CN114472571A

CN114472571A - 一种变截面板材条带式可动芯模挤压成形装置及方法

Info

Publication number: CN114472571A
Application number: CN202210051974.7A
Authority: CN
Inventors: 李峰; 陈梓郁; 王野
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2022-05-13

Abstract

变截面板材的一次挤压成形装置及方法，涉及一种变截面板材条带式可动芯模挤压成形的装置及方法，用以解决变截面型材传统成形制造时存在的工装结构复杂、工序流程长、技术难度大且工艺柔性差等诸多瓶颈问题。装置：将传统内嵌固定式圆柱状芯模设计成半开放可动式条带状芯模4，并置于套筒1底部的矩形凹槽内，丝杠5、减速电机6、垫片8、螺母9、支架10和底座11相互连接，调控速度。方法：坯料3放入套筒1后，压力机开始下行，通过丝杠5、减速电机6调控条带状芯模4的位置，获得具有连续变化形状特征的变截面型材。该方法无需额外工序即可以实现挤压工艺的组织细化和力学性能改善，本发明适用于变截面板材的一次挤压成形。

Description

一种变截面板材条带式可动芯模挤压成形装置及方法

技术领域

本发明涉及金属板材的挤压成形方法，具体涉及一种变截面板材挤压成形方法，属于挤压成形技术领域。

背景技术

以汽车前梁结构为例，采用连续变截面板材可以满足整车布置和承载要求，还能实现提高耐撞性和轻量化的双重目标。非常符合当今绿色成形制造的可持续发展理念，近年来备受关注并得到快速发展，在汽车零部件制造等领域得到广泛应用。

变截面板材成形制造一般主要有三种途径。第一种是焊接法，即把两个厚度或截面形状不同的板材通过焊接到一起，实现变截面板材的成形制造。常用的焊接工艺有滚压电阻焊、电子束焊、激光焊等。在激光焊中首先对过渡区域进行划分，通过设计激光焊接路径和入射角度来实现变截面部位的稳定过渡，最终达到一次焊接成形。但焊接法需要较高的定位精度，同时焊接过程易产生气孔导致性能下降，所需成本也较高。

第二种是轧制法。通过改变轧辊长度方向的几何结构使轧辊间隙控制成板材截面形状特征，实现连续的轧制成形。还可通过在轧制过程中阶段性调控辊间距离，使板材沿轧制方向上具有连续变化的预设几何特征。但变截面板材轧制成形过程中不仅需对轧辊形状结构进行调整或不断调控轧辊间隙且板形尺寸易产生波动，严重影响了板材的成形质量。

第三种是挤压法。主要有两种途径：一种是二维连续变截面板材挤压法，即将传统芯模设计成了双侧可移动式模具结构，在挤压成形过程中通过推杆改变两侧动模位置来调节孔型截面形状，实现变截面板材的成形制造。但仅能调控模口处的二维宽度，并需在挤压成形过程中同步调控两侧推杆的位置，技术难度较大；二是模块化更换芯模的挤压成形方法，即通过在挤压成形过程中按产品截面形状特征要求，随时模块化更换不同孔型的芯模，调控挤出成形制品连续变化的截面形状特征。该方法需在更换芯模时停机操作，且制品沿着挤出成形方向截面大小呈单调规律性变化尚可，否则，将无法更换芯模。

如何打破传统变截面板材塑性成形领域的技术禁锢，激发加载作用模式多样化和创新工装结构设计理念突破的引领下，推动变截面板材精确塑性成形关键理论与技术的纵深发展与拓展应用已迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是为了解决变截面板材传统成形制造时存在的工装结构复杂、工序流程长、技术难度大且工艺柔性差等诸多瓶颈问题。本发明将传统内嵌固定式圆柱状芯模设计成半开放可动式条带状芯模。根据所需变截面板材的形状特征，在条带状芯模中间沿长度方向预制出不同几何特征的孔洞。挤压成形的同时，通过调控条带状芯模位置，可获得连续变化形状特征的变截面板材制品。

本发明是通过以下技术方案实现的：

装置：所述变截面板材挤压成形装置包括：套筒1、凸模2、坯料3、条带式芯模4、丝杠5、减速电机6、底座7、垫片8、螺母9、支架10、底座11。

装置结构的关键在于条带式芯模设计与速度调控的关系。条带式芯模设置了丝杠传动装置，根据实际的需要，通过控制减速电机6设置速度控制丝杠5转速，从而控制条带式芯模移动速度来满足多种变截面尺寸的要求。

