杯状的毛坯放入成形通道上，模具凸模中部抵靠在毛坯的杯状中心凹部，环形压圈抵靠在毛坯的杯状边缘凸部；
步骤二，挤压撑拉：模具凸模和环形压圈分别通过中轴柱塞和环形柱塞带动并进行下压，模具凸模和环形压圈的下压速度由中轴压缸和环形压缸独立控制；
首先，模具凸模先进行下压，环形压圈仅抵靠在抵靠在毛坯的杯状边缘凸部，模具凸模底部向下挤压毛坯的杯状中心凹部预先变薄成形为锥筒的锥部；
其次，在锥筒的锥部开始成形后，环形压圈开始下压并带动毛坯向下变形，环形压圈的下压速度慢于模具凸模的下压速度，由于模具凸模、环形压圈与模具凹模构成毛坯上部的封闭空间，毛坯在模具凸模侧壁和模具凹模内壁的挤压下向下成形为锥筒的侧壁；
步骤三，撑拉结束：在锥筒的侧壁成形结束后，环形压缸先停止下压并进行回缩复位，环形压缸通过环形柱塞带动环形压圈回缩，中轴压缸继续通过中轴柱塞推动模具凸模向下运动，至模具凸模带动毛坯穿出成形通道后，中轴柱塞停止运动，撑拉毛坯变形结束，
步骤四，卸料抽芯：将模具凸模与毛坯分离，中轴压缸通过环形柱塞复位中轴柱塞。
优选的，所述模具凹模设置在第一底座上，第一底座上对应成形通道处设置开口，第一底座下部设置有卸料环，卸料环与成形通道同轴心设置，卸料环外连接往复机构，卸料环通过往复机构在成形通道的径向扩展和收缩。
优选的，所述成形通道上部和下部均为圆柱空腔，成形通道上部圆柱空腔的直径大于成形通道下部圆柱空腔的直径，成形通道中部为从上至下收缩的圆台空腔，成形通道下部的圆柱空腔与模具凸模之间的间隙为毛坯成形锥筒的壁厚。
优选的，所述环形压圈为底部凸起圆台环的圆环，环形压圈套接在所述成形通道上部的圆柱空腔内，所述圆台环的环面与所述成形通道中部圆台空腔的环面平行，所述圆台环的环面与所述成形通道中部圆台空腔的环面之间具有间隙。
采用上述方案后，本发明的有益效果在于：
本发明提出的成形方法只需要进行两次加热变形，保持了材料的细晶组织，大幅度提高材料的力学性能，避免了开裂，成形后的锥筒内腔不用加工，成形的锥筒满足产品所需的高强度，高韧性的力学性能要求。
毛坯从模具凸模与成形通道之间的间隙流出，中轴柱塞和环形柱塞下端分别连接并带动模具凸模和环形压圈以不同下压速度下压，形成差速挤压，壁厚一次挤压变成产品的薄壁。本发明极大缩短了大型锥筒形构件的制造流程，降低生产成本，且方法简单、便于操作，并且本发明设计的成形通道细化了金属微观组织，提高了性能。
附图说明
图1(a)-图1(c)是本发明背景技术涉及的锥筒及其加工示意图；
图2(d)-图2(g)是本发明背景技术涉及的使用多次变薄拉伸法加工锥筒的示意图；
图3(h)-图3(j)是本发明的毛坯形状示意图；
图4是本发明的结构示意图；
图5是本发明的加工毛坯示意图一；
图6是本发明的加工毛坯示意图二；
图7是本发明的加工毛坯示意图三；
图8是本发明的加工毛坯示意图四；
图9是本发明的加工毛坯示意图五；
图10(k)-图10(l)是本发明的毛坯内部变形图。
标号说明：模具凹模(1)、中轴压缸(2)、环形压缸(3)、中轴柱塞(4)、环形柱塞(5)、模具凸模(6)、环形压圈(7)、成形通道(10)、柱塞通道(30)、第一底座(11)、卸料环(8)、第二底座(12)、顶出缸(9)、第一悬架(21)、第二悬架(31)、毛坯(100)。
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。
如图1-10所示，本发明提供一种大高径比锥筒的挤压拉伸复合成形方法，涉及一种成形大型锥筒的挤压拉伸复合成形设备，该成形设备包括模具凹模1、中轴压缸2、环形压缸3、中轴柱塞4、环形柱塞5、模具凸模6和环形压圈7，模具凹模1中部为贯通的成形通道10，成形通道10的直径从上至下逐步收拢以供毛坯形变，中轴压缸2和环形压缸3同轴心设置且分别上下架设于成形通道10上，中轴压缸2和环形压缸3下部分别连接中轴柱塞4和环形柱塞5，中轴压缸2和环形压缸3分别控制中轴柱塞4和环形柱塞5的下压速度，所述环形压缸3中部为贯通的柱塞通道30，所述中轴柱塞4穿过柱塞通道30，
