CN115041536A - 一种带端框锥形舱体的挤压成形模具及方法 - Google Patents

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李君龙
张治民
王强
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Abstract

本发明涉及一种带端框锥形舱体的挤压成形模具及方法，属于金属塑性加工工艺及成形技术领域。包括省力反挤压模具和省力缩口模具，所述省力反挤压模具用于成形目标构件的直壁筒形件和端框，所述省力缩口模具用于对带端框的直壁筒形件进行减径缩口处理。通过设置省力反挤压模具和省力缩口模具，通过反挤压和缩口减径实现带端框锥形舱体的挤压成形，成形过程可以实现端框的挤压成形，相比传统锥形件成形工艺的机加工切削端框，不仅挤压成形大应变量的端框可以由于晶粒细化的强化效果实现端框部分的强化，而且材料利用率提高，同时能够解决车断流线会降低端框的承载能力而出现力学性能小、难以满足服役条件等问题。

Description

一种带端框锥形舱体的挤压成形模具及方法
技术领域
本发明涉及金属塑性加工工艺及成形技术领域，尤其涉及一种带端框锥形舱体的挤压成形模具及方法。
背景技术
航空航天高端装备的发展不仅对科技和经济带动作用巨大，更是涉及国家战略安全的关键。轻量化是提升装备性能的根本途径，已经成为航空航天领域重要的发展方向。舱体类构件是箭体结构的重要组成部分和主要承力构件，不仅轻量化需求迫切，且作为承力构件，对其力学性能及其均匀强韧性提出了较高的要求。镁合金作为目前应用的最轻的金属结构材料，具备高的比强度和刚度，良好的电磁屏蔽性能，已经成为航空航天等诸多领域的最佳用材。
当前，反挤压成形技术是舱段类构件成形应用最为广泛的成形工艺，这种成形技术具有生产效率高，工艺简捷易操作，模具简单等优点。但是目前主流的薄壁锥型舱段带有端框，反挤压成形只能成形厚壁壳体，后续需要通过大量车削形成样件结构，不仅材料浪费严重，导致材料利用率低，而且车断流线会降低端框的承载能力，出现力学性能小难以满足服役条件等问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种带端框锥形舱体的挤压成形模具及方法。本发明的技术方案如下：
第一方面，提供了一种带端框锥形舱体的挤压成形模具，其包括省力反挤压模具和省力缩口模具，所述省力反挤压模具用于成形目标构件的直壁筒形件和端框，所述省力缩口模具用于对带端框的直壁筒形件进行减径缩口处理，其中：
所述省力反挤压模具包括第一模具组件和第二模具组件，所述第一模具组件包括第一上模板、环形凸模和芯轴，所述第一上模板一端用于连接压力机上端工作台，环形凸模一端与第一上模板另一端连接，环形凸模外径为直壁筒形件内径，环形凸模另一端形状与目标构件的端框形状匹配，芯轴为圆柱形且直径与环形凸模内径匹配；所述第二模具组件包括第一下模板、第一垫块、凹模、垫圈和第一顶杆，所述第一下模板一端用于连接压力机下端工作台，凹模与第一下模板另一端连接，第一顶杆内置于第一下模板中心孔处，第一垫块置于凹模内部并位于第一顶杆上方，垫圈置于第一垫块上方，垫圈外径与凹模内径匹配、垫圈内径与芯轴直径匹配；芯轴、垫圈与凹模组成的工作型腔用以容纳环形金属坯料；
所述省力缩口模具包括第三模具组件和第四模具组件，所述第三模具组件包括缩口凸模，第二上模板和凸模，第二上模板一端用于连接压力机上端工作台，凸模一端与第二上模板另一端连接，缩口凸模与凸模另一端连接；所述第四模具组件包括第二下模板、缩口凹模、缩口导向套、缩口凹模转接板、第二垫块和第二顶杆，所述第二下模板一端用于连接压力机下端工作台，缩口凹模转接板一端与第二下模板另一端连接，缩口凹模底端与缩口凹模转接板另一端连接，第二顶杆内置于第二下模板中心孔处，第二垫块置于缩口凹模内部并位于缩口凹模转接板上方，缩口凹模顶端与缩口导向套底端连接，缩口凹模内壁为圆弧母线结构。
