CN113523104B - 一种提高深凹底型件贴模精度的刚柔复合成形装置及方法 - Google Patents

一种提高深凹底型件贴模精度的刚柔复合成形装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高深凹底型件贴模精度的刚柔复合成形装置及方法。以解决液压成形过程中悬空区域的板料“聚料”导致零件凹陷深处贴模精度差、成形质量不高的技术问题。该装置包括凸模、压边圈、凹模、液压室和背压模，其中背压连杆连通液压室底端侧壁上下滑动，背压冲头与液压室底部设有氟橡胶密封圈。成形过程中背压模向下紧压住氟橡胶密封圈，板料先进行前期预胀，随后凸模开始下行到一定深度(h1)时停止运动，待液压室腔内的液体介质撤出后，背压连杆缓慢上升移动直至坯料与凸模完全贴模，成形结束。本发明将柔性充液拉深和传统刚性模有效结合在一套模具，有利于提高深凹陷型件的贴模精度，且控制精度高、通用性强。

Description

一种提高深凹底型件贴模精度的刚柔复合成形装置及方法
技术领域
本发明涉及液压板材成形技术领域，涉及一种提高深凹底型件贴模精度的刚柔复合成形装置及方法。
背景技术
随着航空航天及轨道交通等制造领域零部件结构轻量化、精准化及复合成形技术的需求增加，零件结构设计上不断优化升级，所需零件形状更复杂、成形也更困难。复杂铝合金构件的精密成形成为现在的研究热点，同时该技术也是先进塑性加工技术的发展方向之一。传统充液拉深是利用液体作传力介质代替凹模传递载荷，使板料在液压作用下贴靠凸模实现薄壁零件成形的制造技术(图1-传统原理图)。与传统成形工艺相比，其重要的特征是具有“摩擦保持效应”和“溢流润滑效果”可有效提高板料的最终成形性能。但在针对复杂凹底薄壁结构的铝合金板材零件中，传统充液拉深成形较为困难，拉深件会出现过渡区域进料困难而贴模性差、局部凹陷区域的切向拉应力过大而导致胀裂等现象。
目前，我们在前期对内凹底筒型件充液拉深工艺的研究时，采用了前期预胀和独立的主动周向加压技术相结合的技术方法如图2所示。在传统充液拉深的基础上，对板料法兰区外缘施加适当的周向压应力Pr，降低了拉深过程中凸模圆角处的拉应力，提高了板料终成形的最小壁厚值。考虑到航空航天复杂型零件精密成形制造的需要，这就对液室压力控制系统装置和模具制造工艺提出了更高的要求，而且针对复杂型件底部存在深凹陷且成不规则形状时，即便采用主动周向加压和预胀结合的工艺，板料悬空区的深凹陷处还存在“聚料”现象，而不能达到完全贴模状态。
该方法无法解决板料深凹陷处的流动性问题，难以大幅度提高零件的贴模性。所以采取传统充液拉深很难达到精确贴模成形，导致此类底部有复杂凹底件的制造精度低、成产周期延长。因此，针对局部难成形的复杂凹底型件提出刚柔复合拉深成形于一体的装置，既可以利用柔性充液拉深板料变形均匀的优点，又可以发挥刚性模成形局部凹陷的优势，同时满足了对贴模精度的要求，也提高了成形效率。
发明内容
针对上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种模具结构简单、成形精度高的一种提高深凹底型件贴模精度的刚柔复合成形装置及方法，刚柔复合拉深成形方法不仅改善了传统成形的表面质量不高，而且有助于加工对于底部有深凹陷且尺寸精度要求高的复杂型零件。
一、本发明的模具装置
该刚柔复合成形装置主要包括：凸模、压边圈、液压室、背压冲头、背压连杆和氟橡胶密封圈；所述背压冲头连接于所述背压连杆的上部分，其特征在于，背压连杆可沿所述液压室底部通孔内侧壁上下配合滑动，所述背压连杆下端连接在底部升降工作台上，进而操控背压冲头的上下运动。所述氟橡胶密封圈上壁内侧与背压冲头下表面贴合，同时其内侧贴靠在所述背压连杆的外缘，用来防止所述液压室腔内的液体溢流。其中，背压冲头的形状与凸模内凹底形状复刻，背压冲头的加工余量为板料的初始厚度t0。在背压模与液压室的底部通孔连接处设有独立配合的氟橡胶密封圈，其氟橡胶密封圈的外径等于背压冲头外缘直径，氟橡胶密封圈的内径与液压室底部通孔内径相同，且其内圈边缘与背压连杆保持适度润滑效果。背压冲头横截面积小于凸模底部的横截面积，液压室底部通孔内径为背压连杆的宽度的1.1倍，该背压连杆的长度大于液压室腔内总高度。
利用上述装置对板材构件进行刚柔复合拉深的加工方法是按照以下步骤实现的：
S1，将成形模具连通在板材充液成形设备上，控制升降工作台(7)对背压连杆(6)施加向下的拉力，背压冲头(5)向下紧密贴合氟橡胶密封圈(8)，此时背压冲头(5)上表面距离液压室底部高度为h1；
S2，将初始板料放置在成形模具液压室上，调试定位装置，压边圈(2)下行贴近板料处停止，采取压边圈(2)与凹模为固定间隙，凸模(1)底部此时位于板料正上方处；
S3，通过液压控制系统(9)对液压室(4)的进料口处向液压室腔内快速注入液体，初始液室压力逐渐增加直至完成对板料的前期预胀效果，该过程凸模处于静止状态；
