CN114713698A - 一种控制充气位置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，一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法，能够解决现有的高温气压胀形工艺中充气口位置固定，无法改变充气位置，且由于高压气体的充入而导致板材温度场分布不合理，成形时出现局部减薄、开裂、壁厚分布不均匀等缺陷，对于结构较复杂的薄壁金属构件，成形时无法合理调控材料的流动，材料无法均匀分布，导致构件性能弱化等问题。本发明的方法根据复杂薄壁金属构件的结构特点，灵活设计充气位置，达到调控板材温度场合理分布的目的，进而调控板材不同区域的塑性变形程度，解决成形局部特征时壁厚减薄严重、材料堆积严重的问题，对于复杂薄壁金属构件可进行多次胀形，合理调控材料的流动，使材料分布可调可控，提高胀形件的性能。

Description

一种控制充气位置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，特别是涉及一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法。

背景技术

随着汽车行业与航空航天工业的发展，薄壁金属结构件的应用越来越广泛。这一类零件通常要求高精度、高性能及高可靠性，直接影响装备的服役性能，是新能源汽车与新一代航空运载装备的关键构件。这类薄壁金属构件常选用铝合金、镁合金、钛合金等轻质高性能材料。此类材料常温条件下塑性较低、成形性能较差，因此需要在高温下成形，并要求其形状尺寸、壁厚分布、力学性能等必须满足设计要求。

薄壁金属构件高温成形根据板材变形区域所施加载荷的不同，可将薄壁金属构件的成形方法分为刚性凸模成形和流体介质成形。热冲压成形技术为刚性凸模成形方法中典型技术，其工艺流程为先将铝合金在固溶温度下保温一定时间，然后将坯料迅速转移到通冷却水的模具中冲压成形，成形后在冷模内保压使零件快速冷却淬火。这种成形方法解决了铝合金室温下塑性不足的问题，在模具内保压降低了回弹，避免了后续热处理的形状畸变，提高了零件尺寸精度，但其模具加工成本较高，凸模与板材之间有摩擦力的影响，且对凸模与凹模的加工精度提出很高要求。高温气压胀形是流体介质成形方法中的一种典型技术，板料加热到设定温度后，将板料放入模具的上下模之间，密封合模，利用压力机的合模力提供坯料胀形时的密封压力，通过模具开设的充气口充入高压气体，板材贴靠凹模，完成成形。板料成形时由于常温气体的充入，影响板材的温度分布，各个区域在不同温度条件下塑性不同，使用中心充气方式胀形时，板材中心区域温度降低，变形抗力增大，变形转移至周边区域，成形件中心区域壁厚较厚，周边区域壁厚较薄，使用周边充气方式胀形时，得到的胀形件周边区域壁厚较厚，中心区域壁厚较薄，壁厚分布差异较大，难以满足使用需求。因此高温气压胀形时能否合理的控制温度场，对薄壁金属板坯的成形过程及成形质量起到至关重要的作用，当温度场控制不合理时，胀形件壁厚分布不均匀，壁厚减薄严重处会发生开裂缺陷，影响板材的成形性能。Fischer(1998)的研究说明了在只有单一固定充气位置模具中成形零件时其截面的典型厚度变化，壁厚分布不均匀，成形杯形件时底部圆角区域壁厚较薄，底部中心区域壁厚较厚，单一固定充气位置无法满足成形需求，且在传统气压胀形时，预成形与终成形需要在两套模具内完成，模具加工成本较高。

目前，采用高温气压胀形工艺成形薄壁金属构件时存在以下难题：(1)充气口位置单一固定，无法根据成形件的形状特征灵活改变充气位置，预成形与终成形需要利用两套模具，且更换模具成本较高；(2)高温气压胀形时，充入高压气体为常温状态，使得板材正对充气口的区域温度降低，变形抗力大，壁厚较厚，变形转移至周边区域，变形量大，壁厚较薄，成形件性能弱化；(3)高温气压胀形时，对于结构较复杂的薄壁金属构件，某些局部特征壁厚减薄严重，而某些区域材料堆积严重，壁厚差异较大，无法合理调控材料的流动，材料无法均匀分布，影响胀形件的性能。

为解决目前薄壁金属构件成形时，由于充气口位置固定，无法改变充气位置，高压气体的充入导致板材温度场分布不合理，成形时出现局部减薄、开裂、壁厚分布不均匀等缺陷，对于结构较复杂的薄壁金属构件，成形时各区域材料无法合理流动，导致构件性能弱化等问题，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一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法，能够解决现有的高温气压胀形工艺中充气口位置固定，无法改变充气位置，且由于高压气体的充入而导致板材温度场分布不合理，成形时出现局部减薄、开裂、壁厚分布不均匀等缺陷，对于结构较复杂的薄壁金属构件，成形时无法合理调控材料的流动，材料无法均匀分布，导致构件性能弱化等问题。

