CN110328278B - 一种大型薄壁曲面件成形装置及方法 - Google Patents

一种大型薄壁曲面件成形装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种大型薄壁曲面件成形装置，包括凸模、压边圈、凹模、下模板、第一环形套筒和第二环形套筒，第一环形套筒连接有第一驱动油缸，第一驱动油缸能够带动第一环形套筒上下运动，凹模的内径较凸模的外径大，第一环形套筒设置于凸模与凹模之间的间隙内，第二环形套筒设置于凸模的底部，第一环形套筒设置于第二环形套筒的外部，第二环形套筒连接有第二驱动油缸，第二驱动油缸能够带动第二环形套筒上下运动，第一驱动油缸和第二驱动油缸均与液压***相连，第一环形套筒和第二环形套筒朝向凸模的一面均为弧形面。本发明还提供一种大型薄壁曲面件成形方法，利用上述成形装置，使变形板材坯料的悬空区形成拉深筋，消除悬空区起皱。

Description

一种大型薄壁曲面件成形装置及方法
技术领域
本发明涉及薄壁曲面件制造设备技术领域，特别是涉及一种大型薄壁曲面件成形装置及方法。
背景技术
航空航天及石油化工领域的压力容器中，封头与筒段的组合焊接构成了压力容器的主体结构，这种结构形式被广泛采用。封头形状通常采用球面或者半椭球曲面，大型曲面件直径一般在3000mm以上，是一种大型的薄壁复杂曲面板材零件。上述封头通常采用厚板旋压工艺制造，但存在一系列问题：容易起皱，直径3000mm的曲面件，厚度不能小于30mm，否则起皱缺陷无法控制，后续机加工、化学铣切去除多余厚度；旋压过程加热难以精确控制，造成组织性能下降，影响可靠性；旋压效率低，加载路径复杂、加工周期长，尺寸精度差，而且大尺寸高精度零件对旋压设备刚度和精度要求高，但德国等国家限制高端旋压设备出口。
采用充液拉深虽然可以解决超薄壁厚板材成形复杂曲面件的起皱问题，但由于试件整体尺寸大、超薄壁厚、型面复杂，充液拉深过程中需要较高的液室压力，液室压力的反作用造成设备吨位很大，3m级封头拉深力所需拉深力约12000吨，5米级封头所需拉深力约30000吨，设备成本很高，设备吨位、成本成为大型薄壁曲面件充液拉深成形的瓶颈。
因此，如何改变现有技术中，大型薄壁曲面件悬空区容易起皱的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型薄壁曲面件成形装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，消除大型薄壁曲面件悬空区起皱，提高成形质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种大型薄壁曲面件成形装置，包括凸模、压边圈、凹模、下模板、第一环形套筒和第二环形套筒，所述凸模和所述压边圈能够与压力机相连，压力机能够带动所述凸模和所述压边圈上下运动，所述压边圈设置于所述凹模的顶部，所述下模板设置于所述凹模的底部，所述第一环形套筒设置于所述凹模的型腔内，所述第一环形套筒连接有第一驱动油缸，所述第一驱动油缸能够带动所述第一环形套筒上下运动，所述凹模的内径较所述凸模的外径大，所述第一环形套筒设置于所述凸模与所述凹模之间的间隙内，所述第二环形套筒设置于所述下模板上，且位于所述凸模的正下方，所述第一环形套筒设置于所述第二环形套筒的外部，所述第二环形套筒连接有第二驱动油缸，所述第二驱动油缸能够带动所述第二环形套筒上下运动，所述第一驱动油缸和所述第二驱动油缸均与液压***相连，所述第一环形套筒和所述第二环形套筒朝向所述凸模的一面均为弧形面。
优选地，所述第二环形套筒的数量为三个，三个所述第二环形套筒同轴设置且半径不同。
优选地，所述第一驱动油缸的数量为两个，两个所述第一驱动油缸相对于所述第一环形套筒的轴线对称设置，所述第二驱动油缸的数量为两个，两个所述第二驱动油缸相对于所述第二环形套筒的轴线对称设置。