可选地，所述缩口凹模内壁设有若干环形凹槽。
可选地，所述若干环形凹槽等间距设置。
可选地，所述环形金属坯料为镁合金。
可选地，所述端框的竖直截面为直角梯形或矩形。
第二方面，提供了一种带端框锥形舱体的挤压成形方法，所述挤压成形方法采用上述第一方面所述的一种带端框锥形舱体的挤压成形模具，所述挤压成形方法包括如下步骤：
S1，将省力反挤压模具的第一模具组件和第二模具组件装配在压力机上，将环形金属坯料置于芯轴、垫圈与凹模组成的工作型腔内；
S2，控制压力机下行，使环形凸模对环形金属坯料进行整体挤压，使环形金属坯料发生轴向流动，金属沿着环形凸模与凹模之间向上流动，形成直壁筒形件的直壁部分，底部剩余坯料在环形凸模的作用下形成目标构件的端框，完成反挤压形成带端框的直壁筒形件；
S3，控制压力机顶出缸将第一顶杆顶起并取走带端框的直壁筒形件；
S4，翻转带端框的直壁筒形件，并将省力缩口模具的第三模具组件和第四模具组件装配在压力机上，将翻转后的带端框的直壁筒形件置于缩口导向套内；
S5，控制压力机下行使翻转后的带端框的直壁筒形件经过缩口凹模的工作腔段，使缩口凹模对翻转后的带端框的直壁筒形件进行整体挤压实现减径缩口处理；
S6，缩口完成后，进行卸料，得到带端框的锥形舱体。
可选地，整体挤压所述环形金属坯料的挤压速度为0.5-1.5mm/s。
可选地，所述S1将省力反挤压模具的第一模具组件和第二模具组件装配在压力机上之前，还包括：
将环形金属坯料加热到成形温度并保温，将第一模具组件和第二模具组件预热至环形金属坯料成形温度以上并保温，将第三模具组件和第四模具组件预热至环形金属坯料成形温度以上并保温。
可选地，所述成形温度为450℃。
可选地，所述S1在将环形金属坯料置于芯轴、垫圈与凹模组成的工作型腔内之前，还包括：沿着凹模内部、芯轴外部、垫圈上表面和内部涂抹油基润滑剂。
上述所有可选地技术方案均可任意组合，本发明不对一一组合后的结构进行详细说明。
借由上述方案，本发明通过设置省力反挤压模具和省力缩口模具，通过反挤压和缩口减径实现带端框锥形舱体的挤压成形，以较小的成形力即实现了带端框锥形舱体的成形，且成形过程可以实现端框的挤压成形，相比传统锥形件成形工艺的机加工切削端框，不仅挤压成形大应变量的端框可以由于晶粒细化的强化效果实现端框部分的强化，而且材料利用率提高，同时能够解决车断流线会降低端框的承载能力而出现力学性能小、难以满足服役条件等问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明中省力反挤压模具的装配示意图；
图2是本发明中省力缩口模具的装配示意图；
图3是本发明中凸模的主视剖视图；
图4是本发明中凸模的俯视图；
图5是本发明中缩口凸模的主视剖视图；
图6是本发明中缩口凸模的俯视图；
图7是本发明中缩口凹模的主视剖视图；
图8是本发明中缩口凹模的俯视图；
图9是本发明中缩口导向套的主视剖视图；
图10是本发明中缩口导向套的俯视图；
图11是本发明中缩口凹模转接板的主视剖视图；
图12是本发明中缩口凹模转接板的俯视图；
图13是本发明的挤压成形过程示意图。
图14为一种带端框的直壁筒形件和锥形件的示意图。
附图标记如下：1-第一下模板，2-第一垫块，3-凹模，4-垫圈，5-芯轴、6-环形凸模，7-第一上模板，8-第一顶杆，9-缩口凸模，10-第二上模板，11-凸模，12-第二下模板，13-缩口凹模，14-缩口导向套，15-缩口凹模转接板，16-第二垫块，17-第二顶杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1至图12所示，本发明提供了一种带端框锥形舱体的挤压成形模具，其包括省力反挤压模具和省力缩口模具，所述省力反挤压模具用于成形目标构件的直壁筒形件和端框，所述省力缩口模具用于对带端框的直壁筒形件进行减径缩口处理，其中：
