CN108637151A - 一种轻质异形壳体局部成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻质异形壳体局部成形方法，包含如下步骤：(1)成形前准备：将预热保温后的轻质异形壳体局部成形模具安装在压力机上，随后将预热好的轻质异形壳体零件放置到凹模内；(2)成形过程：首先是轻质异形壳体局部成形模具放置到位阶段，凸模端部先与坯料接触，随着上模组件的继续下行使芯轴伸入壳体中，凸模中部凸台对坯料进行扩口；镦粗成形阶段；凸模升起，套上带有阶梯结构的套环，凸模产生相对运动，凸模与坯料接触后，此时凸模固定圈与套环接触，并使套环向下移动，对壳体端部金属进行镦粗；(3)镦粗成形完成后：带动凸模上升并与轻质异形壳体脱离。本发明解决在异形壳体整体成形时局部易发生失稳，产生塌角、折叠、等缺陷。

Description

一种轻质异形壳体局部成形方法

技术领域

本发明涉及金属材料塑性加工工艺及成形技术领域，特别涉及用于轻合金异形构件口部的局部镦粗成形，具体涉及一种轻质异形壳体局部成形方法。

背景技术

铝、镁合金强度高、耐腐蚀、重量轻、加工性好，适用于压制、焊接、锻造等多种加工，因此广泛应用于航天航空领域以及工业生产。异形壳体零件因其质量轻，耐高压的特点在武器装备、航天和动力工程、石油化工和能源动力等领域有着大量使用。这些零件结构复杂，形状特殊，因此对其加工工艺要求严格。

目前异形壳体构件的生产方式主要有机械加工、分体制造后焊接或铸造等。然而单纯机械加工虽然表面精度较高，但生产效率低，原料浪费严重；采用铸造的方式成品组织粗大，易产生气孔、砂眼、裂纹等缺陷，影响零件性能；焊接工艺易产生裂纹、夹杂，影响零件的疲劳性能。因此采用传统挤压的整体成形方式，可以避免以上工艺产生的缺陷，但由于异形壳体零件较为复杂，需采取多道工序完成，坯料首先预成形底部四个尾翼并反挤，然后通过局部镦粗成形壳体口部边缘，最终零件成形。然而在壳体口部凸缘成形时，容易造成失稳，产生塌角、折叠、毛刺、填充不饱满等问题，无法满足零件尺寸和性能的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决在异形壳体整体成形时局部易发生失稳，产生塌角、折叠、毛刺、填充不满等缺陷，提高了工件的尺寸精度，能获得机械性能良好、成形良好锻件的轻质异形壳体局部成形方法。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：

一种轻质异形壳体局部成形方法，它包含如下步骤：

(1)成形前准备：将轻质异形壳体零件加热到成形温度；预热轻质异形壳体局部成形模具，它包含与压力机的上部结构连接的上模具组件，以及与压力机下部结构连接的下模具组件；所述的上模具组件包括与压力机连接的上工作台连接的上模板、上模垫板、压缩弹簧、凸模固定圈和凸模，所述的上模板用紧固螺栓与压力机上的工作台装配，所述的上模板、上模垫板和凸模固定圈通过内六角螺钉装配到一起，所述的凸模与凸模固定圈通过螺帽装配到一起，所述的压缩弹簧固定在凸模与上模垫板之间；所述的下模具组件包括与压力机的下工作台连接的分瓣凹模、预应力圈、顶块、下模垫板、下模板、顶杆和套环，所述的下模板用紧固螺栓与压力机下工作台装配，所述的下模板、下模垫板和预应力圈通过内六角螺钉固定到一起，所述的预应力圈内同轴设置有分瓣凹模，所述的分瓣凹模的底部与下模垫板之间设置有顶块，所述的顶杆垂直同轴设置在下模垫板和下模板的中部，且其顶面与顶块的底面相触，所述的套环同轴设置在凸模固定圈和分瓣凹模之间，且套环同轴套接在凸模外壁；

将预热保温后的轻质异形壳体局部成形模具安装在压力机上；在即将与轻质异形壳体零件接触的凸模、分瓣凹模、套环的表面均匀的涂抹油基石墨润滑剂，随后将预热好的轻质异形壳体零件放置到凹模内；

(2)成形过程：首先是轻质异形壳体局部成形模具放置到位阶段；压力机带动上模具组件的上模板、上模垫板及凸模结构向下运动，凸模端部先与坯料接触，此时随着上模组件的继续下行使芯轴伸入壳体中，模具到达指定位置后，凸模中部凸台对坯料进行扩口；

