CN114260398A - 一种用于制备封闭金属方框的成形装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制备封闭金属方框的成形装置及其制备方法，包括成形内模和成形外模；成形内模包括动力控制系统，动力控制系统上设有对称相向设置的一对短边控制臂、一对长边控制臂和一对对角线方向控制臂；短边控制臂上均连有短边直边模；长边控制臂上均连有长边直边模；对角线方向控制臂均连有圆角位置镶嵌套；短边直边模、长边直边模与圆角位置镶嵌套之间首尾相连，构成方框形状；成形外模包括与短边直边模、长边直边模位置相对应的外模直边模，以及与圆角位置镶嵌套位置相对应的外模圆角模；外模直边模与外模圆角模之间首尾相连，构成方框形状。本发明实现变尺寸封闭金属方框的成形，具有用料少、无焊缝、尺寸精度稳定性高、变形小特点。

Description

一种用于制备封闭金属方框的成形装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及封闭金属方框的成形技术，更具体地说，涉及一种用于制备封闭金属方框的成形装置及其制备方法。

背景技术

请结合图1至图2所示，目前，大型金属方框100的制作主要采用焊接方式进行制作，切割金属厚板或管材后，采用焊接方式将四边连接，成为金属方框100。该方式由于具有焊缝1，容易存在焊缝裂纹、未焊透、夹渣、气孔等缺陷，且受热后存在变形大、尺寸精度及稳定性较差等问题。

请结合图3所示，为了提高大型金属方框的尺寸精度及稳定性，避免焊缝的影响，根据方框的尺寸，选用大于方框尺寸的宽幅厚板，在宽幅厚板上沿边缘直接切割制作方框100，切削下的中心板材通常用于制造其他小尺寸方框或直接作为废料，因此通常材料利用率仅为10％左右或更低，极大地降低了材料的利用率。且该方式对于大规格厚板的平整度要求较高，存在轧制力大、制造难度高、成本高等特点。

在现有相关专利申请中，如专利CN104874977B公开一种异形环件的成形方法，但其模具需要单独制作，且对于不同形状的环件需要不同的成形模具，对于大型环件模具尺寸大，成本较高。

如专利CN104307980B公开一种高温合金框形环成型工装及其成型工艺，其整形工装一采用一种外形为“匚”字型结构，其整形工装二内部采用螺纹连接，变形过程中外形模具及零件尺寸固定，成本高。

综上所述，目前缺乏经济有效的，同时又能保证高尺寸精度及稳定性的大型封闭金属方框的制造方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种用于制备封闭金属方框的成形装置及其制备方法，实现变尺寸封闭金属方框的成形，具有用料少、无焊缝、尺寸精度稳定性高、变形小的特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种用于制备封闭金属方框的成形装置，包括成形内模和成形外模；