所述省力反挤压模具包括第一模具组件和第二模具组件，所述第一模具组件包括第一上模板7、环形凸模6和芯轴5，所述第一上模板7一端用于连接压力机上端工作台，环形凸模6一端与第一上模板7另一端连接，环形凸模6外径为直壁筒形件内径，环形凸模6另一端形状与目标构件的端框形状匹配，芯轴5为圆柱形且直径与环形凸模6内径匹配；所述第二模具组件包括第一下模板1、第一垫块2、凹模3、垫圈4和第一顶杆8，所述第一下模板1一端用于连接压力机下端工作台，凹模3与第一下模板1另一端连接，第一顶杆8内置于第一下模板1中心孔处，第一垫块2置于凹模3内部并位于第一顶杆8上方，垫圈4置于第一垫块2上方，垫圈4外径与凹模3内径匹配、垫圈4内径与芯轴5直径匹配；芯轴5、垫圈4与凹模3组成的工作型腔用以容纳环形金属坯料；
所述省力缩口模具包括第三模具组件和第四模具组件，所述第三模具组件包括缩口凸模9，第二上模板10和凸模11，第二上模板10一端用于连接压力机上端工作台，凸模11一端与第二上模板10另一端连接，缩口凸模9与凸模11另一端连接；所述第四模具组件包括第二下模板12、缩口凹模13、缩口导向套14、缩口凹模转接板15、第二垫块16和第二顶杆17，所述第二下模板12一端用于连接压力机下端工作台，缩口凹模转接板15一端与第二下模板12另一端连接，缩口凹模13底端与缩口凹模转接板15另一端连接，第二顶杆17内置于第二下模板12中心孔处，第二垫块16置于缩口凹模13内部并位于缩口凹模转接板15上方，缩口凹模13顶端与缩口导向套14底端连接，缩口凹模13内壁为圆弧母线结构。
其中，环形坯料与凹模3之间的型腔为目标形状型腔。芯轴5在环形凸模6内部空间可以自由滑动，用于阻挡坯料径向流动，使其只能流向目标形状型腔，减少挤压比减小过程中成形力以达到省力的目的。垫圈4用于与芯轴5配合控制坯料的流动方向并进行定中配合。
缩口导向套14内部为导向型腔，用以提供坯料初始导向作用及保温作用。缩口凹模13内为工作型腔，内壁圆弧母线起到减小挤压力作用。省力反挤压模具得到的带端框直壁筒形件在缩口凸模9作用下由导向型腔挤压入工作型腔，直壁筒形件一端产生减径挤压，于缩口凹模13母线约束作用下形成目标构件尺寸。其中，缩口凸模9在凸模11的挤压作用下将坯料由导向段推入工作型腔。可选地，所述缩口凹模13内壁设有若干环形凹槽。环形凹槽内涂抹油基润滑剂，用于减小挤压成形力。圆弧母线可以减小过程中成形力，环形凹槽可以容纳挤压过程中润滑剂，改善实际情况下的摩擦条件。因成形力的降低及摩擦条件的改善，可以降低缩口过程中失稳的概率。
可选地，所述若干环形凹槽等间距设置，即所述环形凹槽形状为凹模圆弧母线的等距曲线。
可选地，所述环形金属坯料为镁合金，既使目标构件比较轻，也使目标构件的力学性能及强韧性好。
可选地，所述端框的竖直截面为直角梯形或矩形，分别如图13和图14中所示的端框。
本发明实施例还提供了一种带端框锥形舱体的挤压成形方法，所述挤压成形方法采用上述实施例所述的一种带端框锥形舱体的挤压成形模具，所述挤压成形方法包括如下步骤：
S1，将省力反挤压模具的第一模具组件和第二模具组件装配在压力机上，将环形金属坯料置于芯轴5、垫圈4与凹模3组成的工作型腔内。
可选地，所述S1将省力反挤压模具的第一模具组件和第二模具组件装配在压力机上之前，还包括：将环形金属坯料加热到成形温度并保温，将第一模具组件和第二模具组件预热至环形金属坯料成形温度以上并保温，将第三模具组件和第四模具组件预热至环形金属坯料成形温度以上并保温，以确保达到环形金属坯料的成形温度。优选地，所述成形温度为450℃。
可选地，所述S1在将环形金属坯料置于芯轴5、垫圈4与凹模3组成的工作型腔内之前，还包括：沿着凹模3内部、芯轴5外部、垫圈4上表面和内部涂抹油基润滑剂，以达到省力的目的。
其中，油基润滑剂可以为油基石墨润滑剂。