镦粗成形阶段；这时，凸模升起，套上带有阶梯结构的套环，由于套环较重，因此将套环设计为3个，分别放置，叠摞起来，随着上模组件的继续下行，凸模产生相对运动，凸模与坯料接触后，压缩弹簧开始压缩，上模垫板对压缩弹簧产生的向下的力会与坯料对凸模产生的向上的力相互抵消，对壳体进行径向的固定，防止金属向内径方向进行流动；此时凸模固定圈与套环接触，并使套环向下移动，对壳体端部金属进行镦粗，在凹凸模和套环的作用下，端部金属逐渐变形，直到金属填满凹凸模和套环间隙，凸缘就成形结束；

(3)镦粗成形完成后：停止压力机上工作台向下运动，压力机上工作台反向向上运动，带动凸模上升并与轻质异形壳体脱离，顶杆向上运动，顶块、分瓣凹模和零件在顶杆的作用下被顶出。

作为本发明的进一步改进；所述的压缩弹簧为圆柱螺旋压缩弹簧。

作为本发明的进一步改进；所述的分瓣凹模为分瓣组合式模具。

作为本发明的进一步改进；所述的凸模中间部分设置有斜度为70°的凸台。

作为本发明的进一步改进；所述的套环底面中部向下延伸出一阶梯状凸起结构。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

本发明是为了解决在异形壳体整体成形时局部易发生失稳，产生塌角、折叠、毛刺、填充不满等缺陷而提出的一种局部成形工艺，提高了工件的尺寸精度，能获得机械性能良好、成形良好的锻件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的实施例中枝桠类壳体零件挤压成形前的状态示意图；

图2为本发明所提供的实施例中枝桠类壳体零件挤压成形后的状态示意图；

图3为本发明所提供的实施例中枝桠类壳体零件口部局部镦粗成形模具装配图；

图4为本发明所提供的实施例中套环结构示意图；

图5为本发明所提供的实施例中放入坯料后，凸模下落前工作状态示意图；

图6为本发明所提供的实施例中凸模下降，坯料端部扩口时工作状态示意图；

图7为本发明所提供的实施例中将套环套于凸模准备镦粗时工作状态示意图；

图8为本发明所提供的实施例中凸模下压，构件端部最终镦粗成形工作状态示意图；

附图标记：

1-上模板；2-内六角螺钉一；3-上模垫板；4-压缩弹簧；5-凸模固定圈；6-螺帽；7-凸模；8-分瓣凹模；9-预应力圈；10-顶块；11-下模垫板；12-内六角螺钉二；13-下模板；14-顶杆；15-套环。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1-图8，本具体实施方式采用以下技术方案：一种轻质异形壳体局部成形模具，它包含与压力机的上部结构连接的上模具组件，以及与压力机下部结构连接的下模具组件；

所述的上模具组件包括与压力机连接的上工作台连接的上模板1、上模垫板3、压缩弹簧4、凸模固定圈5和凸模7，所述的上模板1用紧固螺栓与压力机上的工作台装配，所述的上模板1、上模垫板3和凸模固定圈5通过内六角螺钉一2装配到一起，所述的凸模7与凸模固定圈5通过螺帽6装配到一起，所述的凸模7中间部分设置有斜度为70°的凸台，所述的压缩弹簧4固定在凸模7与上模垫板3之间，所述的压缩弹簧4为圆柱螺旋压缩弹簧；

所述的下模具组件包括与压力机的下工作台连接的分瓣凹模8、预应力圈9、顶块10、下模垫板11、下模板13、顶杆14和套环15，所述的下模板13用紧固螺栓与压力机下工作台装配，所述的下模板13、下模垫板11和预应力圈9通过内六角螺钉二12固定到一起，所述的预应力圈9内同轴设置有分瓣凹模8，所述的分瓣凹模为分瓣组合式模具，所述的分瓣凹模8的底部与下模垫板11之间设置有顶块10，所述的顶杆14垂直同轴设置在下模垫板11和下模板13的中部，且其顶面与顶块10的底面相触，所述的套环15同轴设置在凸模固定圈5和分瓣凹模8之间，且套环15同轴套接在凸模7外壁，所述的套环15底面中部向下延伸出一阶梯状凸起结构。

本具体实施方式还提供了一种轻质异形壳体局部成形方法，它包含如下步骤：

(1)成形前准备：将枝芽类壳体零件加热到成形温度；将预热保温后的模具按上面所述的装配关系安装在压力机上；在即将与枝芽类壳体零件接触的凸模7、分瓣凹模8、套环15的表面均匀的涂抹油基石墨润滑剂，随后将预热好的枝芽类壳体零件放置到分瓣凹模8内，如图5所示；