本发明的技术方案：

一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法，步骤如下：

步骤一、板材成形方案的确定：对薄壁金属构件的形状特征进行分析，选定板坯的材料与尺寸，确定板材的成形方案；

步骤二、上下进气成形镶块的设计：根据薄壁金属构件的特征尺寸，设计上下成形镶块中相对应的特征轮廓，同时分析在成形过程中薄壁金属构件易发生壁厚减薄与材料堆积的位置，下进气成形镶块的充气孔设计在板材壁厚减薄较严重区域，上进气成形镶块充气孔设计在板材壁厚减薄严重区域与材料堆积区域之间；

步骤三、板材的加热：将板材加热至设定温度；

步骤四、控制充气位置进行预成形：将加热好的板材放置到模具中，压力机合模密封，封闭上进气成形镶块的充气孔，板材与下模具形成密闭腔体，向下模具通入高压气体介质，高压气体介质通过预先设计的充气孔，向板材的特定区域充气，板材在高压气体介质的作用下发生预变形，达到反向胀形聚集材料的目的；

步骤五、排出下模腔内压力介质：将下模腔内的压力介质排出；

步骤六、控制充气位置进行终成形：封闭下进气成形镶块的充气孔，向上模具通入高压气体介质，高压气体介质通过预先设计的充气孔，向板材的特定区域充气，使材料合理流动，板材在高压气体介质的作用下发生变形，成形出所需要的特征形状；

步骤七、排出上模腔内压力介质：将上模腔内压力介质排出，取出终成形件；

步骤八、薄壁金属构件的后处理：对所得的薄壁金属构件进行淬火处理，对其表面和端部进行去毛刺、抛光以及清理，最终得到成形好的薄壁金属构件。

本发明的有益效果：

(1)本发明的一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法，根据需要设计不同的上下进气成形镶块，在上下进气成形镶块中开设一个或多个进气孔，合理分配充气位置，该方法可以解决传统气压胀形时充气口位置固定，无法调控充气位置的问题，进气成形镶块便于更换，一套模具可搭配不同的进气成形镶块使用，简化了模具设计，节约了制造成本。

(2)本发明的一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法，将板材的预成形、终成形在同一套模具中完成，通过切换多个充气、放气的顺序动作，实现近均匀壁厚薄壁金属构件的一次成形。减少了板材转移的时间，简化了工艺流程。

(3)本发明的一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法，利用充入常温气体时板材对应区域温度较低，变形量较小的特点，事先在构件壁厚减薄严重区域设计充气口，反向充气预胀形，聚集材料，且终成形时在材料堆积严重区域的周围设计充气口，正向充气胀形，合理利用充气时材料流动特性调整壁厚分布，解决了传统气压单次胀形件壁厚分布不均匀的问题，提高胀形件壁厚分布均匀性。

(4)本发明的一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法，根据复杂薄壁金属构件的结构特点，灵活设计充气位置，达到调控板材温度场合理分布的目的，进而调控板材不同区域的塑性变形程度，解决成形局部特征时壁厚减薄严重、材料堆积严重的问题，对于复杂薄壁金属构件可进行多次胀形，合理调控材料的流动，使材料分布可调可控，提高胀形件的性能。

附图说明

图1为本发明中一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法原理图。

图2为本发明中一种控制充气位置成形薄壁金属构件的成形模具示意图。

图3为本发明中进气成形镶块示意图，(a)为上进气成形镶块，(b)为下进气成形镶块。

图4为本发明中控制充气位置成形薄壁金属构件的示意图，(a)为反向预成形，(b)为预成形件，(c)为正向终成形，(d)为终成形件。

图中：1上进气成形镶块，2上模具，3金属板坯，4下进气成形镶块，5下模，6下模充气口，7下进气成形镶块充气口，8上进气成形镶块充气口，9上模充气口，A为预成形件周边区域，B为预成形件中间区域，C为预成形件顶点区域。

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说明，本发明提出的一种控制充气位置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、板材成形方案的确定：对薄壁金属构件的形状特征进行分析，确定板坯的材料，利用线切割切割出合适的板材尺寸，通过理论计算或有限元仿真分析确定板材成形方案。