方法：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、将合金坯料加工成预定坯料尺寸；

步骤二、将圆坯在挤压筒加热至预定温度；

步骤三、将套筒组合体放置在压力机工作台上，安装控制运动的伺服装置与条带式芯模连接，保证芯模口大于模具内腔尺寸，最小间隙大于零，并保证芯模横截面尺寸大于左右两侧条带与挤压桶的面积；

步骤四、根据制备变截面板材尺寸与条带式芯模的运动轨迹，设置符合板材尺寸的函数关系，设置好条带式芯模位置，放入圆坯，启动压力机，设定一个速度向下对模具进行估计加载，此时根据所需变截面板材的形状控制条带式芯模位置，从而精确控制变截面板材的形状结构和表面质量；

步骤五、当凸模达到最大行程后，条带式芯模停止运动，冲头退出挤压筒，压力机复位，拿下底座，挤压筒和剪料钳配合剪除挤压筒与模具之间的预制坯料，在继续加载完全挤出剩余坯料。

本发明方法与现有技术相比具体以下有益效果：

一、传统芯模多为短圆柱状并内嵌在挤压筒的底部，挤出制品截面形状特征由芯模上的孔型决定。本发明创新之处在于将挤压芯模结构设计成条带状，根据成形制品截面形状要求，沿芯模长度方向中间开设连续变化几何结构的孔槽；

二、条带状芯模与挤压轴垂直放置，并根据制品形状特征要求，在凸模下行加载挤压成形的同时，同步线性移动条带状芯模的位置，使材料由相应槽孔处挤出成型获得所需截面形状特征的变截面板材；

三、传统挤压法生产变截面材型时中途需停机更换不同孔型的芯模，用于实现变截面板材特征的改变，易产生温降、芯模移取困难等问题。本发明所提方法不用更换芯模，只需线性移动条带状芯模的位置，即可实现孔型变化进而生产变截面板材的目的；

四、根据制品截面变化特征在条带状芯模上预设相应的槽孔，可实现变截面板材的按需定制。挤压成形过程中条带状芯模仅为部分约束状态，因此，更易于模块化更换或挤压后移除，工艺柔性度更高；

五、传统挤压筒均为环柱状特征。本发明挤压筒底部开设矩形槽结构，其几何特征与条带状芯模截面相一致。既起到约束限位作用，又可对条带状芯模线性运动起到导向功能。同时可通过伺服电机定量调控条带状芯模的移动方向、速度及位置；

六、在不更换芯模情况下，传统挤压法只能生产一种截面特征板材。该方法仅通过条带状芯模位向关系及运动模式的调控，即可直接成形制造出截面连续变化特征的板材，生产效率显著提升，板材变截面特征呈多样化；

七、材料流经芯模顺次被挤出成形过程中经模口周围剪切变形使组织细化，力学性能明显改善，即实现了挤压成形/成性一体化调控，成形制品表面质量好。同时解决了二次机械加工产生内应力引起的尺寸精度调控难题，提高了材料利用率。

附图说明

图1是本发明装置二维平面弯曲结构主剖视图；

图2本发明在设置工位挤出不同宽度板材三维示意图；

图3是本发明芯模的不同截面俯视图和挤出板材二维示意图；

图4是本发明在条带式芯模不同移动情况下挤出板材示意图；

图5是本发明挤压底座俯视图和主视示意图；

图6是本发明条带式芯模运动形式和套筒三维示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1~图6说明本实施方式，本实施方式包括：套筒1、凸模2、坯料3、条带式芯模4、丝杠5、减速电机6、底座7、垫片8、螺母9、支架10、底座11。本实施方式由以下几个步骤完成：一、将条带式芯模4放入套筒1和底座7之间，完成装配；二、将装配后的套筒整体放置在压力机工作台上；三、将坯料3涂抹上水基石墨后从上方置于套筒内，随后将凸模2放入套筒1中置于坯料上端，进行加热至预计温度；四、将减速电机6和丝杠5空心轴连接减速机，螺纹部分连接条带式芯模4，同时将空心轴安装垫片8和螺母9固定位置；五、设置好压力机速度为v₁和条带式芯模运动速度为v₂关系；六、启动压力机，以恒定速度v₁向下对模具进行加载，获得所需要的变截面板材；七、凸模达到最大行程后，结束挤压阶段。而且，保证挤压横截面积远大于条带式芯模两侧空隙的面积，防止坯料在挤压过程中向条带式芯模空隙移动。