S4，凸模(1)开始下行运动至接近零件成形高度时，立即停止运动，此时凸模离背压冲头上表面的距离为h2，该过程中液室压力由快速增压再到持续保压的过程；
S5，操控液压控制系统(9)将液压室腔内的液体缓慢撤出，凸模(1)继续保持静止不动状态；
S6，调控升降工作台(7)对背压连杆(6)保持递减的速率向上滑动，板料(11)的下表面开始与背压冲头(5)上表面接触时，开始缓慢进行胀压贴模运动，直至拉深成形结束,复位开模取件。
本发明与现有技术相比如下优点：
一、本发明充分结合了柔性充液拉深的原理和传统刚性拉深的优势，该装置减少了复杂零件的成形道次，有效改善了板料深凹陷区域的流动性问题，保证了零件的表面成形质量，同时大幅度地提高了零件贴模精度；二、采用可操控地升降装置与液室腔内的背压连杆联动，对复杂型件提供了多种成形方式与运动模式，有助于实现复杂深凹底型板材的自动化成形，极大提高了生产效率；三、本发明在拉深过程中背压模与氟橡胶密封圈的紧压贴合状态，即保证了背压冲头与密封圈的上表面形成良好的密封效果，也为半封闭的液压室腔后续更换不同的背压冲头提供了很好的解决方案。四、在针对有特殊要求的壁厚不均匀的差厚板型件成形，该刚柔复合拉深成形装置，可有效避免液室压力过大导致的局部破裂，液室压力过小而成形质量不够等问题，为复杂深凹底型件精密成形方案提供了帮助。
附图说明
图1是传统充液拉深过程示意图，图2是主动径向加压充液拉深过程示意图，图3是本发明的刚柔复合拉深开始实施示意图，图4是本发明柔性充液拉深过程中间实施示意图。图5是本发明最终刚性胀压贴模过程最终实施示意图。
图中：1、凸模，2、压边圈，3、凹模，4、液压室，5、背压冲头，6、背压连杆，7、升降工作台，8、氟橡胶密封圈，9、液压控制系统，10、密封圈，11、板料。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明提高凹底型件贴模精度的刚柔复合成形装置及方法进行详细说明。
如图2-图4所示，本发明提供的一种提高深凹底型件贴模精度的刚柔复合成形方法包括按照顺序进行的下列步骤：
S1如图三所示的成形模具装置连通在板材充液成形设备上，调试升降工作台(7)以及液压控制系统(9)完成后，控制升降工作台对背压连杆(6)施加F1向下的压力，背压冲头(5)向下紧密贴合氟橡胶密封圈(8)，使其将液压室(4)与背压冲头横向隔绝液压室的液体溢流，同时也对液压室的通孔处与背压模连杆密封，此时背压冲头上表面距离液压室底部高度为h1；
S2选择1mm厚的铝合金6061板材作为初始板料(11)，将初始板料放置在成形模具液室上，调试定位装置，压边圈(2)下行接近板料，采取压边圈与液室模具固定间隙，压边间隙为初始板料厚度1.1mm，凸模(1)底部位于板料正上方处；
S3通过液压控制系统对液压室的进料口处向液室腔内快速注入液体，凸模保持静止状态,位于板料正上方高度3-5mm处,初始液室压力开始逐渐增加至6-9Mpa,液体介质紧贴板料的下表面进行液压反胀直至完成板料的前期预胀效果；
S4，如图4所示的凸模(1)开始下行运动至接近零件成形高度时，立即停止运动，此时凸模离背压冲头上表面的距离为h2，该过程中液室压力先快速增压到16-20Mpa再到持续保压一段时间；
S5，操控液压控制系统(9)将液压室腔内的液体缓慢撤出，凸模(1)继续保持静止状态；
S6，调控升降工作台(7)使背压连杆(6)开始以速度v1向上运动，背压连杆(7)沿着液压室(4)通孔侧壁向上滑动，板料(11)的下表面开始与背压冲头(5)上表面接触时，背压冲头(5)速度降为V2，缓慢进行胀压贴模运动，直至拉深成形结束。
如图5所示，所述的凸模离背压模上表面的距离h2＝液压室腔内总高度H-凸模下行位移S1-凸模预胀高度-背压冲头高度h1；背压冲头的上行位移S2＝凸模离背压模上表面距离h2+凸模凹底部内圆深度h0-板料初始厚度t0；背压冲头的最大直径φ＝凸模内凹侧壁的最大内径R+2*板料初始厚度t0。
经过量取凸模和板料的对角线为计算曲线，刚柔复合拉深结束后，成型板料上的任意节点都可以在凸模的内凹圆上找到与之对应的节点，等间隔选取凸模凹底表面节点到板料起始位置的投影距离以及凸模凹底表面节点到成形后板料对应的节点的实际距离，采取最小二乘法拟合计算获得板料的贴模度，根据板料成形后的贴模性,选择最合适的液压加载路径及调整背压冲头施加的胀压力大小。
具体实施例2：结合图3-图5说明本实施例的实施过程。采取上述装置与方法对凸模尺寸120mm*120mm*50m，凸模内凹底深度15mm，凸模凹圆外径R＝34mm，液室压力加载路径由0增加至8Mpa进行预胀过程，再持续增加到17Mpa保压至拉深结束，凸模拉深行程至95％时撤掉液体介质。根据测量拟合板料与凸模节点的距离得出：传统充液拉深成形结果贴模度为86％，若采用本发明所述方法得到贴模精度达到98％，贴模性可提高12％。