步骤二、上下进气成形镶块的设计：根据薄壁金属构件的特征尺寸，设计上下成形镶块中相对应的特征轮廓，同时分析在成形过程中薄壁金属构件易发生壁厚减薄与材料堆积的位置，下进气成形镶块的充气孔设计在板材壁厚减薄较严重区域，上进气成形镶块充气孔设计在板材壁厚减薄严重区域与材料堆积区域之间；

步骤三、板材的加热：将板材加热至设定温度；

步骤四、控制充气位置进行预成形：将加热好的板材放置到模具中，压力机合模密封，封闭上进气成形镶块的充气孔，板材与下模具形成密闭腔体，向下模具通入高压气体介质，高压气体介质通过预先设计的充气孔，向板材的特定区域充气，板材在高压气体介质的作用下发生预变形，达到反向胀形聚集材料的目的；

步骤五、排出下模腔内压力介质：将下模腔内的压力介质排出；

步骤六、控制充气位置进行终成形：封闭下进气成形镶块的充气孔，向上模具通入高压气体介质，高压气体介质通过预先设计的充气孔，向板材的特定区域充气，使材料合理流动，板材在高压气体介质的作用下发生变形，成形出所需要的特征形状；

步骤七、排出上模腔内压力介质：将上模腔内压力介质排出，取出终成形件；

步骤八、薄壁金属构件的后处理：对所得的薄壁金属构件进行淬火处理，对其表面和端部进行去毛刺、抛光以及清理，最终得到成形好的薄壁金属构件。

本实施例的有益效果是：本发明的一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法，根据需要设计不同的上下进气成形镶块，合理分配充气位置，该方法可以解决传统气压胀形时充气口位置固定，无法调控充气位置的问题，进气成形镶块便于更换，一套模具可搭配不同的进气成形镶块使用，简化了模具设计，节约了制造成本；本发明的一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法，将板材的预成形、终成形在同一套模具中完成，通过切换多个充气、放气的顺序动作，实现近均匀壁厚薄壁金属构件的一次成形。减少了板材转移的时间，简化了工艺流程；本发明的一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法，利用充入常温气体时板材对应区域温度较低，变形量较小的特点，事先在构件壁厚减薄严重区域设计充气口，反向充气预胀形，聚集材料，且终成形时在材料堆积严重区域的周围设计充气口，正向充气胀形，合理利用充气时材料流动特性调整壁厚分布，解决了传统气压单次胀形件壁厚分布不均匀的问题，提高胀形件壁厚分布均匀性；本发明的一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法，根据复杂薄壁金属构件的结构特点，灵活设计充气位置，达到调控板材温度场合理分布的目的，进而调控板材不同区域的塑性变形程度，解决成形局部特征时壁厚减薄严重、材料堆积严重的问题，对于复杂薄壁金属构件可进行多次胀形，合理调控材料的流动，使材料分布可调可控，提高胀形件的性能。

实施例2：结合图3说明，在步骤二中，可根据成形需要设计不同形状大小的上下进气成形镶块，若成形具有较多局部特征的成形件，需要对上下镶块设计多个形状特征，如成形件具有多个大曲率特征，材料流动行为较复杂，则需合理利用有限元仿真软件进行计算，分析预成形与终成形过程中材料流动特性，结合计算结果对上进气成形镶块进行预成形轮廓设计，使其预先成形出大概轮廓形状，再对下进气成形镶块进行终成形轮廓设计，预成形与终成形效果耦合，成形出理想的具有大曲率特征成形件，解决了大曲率特征较难成形的问题，其它步骤，与实施例1相同。

本实施例的有益效果是：成形较复杂的薄壁金属构件时，需要多次气压胀形，合理调控材料的流动行为，设计不同形状大小的进气成形镶块，易于更换，一套模具可配合多种成形镶块使用，节约模具生产成本，同时利用不同大小形状的进气成形镶块，多次成形，可精准调控材料的变形区域，成形具有多个大曲率特征的成形件，且成形件壁厚分布更加符合需求。

实施例3：结合图3说明，在步骤二中，根据薄壁金属构件的形状特征，在上下进气成形镶块的不同位置，设计相应的充气口，如成形深腔薄壁零件时，底部圆角区域壁厚较薄，则设计下进气成形镶块的充气口时，需考虑到在预成形时合理调控底部圆角区域材料流动，利用充气时材料的流动特性，预先在材料减薄区域聚集材料，即在圆角区域对应位置设计相应的充气口，预成形时聚集材料，再根据预成形件壁厚分布特点，在上进气成形镶块设计相应的充气口，进行终成形，合理调控预成形件材料流动，减小底部圆角区域材料减薄，得到壁厚分布的深腔薄壁零件，其它步骤，与实施例1相同。

