CN109759493B - 一种难变形材料封闭变截面薄壁件粘性介质压力成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空航天用难变形薄壁件技术，尤其涉及一种难变形材料封闭变截面薄壁件粘性介质压力成形方法，方法主要包括制作筒坯、加装筒坯、柱塞加载粘性软模材料成形和开模取件等四个步骤。该方法针对难加工或难变形的高强度板坯材料实施粘性介质压力成形，依靠粘性介质压力成形中粘性介质压力非均匀分布和粘性附着应力促进板材的变形流动，使局部变形较大区域材料得到补充。方法对封闭变截面局部曲率突变构件的成形，具有尺寸精度高、壁厚分布均匀、整体结构、可靠性高、以及粘性附着应力提高板材成形性等优势。

Description

一种难变形材料封闭变截面薄壁件粘性介质压力成形方法

技术领域

本发明涉及航空航天用难变形薄壁件技术，尤其涉及一种难变形材料封闭变截面薄壁件粘性介质压力成形方法。

背景技术

封闭变截面局部曲率突变薄壁件是航空航天领域中一类典型的异形曲面壳体结构件，其显著的特点在于局部区域存在曲率突变(面积变化率达120％以上)，并且曲率突变处为封闭截面结构，局部变形较大，且材料不易得到补充，这类零件成形时极易出现局部严重减薄、甚至破裂或者起皱等缺陷。目前对于此类零件的成形制造，大多采用普通冲压或热冲压等方法先成形出局部曲面，然后进行组合焊接。这些方法成形的封闭变截面局部曲率突变构件容易产生变形、尺寸精度低、可靠性差，零件的整体性能难以得到保证。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于现有封闭变截面局部曲率突变构件成形中存在的局部过度减薄、破裂、尺寸精度低和可靠性差等问题，针对现有技术中的缺陷，提供了一种难变形材料封闭变截面薄壁件粘性介质压力成形方法。

为实现该发明的目的，提供了一种难变形材料封闭变截面薄壁件粘性介质压力成形方法，方法包括以下步骤：

步骤一、制作筒坯，根据封闭变截面局部曲率突变构件的结构特点选择合适尺寸的筒坯，采用无缝薄壁筒或者板坯料卷制并焊接而成的薄壁筒坯；

步骤二、筒坯装入成形模具中，将分瓣结构的型模置于套筒内，将筒坯装入型模中，安装定位块固定筒坯；

步骤三、成形过程，在加载力的作用下，由柱塞加载粘性软模材料使其注入到筒坯内部，粘性软模材料作用到筒坯，在筒坯的表面产生压力P和切向粘性附着应力τ，压力P非均匀分布，随筒坯变形大小而变化，同时在表面切向粘性附着应力τ的作用下，带动筒坯材料向型模曲率突变处流动，最终筒坯逐渐与型模贴合；

步骤四、开启模具，取出成形零件，完成一个成形过程。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：

一、本发明通过粘性软模作为传力介质成形封闭变截面曲率突变结构零件，粘性软模在筒坯表面会同时产生压力P和切向粘性附着应力τ。一方面，压力P非均匀分布，其大小与筒坯变形相关，粘性软模与筒坯接触界面产生的切向粘性附着应力τ可以带动板材向型腔流动，使曲率突变区域材料得到补充，而且切向粘性附着应力τ会引起板材厚向剪切应力增大，延迟集中颈缩，促进变形向颈缩区以外扩展，降低壁厚差，提高板材应分布均匀性以及成形性，一次性成形出曲率突变封闭截面构件。

二、本发明成形的封闭变截面曲率突变构件表面质量好，壁厚均匀性好，尺寸精度高。

三、本发明成形模具结构简单，成形过程环节少，一次性成形出整体结构零件，成形质量稳定、可靠性高，制造成本低。

附图说明

图1是封闭变截面曲率突变构件的示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是筒坯装入模具后模具和构件形状示意图；

图4是图3的B-B剖视图；

图5是成形初期模具和构件示意图；

图6是成形中间阶段模具和构件示意图；

图7是图6的C-C剖视图；

图8是成形结束状态模具和构件示意图。

图中：1、型模；1-1、型模体；1-2、镶块；2、定位块；2-1、上定位块；2-2、下定位块；3、柱塞；4、筒坯；5、粘性软模材料；6、YX型密封圈；7、套筒。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一、发明原理：依靠粘性介质压力成形中粘性介质压力非均匀分布和粘性附着应力促进板材的变形流动，使局部变形较大区域材料得到补充，进而提供一种难变形材料封闭变截面薄壁件粘性介质压力成形方法。

二、实施方案

参见图1-图8，一种难变形材料封闭变截面薄壁件粘性介质压力成形方法，方法包括以下步骤：

步骤一、制作筒坯4，根据封闭变截面局部曲率突变构件的结构特点选择合适尺寸的筒坯4，采用无缝薄壁筒或者板坯料卷制并焊接而成的薄壁筒坯。

步骤二、筒坯4装入成形模具中，将分瓣结构的型模1置于套筒7内，将筒坯4装入型模1中，安装定位块2固定筒坯4。

步骤三、成形过程，在加载力的作用下，由柱塞3加载粘性软模材料5使其注入到筒坯4内部，粘性软模材料5作用到筒坯4，在筒坯4的表面产生压力P和切向粘性附着应力τ，压力P非均匀分布，随筒坯4变形大小而变化，同时在表面切向粘性附着应力τ的作用下，带动筒坯4材料向型模1曲率突变处流动，最终筒坯4逐渐与型模1贴合。