所述成形内模包括动力控制系统，所述动力控制系统上设有对称相向设置的一对短边控制臂、一对长边控制臂和一对对角线方向控制臂；

所述短边控制臂上均连有长边直边模；

所述长边控制臂上均连有短边直边模；

所述对角线方向控制臂均连有圆角位置镶嵌套；

所述短边直边模、所述长边直边模与所述圆角位置镶嵌套之间首尾相连，构成方框形状；

所述成形外模包括与所述短边直边模、所述长边直边模位置相对应的外模直边模，以及与圆角位置镶嵌套位置相对应的外模圆角模；

所述外模直边模与所述外模圆角模之间首尾相连，构成方框形状。

较佳的，所述圆角位置镶嵌套上设有限位块。

较佳的，所述短边控制臂、所述长边控制臂和所述对角线方向控制臂均为伸缩式液压结构。

另一方面，一种用于制备封闭金属方框的制备方法，包括以下步骤：

1)根据所需制备封闭金属方框的体积计算坯料尺寸；

2)将所述坯料进行加热，再进行镦粗，然后进行中心冲孔；

3)将所述坯料进行环轧得到环件；

4)使用所述的成形装置对所述环件进行预成形；

5)使用所述的成形装置再对所述环件进行整形；

6)最后得到所述封闭金属方框。

较佳的，所述步骤1)中的所述坯料选用圆柱形或方形，所述坯料体积是所述封闭金属方框体积的110％～120％。

较佳的，所述坯料选用圆柱形时，其高度与直径之比小于1.8。

较佳的，所述步骤2)中的所述坯料加热至900℃～1150℃之间。

较佳的，所述步骤2)中的所述坯料进行镦粗后厚度为所述封闭金属方框厚度的110％～120％。

较佳的，所述步骤4)中的所述预成形进一步包括将所述环件放置在所述成形内模和所述成形外模之间；

然后，所述外模直边模、所述外模圆角模向所述成形内模方向运动，同时所述短边控制臂、所述长边控制臂和所述对角线方向控制臂按设定的运动速度向所述成形外模方向运动，对所述环件进行预成形。

较佳的，所述短边控制臂、所述长边控制臂和所述对角线方向控制臂的运动速度关系由公式1至公式4计算得出：

l:w:d＝(l₀+△l):(w₀+△w):(d₀+△d) 公式1

△l＝v_l*t 公式2

△w＝v_w*t 公式3

△d＝v_d*t 公式4

公式1至公式4中，l、w、d分别为所述封闭金属方框最终的长度、宽度及对角线长度；l₀、w₀、d₀分别为所述长边控制臂、所述短边控制臂、所述对角线方向控制臂在所述封闭金属方框的长度方向、宽度方向、对角线方向的初始长度；Δl、Δw、Δd分别为所述长边控制臂、所述短边控制臂、所述对角线方向控制臂某段时间在长度方向、宽度方向及对角线方向的移动增量；t为时间或时刻；v_l、v_w、w_d分别为所述长边控制臂、所述短边控制臂、所述对角线方向控制臂在所述封闭金属方框长边、宽度、对角线方向的运动速度。

较佳的，所述步骤5)中的所述整形进一步包括待所述外模直边模达到所述环件的最终尺寸时减慢并停止运动，然后所述短边控制臂、所述长边控制臂配合对所述环件进行整形；

所述对角线方向控制臂向外扩展对所述环件的角部进行成形，同时所述外模圆角模向内运动配合所述对角线方向控制臂对所述环件的角部进行成形，最终成形内模、所述成形外模与所述环件完全接触，完成对所述环件的整形，形成所述封闭金属方框。

所述封闭金属方框的长度在1000mm～3000mm之间，壁厚在30mm～300mm之间。

本发明所提供的一种用于制备封闭金属方框的成形装置及其制备方法，可以实现无焊缝大型封闭金属方框的成形，避免了焊缝对于精度及尺寸稳定性的影响，同时具备用料少，材料利用率高的优点。还可以实现大型封闭金属方框的成形，实现不同尺寸不同厚度方框的成形，同时通过替换直边模可以实现内凹外凸类似花瓣状异形框的成形。

附图说明

图1是现有金属方框的示意图；

图2是现有焊接制成金属方框上焊缝的示意图；

图3是现有整板线切割制成金属方框的示意图；

图4是本发明成形装置中成形内模的结构示意图；

图5是图4中成形内模的侧视示意图；

图6是本发明制备方法中将环件放置于成形装置的示意图；

图7是图6中成形装置的侧视示意图；

图8是本发明制备方法中利用成形装置对环件进行预成形的示意图；

图9是图8中成形装置的侧视示意图；

图10是本发明制备方法中利用成形装置对环件进行整形的示意图；

图11是图10中成形装置的侧视示意图；

图12是本发明成形装置中成形内模缩小后的示意图；

图13是图12中成形内模的侧视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请结合图4至图5所示，本发明所提供的一种用于制备封闭金属方框的成形装置，主要实现由环件到封闭金属方框的预成形及整形过程，设置为卧式结构，包括成形内模200和成形外模。

