CN115889588A - 一种筒形零件双工位一体热成形模具及方法 - Google Patents

Abstract

一种筒形零件双工位一体热成形模具及方法，包括：凸模单元(101)、凹模单元(102)、模具闭合导向单元(103)；其中，所述凸模单元(101)具有预成形工序件凸模型面(4)、筒体成形凸模型面(6)；所述凹模单元(102)具有预成形工序件凹模型面(10)、筒体成形凹模型面(11)；所述模具闭合导向单元(103)分别设置在凸模单元(101)和凹模单元(102)上；凸模单元(101)与凹模单元(102)闭合，在所述模具闭合导向单元(103)的引导下，预成形工序件凸模型面(4)与预成形工序件凹模型面(10)耦合以完成预成形工序件的成形；筒体成形凸模型面(6)与筒体成形凹模型面(11)耦合以完成筒形零件的成形。本发明采用集约化的双工位结构设计，热成形模具完成一次闭合可同时完成工序件预成形和筒体的闭合成形。

Description

一种筒形零件双工位一体热成形模具及方法

技术领域

本发明涉及钣金及热成形技术装备领域，特别涉及一种筒形零件双工位一体热成形模具及方法。

背景技术

目前，钛合金零件广泛地应用到航天航空等产品的零部件中，其零部件的生产要求正向着更高的效率、更低的低成本、更大的批量方向发展。使用现有的成形工艺，高强度钛合金TA15、变形高温合金薄壁超长小直径筒形成形后的筒体包裹在模具成形模芯外表面，筒体成形完成后需要将模芯从摸具型腔内取出，待其冷却降温后才能抽取筒体，将筒体坯料放入模具后必须进行长时间的升温过程，频繁地更换成形模芯才能完成筒体成形，存在工时耗费多，能源耗费大，生产效率低下，制造成本高等问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为解决桶形零件生产过程耗时多、能耗大、效率低的问题，本发明提出一种筒形零件双工位一体热成形模具及方法。

本发明的技术方案为：

一种筒形零件双工位一体热成形模具，包括：凸模单元、凹模单元、模具闭合导向单元；其中，所述凸模单元具有预成形工序件凸模型面、筒体成形凸模型面；所述凹模单元具有预成形工序件凹模型面、筒体成形凹模型面；所述模具闭合导向单元分别设置在凸模单元和凹模单元上；凸模单元与凹模单元闭合，在所述模具闭合导向单元的引导下，预成形工序件凸模型面与预成形工序件凹模型面耦合以完成预成形工序件的成形；筒体成形凸模型面与筒体成形凹模型面耦合以完成筒形零件的成形。

进一步的，所述凸模单元包括凸模安装平台、预成形工序件位置定位销、预成形工序件凸模型面、筒体成形辅助导向座、筒体成形凸模型面、筒体成形位置定位销；所述模具闭合导向单元为凸模闭合导向楔块；

凸模安装平台，其形状为方形，其四周分布用于与热成形上工作台连接的回形凹槽以及安装槽口；

预成形工序件凸模型面，其外形与预成形工序件外形轮廓一致；

凸模闭合导向楔块，其设置于预成形工序件凸模型面的两侧，其外形为凸台；

预成形工序件位置定位销，为圆柱形销体，设置在预成形工序件凸模型面前后两端，其外形凸出；

筒体成形凸模型面，其外形与零件筒体的内形面轮廓一致，用于筒形零件的闭合成形；

筒体成形辅助导向座，其外形为∩形结构，其作为筒体成形凸模型面封闭端的固定支撑结构，∩形结构的圆弧中心与筒体成形凸模型面的回转中心重合，∩形结构的底面与凸模安装平台为一体结构；