该步骤中，由于切向粘性附着应力τ的存在，增大了板材厚向剪切应力，延迟颈缩，提高了壁厚均匀性和板材成形极限。

参见图5、图6和图8，筒坯4与上定位块2-1和下定位块2-2之间的间隙δL由δL1-δL2-δL3渐变，以适应操作过程的形变过程。

步骤四、开启模具，取出成形零件，即完成一个成形过程。

相应的，步骤中的模具包括型模1、定位块2、柱塞3、套筒7，型模1上端和下端各设置一个定位块2，上定位块2-1为封闭形式，下定位块为开孔形式，定位块2上装有YX型密封圈6，柱塞3置于下定位块2-2的孔内部。

其中，步骤一中的筒坯4的材质为不锈钢或高温合金等难变形材质。不锈钢牌号为1Cr18Ni9Ti或0Cr18Ni9Ti等，高温合金牌号为GH3044、GH4169或GH99等。由上述材料制成的曲率突变封闭截面构件可满足航空航天及动力机械领域的需求。

具体实施例中，筒坯4的壁厚为0.3mm～1.5mm。参见图1和图2，筒坯4的厚度优选为1.0mm，可满足航空航天及动力机械领域的需求，并适合要求封闭变截面曲率突变构件的结构重量轻、强度要求和尺寸精度要求较高的场合。

参见图1和图2，步骤二中型模1的结构采用分瓣式结构，便于模具加工制造以及成形时模具安装和拆卸。此外，根据曲率突变程度、即曲率突变大小情况，型模1的型模体1-1在局部曲率突变较大处设置镶块1-2，以便于成形后取出零件。

参见图3-图8，步骤三中加载压力F、F’和V不超过400MPa，压力加载速度为0.1MPa/s～1.0MPa/s。在此范围内成形的封闭变截面曲率突变薄壁构件精度高。

参见图3-图8，步骤三中粘性软模材料5为分子量100kg/mol～900kg/mol的高分子聚合物材料，且粘性软模材料5的物态为半固态。高分子聚合物材料为甲基乙烯基硅橡胶，具有高压下流动性好、可产生切向粘性附着应力等优点。

进一步的，根据零件局部突变尺寸大小和不同材料的强度选取分子量在100kg/mol～900kg/mol之间的粘性软模材料5，以此调节不同的压力P和切向粘性附着应力τ的大小并满足不同情况下对粘性介质成形力的需求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种难变形材料封闭变截面薄壁件粘性介质压力成形方法，其特征在于，方法包括以下步骤：

步骤一、制作筒坯(4)，根据封闭变截面局部曲率突变构件的结构特点选择合适尺寸的筒坯(4)，采用无缝薄壁筒或者板坯料卷制并焊接而成的薄壁筒坯；

步骤二、筒坯(4)装入成形模具中，将分瓣结构的型模(1)置于套筒(7)内，将筒坯(4)装入型模(1)中，安装定位块(2)固定筒坯(4)，所述定位块(2)上装有YX型密封圈；

步骤三、成形过程，在加载压力的作用下，由柱塞(3)加载粘性软模材料(5)使其注入到筒坯(4)内部，粘性软模材料(5)作用到筒坯(4)，在筒坯(4)的表面产生压力P和切向粘性附着应力τ，压力P非均匀分布，随筒坯(4)变形大小而变化，同时在表面切向粘性附着应力τ的作用下，带动筒坯(4)材料向型模(1)曲率突变处流动，最终筒坯(4)逐渐与型模(1)贴合；

所述粘性软模材料(5)为分子量100kg/mol～900kg/mol的高分子聚合物材料，且粘性软模材料(5)的物态为半固态；

根据零件局部突变尺寸大小和不同材料的强度选取分子量在100kg/mol～900kg/mol之间的粘性软模材料(5)，以此调节不同的压力P和切向粘性附着应力τ的大小并满足不同情况下对粘性介质成形力的需求；

所述加载压力不超过400MPa，所述加载压力的加载速度为0.1MPa/s～1.0MPa/s；

步骤四、开启模具，取出成形零件，完成一个成形过程。

2.根据权利要求1所述的一种难变形材料封闭变截面薄壁件粘性介质压力成形方法，其特征在于：所述步骤一中的筒坯(4)的材质为不锈钢或高温合金。

3.根据权利要求1或2所述的一种难变形材料封闭变截面薄壁件粘性介质压力成形方法，其特征在于：所述步骤一中的筒坯(4)的壁厚为0.3mm～1.5mm。

4.根据权利要求3所述的一种难变形材料封闭变截面薄壁件粘性介质压力成形方法，其特征在于：所述步骤二中型模(1)的结构采用分瓣式结构，根据曲率突变程度，型模(1)的型模体(1-1)在局部大曲率突变处设置镶块(1-2)，以便于成形后取出零件。