CN108637093B - 一种铝合金半球形壳体温热成形模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金半球形壳体温热成形模具，包括凸模、凹模以及能拆卸的固定在凹模上的压料板；所述凸模下部为内部具有空腔的半球体，半球体底部开设有圆形通孔；所述压料板上设置有通孔；所述凹模为带法兰的空心圆筒，凹模上端内缘设有圆角。本发明在凸模的半球体底部设计一个圆形通孔，一方面避免了凸模底部板坯与模具间的摩擦，减少凸模底部金属发生延伸变形的阻力，使底部材料更多地通过延伸变形补偿拉伸区域；另一方面，圆形通孔的设置也改变了拉伸加载位置，圆形通孔半径R₁范围为R₁＝k·R₂，其中k为0.1～0.13，通过合理设计圆形通孔直径能够改变工件截面厚度分布，减小构件厚度减薄率，使其控制在10％以内。

Description

一种铝合金半球形壳体温热成形模具

技术领域

本发明属于铝合金成形技术领域，具体是涉及到一种铝合金半球形壳体温热成形模具。

背景技术

航空航天以及民用贮箱罐体对气密性和减重的要求较高，常采用高强度铝合金，具有较高比强度和比刚度性能的铝合金罐体得到广泛应用。对于内径与壁厚比大于60的铝合金半球形贮箱底薄壁壳体构件成形，由于在加工余量与设备规格等方面的优点，现阶段国内仍主要沿用传统的瓜瓣拼焊成形技术。然而，由于铝合金焊接性能有限，且焊缝产生的内应力及性能弱化，因此会对构件的服役性能和加工精度产生不利影响。

而强度的提升往往降低了铝合金材料的室温塑性，成形范围有限，容易局部减薄过大，降低服役承载能力。此外，高强铝合金室温加工过程中产生较高的内应力以及微观缺陷还会导致薄壁壳体构件淬火时发生畸变，甚至开裂报废。

铝合金加热至一定温度后塑性和延伸率大幅提高，可有效提高板材的成形性并降低成形件残余应力，适用于性能和形状需求较高的高值小批量零件生产。成形过程中温度与成形速度的控制对于铝合金成形件的晶粒组态具有重要影响，如成形过程中的再结晶控制不足很容易造成铝合金成形件的疲劳、腐蚀等性能下降。而模具式的温热成形方法在温度和速度控制上具有结构上的优势，因此常用于成形精度和性能要求较高的构件成形制造中。

但目前尚没有关于铝合金半球形壳体温热成形的模具的报道，因此急需弥补现有技术的空白，提供一种铝合金半球形壳体温热成形的模具。

发明内容

本发明要解决的技术问题是弥补现有技术的空白，提供一种适用于铝合金半球形壳体温热成形的模具，该模具不仅结构简单、制作成本低，而且能够提高截面厚度分布均匀性，降低成形构件的减薄率。

本发明的铝合金半球形壳体温热成形模具，包括凸模、凹模以及能拆卸的固定在凹模上的压料板；所述凸模下部为内部具有空腔的半球体，半球体底部开设有圆形通孔；所述压料板上设置有通孔；所述凹模为带法兰的空心圆筒，凹模上端内缘设有圆角。

所述半球体的外半径为R₂，所述圆形通孔的半径R₁＝k·R₂，其中k为0.1～0.13。

所述凸模包括上模块和设置在上模块下部的下模块。

所述上模块包括外筒和固定在外筒底部的挡板，下模块包括内筒和固定在内筒上的位于挡板上部的挂环，还包括设置在内筒下方并与内筒固定连接的内部具有空腔的半球体，所述内筒的长度大于挡板的厚度，两者的高度差h为10～200mm。

优选的，所述具有空腔的半球体的壁厚t为50～300mm，优选为80～120mm。

本发明中模具半球体的外半径R₂的适用范围为200～5000mm，因此圆形通孔的半径R₁为20～650mm，优选为50～60mm。

所述压料板的厚度为10～100mm，优选为15～30mm。

所述凹模的壁厚为80～300mm，优选为100～150mm。

所述圆角的半径R₃为10～50mm，优选为15～25mm。

所述压料板和凹模上设置有固定孔，还包括***到固定孔内的固定连接压料板和凹模的固定销孔。

本发明的铝合金半球形壳体温热成形模具可安装于温热成形专用压力机上使用，也可安装于锻压机上并配备辅助加热保温筒使用。挡板和内筒结合的部分，称为定位凸台，成形前通过定位凸台与压料板中心的通孔配合定位，无需另外制作模架。

本发明的有益效果：

(1)本发明在凸模的半球体底部设计一个圆形通孔，一方面避免了凸模底部板坯与模具间的摩擦，减少了凸模底部金属发生延伸变形的阻力，使底部材料更多地通过延伸变形补偿拉伸区域；另一方面，圆形通孔的设置也改变了拉伸加载位置，通过合理设计圆形通孔的直径能够改变工件截面厚度分布，减小构件厚度减薄率，使其控制在10％以内。