筒体成形位置定位销，为圆柱形销体，设置在筒体成形凸模型面前后两端。

进一步的，所述凹模单元包括凹模安装平台、预成形工序件凹模型面、筒体成形凹模型面；所述模具闭合导向单元包括凹模闭合导向槽；

凹模安装平台，其形状与凸模安装平台相同，其四周分布用于与热成形上工作台连接的回形凹槽以及安装槽口；

预成形工序件凹模型面，其设置于与预成形工序件凸模型面相对应的位置，其外形与预成形工序件外形轮廓一致；

凹模闭合导向槽，其设置于预成形工序件凹模型面的两侧与凸模闭合导向楔块相对应的位置，其外形与凸模闭合导向楔块配合；

筒体成形凹模型面，其设置于与筒体成形凸模型面相对应的位置，其外形为圆锥体与桶形零件的內形面轮廓一致。

进一步的，所述热成形模具的材料为合金材料06Cr25Ni20。

进一步的，凸模闭合导向楔块的外形为三面斜楔面凸台；凹模闭合导向槽的外形为三面斜楔面的凹槽。

进一步的，在凸凹模闭合过程中，凹模闭合导向槽与对应的凸模闭合导向楔块形成间隙配合。

本发明还提出一种筒形零件双工位一体热成形方法，包括：步骤1、按筒形零件展开的外形尺寸下料为平板材料，在平板材料的边缘设置卡槽，对平板材料进行表面清理并涂覆润滑剂；

步骤2、将热成形模具安装在设备平台上并开始预热，当热成形模具温度达到指定值时，将平板材料安放到预成形工序件凸模型面上，利用预成形工序件位置定位销与平板材料边缘的卡槽配合实现定位；

步骤3、经过保温指定时间后，热成形模具闭合，其凸模单元、凹模单元耦合，模具闭合导向单元闭合并保压指定时间得到预成形工序件；

步骤4、热成形模具开启，将预成形工序件安装在筒体成形凸模型面上，利用筒体成形位置定位销与预成形工序件上的卡槽配合实现定位；

步骤5、将热成形模具加热到指定温度保温指定时间，热成形模具闭合，其凸模单元、凹模单元耦合，并保压指定时间完成筒形零件成形。

进一步的，所述对平板材料进行表面清理并涂覆润滑剂包括：对平板材料抛光达到表面粗糙度Ra6.3um，并在平板材料表面涂覆润滑剂石墨。

进一步的，模具加热的指定温度为700℃，所述保温时间为10分钟。

进一步的，所述保压指定时间为5分钟。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过合理安排成形工艺方法，将封闭的筒体外形优化为分两步成形，经过计算分析对比得出更合理可行地预成形工序件形状，同时，模具采用集约化的双工位结构设计方案：热成形模具完成一次闭合可同时完成双工位成形，即同时完成了工序件预成形和筒体的闭合成形。

附图说明

图1为本发明热成形模具的示意图；

图2为本发明热成形模具的凸模单元示意图；

图3为本发明热成形模具的凹模单元示意图；

图4为本发明预成形工序件示意图；

图5为本发明预成形工序件的板料展开示意图。

具体实施方式

本发明提出一种筒形零件双工位一体热成形模具及方法。

一种筒形零件双工位一体热成形模具，包括：凸模单元101、凹模单元102、模具闭合导向单元103。所述凸模单元101具有预成形工序件凸模型面4、筒体成形凸模型面6。所述凹模单元102具有预成形工序件凹模型面10、筒体成形凹模型面11；所述模具闭合导向单元103分别设置在凸模单元101和凹模单元102上。凸模单元101与凹模单元102闭合，在所述模具闭合导向单元103的引导下，预成形工序件凸模型面4与预成形工序件凹模型面10耦合以完成预成形工序件的成形；筒体成形凸模型面6与筒体成形凹模型面11耦合以完成筒形零件的成形。

1、筒形零件预成形工序件方案

根据一种超长小直径筒形零件的外形特点，针对高强度钛合金TA15材料性能特点采用热成形模压成形工艺方案：首先，设计出将筒体外形优化为分两步成形，通过计算，仿真分析等手段，分析出成形过程的筒体变形过程，分析得出筒体回弹变形趋势，据此设计第一步预成形工序件外形技术状态，满足第一步预成形工序件外形技术状态后完成第二步筒体的闭合成形；见图4所示。

