CN109396208B - 一种钢制不同壁厚“h”形连接件同步挤压成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种钢制不同壁厚“H”形连接件同步挤压成形方法，该方法涉及一种钢制不同壁厚“H”形连接件同步挤压成形模具，该模具包括上模具组件，下模具组件以及导向和顶出装置组件；该方法经历成形前预热模具和坯料、然后凹凸模挤压时的三个变形过程以及最终成形后导出。本发明采用温挤压同步成形来实现不同壁厚“H”形连接件的精密塑性成形，目的在于有效克服现有传统加工制造方法所带来的问题，改善合金的成形性，提高成形件的综合力学性能，大大提高材料利用率和生产效率，节能减排。

Description

一种钢制不同壁厚“H”形连接件同步挤压成形方法

技术领域

本发明属于金属材料塑性加工及成形技术领域，特别涉及一种钢制不同壁厚“H”形连接件同步挤压成形方法。

背景技术

随着我国航空航天技术、高新技术武器装备以及海洋开发的快速发展，不同壁厚“H”形连接件(是指工件上下内部中空，中间存在间隔壁，并且上下两壁壁厚不同)在军民各个领域的应用越来越广泛。如用于武器装备的导弹弹头内，飞机、汽车等部位的连接，各类不同直径管的连接处，在日常生活也随处可见。“H”形零件内部会存在不同程度的台阶和凹角并且壁薄，传统的成形方法，如将两个“U”形件中间进行焊接、铸造或者是最常见的机械加工的方式生产零件。焊接件在焊接缝处会存在不同程度的焊缝开裂、缩孔和脱落等缺陷，并且很多材料焊接性能不好；铸造同样存在着铸件组织不致密、缩孔和气泡以及晶粒粗细不均匀等；单纯的机械加工生产效率低、原材料浪费严重并且耗时耗力。这些方法存在的不足之处以及难以满足此零件服役要求。

该类零件的成形难点一是在于上下不同壁厚成形的同时还要防止杯壁在轴向发生失稳，二是保证最终成形的壁厚的均匀一致性和下壁较薄要易于取出并保持完好不断裂。

发明内容

针对现有加工技术现状，本发明提出一种钢制不同壁厚“H”形连接件同步挤压成形方法，采用温挤压同步成形来实现不同壁厚“H”形连接件的精密塑性成形，目的在于有效克服现有传统加工制造方法所带来的问题，改善合金的成形性，提高成形件的综合力学性能，大大提高材料利用率和生产效率，节能减排。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种钢制不同壁厚“H”形连接件同步挤压成形方法，该方法涉及一种钢制不同壁厚“H”形连接件同步挤压成形模具，该模具包括与压力机的上部连接的上模具组件，与压力机的下部连接的下模具组件，以及导向和顶出装置组件；所述上模具组件包括与压力机的上工作台连接的上模板、与上模板相接的镶件和上模底座、与所述镶件相接的凸模和上模套板，以及与所述上模底座相接的螺圈和退件环；所述下模具组件包括与压力机的下工作台连接的底芯和凹模；所述凹模的内部形成内凸缘，所述底芯和凸模形成过渡圆角和倾斜度；所述导向和顶出装置组件包括顶杆、底板和拉杆，该方法具体为：

(1)成形前准备：将坯料预热并均匀喷涂水基石墨润滑剂，在凸模、退件环、凹模和底芯的表面均匀的涂抹水基石墨润滑剂并预热，待预热完毕后，将坯料放在底芯上，上模板向下运动，同时拉杆下降，顶杆和底芯下降，底芯回到凹模底部坯料也到预挤压位置，准备挤压成形；

(2)成形过程：压力机带动上模具组件向下运动，凸模接触到坯料继续向下挤压，随着凸模的向下挤压，退件环也会进入到凹模内，坯料在凸模的作用下，经历三个阶段的变形：

一是“H”雏形成形阶段，刚开始挤压时，坯料被凹模的内凸缘限制，坯料受到的径向阻力大于轴向，先向底芯和凹模型腔内流动，底芯带有倾斜度越往下空间越小阻力越大，坯料此时径向阻力小于轴向，致使坯料镦粗作用加剧，坯料充满凹模内凸缘部分并顺着凸模的倾斜壁向上运动，呈现出一个“H”预形；