成形内模200包括动力控制系统2，动力控制系统2上安装有对称相向设置的一对短边控制臂3、一对长边控制臂4和一对对角线方向控制臂5。

短边控制臂3上均连有长边直边模6。

长边控制臂4上均连有短边直边模7。

对角线方向控制臂6均连有圆角位置镶嵌套8。

短边直边模7、长边直边模6与圆角位置镶嵌套8之间首尾通过底座或交接的方式相连，构成方框形状。

短边控制臂3、长边控制臂4和对角线方向控制臂5均为伸缩式液压结构。

圆角位置镶嵌套8上均安装有限位块9，为防止封闭金属方框在成形过程中后端方向发生扭曲，限制后端方向窜动。

成形外模包括与短边直边模7、长边直边模6位置相对应的外模直边模10，以及与圆角位置镶嵌套8位置相对应的外模圆角模11。

外模直边模10与外模圆角模11之间首尾相连，构成方框形状。

外模直边模10与外模圆角模11均由外侧液压缸提供动力，外模直边模10实现环件的预成形，之后，外模圆角模11及成形内模200配合完成整形。

动力控制系统2用以控制短边控制臂7、长边控制臂6和对角线方向控制臂8的联动，为控制臂提供动力，控制并协调成形内模200和成形外模运动以完成封闭金属方框的预成形及整形。动力控制系统2采用液压的方式提供动力，通过八条控制臂向成形内模200的四边及角部提供变形的动力，控制臂为伸缩式液压结构，通过伸长/缩短控制相对于成形内模200的运动。

本发明成形装置通过可实现对控制臂的独立控制与联合控制，协调成形内模200和成形外模实现不同尺寸不同壁厚的封闭金属方框的最终成形。圆角位置镶嵌套8与外模圆角模11可通过替换镶块实现不同的圆角半径。在成形内模200向外扩展时，短边直边模7、长边直边模6为活塞式的嵌套机构，并与圆角位置镶嵌套8嵌套连接，从而实现直边位置长度的连续变化，且为封闭金属方框的整体提供足够的变形力。

外模直边模10的尺寸固定，整形时，与外模圆角模11接触闭合后与封闭金属方框的尺寸相同。对于不同尺寸的封闭金属方框的成形，可通过更换镶块的方式实现外模直边模10的长度与外模圆角模11的半径调整。

有必要时，可将短边直边模7、长边直边模6替换为其他带曲面结构的模具以实现内凹外凸类似花瓣状的异形框成形。

请结合图6至图13所示，本发明还提供了一种用于制备封闭金属方框的制备方法，包括下料-镦粗冲孔-环轧-预成形-整形，具体包括以下步骤：

1)根据所需制备封闭金属方框的体积计算下料尺寸，坯料可选用圆柱形或方形，坯料体积是封闭金属方框体积的110％～120％，以补充包括材料氧化、冲孔导致的材料损失；若坯料选用圆柱形时，其高度与直径之比小于1.8；

2)将坯料加热至900℃～1150℃之间，再进行镦粗，使镦粗后坯料厚度为封闭金属方框厚度的110％～120％，然后进行中心冲孔，使坯料孔径能够满足后续环轧机上的芯辊直径要求；

3)将坯料进行环轧，通过环轧机上的锥辊、芯辊、导向辊的共同作用，得到环件300，环件300的周长相近或略小于封闭金属方框的周长，环件300的壁厚大于封闭金属方框的壁厚；

4)使用成形装置对环件300进行预成形，具体为将环件300放置在成形内模200和成形外模之间，然后，外模直边模10向内运动，同时短边直边模7、长边直边模6与圆角位置镶嵌套8按设定的运动速度向外伸长，预成形时成形外模向内运动推动环件300变形为近似矩形，成形内模200向外运动支撑环件300外形准备下一步进行整形。预成形后环件300为近似矩形，并且不得出现明显的内凹。其中，短边控制臂3、长边控制臂4和对角线方向控制臂5的运动速度关系由以下公式1至公式4计算得出：

l:w:d＝(l₀+△l):(w₀+△w):(d₀+△d) 公式1

△l＝v_l*t 公式2

△w＝v_w*t 公式3

△d＝v_d*t 公式4

公式1至公式4中，l、w、d分别为封闭金属方框最终的长度、宽度及对角线长度；l₀、w₀、d₀分别为长边控制臂4、短边控制臂3、对角线方向控制臂5在封闭金属方框的长度方向、宽度方向、对角线方向的初始长度；Δl、Δw、Δd分别为长边控制臂4、短边控制臂3、对角线方向控制臂5某段时间在长度方向、宽度方向及对角线方向的移动增量；t为时间或时刻；v_l、v_w、w_d分别为长边控制臂4、短边控制臂3、对角线方向控制臂5在封闭金属方框长边、宽度、对角线方向的运动速度。通过公式1至公式4可以计算出v_l、v_w、w_d三者的关系，以调整控制臂的运动速度；