2、热成形模具的凸模单元101

根据计算、分析得出的筒形零件预成形工序件技术状态，采用热成形模具模压工艺实现，根据高强度钛合金TA15材料性能要求材料升温至700℃±30℃的温度条件下，其才具备良好地成形性能，因此模具材料选取范围为耐热合金材料06Cr25Ni20。其中，所述的热成形模具的凸模单元101，包括：凸模安装平台1、预成形工序件位置定位销3、预成形工序件凸模型面4、筒体成形辅助导向座5、筒体成形凸模型面6、筒体成形位置定位销7，以及作为模具闭合导向单元103的凸模闭合导向楔块2。见图2所示，凸模安装平台1，其形状近似为正方形，其四周分布用于与热成形上工作台连接的回形凹槽；与此同时考虑了两种热成形设备的通用性，(工作台安装T型槽尺寸不同)，设计了4处安装U形槽口，用于T型槽螺栓连接安装。凸模闭合导向楔块2，其设置于预成形工序件凸模型面4的两侧，其外形为三面设计有5X15°斜楔面凸台，在凸凹模闭合过程中，其与对应的凹模闭合导向槽9配合，实现凸凹模型面耦合精度，用以保证零件成形型面精度。预成形工序件位置定位销3，为圆柱形销体，分布在凸模型面前后两端，其外形凸出凸模型面，用于实现零件的预成形工序件的成形前在凸模型面上的定位。预成形工序件凸模型面4，其外形与预成形工序件外形轮廓一致，与凹模型面耦合完成预成形工序件的成形。筒体成形辅助导向座5，其外形为∩形结构，其作为筒体成形凸模封闭端的固定支撑结构，∩形结构的圆弧中心与筒体成形凸模的回转中心重合，∩形结构的底面与凸模安装平台1为一体结构用于传递筒体成形过程的板材塑性变形应力载荷。筒体成形凸模型面6，其外形为圆锥体与零件筒体的內形面轮廓一致，用于筒体的闭合成形。筒体成形位置定位销7，为圆柱形销体，分布在筒体闭合成形凸模型面前后两端，其外形凸出凸模型面，用于实现零件的闭合成形前在筒体闭合成形凸模6上的定位。见图2所示。

3、热成形模具的凹模单元102

模具材料选取范围与凸模要求一致为耐热合金材料。其中，所述的热成形模具的凹模单元102，包括：凹模安装平台8、预成形工序件凹模型面10、筒体成形凹模型面11，以及作为模具闭合导向单元103的凹模闭合导向槽9。见图3所示。凹模安装平台8，其形状与凸模安装平台1近似，同样四周分布用于与热成形上工作台连接的回形凹槽和4处安装U形槽口，用于T型槽螺栓连接安装。凹模闭合导向槽9，其设置于预成形工序件凹模型面10的两侧与凸模闭合导向楔块2相对应的位置，其外形与凸模闭合导向楔块2对应，其外形为三面设计有5X15°斜楔面的凹槽，在凸凹模闭合过程中，其与对应的凸模闭合导向楔块2小间隙配合，实现凸凹模型面耦合精度，用以保证零件成形型面精度。预成形工序件凹模型面10，其设置于与预成形工序件凸模型面4相对应的位置，其外形与预成形工序件外形轮廓一致，与预成形工序件凸模型面4耦合完成预成形工序件的成形。筒体成形凹模型面11，其设置于与筒体成形凸模型面6相对应的位置，其外形为圆锥体与零件筒体的内形面轮廓一致，用于筒体的闭合成形。见图3所示。

4、热成形模双工位一体模具方案

在模具设计初期，为了更充分地提高生产效率，提高热成形设备的利用率降低能耗，实现低成本制造，筒体热成形模具采用集约化结构的双工位一体设计方案。其中，热成形模具的凸模单元101平行布置预成形工序件凸模型面和筒体成形凸模型面，与之对应的是热成形模具的凹模单元102平行布置预成形工序件凹模型面和筒体成形凹模型面。据此可实现即完成一次模具闭合可同时完成了预成形工序件成形和筒体的闭合成形，同一套热成形摸具在一次模具闭合过程中完成了两步成形工序。见图1所示。

5、基于上述热成形模具的筒形零件热成形方法

一种筒形零件热成形方法，包括以下步骤：

(1)如图5所示，按筒形零件预成形工序件的外形尺寸计算展开件外形尺寸，并按筒形零件展开的外形尺寸下料为平板板料，打磨去除边缘毛刺，抛光端口表面质量要求粗糙度Ra6.3um；平板板料两端设计有用于成形定位的U形卡槽。