二是“H”上下壁的增长阶段，随着压力机带动凸模继续向下挤压，凸模工作带往上有倾斜度存在，凸模与凹模之间的空间相比底芯和凹模之间的空间要大，因此上部分的阻力要小于下部分的阻力，并且下部分的料也是由上往下走的，所以上壁高度的增长速度要大于下壁，此时径向已经充满凹模内，所以这一阶段相较于上一阶段径向不增长，只是上下两壁的高度增长，上壁增长到一定高度时会接触到退件环底部，此时上下壁已经完成了轴向增长成形；

三是“H”饱满成形阶段，压力机继续带着凸模向下挤压坯料，此时“H”形已基本完成，上壁还没到达最终高度以及下壁底角难成形区还未完成最终成形，此时的退件环已经接触到了上壁，退件环和螺圈之间有一定的高度配合，当凸模继续下降时，上壁推着退件环向上运动，当退件环接触到上模套板时停止上升，此时凸模、退件环和凹模形成闭合型腔，坯料唯一流动方向为下壁底角难成形区，伴随着向下的冲击力底角充填完成，完成挤压终成形；

(3)挤压成形完成后：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，带动凸模上升并与工件上壁脱离，随着凸模的上升，退件环自动落下一段距离，与凸模脱离；在上模板上升的过程中带动拉杆上升，拉杆同时带动底板上升，底板上升一定距离后接触顶杆并带动底芯顶着工件一起上升脱离凹模，工件脱离模具后会自动弹出凹模，最后取下工件，挤压件成形完成。

优选地，所述底芯的倾斜度为10°。

优选地，所述凸模的倾斜度为12°。

采用上述方案后，本发明的有益效果在于：

1、凸模、凹模和底芯共同构成了“H”形连接件的成形内腔，通过控制工艺参数(成形内腔各部分的倾斜度、过渡带圆角)来改变“H”形件在挤压变形过程中的受力情况，确保了成形阶段上下两壁增长和终成形阶段的顺利实现，更好的控制金属应力状态、等效应变量、塑性变形和组织均匀性等，保证了成形顺利进行，满足了“H”形连接件最终尺寸和性能要求；

2、退件环配合导向和顶出装置组件。有定位导向作用的退件环，在压力机向下运动的过程中，退件环既可以起到定位凸模作用又保证了终成形阶段下壁难成形区的良好成形，且在退件阶段配合反拉杆结构起到一上一下的工件顺利脱模；反拉杆式联动顶出结构可配套在任意压力机上使用，对压力机顶出缸没有要求，大大增加了挤压模具的适用性，减少了生产成本；

3、采用温挤压成形技术，较冷挤压大大减少了挤压力，在保证近净成形的同时也确保了材料的综合力学性能最优。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明所提供的实施例中未放入坯料时模具整体结构剖视图；

图2为本发明所提供的实施例中的导向和顶出装置组件剖视图；

图3为本发明所提供的实施例中挤压成形前将坯料放入时模具工作状态剖视图；

图4为本发明所提供的实施例中坯料在待挤压时模具工作状态剖视图；

图5为本发明所提供的实施例中坯料在“H”雏形成形变形阶段模具工作状态剖视图；

图6为本发明所提供的实施例中坯料在“H”上下壁增长阶段模具工作状态剖视图；

图7为本发明所提供的实施例中坯料在挤压终成形阶段模具工作状态剖视图；

图8为本发明所提供的实施例中凸模结构示意图；

图9为本发明所提供的实施例中凹模结构剖视图；

图10为本发明所提供的实施例中底芯结构示意图；

图11为本发明所提供的实施例中退件环结构剖视图；

图12为本发明所提供的实施例中挤压成形前的坯料示意图；

图13为本发明所提供的实施例中挤压成形后的“H”形连接件示意图。

标号说明：

1—下模板；2—下模内六角圆柱头螺钉；3—下模圆柱销；4—下模垫板；5—顶杆；6—导柱；7—下模内六角圆柱头螺钉；8—底芯；9—下模支撑板；10—压套；11—缩紧套；12—凹模；13—凸模；14—退件环；15—螺圈；16—导套；17—上模底座；18—上模板；19—上模圆柱销；20—镶件；21—上模套板；22—上模内六角圆柱头螺钉；23—弹簧垫圈；24—六角螺母；25—底板；26—拉杆；27—套筒；28—螺母；29—连接杆；30—六角螺母；31-内凸缘；32-过渡圆角。