(2)本发明中凹模内壁不与板坯接触且内缘半径尺寸合理设计，控制板料的流动，也能够起到控制法兰起皱和截面厚度减薄的效果。

(3)本发明中凹模的空心圆筒结构能够在板料成形过程中起到保温作用，有利于板料成形温度稳定。

(4)本发明中凸模上模块与下模块可以采用整体形式，也可以采用组合形式，组合形式的下模块可以设计为一系列不同型面的结构，从而可以根据成形件灵活更换，可以降低模具生产成本，提高生产效率。

(5)本发明所述减薄率的测算方法，沿半球形壳体径向剖开，在剖面上间隔1cm分散取点测量截面厚度，减薄率＝(板坯厚度－成形件最小厚度)/板坯厚度×100％。

附图说明

图1为本发明的铝合金半球形壳体温热成形模具的主视结构示意图。

图2为本发明的凸模的结构示意图。

在图中，1-凸模，2-压料板，21-通孔，3-凹模，4-上模块，41-外筒，42-挡板，5-下模块，51-内筒，52-挂环，53-半球体，531-圆形通孔，6-固定销孔，7-固定孔。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1、图2所示，成形目标为半径200～5000mm的铝合金半球形壳体。模具由凸模、压料板、凹模组成。凸模采用上模块和下模块构成的整体形式或组合形式，下模块的半球体的球面外径R₂为200～5000mm，取值与成形目标一致，半球体的球面壁厚t为50～300mm，下模块的半球体底部中心设有半径R₁为20～650mm的圆形通孔，且R₁＝k·R₂，其中k为与材料相关的系数，k＝0.1～0.13。定位凸台高度h为10～200mm，压料板为厚度为10～100mm的空心板，凹模为壁厚为80～300mm的带法兰空心圆筒形结构，凹模上端内缘设有半径R₃＝10～50mm的圆角，凹模上端外缘附近及压料板对应位置设有相同直径10～50mm的固定销孔和固定孔。

实施例1

采用图1、图2所示的铝合金半球形壳体温热成形模具，成形目标为直径800mm的铝合金半球形壳体，板坯采用12mm厚2195-O铝合金板。模具由凸模、压料板、凹模组成，凸模采用上模块和下模块构成的整体形式，下模块中的半球体底部中心设有半径R₁为52mm(k＝0.13)的圆形通孔，下模块的半球体的球面外半径R₂为400mm，半球体的球面壁厚t为80mm，定位凸台高度h为30mm。压料板是厚度为15mm的空心圆板，凹模为壁厚为100mm的带法兰空心圆筒形结构，凹模上端的内缘圆角半径R₃为20mm，凹模上端外缘附近及压料板对应位置设有直径为10mm的固定销孔和固定孔。

成形前，先将板坯放在凹模上方，再将压料板放在板坯上方，并采用定位件穿过固定销孔和固定孔以实现压料板和板坯的固定，最后通过定位凸台与压料板中心的通孔配合定位，之后保持凸模下压速度为0.2mm/s、成形温度为420℃的条件进行成形。最终得到的成形构件最大减薄率为4.8％，法兰区无起皱。

实施例2

采用图1、图2所示的铝合金半球形壳体温热成形模具，成形目标为直径1200mm的铝合金半球形壳体，板坯采用8mm厚2050-O铝合金板。模具由凸模、压料板、凹模组成，凸模采用上模块和下模块的组合形式，下模块中的半球体底部中心设有半径R₁为60mm(k＝0.1)的圆形通孔，下模块的半球体的球面外半径R₂为600mm，半球体的球面壁厚t为120mm，定位凸台高度h为40mm。压料板是厚度为25mm的空心圆板，凹模为壁厚为150mm的带法兰空心圆筒形结构，凹模上端的内缘圆角半径R₃为25mm，凹模上端外缘附近及压料板对应位置设有直径为15mm的固定销孔和固定孔。

成形前，先将板坯放在凹模上方，再将压料板放在板坯上方，并采用定位件穿过固定销孔和固定孔以实现压料板和板坯的固定，最后通过定位凸台与压料板中心的通孔配合定位，之后保持凸模下压速度为0.3mm/s、成形温度为400℃的条件进行成形。最终得到的成形构件最大减薄率为6.3％，法兰区无起皱。

对比例1

采用图1、图2所示的铝合金半球形壳体温热成形模具，成形目标为直径800mm的铝合金半球形壳体，板坯采用12mm厚2195-O铝合金板。模具由凸模、压料板、凹模组成，凸模采用上模块和下模块构成的整体形式，下模块中的半球体底部中心无圆形通孔，下模块的半球体的球面外半径R₂为400mm，半球体的球面壁厚t为80mm，定位凸台高度h为30mm。压料板是厚度为15mm的空心圆板，凹模为壁厚为100mm的带法兰空心圆筒形结构，凹模上端的内缘圆角半径R₃为20mm，凹模上端外缘附近及压料板对应位置设有直径为10mm的固定销孔和固定孔。

成形前，先将板坯放在凹模上方，再将压料板放在板坯上方，并采用定位件穿过固定销孔和固定孔以实现压料板和板坯的固定，最后通过定位凸台与压料板中心的通孔配合定位，之后保持凸模下压速度为0.2mm/s、成形温度为420℃的条件进行成形。最终得到的成形构件最大减薄率为17％。

