CN114227141B - 采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于薄壁金属构件成形制造技术领域，提供了采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法，主要步骤如下：成形总体方案的确定；组合法兰式板坯设计；组合法兰式板坯制备；中心板坯与法兰环连接；组合法兰式板坯拉深成形；成形后金属构件的分解；薄壁金属构件的后处理。本方法通过调整法兰的结构形式、材料性能和连接状态提高成形工艺对变形区应力状态的调控能力，解决采用低塑性高性能材料成形复杂薄壁构件时的开裂和起皱问题。

Description

采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法

技术领域

本发明属于薄壁金属构件成形制造技术领域，特别是涉及采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法。

背景技术

薄壁金属构件是航空航天、高铁、汽车等运载装备中的一类关键式板坯件。随着运载装备向高性能、高可靠性发展，对薄壁金属构件的使役性能和轻量化水平提出了更高的要求，因此，常选用铝合金、镁合金、钛合金等轻质高性能材料。然而，此类材料室温塑性低、成形性能弱等，成形时常面临工艺窗口窄、成品率低、甚至无法成形的难题。

薄壁金属构件的拉深成形是一种利用模具，将冲裁后得到的较好形状平板毛坯冲压成各种开口空心零件或将开口空心毛坯减小直径，增大高度的机械加工工艺。拉深成形生产率高、材料利用率高，具有一定的尺寸精度和较低的表面粗糙度，能够制造不同尺寸的拉深件和其它加工方法不易成形的薄壁且复杂的制件。薄壁金属构件拉深成形时，一般先在板坯的法兰区施加一定的压边力，再通过刚性凸模或气体、液体等流体介质对板坯成形部位施加成形载荷，得到最终薄壁金属构件。

目前，采用拉深工艺成形复杂形状的薄壁金属构件时存在以下难题：（1）在有法兰边板坯成形中，由于板坯材料塑性能力、成形工艺局限性以及设备条件等的限制，对板坯的受力状态调控范围有限，难以将受力状态调节至适合高性能低塑性材料复杂构件成形的状态，导致成形时出现局部减薄、开裂、起皱等缺陷；（2）当薄壁金属构件的成形尺寸受板坯尺寸限制无法整体成形，需要将目标件分解成多个零件进行多次成形，再将这些分解后的零件进行焊接，但是受各零件的尺寸误差以及焊接应力的影响，组焊的薄壁金属构件存在较大的尺寸误差，并且由于最终成形构件上焊缝的存在，将导致构件性能的弱化，产生不利影响。

为解决目前薄壁金属构件成形时，由于受设备、材料等限制，调控经向应力范围较小出现受力不均导致成形时出现局部减薄、开裂、起皱等缺陷，对于较大尺寸的构件受板坯尺寸的限制无法整体成形，组焊的构件存在较大的尺寸误差，并且由于最终成形构件上焊缝的存在，将导致构件性能的弱化，产生不利影响等问题，需要开发一种新的薄壁金属构件成形方法。

发明内容

本发明的目的是提供采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法，能够解决现有的拉深工艺中因调控经向应力范围较小出现受力不均导致成形时出现局部减薄、开裂、起皱等缺陷，对于较大尺寸的构件受板坯尺寸的限制无法整体成形，组焊的构件存在较大的尺寸误差，并且由于最终成形构件上焊缝的存在，将导致构件性能的弱化，产生不利影响等问题。

本发明的技术方案：

采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法，步骤如下：

步骤一、成形总体方案确定：对薄壁金属构件进行特征分析，确定薄壁金属构件的成形工艺；

步骤二、组合法兰式板坯设计：对薄壁金属构件进行尺寸分析，确定中心板坯和法兰环的尺寸与材料，确定组合法兰式板坯中中心板坯与法兰环的特征尺寸；

步骤三、中心板坯与法兰环连接：中心板坯置于法兰环内侧，二者活动连接或固定连接成组合法兰式板坯，通过改变法兰环的厚度、材料，以调控中心板坯的受力状态；

步骤四、组合法兰式板坯拉深成形：将组合法兰式板坯放置到拉深成形模具上，在法兰环上施加一定的压边力，凸模向下与中心板坯接触，施加作用力，组合法兰式板坯在刚性凸模的作用下进行整体成形，使得组合法兰式板坯发生拉深成形并贴靠模具型腔，得到所需要的外形轮廓；