具体实施方式

本发明揭示的一种钢制不同壁厚“H”形连接件同步挤压成形方法，该方法涉及一种钢制不同壁厚“H”形连接件同步挤压成形模具，参阅图1-13，该模具包括与压力机的上部连接的上模具组件、与压力机下部连接的下模具组件以及导向和顶出装置组件。

如图1所示，所示上模具组件包括：与压力机的上工作台连接的上模板18，与上模板18相接的镶件20和上模底座17，与镶件20相接的凸模13和上模套板21，以及与上模底座17相接的螺圈15和退件环14。所述镶件20内置在上模底座17中，所述螺圈15环套在上模底座17的下方，所述凸模13穿过上模底座17和螺圈15，所述上模套板21置于上模底座17和凸模13之间，所述退件环14置于螺圈15和凸模13之间。更具体地，所述的凸模13、上模套板21和镶件20通过间隙配合装在一起，退件环14放入螺圈15中穿过凸模13通过紧固螺纹与上模底座17连接到一起。所述的上模底座17和上模板18通过上模圆柱销19周向定位之后再通过放有弹簧垫圈23的上模内六角圆柱头螺钉22装配到一起。所述的上模板18用紧固螺栓(图中未示出)装配在压力机的上工作台。

如图1所示，所述下模具组件包括：与压力机的下工作台连接的下模板1、下模垫板4、下模支撑板9、底芯8、压套10、缩紧套11和凹模12。所述下模板1、下模垫板4和下模支撑板9从下至上放置，所述下模板1、下模垫板4和下模支撑板9通过下模圆柱销3周向定位之后，下模板1与下模垫板4通过下模内六角圆柱头螺钉2装配到一起，下模垫板4和下模支撑板9通过下模内六角圆柱头螺钉7装配到一起。所述凹模12套置在底芯8上方，结合图8、图9、图10所示，所述凹模12的内部形成内凸缘31，所述底芯8和凸模13形成过渡圆角32和倾斜度α、β。所述下模板1和下模垫板4开设与芯槽相通的滑槽，供顶杆5插置，结合图10所示，顶杆5上端间隙配合底芯8，顶杆5下端会由底板25托着。所述下模支撑板9的中间开设芯槽，所述底芯8放入到芯槽中与其间隙配合，所述凹模12通过下模支撑板9上端与其相对应的卡槽配合在一起，所述缩紧套11通过相应的卡槽与凹模12配合在一起，所述压套10通过相应的卡槽配合在缩紧套外部，压套10和下模支撑板9通过紧固螺纹紧紧连接在一起。所述的下模板1用紧固螺栓装配在压力机的下工作台。所述的下模具组件还包括打料板、顶块；所述的顶块和顶杆5通过螺纹紧固方式连接到一起，且凹模12和下模板1上有相应凹槽，对顶块起定位作用；打料板为T形键，在凹模12上有相应的配合T形槽。

如图1和图2所示，所述的导向和顶出装置组件包括导柱6、导套16、顶杆5、底板25、拉杆26、套筒27和连接杆29。所述导柱6安装在上模板18，所述导套16安装在下模板1，导柱6和导套16配合连接，导柱6和导套16在上模板18和下模板1之间起到导程作用。顶杆5在装下模具组件时已安装，其下端是由底板25托着，底板25通过六角螺母24固定在拉杆26下端，拉杆26穿过下模板1上的通孔通过套筒27与连接杆29相连，可以通过调节螺母28来调节拉杆26上下的距离，连接杆29通过六角螺母30固定在上模板18上。当上模板18向下运动时，拉杆26带着顶杆5一起下降到来完成挤压，当挤压完成时上模板18上升，拉杆26托着顶杆5将挤压件顶起来，以方便取挤压件。

一种钢制不同壁厚“H”形连接件同步挤压成形方法，下面我们取45钢为例作简要的说明，其步骤具体为：

(1)成形前准备：将45钢棒料放入管式电频感应加热炉中先低温加热到200℃并均匀喷涂水基石墨润滑剂，再加热到950℃；将模具按图1所述装配关系安装在压力机上；在凹模型腔内外和凸模周围均匀放置加热好的预热模具棒料来预热模具。

参考图3，在即将与钢形件接触的凸模13、退件环14底部、凹模12内壁型腔和底芯8的表面均匀的涂抹水基石墨润滑剂，待模具预热完毕后，将坯料放在底芯8上。完成之后，此时上模板18向下运动，同时拉杆26下降，顶杆5和底芯8自动下降，底芯8回到凹模12底部坯料也到预挤压位置，如图4所示，准备挤压成形。