具体实施方式二：可以设置为多工位挤压，移动条带式芯模到制定位置，如图2所示，设置条带式芯模为固定3个工位（板材宽度分别为L₁、L₂、L₃）。在加工板材的时候条带式芯模固定不动，更换工位使先停止压力机运行，当条带式芯模运动到指定工位后开始启动压力机，其余步骤与方式一相同。

具体实施方式三：通过对板材的形状要求不同对装置4条带式芯模形状进行调整，具体芯模图形如图3所示，根据变截面板材要求设计芯模形状。有阶梯形、十字形状、阶梯形，具体使用操作与方式一相同。具体形状如下：一、设置芯模口处形状为梯形，使板材横截面前后两侧宽度为要求截面长度。二、设置芯模口处形状为十字形状，可以通过调整条带式芯模式芯模位置调整左右两侧不同板厚的具体占比。三、设置芯模口处为阶梯形状，三种形状成形可根据条带式芯模速度不同控制弧度大小。

具体实施方式四：结合图4说明实施方式，本实施方式生产的变截面板材可通过改变速度精准调控。设置条带式芯模移动速度为v₂不变，改变移动方向任意改动，使挤压工艺生产出变截面板材的长度就会发生相应改变。（控制v₂的目的是可以改变挤压时截面的形状，达到一个实时调控的目的）

在横截面的改变过程中，如图4所示先将条带使芯模移动到中间位置，可以看出板材既可以由宽变薄；在从中间移动到上侧，可以看出板材由薄变宽，也可以通过来回移动条带式芯模实现宽薄任意变化。

Claims

1.变截面板材条带式可动芯模挤压成形装置,其特征在于所述装置为套筒1、凸模2、坯料3、条带式芯模4、丝杠5、减速电机6、底座7、垫片8、螺母9、支架10、底座11；其中套筒1中装入凸模2、坯料3，套筒底部装入条带式芯模4，支架10连接底座11在压力装置在左侧连接条带式芯模4，条带式芯模4右侧连接丝杠5和减速电机6最后用垫片8和螺母9固定在一起。

2.根据采用权利要求1所述变截面板材条带式可动芯模挤压成形方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：一、将移动式芯模放入套筒和底座之间，完成装配；二、将装配后的套筒整体放置在压力机工作台上；三、将坯料涂抹上水基石墨后从上方置于套筒内，随后将凸模放入套筒中置于坯料上端，进行加热至预计温度；四、将减速电机和丝杠空心轴连接减速机，螺纹部分连接条带式芯模，同时将空心轴的安装垫片和螺母固定位置；五、设置好压力机速度为v₁和条带式芯模运动速度为v₂关系；六、启动压力机，以恒定速度v₁向下对模具进行加载，获得所需要的变截面板材；七、凸模达到最大行程后，结束挤压阶段。

3.根据权利要求1所述的变截面板材条带式可动芯模挤压成形装置，其特征在于条带式芯模6的结构设计如梯形、十字形状、阶梯形状等不同的芯模形状，既便于控制板材形状控制又不用更换芯模。

4.根据权利要求2所述的变截面板材条带式可动芯模挤压成形方法，其特征在于通过控制条带式芯模的运动方向，可以正向运动、反向运动和往复运动，控制运动方向可以控制板材由宽变薄和由薄变宽；也可以通过移动条带式芯模往复运动实现宽薄任意变化。

5.根据权利2、3所述的变截面板材条带式可动芯模挤压成形方法，其特征在于设置为多工位挤压方法，移动条带式芯模到指定位置，如图2所示，设置条带式芯模为固定3个工位（工位板材宽度位L₁、L₂、L₃），在加工板材的时候条带式芯模固定不动，更换工位使先停止压力机运行，当条带式芯模运动到指定工位后开始启动压力机，得到长度不同的宽度为L₁、L₂、L₃板材。