5)待外模直边模10位置达到封闭金属方框最终尺寸时减慢速度并停止运动，随后成形内模200配合对环件300进行整形，对角线方向控制臂5向外扩展使圆角位置镶嵌套8对环件300角部进行成形，同时外模圆角模11向内运动配合圆角位置镶嵌套8进行整形，最终成形内模200和成形外模完全接触环件300完成封闭金属方框的整形；

6)最后得到符合尺寸要求的封闭金属方框。

本发明所提供的一种用于制备封闭金属方框的成形装置，适用于封闭金属方框的长度在1000mm～3000mm之间，壁厚在30mm～300mm之间。

实施例

本实施例成形装置包括成形内模200和成形外模。

成形内模200包括动力控制系统2，采用液压方式为控制提供动力；动力控制系统2上安装有对称相向设置的一对短边控制臂3、一对长边控制臂4和一对对角线方向控制臂5，短边控制臂3、长边控制臂4和对角线方向控制臂5均为伸缩式液压结构，通过控制臂的伸长，实现成形内模200整体向外扩张的功能；短边控制臂3上均连有长边直边模6，长边控制臂4上均连有短边直边模7，对角线方向控制臂6均连有圆角位置镶嵌套8，长边直边模6和短边直边模7均为活塞式的嵌套机构，可与圆角位置镶嵌套8相嵌套连接；限位块9，主要作用为限制封闭金属方框厚度方向产生变形；对于小尺寸封闭金属方框的成形，可通过控制臂缩小成形内模200整体尺寸，缩小后的成形内模200如图12和图13所示。

成形外模包括外模直边模10与外模圆角模11，预成形时，外模直边模10首先向内移动，推动环件300变形接近近似矩形，随后外模圆角模11向内运动，并且圆角位置镶嵌套8向外扩展，配合外模圆角模11完成整形。

本实施例成形方法，需制备封闭金属方框的尺寸为2300*2500mm，壁厚90mm，厚度150mm(如图7中的标号w)，具体步骤如下：

1)根据封闭金属方框的尺寸计算下料的尺寸，采用圆棒作为坯料，考虑加热材料氧化、冲孔导致的材料损失及成形余量，本实施例坯料尺寸为φ560*600mm；

2)将坯料加热至1150℃，保温3小时后，镦粗至180mm高度，镦粗后直径约为1160mm，随后在坯料的中心位置冲孔并扩孔至φ140mm；

3)将步骤2)获取的坯料放置在环轧机上进行环轧，环轧后得到直径达到φ2700mm，厚度155mm左右的环件300；

4)环件300放置在成形内模200和成形外模之间，为保证环件300能在成形内模200，控制液压缸缩短控制臂长度，以减小成形内模200尺寸，控制四个外模直边模10向内运动，使环件300发生变形，同时短边控制臂3、长边控制臂4和对角线方向控制臂5均伸长，伸长速度按照公式1)至公式4)得出，其中，封闭金属方框的尺寸为2300*2500mm，初始长度方向、宽度方向及对角线方向控制臂坐标为500mm、500mm和707mm，则长度方向、宽度方向及对角线方向三个控制臂速度分别设置为300mm/min、236mm/min和380mm/min，使成形内模200扩展，支撑环件300预成形，避免出现内凹形状，逐步将环件300成形至近似矩形；

5)待外模直边模10位置达到封闭金属方框最终尺寸时减慢速度并停止运动，随后成形内模200配合对环件300进行整形，对角线方向控制臂5向外扩展使圆角位置镶嵌套8对环件300角部进行成形，同时外模圆角模11向内运动配合圆角位置镶嵌套8进行整形，最终成形内模200和成形外模完全接触环件300完成封闭金属方框的整形，最后得到符合尺寸要求的封闭金属方框。

综上所述，通过本发明提供的一种用于制备封闭金属方框的成形装置及其制备方法，所制成的封闭金属方框无焊缝连接，具有尺寸及性能稳定高的特点，同时相比整体切割工艺，材料利用率高。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (12)