(2)成形过程：参考图5、图6和图7，压力机带动上模具组件的上模板18、镶件20、上模套板21、上模底座17和凸模13及退件环14向下运动，凸模13接触到坯料继续向下挤压，随着凸模13的向下挤压，退件环14也会进入到凹模12内，可以对凸模13起到一定的定位作用。由于凸模13设置有倾斜度α，凹模12带有内凸缘31，底芯8带有过渡圆角32和倾斜度β，如图8、图9和图10所示，所以坯料在凸模13的作用下，经历三个阶段的变形：

一是“H”雏形成形阶段，参考图5和图9，刚开始挤压时，坯料被凹模的内凸缘31限制，坯料受到的径向阻力大于轴向，先向底芯8和凹模12型腔内流动，由于底芯8带有10°倾斜度越往下空间越小阻力越大，坯料此时径向阻力小于轴向，致使坯料镦粗作用加剧，坯料充满凹模内凸缘31部分并顺着凸模13的倾斜壁向上运动，呈现出一个“H”预形；

二是“H”上下壁的增长阶段，如图6和图8所示，随着压力机带动凸模13继续向下挤压，凸模13工作带往上有12°倾斜度存在，凸模13与凹模12之间的空间相比底芯8和凹模12之间的空间要大，因此上部分的阻力要小于下部分的阻力，并且下部分的料也是由上往下走的，所以上壁高度的增长速度要大于下壁，此时径向已经充满凹模12内，所以这一阶段相较于上一阶段径向不增长，只是上下两壁的高度增长，上壁增长到一定高度时会接触到退件环14底部，此时上下壁已经完成了轴向增长成形；

三是“H”饱满成形阶段，如图7所示，压力机继续带着凸模13向下挤压坯料，此时“H”形已基本完成，上壁还没到达最终高度以及下壁底角难成形区还未完成最终成形，此时的退件环14已经接触到了上壁，退件环14和螺圈15之间有一定的高度配合，当凸模13继续下降时，上壁推着退件环14向上运动，当退件环14接触到上模套板21时停止上升，此时凸模13、退件环14和凹模12形成闭合型腔，坯料唯一流动方向为下壁底角难成形区，伴随着向下的冲击力底角充填完成，完成挤压终成形。

(3)挤压成形完成后：停止压力机工作台的向下运动，压力机上工作台反向向上运动，带动凸模13上升并与工件上壁脱离，即使偶尔没自动脱离，随着凸模13的上升，退件环14没有了上部的压力会由于重力自动落下一段距离，会对工件起到一个向下的冲击力使工件与凸模13脱离；在上模板18上升的过程中会带动拉杆26上升，拉杆26同时带动底板25上升，底板25上升一定距离后接触顶杆5并带动底芯8顶着工件一起上升脱离凹模12，整个挤压过程时间很短，工件脱离模具后会自动弹出凹模12，可顺利轻松顺利的取下工件，挤压件成形完成。

本发明与现有技术相比,具有以下技术效果:

1.凸模13、凹模12和底芯8共同构成了“H”形连接件的成形内腔，通过控制工艺参数(成形内腔各部分的倾斜度、过渡圆角)来改变“H”形件在挤压变形过程中的受力情况，确保了成形阶段上下两壁增长和终成形阶段的顺利实现，更好的控制金属应力状态、等效应变量、塑性变形和组织均匀性等，保证了成形顺利进行，满足了“H”形连接件最终尺寸和性能要求；

2.退件环配合导向和顶出装置组件。有定位导向作用的退件环14，在压力机向下运动的过程中，退件环14既可以起到定位凸模13作用又保证了终成形阶段下壁难成形区的良好成形，且在退件阶段配合反拉杆结构起到一上一下的工件顺利脱模；反拉杆式联动顶出结构可配套在任意压力机上使用，对压力机顶出缸没有要求，大大增加了挤压模具的适用性，减少了生产成本；