(2)平板板料在热成形前进行表面清理工作，表面涂覆润滑剂石墨。

(3)热成形模具检查技术状态满足使用要求后，安装在热成形设备平台上，检查安装合格后启动预热升温程序，当模具温度稳定到700℃时，把板料安放到预成形工序件凸模型面4上，利用型面前后两端的预成形工序件位置定位销3通过板料上的U形卡槽实现对板料的成形前的定位。

(4)经过保温时间10分钟后，热成形设备上平台下行，热成形模具凸凹模型面耦合、热成形模具闭合导向单元103完全闭合，保压5分钟。完成筒体预成形热成形。

(5)模具闭合经过保压时间5分钟后，热成形工作台上行，模具开启，确认预成形工序件技术状态合格，满足设计要求；将预成形工序件安装在筒体成形凸模型面6上，利用型面前后两端的筒体成形位置定位销7通过工序件上的U形卡槽实现对板料的成形前的定位。

(6)热成形设备启动升温程序，当模具温度稳定到700℃时，经过保温时间10分钟后，热成形设备上平台下行，热成形模具凸凹模型面耦合、热成形模具闭合导向单元103完全闭合，保压5分钟。完成筒体闭合成形。

实施例

以一种高强度钛合金TA15、变形高温合金薄壁超长小直径筒形的热成形方法为例。其中，包括以下步骤：

1、筒形零件预成形工艺件方案

由于高强度钛合金TA15弹性模量小，材料的成形后存在较大回弹，一般的成形工艺会造成成形后尺寸不一致，不能满足产品质量要求。因此需合理设计超长小直径筒形预成形工艺件的外形，使其在第二步成形过程中尽量规避筒体闭合成形过程的回弹变形。根据预成形工艺件的外形尺寸设计其展开件外形。

2、筒形零件闭合成形方案

根据薄壁超长小直径筒形外形尺寸特点，为最大限度地在保证质量的前提下提高生产效率，将筒形零件闭合成形设计成筒体未完全闭合成形，通过后续的焊接、校形等工艺手段实现其完全闭合。

3、筒形零件热成形摸具方案

本发明包括热成形模具的凸模单元101、热成形模具的凹模单元102、模具闭合导向单元103。其中，所述热成形模具的凸模单元101设置了圆筒形零件分两步成形所用的不同两部分凸模型面结构，分别用于成形超长小直径筒形零件的预成形工艺件和筒形成形。所述热成形模具的凹模单元102与凸模单元101相对应分别设置了两部分凹模结构形式，与凸模单元101合模用于分别成形筒形零件的预成形工艺件和筒形闭合成形。热成形模具闭合导向单元103分别置于凸凹模具体内，用于筒形零件热成形过程中凸凹模的成形过程的导向，同时限定了凸凹模闭合位置。

4、热成形模双工位一体模具方案

根据上述的筒体预成形方案、筒体预成形方案、筒形零件热成形摸具方案将两种成形方案的热成形模具合二为一，公用一套模具的热成形设备安装结构，缩小了模具体积，提高了设备的使用效率，实现双工位一体模具。

Claims (10)

1.一种筒形零件双工位一体热成形模具，其特征在于，包括凸模单元(101)、凹模单元(102)、模具闭合导向单元(103)；其中，

所述凸模单元(101)具有预成形工序件凸模型面(4)、筒体成形凸模型面(6)；

所述凹模单元(102)具有预成形工序件凹模型面(10)、筒体成形凹模型面(11)；所述模具闭合导向单元(103)分别设置在凸模单元(101)和凹模单元(102)上；

凸模单元(101)与凹模单元(102)闭合，在所述模具闭合导向单元(103)的引导下，预成形工序件凸模型面(4)与预成形工序件凹模型面(10)耦合以完成预成形工序件的成形；筒体成形凸模型面(6)与筒体成形凹模型面(11)耦合以完成筒形零件的成形。