本实施例的有益效果是：在成形薄壁金属构件时，针对不同的形状特征，可灵活调控充气位置，上下进气成形镶块不同位置均可设计充气口，预成形与终成形充气效果相互耦合，进而合理调控板材温度场分布，调控材料的流动行为，较好的成形出局部特征。

实施例4：结合图1说明，在步骤三中，为了提高加热速度，满足实际生产中高效率要求，板材的加热方式，选择电加热等其他快速加热方式，其它步骤，与实施例1相同。

本实施例的有益效果是：利用电加热等快速加热方式加热金属板坯，可在数秒内完成加热，相比于板材与模具整体加热控温，节约了对于模具温度的调控时间，提高效率。

实施例5：结合图4(a)、图4(c)说明，在步骤四、步骤六中，根据预成形、终成形需求，可调控气体介质的加压速率与压力大小，对于具有超塑性特点的材料，可降低加压速率，使其在超塑性条件下发生变形，使板材具有更好的成形性能，对于应变速率硬化现象明显的材料，提高加压速率，使其在较高应变速率下发生变形，应变速率硬化现象更加明显，获得壁厚分布更加均匀的成形件，合理控制加压速率与压力大小，可得到性能更好的成形件，其它步骤，与实施例1相同。

本实施例的有益效果是：充入高压气体时气体的加载速率与压力大小会影响板材的成形性能，根据不同的材料特性以及具体成形需求，选取不同的气压加载速率与气压大小，这为有效控制板材的变形从而获得复杂薄壁构件提供了可能。

实施例6：结合图4说明，在步骤四、五、六、七中，反向预胀形小特征聚集材料，之后正向胀形出最终形状，其他步骤，与实施例1相同。

本实施例的有益效果是：预胀形时由下模充气口充入高压气体，如图4(a)所示，下进气成形镶块充气口正对板材中心区域，板材中心区域温度降低，变形抗力增加，变形转移至周边区域，得到的预成形件如图4(b)所示，在顶点区域C处聚集材料，壁厚较厚，根据胀形工艺特点，A处环向区域材料易发生堆积，因此预成形件A、C处壁厚较厚，B处为壁厚过渡区域，环向区域壁厚较薄。终成形时由上模充气口充入高压气体，如图4(c)所示，上进气成形镶块充气口正对板材B处环向区域，胀形时B处温度降低，变形抗力增加，变形转移至A、C处，这样B处变形量较小，预成形时材料聚集的A、C处变形量较大，通过控制充气位置合理控制材料的流动，板材在胀形时各处变形量较均匀，得到壁厚分布更为均匀的终成形件，如图4(d)所示，合理利用充气时材料流动特性调整壁厚分布，提高了成形件壁厚分布均匀性。

Claims (1)

1.一种控制充气位置成形薄壁金属构件的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、板材成形方案的确定：对薄壁金属构件的形状特征进行分析，选定板坯的材料与尺寸，确定板材的成形方案；

步骤二、上下进气成形镶块的设计：根据薄壁金属构件的特征尺寸，设计上下进气成形镶块中相对应的特征轮廓，同时分析在成形过程中薄壁金属构件易发生壁厚减薄与材料堆积的位置，下进气成形镶块充气孔设计在板材壁厚减薄最严重区域，上进气成形镶块充气孔设计在板材壁厚减薄严重区域与材料堆积区域之间；

步骤三、板材的加热：将板材加热至设定温度；

步骤四、控制充气位置进行预成形：将加热好的板材放置到模具中，压力机合模密封，封闭上进气成形镶块充气口，板材与下模具形成密闭腔体，向下模具通入高压气体介质，高压气体介质通过预先设计的下模充气口，向板材的特定区域充气，板材在高压气体介质的作用下发生预变形，达到反向胀形聚集材料；

步骤五、排出下模腔内高压气体介质：将下模具内的高压气体介质排出；

步骤六、控制充气位置进行终成形：封闭下进气成形镶块充气孔，向上模具通入高压气体介质，高压气体介质通过预先设计的充气孔，向板材的特定区域充气，使材料合理流动，板材在高压气体介质的作用下发生变形，成形出所需要的特征形状；

步骤七、排出上模腔内高压气体介质：将上模具内压力介质排出，取出终成形件；

步骤八、薄壁金属构件的后处理：对所得的薄壁金属构件进行淬火处理，对其表面和端部进行去毛刺、抛光以及清理，最终得到成形好的薄壁金属构件。

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