优选地，所述第一驱动油缸和所述第二驱动油缸均设置于所述下模板上。
优选地，所述第一环形套筒和所述第二环形套筒的轴向截面形状相一致。
优选地，所述压边圈和所述凹模与板材坯料相抵接处均作倒圆角处理。
本发明还提供了一种大型薄壁曲面件成形方法，包括如下步骤：
步骤一、在凹模的上表面放置板材坯料，第一环形套筒和第二环形套筒的顶部与板材坯料相抵接；
步骤二、压力机带动与之相连的压边圈向下运动，将板材坯料压住，并施加初始压边力；
步骤三、压力机带动凸模向下运动，与板材坯料接触后停止运动；
步骤四、通过液压***对第一驱动油缸和第二驱动油缸施加初始压力，产生推力，推动第一环形套筒和第二环形套筒顶住板材坯料，并使板材坯料产生向上变形；
步骤五、压力机带动凸模向下运动，令板材坯料向下变形，第二环形套筒被迫向下运动；
步骤六、凸模带动板材坯料向下运动与第一环形套筒接触时，通过液压***增大第一驱动油缸的下腔压力，令第一环形套筒推动板材坯料向上变形，使悬空部分的板材坯料贴靠凸模，形成拉深筋，消除悬空区起皱；
步骤七、拉深结束后，通过液压***控制第一驱动油缸和第二驱动油缸，使第一环形套筒和第二环形套筒恢复初始位置，第一环形套筒、第二环形套筒的顶面与凹模的顶面相平齐。
优选地，压力机带动压边圈向板材坯料施加初始压边力，施压区域的单位压边力为1-2MPa。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的大型薄壁曲面件成形装置，包括凸模、压边圈、凹模、下模板、第一环形套筒和第二环形套筒，凸模和压边圈能够与压力机相连，压力机能够带动凸模和压边圈上下运动，压边圈设置于凹模的顶部，下模板设置于凹模的底部，第一环形套筒设置于凹模的型腔内，第一环形套筒连接有第一驱动油缸，第一驱动油缸能够带动第一环形套筒上下运动，凹模的内径较凸模的外径大，第一环形套筒设置于凸模与凹模之间的间隙内，第二环形套筒设置于下模板上，且位于凸模的正下方，第一环形套筒设置于第二环形套筒的外部，第二环形套筒连接有第二驱动油缸，第二驱动油缸能够带动第二环形套筒上下运动，第一驱动油缸和第二驱动油缸均与液压***相连，第一环形套筒和第二环形套筒朝向凸模的一面均为弧形面。本发明还提供一种大型薄壁曲面件成形方法，利用上述成形装置，使变形板材坯料的悬空区形成拉深筋，消除悬空区起皱。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的大型薄壁曲面件成形装置的剖切结构示意图；
其中，1为凸模，2为压边圈，3为凹模，4为下模板，5为第一环形套筒，6为第二环形套筒，7为第一驱动油缸，8为第二驱动油缸，9为板材坯料。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
本发明的目的是提供一种大型薄壁曲面件成形装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，消除大型薄壁曲面件悬空区起皱，提高成形质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1，图1为本发明的大型薄壁曲面件成形装置的剖切结构示意图。
本发明提供一种大型薄壁曲面件成形装置，包括凸模1、压边圈2、凹模3、下模板4、第一环形套筒5和第二环形套筒6，凸模1和压边圈2能够与压力机相连，压力机能够带动凸模1和压边圈2上下运动，压边圈2设置于凹模3的顶部，下模板4设置于凹模3的底部，第一环形套筒5设置于凹模3的型腔内，第一环形套筒5连接有第一驱动油缸7，第一驱动油缸7能够带动第一环形套筒5上下运动，凹模3的内径较凸模1的外径大，第一环形套筒5设置于凸模1与凹模3之间的间隙内，第二环形套筒6设置于下模板4上，且位于凸模1的正下方，第一环形套筒5设置于第二环形套筒6的外部，第二环形套筒6连接有第二驱动油缸8，第二驱动油缸8能够带动第二环形套筒6上下运动，第一驱动油缸7和第二驱动油缸8均与液压***相连，第一环形套筒5和第二环形套筒6朝向凸模1的一面均为弧形面。