2.根据权利要求1所述的筒形零件双工位一体热成形模具，其特征在于，所述凸模单元(101)包括凸模安装平台(1)、预成形工序件位置定位销(3)、预成形工序件凸模型面(4)、筒体成形辅助导向座(5)、筒体成形凸模型面(6)、筒体成形位置定位销(7)；所述模具闭合导向单元(103)为凸模闭合导向楔块(2)；

凸模安装平台(1)，其形状为方形，其四周分布用于与热成形上工作台连接的回形凹槽以及安装槽口；

预成形工序件凸模型面(4)，其外形与预成形工序件外形轮廓一致；

凸模闭合导向楔块(2)，其设置于预成形工序件凸模型面(4)的两侧，其外形为凸台；

预成形工序件位置定位销(3)，为圆柱形销体，设置在预成形工序件凸模型面(4)前后两端，其外形凸出；

筒体成形凸模型面(6)，其外形与零件筒体的内形面轮廓一致，用于筒形零件的闭合成形；

筒体成形辅助导向座(5)，其外形为∩形结构，其作为筒体成形凸模型面(6)封闭端的固定支撑结构，∩形结构的圆弧中心与筒体成形凸模型面(6)的回转中心重合，∩形结构的底面与凸模安装平台(1)为一体结构；

筒体成形位置定位销(7)，为圆柱形销体，设置在筒体成形凸模型面(6)前后两端。

3.根据权利要求2所述的筒形零件双工位一体热成形模具，其特征在于，所述凹模单元(102)包括凹模安装平台(8)、预成形工序件凹模型面(10)、筒体成形凹模型面(11)；所述模具闭合导向单元(103)为凹模闭合导向槽(9)；

凹模安装平台(8)，其形状与凸模安装平台(1)相同，其四周分布用于与热成形上工作台连接的回形凹槽以及安装槽口；

预成形工序件凹模型面(10)，其设置于与预成形工序件凸模型面(4)相对应的位置，其外形与预成形工序件外形轮廓一致；

凹模闭合导向槽(9)，其设置于预成形工序件凹模型面(10)的两侧与凸模闭合导向楔块(2)相对应的位置，其外形与凸模闭合导向楔块(2)配合；

筒体成形凹模型面(11)，其设置于与筒体成形凸模型面(6)相对应的位置，其外形为圆锥体与桶形零件的内形面轮廓一致。

4.根据权利要求1所述的筒形零件双工位一体热成形模具，其特征在于，所述热成形模具的材料为合金材料06Cr25Ni20。

5.根据权利要求1所述的筒形零件双工位一体热成形模具，其特征在于，凸模闭合导向楔块(2)的外形为三面斜楔面凸台；凹模闭合导向槽(9)的外形为三面斜楔面的凹槽。

6.根据权利要求1所述的筒形零件双工位一体热成形模具，其特征在于，在凸凹模闭合过程中，凹模闭合导向槽(9)与对应的凸模闭合导向楔块(2)形成间隙配合。

7.一种利用权利要求1～6任一项所述的热成形模具的筒形零件双工位一体热成形方法，其特征在于，包括：

步骤1、按筒形零件展开的外形尺寸下料为平板材料，在平板材料的边缘设置卡槽，对平板材料进行表面清理并涂覆润滑剂；

步骤2、将热成形模具安装在设备平台上并开始预热，当热成形模具温度达到指定值时，将平板材料安放到预成形工序件凸模型面(4)上，利用预成形工序件位置定位销(3)与平板材料边缘的卡槽配合实现定位；

步骤3、经过保温指定时间后，热成形模具闭合，其凸模单元(101)、凹模单元(102)耦合，模具闭合导向单元(103)闭合并保压指定时间得到预成形工序件；

步骤4、热成形模具开启，将预成形工序件安装在筒体成形凸模型面(6)上，利用筒体成形位置定位销(7)与预成形工序件上的卡槽配合实现定位；

步骤5、将热成形模具加热到指定温度保温指定时间，热成形模具闭合，其凸模单元(101)、凹模单元(102)耦合，并保压指定时间完成筒形零件成形。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对平板材料进行表面清理并涂覆润滑剂包括：对平板材料抛光达到表面粗糙度Ra6.3um，并在平板材料表面涂覆润滑剂石墨。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，模具加热的指定温度为700℃，所述保温时间为10分钟。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述保压指定时间为5分钟。

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