步骤五、成形后金属构件的分解：拉深成形后将模具拆分，取出拉深成形后的零件，去除外围的法兰环，得到中心部位的薄壁金属构件；

步骤六、薄壁金属构件的后处理：对所得的薄壁金属构件的表面和端部进行去毛刺、抛光以及清理，最终得到薄壁金属构件。

组合法兰式板坯还包括内层覆板以及外层覆板，组成多层组合法兰式板坯；内层覆板和外层覆板与法兰环采用粘接或增大摩擦力的方式进行连接，将内层覆板、组合法兰式板坯、外层覆板按顺序进行组合、定位，获得所需要的多层组合法兰式板坯。

本发明的有益效果：

（1）本发明的采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法，通过法兰环的连接或者连接卡扣调控中心板坯的受力状态，使得叠层板坯成形时中心板坯受力状态可控范围增大，因此，对于铝合金、镁合金等室温下塑性能力差的材料，有利于避免出现局部起皱、减薄以及开裂等缺陷。

（2）本发明的采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法，由于内层覆板以及外层覆板与法兰环连接，成形过程中，覆板带动法兰环和板坯向模具内流动，提高成形性能，并且覆板提高法兰区的抗起皱能力。

（3）本发明的采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法，当所需薄壁金属构件成形尺寸较大时，可将中心板坯整体成形，避免了分解后局部成形再拼接导致最终构件尺寸误差大、性能差等问题。

附图说明

图1为本发明中采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法原理图。

图2（a）为本发明单层组合法兰式板坯模具组装示意图，（b）为单层组合法兰式板坯连接细节放大图。

图3（a）为本发明多层组合法兰式板坯模具组装示意图，（b）为多层组合法兰式板坯连接细节放大图。

图4为本发明组合法兰式板坯的成形示意图，（a）为单层组合法兰式板坯成形示意图，（b）为多层组合法兰式板坯成型示意图。

图5为本发明中心板坯的示意图。

图6为本发明单层法兰环连接示意图，（a）为采用焊接连接，(b)为采用焊接连接的细节放大图，（c）为采用连接扣连接。

图7（a）为本发明多层法兰式板坯连接示意图，（b）为多层组合法兰式板坯连接细节放大图。

图中：1中心板坯，2内覆层板坯，3外覆层板坯，4环形板坯，5凸模，6下模具，7法兰环与中心板坯连接，8，压边圈，9连接扣。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式

实施例1：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6说明，本发明提出的采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法，该方法是按照以下步骤进行的：

本发明提供采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法，包括以下步骤：

步骤一、成形总体方案确定。对薄壁金属构件进行特征分析，采用有限元仿真软件对加工过程进行分析，确定薄壁金属构件的成形工艺；

步骤二、组合法兰式板坯设计。对薄壁金属构件进行尺寸分析，通过FEM反向模拟、坯料展开等计算方法确定中心板坯和法兰环的尺寸与材料，确定组合法兰式板坯中中心板坯与法兰环的特征尺寸；

步骤三、组合法兰式板坯制备。根据步骤一和步骤二的分析结果，通过冲裁等方法制备中心板坯和法兰环；

步骤四、中心板坯与法兰环连接。中心板坯置于法兰环内侧，采用焊接、粘接或者连接扣将法兰环与中心板坯连接形成组合法兰式板坯，通过改变法兰环的厚度、材料，以调控中心板坯的受力状态；

步骤五、组合法兰式板坯拉深成形。将组合法兰式板坯放置到拉深成形模具上，在法兰环上施加一定的压边力，凸模向下与中心板坯接触，施加作用力，组合法兰式板坯在刚性凸模的作用下进行整体成形，使得组合法兰式板坯发生拉深成形并贴靠模具型腔，得到所需要的外形轮廓；

步骤六、成形后金属构件的分解。拉深成形后将模具拆分，取出拉深成形后的零件，去除外围的法兰环，得到中心部位的薄壁金属构件；

步骤七、薄壁金属构件的后处理。对所得的薄壁金属构件的表面和端部进行去毛刺、抛光以及清理，最终得到薄壁金属构件。

本实施例的采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法，通过法兰环的连接调控中心板坯的受力状态，使得拉深成形时中心板坯受力状态可控范围增大，因此，对于铝合金、镁合金等室温下塑性能力差的材料，有利于避免出现局部起皱、减薄以及开裂等缺陷；当所需薄壁金属构件成形尺寸较大时，可将中心板坯整体成形，避免了分解后局部成形再焊接导致最终构件尺寸误差大、性能差等问题。