Claims (6)

1.一种提高深凹底型件贴模精度的刚柔复合成形装置，该刚柔复合成形装置主要包括：凸模(1)、压边圈(2)、液压室(4)、背压冲头(5)、背压连杆(6)和氟橡胶密封圈(8)；所述背压冲头(5)连接于所述背压连杆(6)的上部分，其特征在于，背压连杆(6)可沿所述液压室(4)底部通孔内侧壁上下配合滑动，所述背压连杆(6)下端连接在底部升降工作台(7)上，进而操控背压冲头(5)的上下运动；
所述氟橡胶密封圈(8)上壁内侧与背压冲头(5)下表面贴合，同时其内侧贴靠在所述背压连杆(6)的外缘，用来防止所述液压室(4)腔内的液体溢流；所述背压冲头(5)的形状与凸模内凹底形状复刻，且背压冲头(5)的加工余量为板料的初始厚度t0。
2.根据权利要求1所述的提高深凹底型件贴模精度的刚柔复合成形装置，其特征在于，所述氟橡胶密封圈(8)的外径等于背压冲头(5)外缘直径，氟橡胶密封圈的内径与液压室(4)底部通孔内径相同，且其内圈边缘与背压连杆(6)保持适度润滑效果。
3.根据权利要求1所述的提高深凹底型件贴模精度的刚柔复合成形装置，其特征在于，所述背压冲头(5)横截面积小于凸模(1)底部的横截面积，液压室(4)底部通孔内径为背压连杆(6)的宽度的1.1倍,该背压连杆(6)的长度大于液压室(4)腔内总高度。
4.一种提高深凹底型件贴模精度的刚柔复合成形的方法，其特征在于，采取如权利要求1～3任意一项权利要求所述的刚柔复合成形装置对板料(11)进行拉深成形，具体包括以下步骤：
S1，将成形模具连通在板材充液成形设备上，控制升降工作台(7)对背压连杆(6)施加向下的拉力，背压冲头(5)向下紧密贴合氟橡胶密封圈(8)，此时背压冲头(5)上表面距离液压室底部高度为h1；
S2，将初始板料放置在成形模具上，调试定位装置，压边圈(2)下行贴近板料处停止，采取压边圈(2)与凹模为固定间隙，凸模(1)底部此时位于板料正上方处；
S3，通过液压控制系统(9)对液压室(4)的进料口处向液压室腔内快速注入液体，初始液室压力逐渐增加直至完成对板料的前期预胀效果，该过程凸模处于静止状态；
S4，凸模(1)开始下行运动至接近零件成形高度时，立即停止运动，此时凸模离背压冲头上表面的距离为h2，该过程中液室压力由快速增压再到持续保压的过程；
S5，操控液压控制系统(9)将液压室腔内的液体介质缓慢撤出，凸模(1)继续保持静止不动状态；
S6，调控升降工作台(7)对背压连杆(6)保持递减的速率向上滑动，板料(11)的下表面开始与背压冲头(5)上表面接触时，开始缓慢进行合模运动，直至拉深成形结束,复位开模取件。
5.根据权利要求4所述的刚柔复合成形方法，其特征在于，凸模离背压冲头上表面的距离h2＝液压室腔内总高度H-凸模下行位移S1-凸模预胀高度-背压冲头高度h1,背压冲头的上行位移S2＝凸模离背压冲头上表面距离h2+凸模凹底部内圆深度h0-板料初始厚度t0，背压冲头的最大直径＝凸模内凹侧壁的最大内径+2*板料初始厚度t0。
6.根据权利要求4所述的刚柔复合成形方法，其特征在于，等间隔选取凸模凹底表面节点到板料起始位置的投影距离以及凸模凹底表面节点到成形后板料相应的节点的实际距离，采取最小二乘法拟合计算获得板料的贴模度，根据板料成形后的贴模性，选择最合适的液压加载路径及调整背压冲头施加的胀压力大小。
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