中轴柱塞4和环形柱塞5下端分别连接并带动模具凸模6和环形压圈7向下运动并挤压毛坯成形，模具凸模6、环形压圈7与模具凹模1构成毛坯上部的封闭空间，环形压圈7套设在模具凸模6外，
模具凸模6和环形压圈7带动毛坯从成形通道10中向下挤出，模具凸模6形状与锥筒的内腔一致，模具凸模6与成形通道10之间的间隙为毛坯成形锥筒的壁厚；
该方法具体包括以下步骤：
步骤一，毛坯入模：将预制成杯状的毛坯放入成形通道10上，模具凸模6中部抵靠在毛坯的杯状中心凹部，环形压圈7抵靠在毛坯的杯状边缘凸部；
步骤二，挤压撑拉：模具凸模6和环形压圈7分别通过中轴柱塞4和环形柱塞5带动并进行下压，模具凸模6和环形压圈7的下压速度由中轴压缸2和环形压缸3独立控制；
首先，模具凸模6先进行下压，环形压圈7仅抵靠在抵靠在毛坯的杯状边缘凸部，模具凸模6底部向下挤压毛坯的杯状中心凹部预先变薄成形为锥筒的锥部；
其次，在锥筒的锥部开始成形后，环形压圈7开始下压并带动毛坯向下变形，环形压圈7的下压速度慢于模具凸模6的下压速度，由于模具凸模6、环形压圈7与模具凹模1构成毛坯上部的封闭空间，毛坯在模具凸模6侧壁和模具凹模1内壁的挤压下向下成形为锥筒的侧壁；
步骤三，撑拉结束：在锥筒的侧壁成形结束后，环形压缸3先停止下压并进行回缩复位，环形压缸3通过环形柱塞5带动环形压圈7回缩，中轴压缸2继续通过中轴柱塞4推动模具凸模6向下运动，至模具凸模6带动毛坯穿出成形通道10后，中轴柱塞4停止运动，撑拉毛坯变形结束；
步骤四，卸料抽芯：将模具凸模6与毛坯分离，中轴压缸2通过环形柱塞5复位中轴柱塞4。
可以将本案所涉及的锥筒成形方法简称为，反挤制坯-挤压拉伸成形。
材料从模具凸模6与成形通道10之间的间隙流出，中轴柱塞4和环形柱塞5下端分别连接并带动模具凸模6和环形压圈7以不同下压速度下压，形成差速挤压，壁厚一次挤压变成产品的薄壁。模具凸模6拉伸毛坯中部并保持内腔形状，毛坯成形后从模具凹模1下取出。本发明极大缩短了大型锥筒形构件的制造流程，降低生产成本，且方法简单、便于操作，并且本发明设计的成形通道10细化了金属微观组织，提高了性能。
所述模具凹模1设置在第一底座11上，第一底座11上对应成形通道10处设置开口，第一底座11下部设置有卸料环8，卸料环8与成形通道10同轴心设置，卸料环8外连接往复机构，卸料环8通过往复机构在成形通道10的径向扩展和收缩。通过设置卸料环8，可在方法和步骤三时，成形的毛坯从卸料环8中自动落出。
所述模具凹模1悬设在第二底座12上，第二底座12上设置顶出缸9，顶出缸9向成形通道10的轴心顶出。顶出缸9的设计目的是为了，在特殊情况下使用顶出杠将坯料从成形通道上顶出。
所述柱塞通道30和中轴柱塞4的截面均为方形。本案的中轴柱塞4最大行程为2-5m，最大载荷为1000T。将柱塞通道30和中轴柱塞4设计成方形是防止中轴柱塞4在发生转动。
所述的中轴压缸2和环形压缸3分别通过第一悬架21和第二悬架31悬设在成形通道10上。在本案中，第一悬架21和第二悬架31上下架设在两竖架上。
所述成形通道10上部和下部均为圆柱空腔，成形通道10上部圆柱空腔的直径大于成形通道10下部圆柱空腔的直径，成形通道10中部为从上至下收缩的圆台空腔，成形通道10下部的圆柱空腔与模具凸模6之间的间隙为毛坯成形锥筒的壁厚。成形通道10中部的圆台空腔能够实现三向沿圆台斜面向上、沿圆台斜面向下、垂直圆台斜面向外压应力状态成形，避免材料开裂，提高了大型锥筒形类构件成形的良品率。
所述环形压圈7为底部凸起圆台环的圆环，环形压圈7套接在所述成形通道10上部的圆柱空腔内，所述圆台环的环面与所述成形通道10中部圆台空腔的环面平行，所述圆台环的环面与所述成形通道10中部圆台空腔的环面之间具有间隙。环形压圈7与成形通道10中部的圆台空腔相互配合，促进坯料在圆台空腔中的流动，从而提升成形后锥筒的强度。
原理解释：
在本发明中，锥筒的锥部变形后时，模具凸模6、环形压圈7与模具凹模1构成毛坯上部的封闭空间，并且，本发明设计模具的成形通道10中部为从上至下收缩的圆台空腔，这种圆台空腔在放入毛坯进行挤压成形时，毛坯受三向压应力状态成形，分别是沿圆台斜面向上、沿圆台斜面向下和垂直圆台斜面向外，其中，沿圆台斜面向上的应力小于沿圆台斜面向下的应力，毛坯下部沿圆台斜面向下的应力形变成锥筒，并且，毛坯上部在沿圆台斜面向上的应力变形至环形压圈7后，毛坯在环形压圈7底面流动并向环形压圈7内圈翻转，这种翻转可使得金属内部晶粒细化，提升锥筒成形后的强度。