3.采用温挤压成形技术，较冷挤压大大减少了挤压力，在保证近净成形的同时也确保了材料的综合力学性能最优。

需说明的是，对于第一个成形难点，本案采用带有内凸缘31的凹模12和具有特定倾斜度α、β及过渡圆角32的凸模13和底芯8来克服。凹模12、凸模13及底芯8的成形面会根据相应的零件图优化出一个最优的成形曲线配合凹模12的内凸缘31既可防止杯壁轴向失稳又能完好成形上下壁。对于第二个成形难点，本案采用凸模13上带退件环14，再结合导向和顶出装置组件实现反拉杆式联动顶出进行克服。凸模13上带的退件环14和凸模13一起进入凹模12内会起到很好的定位作用，并且在最终成形阶段退件环14和凸、凹模12,13结构对杯壁形成三向压应力，既可保证壁厚的均匀一致性也会对下壁的完好成形起到一定的补充作用。退件环配合导向和顶出装置组件可以起到方便取料的作用，该模具设计结构巧妙、可靠性好，成形精度高。

以上仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (3)

1.一种钢制不同壁厚“H”形连接件同步挤压成形方法，该方法涉及一种钢制不同壁厚“H”形连接件同步挤压成形模具，该模具包括与压力机的上部连接的上模具组件，与压力机的下部连接的下模具组件，以及导向和顶出装置组件；所述上模具组件包括与压力机的上工作台连接的上模板、与上模板相接的镶件和上模底座、与所述镶件相接的凸模和上模套板，以及与所述上模底座相接的螺圈和退件环；所述下模具组件包括与压力机的下工作台连接的底芯和凹模；所述凹模的内部形成内凸缘，所述底芯和凸模形成过渡圆角和倾斜度；所述导向和顶出装置组件包括顶杆、底板和拉杆，该方法具体为：

(1)成形前准备：将坯料预热并均匀喷涂水基石墨润滑剂，在凸模、退件环、凹模和底芯的表面均匀的涂抹水基石墨润滑剂并预热，待预热完毕后，将坯料放在底芯上，上模板向下运动，同时拉杆下降，顶杆和底芯下降，底芯回到凹模底部坯料也到预挤压位置，准备挤压成形；

(2)成形过程：压力机带动上模具组件向下运动，凸模接触到坯料继续向下挤压，随着凸模的向下挤压，退件环也会进入到凹模内，坯料在凸模的作用下，经历三个阶段的变形：

一是“H”雏形成形阶段，刚开始挤压时，坯料被凹模的内凸缘限制，坯料受到的径向阻力大于轴向，先向底芯和凹模型腔内流动，底芯带有倾斜度越往下空间越小阻力越大，坯料此时径向阻力小于轴向，致使坯料镦粗作用加剧，坯料充满凹模内凸缘部分并顺着凸模的倾斜壁向上运动，呈现出一个“H”预形；

二是“H”上下壁的增长阶段，随着压力机带动凸模继续向下挤压，凸模工作带往上有倾斜度存在，凸模与凹模之间的空间相比底芯和凹模之间的空间要大，因此上部分的阻力要小于下部分的阻力，并且下部分的料也是由上往下走的，所以上壁高度的增长速度要大于下壁，此时径向已经充满凹模内，所以这一阶段相较于上一阶段径向不增长，只是上下两壁的高度增长，上壁增长到一定高度时会接触到退件环底部，此时上下壁已经完成了轴向增长成形；

三是“H”饱满成形阶段，压力机继续带着凸模向下挤压坯料，此时“H”形已基本完成，上壁还没到达最终高度以及下壁底角难成形区还未完成最终成形，此时的退件环已经接触到了上壁，退件环和螺圈之间有一定的高度配合，当凸模继续下降时，上壁推着退件环向上运动，当退件环接触到上模套板时停止上升，此时凸模、退件环和凹模形成闭合型腔，坯料唯一流动方向为下壁底角难成形区，伴随着向下的冲击力底角充填完成，完成挤压终成形；

(3)挤压成形完成后：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，带动凸模上升并与工件上壁脱离，随着凸模的上升，退件环自动落下一段距离，与凸模脱离；在上模板上升的过程中带动拉杆上升，拉杆同时带动底板上升，底板上升一定距离后接触顶杆并带动底芯顶着工件一起上升脱离凹模，工件脱离模具后会自动弹出凹模，最后取下工件，挤压件成形完成。

2.如权利要求1所述的一种钢制不同壁厚“H”形连接件同步挤压成形方法，其特征在于：所述底芯的倾斜度为10°。

3.如权利要求1所述的一种钢制不同壁厚“H”形连接件同步挤压成形方法，其特征在于：所述凸模的倾斜度为12°。

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