实施例2：结合图4（b）说明，在步骤四中，法兰环与中心板坯采用连接扣的连接方式，其中连接扣可以有效调节中心板坯的受力状态，且法兰环与中心板坯连接后形成单层组合法兰环板直接进行拉深成形，其它步骤，与实施例1相同。

本实施例的法兰环与中心板坯采用连接扣的连接方式，可以调控中心板坯在拉深成形过程中的受力状态，有利于避免出现局部起皱、减薄以及开裂等缺陷，并且对最终成形件进行后处理可以直接得到无法兰边的薄壁金属构件，避免将发生变形的外边缘法兰区以及圆角区切掉，尤其对于价格昂贵的先进金属材料如高强铝合金、钛合金，或者金、银等贵重金属，提高了材料的利用率，节约了制造成本。

实施例3：结合图5说明，在步骤二中，法兰环使用与中心板坯不同的不锈钢、铜合金等价格低廉的金属材料，其它步骤，与实施例1相同。

本实施例的有法兰边的构件拉深成形后需将发生变形的外边缘法兰区以及圆角区切掉，而法兰环使用与中心板坯材料不同的不锈钢、铜合金等价格低廉的金属材料，对于中心板坯材料是价格昂贵的先进金属材料如高强铝合金、钛合金，或者金、银等贵重金属来说，提高了材料的利用率，节约了制造成本。

实施例4：结合图5说明，在步骤二中，根据金属薄壁构件的特征，选择与中心板坯不同厚度的法兰环，其它步骤，与实施例1相同。

本实施例对于拉深工艺成形复杂形状的薄壁金属构件，法兰环调控中心板坯应力状态的范围需要更大，改变法兰环的厚度，有效控制中心板坯在拉深成形过程中的拉应力、压应力，有利于避免出现局部起皱、减薄以及开裂等缺陷。

实施例5：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6说明，本发明提出的采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法，该方法是按照以下步骤进行的：

步骤一、成形总体方案确定。对薄壁金属构件进行特征分析，确定薄壁金属钣金构件的成形工艺；

步骤二、多层组合法兰式板坯设计。根据步骤一的总体方案，对薄壁金属构件进行尺寸分析，确定中心板坯、法兰环、内层覆板以及外层覆板尺寸；

步骤三、多层组合法兰式板坯制备。根据步骤一和步骤二的分析结果，通过冲裁等方法制备中心板坯、法兰环、内层覆板以及外层覆板；

步骤四、法兰环与中心板坯连接。根据步骤二和步骤三的分析，中心板坯置于法兰环的内侧，采用焊接、粘结或连接扣将法兰环与中心板坯连接形成单层组合法兰式板坯，通过改变法兰环的厚度、材料，以调控中心板坯的受力状态；

步骤五、法兰环与覆板连接。内层覆板和外层覆板与法兰环采用粘接或者增大摩擦力的方式进行连接，然后将内层覆板、步骤四所得组合法兰式板坯、外层覆板按顺序进行组合、定位，获得所需要的多层组合法兰式板坯；

步骤六、多层组合法兰式板坯拉深成形。将组合好的板坯放置到拉深成形模具上，压边圈与凹模压住多层组合法兰式板坯，凸模向下与内层覆板接触，施加作用力，多层组合法兰式板坯在刚性凸模的作用下进行整体成形，使得组合法兰式板坯发生拉深成形并贴靠模具型腔，得到所需要的外形轮廓；

步骤七、成形后金属构件的分解。拉深成形后将模具拆分，取出拉深成形后的零件，撤去内层覆板以及外层覆板，得到带有法兰环的薄壁金属构件；

步骤八、薄壁构件上法兰环的去除。将成形后薄壁金属构件上的法兰环进行切割以及清理，对切割后的薄壁金属构件表面和端部进行去毛刺、抛光以及清理，最终得到薄壁金属构件。

本实施例的多层组合法兰边成形中，法兰环的连接可以控制中心板坯的成形程度，在成形过程中通过连接有效调控中心板坯成形过程中的拉应力或者压应力，并且法兰环可以约束中心板坯的位置移动，保证中心板坯在成形过程中受力均匀，避免中心板坯产生局部起皱、开裂以及减薄的缺陷；内层覆板、与法兰环连接的中心板坯、外层覆板之间粘接时，成形过程中，覆板带动法兰环和板坯向模具内流动，提高成形性能，并且覆板提高法兰区的抗起皱能力。