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)

1.一种大高径比锥筒的挤压拉伸复合成形方法，其特征在于：涉及一种成形大型锥筒的挤压拉伸复合成形设备，该成形设备包括模具凹模(1)、中轴压缸(2)、环形压缸(3)、中轴柱塞(4)、环形柱塞(5)、模具凸模(6)和环形压圈(7)，模具凹模(1)中部为贯通的成形通道(10)，成形通道(10)的直径从上至下逐步收拢以供毛坯形变，中轴压缸(2)和环形压缸(3)同轴心设置且分别上下架设于成形通道(10)上，中轴压缸(2)和环形压缸(3)下部分别连接中轴柱塞(4)和环形柱塞(5)，中轴压缸(2)和环形压缸(3)分别控制中轴柱塞(4)和环形柱塞(5)的下压速度，所述环形压缸(3)中部为贯通的柱塞通道(30)，所述中轴柱塞(4)穿过柱塞通道(30)，
中轴柱塞(4)和环形柱塞(5)下端分别连接并带动模具凸模(6)和环形压圈(7)向下运动并挤压毛坯成形，模具凸模(6)、环形压圈(7)与模具凹模(1)构成毛坯上部的封闭空间，环形压圈(7)套设在模具凸模(6)外，
模具凸模(6)和环形压圈(7)带动毛坯从成形通道(10)中向下挤出，模具凸模(6)形状与锥筒的内腔一致，模具凸模(6)与成形通道(10)之间的间隙为毛坯成形锥筒的壁厚；
所述成形通道(10)上部和下部均为圆柱空腔，成形通道(10)上部圆柱空腔的直径大于成形通道(10)下部圆柱空腔的直径，成形通道(10)中部为从上至下收缩的圆台空腔，成形通道(10)下部的圆柱空腔与模具凸模(6)之间的间隙为毛坯成形锥筒的壁厚；
所述环形压圈(7)为底部凸起圆台环的圆环，环形压圈(7)套接在所述成形通道(10)上部的圆柱空腔内，所述圆台环的环面与所述成形通道(10)中部圆台空腔的环面平行，所述圆台环的环面与所述成形通道(10)中部圆台空腔的环面之间具有间隙；
该方法具体包括以下步骤：
步骤一，毛坯入模：将预制成杯状的毛坯放入成形通道(10)上，模具凸模(6)中部抵靠在毛坯的杯状中心凹部，环形压圈(7)抵靠在毛坯的杯状边缘凸部；
步骤二，挤压撑拉：模具凸模(6)和环形压圈(7)分别通过中轴柱塞(4)和环形柱塞(5)带动并进行下压，模具凸模(6)和环形压圈(7)的下压速度由中轴压缸(2)和环形压缸(3)独立控制；
首先，模具凸模(6)先进行下压，环形压圈(7)仅抵靠在毛坯的杯状边缘凸部，模具凸模(6)底部向下挤压毛坯的杯状中心凹部预先变薄成形为锥筒的锥部；
其次，在锥筒的锥部开始成形后，环形压圈(7)开始下压并带动毛坯向下变形，环形压圈(7)的下压速度慢于模具凸模(6)的下压速度，由于模具凸模(6)、环形压圈(7)与模具凹模(1)构成毛坯上部的封闭空间，毛坯在模具凸模(6)侧壁和模具凹模(1)内壁的挤压下向下成形为锥筒的侧壁；
步骤三，撑拉结束：在锥筒的侧壁成形结束后，环形压缸(3)先停止下压并进行回缩复位，环形压缸(3)通过环形柱塞(5)带动环形压圈(7)回缩，中轴压缸(2)继续通过中轴柱塞(4)推动模具凸模(6)向下运动，至模具凸模(6)带动毛坯穿出成形通道(10)后，中轴柱塞(4)停止运动，撑拉毛坯变形结束；
步骤四，卸料抽芯：将模具凸模(6)与毛坯分离，中轴压缸(2)通过环形柱塞(5)复位中轴柱塞(4)。
2.如权利要求1所述一种大高径比锥筒的挤压拉伸复合成形方法，其特征在于：所述模具凹模(1)设置在第一底座(11)上，第一底座(11)上对应成形通道(10)处设置开口，第一底座(11)下部设置有卸料环(8)，卸料环(8)与成形通道(10)同轴心设置，卸料环(8)外连接往复机构，卸料环(8)通过往复机构在成形通道(10)的径向扩展和收缩。
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