S2，控制压力机下行，使环形凸模6对环形金属坯料进行整体挤压，使环形金属坯料发生轴向流动，金属沿着环形凸模6与凹模3之间向上流动，形成直壁筒形件的直壁部分，底部剩余坯料在环形凸模6的作用下形成目标构件的端框，完成反挤压形成带端框的直壁筒形件。
反挤压后期坯料型腔内部材料流动剧烈，可以对端框形成较好的强化效果。
S3，控制压力机顶出缸将第一顶杆8顶起并取走带端框的直壁筒形件。
S4，翻转带端框的直壁筒形件，并将省力缩口模具的第三模具组件和第四模具组件装配在压力机上，将翻转后的带端框的直壁筒形件置于缩口导向套14内。
S5，控制压力机下行使翻转后的带端框的直壁筒形件经过缩口凹模13的工作腔段，使缩口凹模13对翻转后的带端框的直壁筒形件进行整体挤压实现减径缩口处理。
S6，缩口完成后，进行卸料，得到带端框的锥形舱体。
可选地，整体挤压所述环形金属坯料的挤压速度为0.5-1.5mm/s，以防止速度过大造成坯料开裂。
为了证明本发明上述实施例所述的有益效果，本发明进一步提供了实验实施例；在此需要说明的是：实验实施例仅是用来证明上述提及的有益效果，但是，本发明的上述方案并不局限于实验实施例所述的棒料合金类型及各项参数。
实验实施例
本实验实施例提供一种带端框锥形舱体的挤压成形方法，具体包括如下步骤：
省力反挤压步骤：采用上述省力反挤压模具，对初始的环形金属坯料进行反挤压变形处理。
具体地，将第一模具组件、第二模具组件分别与压力机的上下工作台相连接，将初始的环形金属坯料置于芯轴5、垫圈4与凹模3组成的工作型腔内，压力机下行，带动上模板7、环形凸模6下行，内部空间以芯轴5填充，芯轴5阻挡环形金属坯料径向流动。环形金属坯料由于环形凸模6挤压作用，金属沿着环形凸模6与凹模3之间向上流动，形成直壁筒形件的直壁部分，底部剩余坯料形成目标构件的端框部位；而后顶杆8上行，将带端框的直壁筒形件取走。
减径缩口处理步骤：对反挤压所得的带端框的直壁筒形件进行减径缩口处理。
具体地，在反挤压结束后，将省力反挤压模具从压力机上拆卸下来并翻转，将省力缩口模具与压力机相连接。将翻转后的带端框的直壁筒形件置于缩口导向套14内，翻转后的带端框的直壁筒形件在缩口凸模9的作用下，沿着缩口导向套14进入缩口凹模13的工作型腔内，带端框的直壁直壁筒形件一端产生减径挤压，于缩口凹模13母线约束作用下形成目标构件。在缩口结束后，第二顶杆17上行，将所得的带端框的锥形舱体取出。
综上，本发明提供的带端框锥形舱体的挤压成形模具及其方法，不仅可以以较小的成形力实现带端框锥形舱体的成形，且成形过程可以实现端框的挤压成形。相比传统锥形件成形工艺的机加工切削端框，挤压成形大应变量的端框不仅由于晶粒细化的强化效果实现端框部分的强化，而且提高了材料利用率。本发明实施例提供的带端框锥形舱体的挤压成形模具及方法，尤其适用于大规格（直径比较大）的带端框锥形舱体的挤压成形。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带端框锥形舱体的挤压成形模具，其特征在于，包括省力反挤压模具和省力缩口模具，所述省力反挤压模具用于成形目标构件的直壁筒形件和端框，所述省力缩口模具用于对带端框的直壁筒形件进行减径缩口处理，其中：
所述省力反挤压模具包括第一模具组件和第二模具组件，所述第一模具组件包括第一上模板（7）、环形凸模（6）和芯轴（5），所述第一上模板（7）一端用于连接压力机上端工作台，环形凸模（6）一端与第一上模板（7）另一端连接，环形凸模（6）外径为直壁筒形件内径，环形凸模（6）另一端形状与目标构件的端框形状匹配，芯轴（5）为圆柱形且直径与环形凸模（6）内径匹配；所述第二模具组件包括第一下模板（1）、第一垫块（2）、凹模（3）、垫圈（4）和第一顶杆（8），所述第一下模板（1）一端用于连接压力机下端工作台，凹模（3）与第一下模板（1）另一端连接，第一顶杆（8）内置于第一下模板（1）中心孔处，第一垫块（2）置于凹模（3）内部并位于第一顶杆（8）上方，垫圈（4）置于第一垫块（2）上方，垫圈（4）外径与凹模（3）内径匹配、垫圈（4）内径与芯轴（5）直径匹配；芯轴（5）、垫圈（4）与凹模（3）组成的工作型腔用以容纳环形金属坯料；