实施例6：结合图4（b）说明，在步骤六中，将组合叠层板坯置于成形模具中，通过采用30kN~60kN的压边力使得压边圈与下模分别与内层覆板和下层覆板接触，其它步骤，与实施例5相同。

本实施例采用压边圈压住组合叠层板坯，压边圈装在压边滑块上。压边力由压边滑块产生的压力提供，在拉深过程中压边平稳，压力不变，拉深效果好，简化了模具设计，降低了成本。

实施例7：结合图5说明，在步骤五中，采用粗粒度的砂轮对内外层覆板打磨来增大覆层板与法兰环接触面的摩擦进行连接，其它步骤，与实施例2相同。

本实施例的内层覆板、法兰环、外层覆板之间粗糙度增大时，摩擦因数越大，也就是板坯之间的界面剪切摩擦越大时，板坯的极限成形高度与极限应变越大，有利于零件的最终成形。

实施例8：结合图5说明，在步骤二中，内层覆板与外层覆板的材料选择与中心板坯不同的价格低廉材料，其它步骤，与实施例5相同。

本实施例由于内层覆板以及外层覆板与法兰环连接，成形过程中，覆板带动法兰环和板坯向模具内流动，提高成形性能，并且覆板提高法兰区的抗起皱能力。并且覆板材料选择价格低廉的金属材料，节约了制造成本。

实施例9：结合图5说明，在步骤二中，内层覆板与外层覆板的厚度选择与中心板坯不同的厚度，其它步骤，与实施例5相同。

本实施例对于拉深工艺成形复杂形状的薄壁金属构件，选择不同厚度的内层覆板以及外层覆板，内外层覆板与法兰环连接调控中心板坯应力状态的范围需要更大，不同厚度的覆板带动法兰环和板坯向模具内流动，提高成形性能，并且提高法兰区的抗起皱能力。

Claims (2)

1.一种采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、成形总体方案确定：对薄壁金属构件进行特征分析，确定薄壁金属构件的成形工艺；

步骤二、组合法兰式板坯设计：对薄壁金属构件进行尺寸分析，确定中心板坯和法兰环的尺寸与材料，确定组合法兰式板坯中中心板坯与法兰环的特征尺寸；

步骤三、中心板坯与法兰环连接：中心板坯置于法兰环内侧，二者活动连接或固定连接成组合法兰式板坯，通过改变法兰环的厚度、材料，以调控中心板坯的受力状态；

步骤四、组合法兰式板坯拉深成形：将组合法兰式板坯放置到拉深成形模具上，在法兰环上施加一定的压边力，凸模向下与中心板坯接触，施加作用力，组合法兰式板坯在刚性凸模的作用下进行整体成形，使得组合法兰式板坯发生拉深成形并贴靠模具型腔，得到所需要的外形轮廓；

步骤五、成形后金属构件的分解：拉深成形后将模具拆分，取出拉深成形后的零件，去除外围的法兰环，得到中心部位的薄壁金属构件；

步骤六、薄壁金属构件的后处理：对所得的薄壁金属构件的表面和端部进行去毛刺、抛光以及清理，最终得到薄壁金属构件；

有法兰边的构件拉深成形后需将发生变形的外边缘法兰区以及圆角区切掉，而法兰环使用与中心板坯材料不同的不锈钢或铜合金，中心板坯的材料是铝合金、钛合金、金或银。

2.根据权利要求1所述的采用组合法兰式板坯成形薄壁金属构件的方法，其特征在于，组合法兰式板坯还包括内层覆板以及外层覆板，组成多层组合法兰式板坯；内层覆板和外层覆板与法兰环采用粘接或增大摩擦力的方式进行连接，将内层覆板、组合法兰式板坯、外层覆板按顺序进行组合、定位，获得所需要的多层组合法兰式板坯。

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