对比例2

采用图1、图2所示的铝合金半球形壳体温热成形模具，成形目标为直径800mm的铝合金半球形壳体，板坯采用12mm厚2195-O铝合金板。模具由凸模、压料板、凹模组成，凸模采用上模块和下模块构成的整体形式，下模块中的半球体底部中心设有半径R₁为30mm的圆形通孔，下模块的半球体的球面外半径R₂为400mm，半球体的球面壁厚t为80mm，定位凸台高度h为30mm。压料板是厚度为15mm的空心圆板，凹模为壁厚为100mm的带法兰空心圆筒形结构，凹模上端的内缘圆角半径R₃为20mm，凹模上端外缘附近及压料板对应位置设有直径为10mm的固定销孔和固定孔。

成形前，先将板坯放在凹模上方，再将压料板放在板坯上方，并采用定位件穿过固定销孔和固定孔以实现压料板和板坯的固定，最后通过定位凸台与压料板中心的通孔配合定位，之后保持凸模下压速度为0.2mm/s、成形温度为420℃的条件进行成形。最终得到的成形构件最大减薄率为11％。

对比例3

采用图1、图2所示的铝合金半球形壳体温热成形模具，成形目标为直径800mm的铝合金半球形壳体，板坯采用12mm厚2195-O铝合金板。模具由凸模、压料板、凹模组成，凸模采用上模块和下模块构成的整体形式，下模块中的半球体底部中心设有半径R₁为60mm的圆形通孔，下模块的半球体的球面外半径R₂为400mm，半球体的球面壁厚t为80mm，定位凸台高度h为30mm。压料板是厚度为15mm的空心圆板，凹模为壁厚为100mm的带法兰空心圆筒形结构，凹模上端的内缘圆角半径R₃为20mm，凹模上端外缘附近及压料板对应位置设有直径为10mm的固定销孔和固定孔。

成形前，先将板坯放在凹模上方，再将压料板放在板坯上方，并采用定位件穿过固定销孔和固定孔以实现压料板和板坯的固定，最后通过定位凸台与压料板中心的通孔配合定位，之后保持凸模下压速度为0.2mm/s、成形温度为420℃的条件进行成形。最终得到的成形构件最大减薄率为10.3％。

通过比较实施例1与对比例1可知，本发明在凸模下模块的半球体底部中心开设有圆形通孔，一方面避免了凸模底部板坯与模具间的摩擦，减少了凸模底部金属发生延伸变形的阻力，使底部材料更多地通过延伸变形补偿拉伸区域；另一方面，通过比较实施例1与对比例2～3可知，圆形通孔的设置也改变了拉伸加载位置，本发明的圆形通孔半径R₁范围为R₁＝k·R₂，其中k为0.1～0.13，当模具的外半径R₂固定时，圆形通孔半径R₁范围固定，通过合理设计圆形通孔直径能够改变工件截面厚度分布，减小构件厚度减薄率(控制在10％以内)。

Claims (8)

1.一种铝合金半球形壳体温热成形模具，其特征在于，包括凸模(1)、凹模(3)以及能拆卸的固定在凹模(3)上的压料板(2)；所述凸模(1)下部为内部具有空腔的半球体(53)，半球体(53)底部开设有圆形通孔(531)；所述压料板(2)上设置有通孔(21)；所述凹模(3)为带法兰的空心圆筒，凹模(3)上端内缘设有圆角，所述半球体(53)的外半径为R₂，所述圆形通孔(531)的半径R₁＝k·R₂，其中k为0.1～0.13。

2.如权利要求1所述的铝合金半球形壳体温热成形模具，其特征在于，所述凸模(1)包括上模块(4)和设置在上模块(4)下部的下模块(5)。

3.如权利要求1或2所述的铝合金半球形壳体温热成形模具，其特征在于，所述上模块(4)包括外筒(41)和固定在外筒(41)底部的挡板(42)，下模块(5)包括内筒(51)和固定在内筒(51)上的位于挡板(42)上部的挂环(52)，还包括设置在内筒(51)下方并与内筒(51)固定连接的内部具有空腔的半球体(53)，所述内筒(51)的长度大于挡板(42)的厚度，两者的高度差h为10～200mm。

4.如权利要求1所述的铝合金半球形壳体温热成形模具，其特征在于，所述半球体(53)的壁厚t为50～300mm。

5.如权利要求1或2所述的铝合金半球形壳体温热成形模具，其特征在于，所述压料板(2)的厚度为10～100mm。

6.如权利要求1或2所述的铝合金半球形壳体温热成形模具，其特征在于，所述凹模(3)的壁厚为80～300mm。

7.如权利要求1或2所述的铝合金半球形壳体温热成形模具，其特征在于，所述圆角的半径R₃为10～50mm。

8.如权利要求1或2所述的铝合金半球形壳体温热成形模具，其特征在于，所述压料板(2)和凹模(3)上设置有固定孔(7)，还包括***到固定孔(7)内的固定连接压料板(2)和凹模(3)的固定销孔(6)。

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