1.一种用于制备封闭金属方框的成形装置，其特征在于，包括成形内模和成形外模；

所述成形内模包括动力控制系统，所述动力控制系统上设有对称相向设置的一对短边控制臂、一对长边控制臂和一对对角线方向控制臂；

所述短边控制臂上均连有长边直边模；

所述长边控制臂上均连有短边直边模；

所述对角线方向控制臂均连有圆角位置镶嵌套；

所述短边直边模、所述长边直边模与所述圆角位置镶嵌套之间首尾相连，构成方框形状；

所述成形外模包括与所述短边直边模、所述长边直边模位置相对应的外模直边模，以及与圆角位置镶嵌套位置相对应的外模圆角模；

所述外模直边模与所述外模圆角模之间首尾相连，构成方框形状。

2.如权利要求1所述的用于制备封闭金属方框的成形装置，其特征在于：所述圆角位置镶嵌套上设有限位块。

3.如权利要求1所述的用于制备封闭金属方框的成形装置，其特征在于：所述短边控制臂、所述长边控制臂和所述对角线方向控制臂均为伸缩式液压结构。

4.一种用于制备封闭金属方框的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据所需制备封闭金属方框的体积计算坯料尺寸；

2)将所述坯料进行加热，再进行镦粗，然后进行中心冲孔；

3)将所述坯料进行环轧得到环件；

4)使用如权利要求1-3任一项所述的成形装置对所述环件进行预成形；

5)使用所述的成形装置再对所述环件进行整形；

6)最后得到所述封闭金属方框。

5.如权利要求4所述的用于制备封闭金属方框的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的所述坯料选用圆柱形或方形，所述坯料体积是所述封闭金属方框体积的110％～120％。

6.如权利要求5所述的用于制备封闭金属方框的制备方法，其特征在于：所述坯料选用圆柱形时，其高度与直径之比小于1.8。

7.如权利要求4所述的用于制备封闭金属方框的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的所述坯料加热至900℃～1150℃之间。

8.如权利要求4所述的用于制备封闭金属方框的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的所述坯料进行镦粗后厚度为所述封闭金属方框厚度的110％～120％。

9.如权利要求4所述的用于制备封闭金属方框的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中的所述预成形进一步包括将所述环件放置在所述成形内模和所述成形外模之间；

然后，所述外模直边模、所述外模圆角模向所述成形内模方向运动，同时所述短边控制臂、所述长边控制臂和所述对角线方向控制臂按设定的运动速度向所述成形外模方向运动，对所述环件进行预成形。

10.如权利要求9所述的用于制备封闭金属方框的制备方法，其特征在于：所述短边控制臂、所述长边控制臂和所述对角线方向控制臂的运动速度关系由公式1至公式4计算得出：

l:w:d＝(l₀+△l):(w₀+△w):(d₀+△d) 公式1

△l＝v_l*t 公式2

△w＝v_w*t 公式3

△d＝v_d*t 公式4

公式1至公式4中，l、w、d分别为所述封闭金属方框最终的长度、宽度及对角线长度；

l₀、w₀、d₀分别为所述长边控制臂、所述短边控制臂、所述对角线方向控制臂在所述封闭金属方框的长度方向、宽度方向、对角线方向的初始长度；

Δl、Δw、Δd分别为所述长边控制臂、所述短边控制臂、所述对角线方向控制臂某段时间在长度方向、宽度方向及对角线方向的移动增量；t为时间或时刻；

v_l、v_w、w_d分别为所述长边控制臂、所述短边控制臂、所述对角线方向控制臂在所述封闭金属方框长边、宽度、对角线方向的运动速度。

11.如权利要求9所述的用于制备封闭金属方框的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中的所述整形进一步包括待所述外模直边模达到所述环件的最终尺寸时减慢并停止运动，然后所述短边控制臂、所述长边控制臂配合对所述环件进行整形；

所述对角线方向控制臂向外扩展对所述环件的角部进行成形，同时所述外模圆角模向内运动配合所述对角线方向控制臂对所述环件的角部进行成形，最终成形内模、所述成形外模与所述环件完全接触，完成对所述环件的整形，形成所述封闭金属方框。

12.如权利要求5-11任一项所述的用于制备封闭金属方框的制备方法，其特征在于：所述封闭金属方框的长度在1000mm～3000mm之间，壁厚在30mm～300mm之间。

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