所述省力缩口模具包括第三模具组件和第四模具组件，所述第三模具组件包括缩口凸模（9），第二上模板（10）和凸模（11），第二上模板（10）一端用于连接压力机上端工作台，凸模（11）一端与第二上模板（10）另一端连接，缩口凸模（9）与凸模（11）另一端连接；所述第四模具组件包括第二下模板（12）、缩口凹模（13）、缩口导向套（14）、缩口凹模转接板（15）、第二垫块（16）和第二顶杆（17），所述第二下模板（12）一端用于连接压力机下端工作台，缩口凹模转接板（15）一端与第二下模板（12）另一端连接，缩口凹模（13）底端与缩口凹模转接板（15）另一端连接，第二顶杆（17）内置于第二下模板（12）中心孔处，第二垫块（16）置于缩口凹模（13）内部并位于缩口凹模转接板（15）上方，缩口凹模（13）顶端与缩口导向套（14）底端连接，缩口凹模（13）内壁为圆弧母线结构。
2.根据权利要求1所述的一种带端框锥形舱体的挤压成形模具，其特征在于，所述缩口凹模（13）内壁设有若干环形凹槽。
3.根据权利要求2所述的一种带端框锥形舱体的挤压成形模具，其特征在于，所述若干环形凹槽等间距设置。
4.根据权利要求1所述的一种带端框锥形舱体的挤压成形模具，其特征在于，所述环形金属坯料为镁合金。
5.根据权利要求1所述的一种带端框锥形舱体的挤压成形模具，其特征在于，所述端框的竖直截面为直角梯形或矩形。
6.一种带端框锥形舱体的挤压成形方法，所述挤压成形方法采用权利要求1至5中任一权利要求所述的挤压成形模具，其特征在于，包括如下步骤：
S1，将省力反挤压模具的第一模具组件和第二模具组件装配在压力机上，将环形金属坯料置于芯轴（5）、垫圈（4）与凹模（3）组成的工作型腔内；
S2，控制压力机下行，使环形凸模（6）对环形金属坯料进行整体挤压，使环形金属坯料发生轴向流动，金属沿着环形凸模（6）与凹模（3）之间向上流动，形成直壁筒形件的直壁部分，底部剩余坯料在环形凸模（6）的作用下形成目标构件的端框，完成反挤压形成带端框的直壁筒形件；
S3，控制压力机顶出缸将第一顶杆（8）顶起并取走带端框的直壁筒形件；
S4，翻转带端框的直壁筒形件，并将省力缩口模具的第三模具组件和第四模具组件装配在压力机上，将翻转后的带端框的直壁筒形件置于缩口导向套（14）内；
S5，控制压力机下行使翻转后的带端框的直壁筒形件经过缩口凹模（13）的工作腔段，使缩口凹模（13）对翻转后的带端框的直壁筒形件进行整体挤压实现减径缩口处理；
S6，缩口完成后，进行卸料，得到带端框的锥形舱体。
7.根据权利要求6所述的一种带端框锥形舱体的挤压成形方法，其特征在于，整体挤压所述环形金属坯料的挤压速度为0.5-1.5mm/s。
8.根据权利要求6所述的一种带端框锥形舱体的挤压成形方法，其特征在于，所述S1将省力反挤压模具的第一模具组件和第二模具组件装配在压力机上之前，还包括：
将环形金属坯料加热到成形温度并保温，将第一模具组件和第二模具组件预热至环形金属坯料成形温度以上并保温，将第三模具组件和第四模具组件预热至环形金属坯料成形温度以上并保温。
9.根据权利要求8所述的一种带端框锥形舱体的挤压成形方法，其特征在于，所述成形温度为450℃。
10.根据权利要求6所述的一种带端框锥形舱体的挤压成形方法，其特征在于，所述S1在将环形金属坯料置于芯轴（5）、垫圈（4）与凹模（3）组成的工作型腔内之前，还包括：沿着凹模（3）内部、芯轴（5）外部、垫圈（4）上表面和内部涂抹油基润滑剂。
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