(2)成形过程：首先是模具放置到位阶段。压力机带动上模具组件的上模板1、上模垫板3及凸模7等结构向下运动。凸模7端部先与坯料接触，此时随着上模组件的继续下行使芯轴伸入壳体中，模具到达指定位置后，凸模7中部凸台与坯料接触并对坯料进行扩口，如图6所示。

接下来进入镦粗成形阶段。这时，凸模7升起，套上带有阶梯状的套环15，如图7所示。随着上模组件的继续下行，凸模7产生相对运动，凸模与坯料接触后，压缩弹簧4开始压缩，上模垫板3对压缩弹簧4产生的向下的力会与坯料对凸模7产生的向上的力相互抵消，对壳体进行径向的固定，防止金属向内径方向进行流动。此时凸模固定圈5与套环15接触，并使套环15向下移动，对壳体端部金属进行镦粗，在凹凸模和套环的作用下，端部金属逐渐变形，直到金属填满凹凸模和套环间隙，凸缘就成形结束，如图8所示。

(3)镦粗成形完成后：停止压力机上工作台的向下运动，压力机上工作台反向向上运动，带动凸模7上升并与枝芽类壳体脱离。顶杆14向上运动，顶块10、分瓣凹模8和零件在顶杆14的作用下被顶出。

本具体实施方式的原理为：

对于管坯端部镦粗成形的金属变形规律，学者们已做了大量的物理实验和深入的理论分析研究，总结出了相应镦锻规则，其中规则之一是：参与变形部分的管坯初始长度l₀和壁厚t之比，即镦粗比λ＝l₀/t≤3.0时，管坯可以在一次变形中镦粗到任意形状和尺寸，而在内、外壁不产生折叠、凹陷或其它缺陷；当λ＝l₀/t≥3.0时，应进行多次聚料，其壁厚的变化规则是：

t_n＝(1.5～1.3)t_n-1

式中：t_n-1-第n-1次聚料时的管坯壁厚；

t_n-第n次聚料时的管坯壁厚：

t＝(D₀-d₀)/2

根据计算，该构件局部镦粗比λ为1.27，小于3.0，因此可以通过一次变形进行镦粗。

首先，为了防止在镦粗时金属向径向内部流动，并造成失稳等现象的发生，需要设计一种凸模与凹模，配合完全撑住壳体，使镦粗时壳体其他部分不发生变形。由于本枝芽类壳体锻件的底部有四个尾翼结构，为了减少在成形过程中凹模腔内的应力，优化成形环境，且为了便于放入和取出工件，在本发明中凹模采用分瓣组合模具，凸模下部形状与壳体内部完全配合。在上模块向下运动时，凸模逐渐进入到壳体内，直到完全与壳体接触，与凹模组合达到对壳体的完全固定。从而阻止金属的径向流动，达到良好成形效果。

其次，由于壳壁的内外侧金属的流动十分不均匀，在这种情况下就会发生凸缘折叠和塌角的现象，无法达到成形要求。为了解决这一问题，改善金属的流动性，就需要在镦粗之前对坯料端部进行一定程度的扩口处理。事实证明，扩口后再进行镦粗会达到相对较好的效果。

扩口量的选择是成形的关键，不进行扩口或者扩口量小的时候，虽然在镦粗时壳内部有凸模芯部固定限制，但在镦粗时同样容易发生失稳的现象，导致折叠的发生和塌角的出现。扩口量大的时候，镦粗时的外翻程度大，镦粗效果减弱，会使得凸缘的厚度不够，下缘外角塌角严重，多余金属挤入凸凹模间隙形成纵向厚毛刺。同时为了防止凸缘内外端部金属冷却速度快而导致其变形抗力增加，在其变形过程中形成折叠，在镦粗前应对其进行适当的倒角，便于成形。所以，在本发明中，凸模的中间部分增加了斜度为70°的凸台，当凸模向下移动的同时，会在壳体端部进行扩口处理，使壳体内外径扩大，便于在接下来镦粗过程中金属沿径向流动，使端部成形饱满、轮廓清晰，很大程度的减少了成形缺陷。

同时，由于相对滑动，凸模上部凸模固定圈形成一个空腔，导致芯部凸模下压时受到坯料给的向上运动的力的时候不能保证在一个位置固定不动，无法有效支撑壳体内部，致使壳体上部凸缘无法顺利成形，所以在空腔位置加装弹簧装置，弹簧对上部内支撑产生的向下的力会与坯料对上部内支撑产生的向上的力相互抵消，最大程度的确保内支撑的位置不动，保证壳体上部凸缘成形精度。

最后，在准备工作之后进行局部镦粗。这时，压力机滑块带动凸模上升，在凸模上套上带有阶梯状的套环，然后随着凸模的向下移动，凸模下部与壳体内部接触，对其进行径向的固定，防止金属向内径方向进行流动。模块继续向下移动，弹簧压缩，接触到壳体端部的套环不断下移，对壳体端部金属进行镦粗，在凹凸模和套环的作用下，端部金属逐渐变形，直到金属填满凹凸模和套环间隙，凸缘成形结束。

工件取出时将凹模一起顶出，分开分瓣凹模取出工件。同时为了防止顶出力较大损坏工件的4个尾翼，需要在凹模下加一垫块，将垫块、凹模和工件同时顶出。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种轻质异形壳体局部成形方法，其特征在于，它包含如下步骤：

(1)成形前准备：将轻质异形壳体零件加热到成形温度；预热轻质异形壳体局部成形模具，它包含与压力机的上部结构连接的上模具组件，以及与压力机下部结构连接的下模具组件；所述的上模具组件包括与压力机连接的上工作台连接的上模板、上模垫板、压缩弹簧、凸模固定圈和凸模，所述的上模板用紧固螺栓与压力机上的工作台装配，所述的上模板、上模垫板和凸模固定圈通过内六角螺钉装配到一起，所述的凸模与凸模固定圈通过螺帽装配到一起，所述的压缩弹簧固定在凸模与上模垫板之间；所述的下模具组件包括与压力机的下工作台连接的分瓣凹模、预应力圈、顶块、下模垫板、下模板、顶杆和套环，所述的下模板用紧固螺栓与压力机下工作台装配，所述的下模板、下模垫板和预应力圈通过内六角螺钉固定到一起，所述的预应力圈内同轴设置有分瓣凹模，所述的分瓣凹模的底部与下模垫板之间设置有顶块，所述的顶杆垂直同轴设置在下模垫板和下模板的中部，且其顶面与顶块的底面相触，所述的套环同轴设置在凸模固定圈和分瓣凹模之间，且套环同轴套接在凸模外壁；

将预热保温后的轻质异形壳体局部成形模具安装在压力机上；在即将与轻质异形壳体零件接触的凸模、分瓣凹模、套环的表面均匀的涂抹油基石墨润滑剂，随后将预热好的轻质异形壳体零件放置到凹模内；

(2)成形过程：首先是轻质异形壳体局部成形模具放置到位阶段；压力机带动上模具组件的上模板、上模垫板及凸模结构向下运动，凸模端部先与坯料接触，此时随着上模组件的继续下行使芯轴伸入壳体中，模具到达指定位置后，凸模中部凸台对坯料进行扩口；

镦粗成形阶段；这时，凸模升起，套上带有阶梯结构的套环，由于套环较重，因此将套环设计为3个，分别放置，叠摞起来，随着上模组件的继续下行，凸模产生相对运动，凸模与坯料接触后，压缩弹簧开始压缩，上模垫板对压缩弹簧产生的向下的力会与坯料对凸模产生的向上的力相互抵消，对壳体进行径向的固定，防止金属向内径方向进行流动；此时凸模固定圈与套环接触，并使套环向下移动，对壳体端部金属进行镦粗，在凹凸模和套环的作用下，端部金属逐渐变形，直到金属填满凹凸模和套环间隙，凸缘就成形结束；

(3)镦粗成形完成后：停止压力机上工作台向下运动，压力机上工作台反向向上运动，带动凸模上升并与轻质异形壳体脱离，顶杆向上运动，顶块、分瓣凹模和零件在顶杆的作用下被顶出。

2.根据权利要求1所述的一种轻质异形壳体局部成形方法，其特征在于，所述的压缩弹簧为圆柱螺旋压缩弹簧。

3.根据权利要求1所述的一种轻质异形壳体局部成形方法，其特征在于，所述的分瓣凹模为分瓣组合式模具。

4.根据权利要求1所述的一种轻质异形壳体局部成形方法，其特征在于，所述的凸模中间部分设置有斜度为70°的凸台。

5.根据权利要求1所述的一种轻质异形壳体局部成形方法，其特征在于，所述的套环底面中部向下延伸出一阶梯状凸起结构。