利用本发明的成形装置进行薄壁曲面件成形时，利用第一环形套筒5和第二环形套筒6，在拉伸过程中，位于凸模1与凹模3之间的间隙处的第一环形套筒5向上运动，使变形板材坯料的悬空区形成拉深筋，消除悬空区局部起皱，实现大型薄壁曲面件拉深成形，避免充液拉深整体成形液压加载产生的很大作用力，显著降低设备吨位。另外，第一环形套筒5结构可根据曲面件悬空区的大小调整尺寸和数量，提高装置适应性。
在本具体实施方式中，第二环形套筒6的数量为三个，三个第二环形套筒6同轴设置且半径不同，三个第二环形套筒6的直径逐渐减小，环环相套，第一环形套筒5和三个第二环形套筒6的弧形面之间具有间隙，第一环形套筒5靠近下模板4的一端的侧壁与相邻的第二环形套筒6靠近下模板4的一端的侧壁相抵接且能够产生相对滑动，同时，相邻的两个第二环形套筒6靠近下模板4的一端的侧壁相抵接且能够产生相对滑动。实际生产中，第二环形套筒6的数量可以根据变形需要、曲面件规格等具体情况进行设置。
为了提高第一环形套筒5和第二环形套筒6的受力均匀性，第一驱动油缸7的数量为两个，两个第一驱动油缸7相对于第一环形套筒5的轴线对称设置，第二驱动油缸8的数量为两个，两个第二驱动油缸8相对于第二环形套筒6的轴线对称设置。
具体地，第一驱动油缸7和第二驱动油缸8均设置于下模板4上，下模板4为第一驱动油缸7和第二驱动油缸8提供了安装基础，提高了装置整体稳定性。
在本具体实施方式中，第一环形套筒5和第二环形套筒6的轴向截面形状相一致。
更具体地，压边圈2和凹模3与板材坯料相抵接处均作倒圆角处理，避免划伤板材坯料，提高成形质量。
本发明还提供了一种大型薄壁曲面件成形方法，下面以具体的曲面件成形过程进行解释说明，大型薄壁复杂曲面件内轮廓为半椭球面，母线方程为
Figure GDA0002463495810000051
板料为2219铝合金，厚度为10mm，拉深凸模1型面为半椭球面，母线方程为
Figure GDA0002463495810000052
成形方法包括如下步骤：
步骤一、在凹模3的上表面放置板材坯料，第一环形套筒5和第二环形套筒6的顶部与板材坯料相抵接。
步骤二、压力机带动与之相连的压边圈2向下运动，将板材坯料压住，并施加初始压边力，施压区域的单位压边力为1.5MPa。
步骤三、压力机带动凸模1向下运动，与板材坯料接触后停止运动。
步骤四、通过液压***对第一驱动油缸7和第二驱动油缸8施加初始压力，产生推力，推动第一环形套筒5和第二环形套筒6顶住板材坯料，并使板材坯料产生向上变形，变形高度超过凹模3上表面约20mm。
步骤五、压力机带动凸模1向下运动，令板材坯料向下变形，第二环形套筒6被迫向下运动。
步骤六、凸模1带动板材坯料向下运动与第一环形套筒5接触时，通过液压***增大第一驱动油缸7的下腔压力，令第一环形套筒5推动板材坯料向上变形，变形高度超过凹模3上表面约50mm，使悬空部分的板材坯料贴靠凸模1，形成拉深筋，消除悬空区起皱。
步骤七、拉深结束后，通过液压***控制第一驱动油缸7和第二驱动油缸8，使第一环形套筒5和第二环形套筒6恢复初始位置，第一环形套筒5、第二环形套筒6的顶面与凹模3的顶面相平齐。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种大型薄壁曲面件成形装置，其特征在于：包括凸模、压边圈、凹模、下模板、第一环形套筒和第二环形套筒，所述凸模和所述压边圈能够与压力机相连，压力机能够带动所述凸模和所述压边圈上下运动，所述压边圈设置于所述凹模的顶部，所述下模板设置于所述凹模的底部，所述第一环形套筒设置于所述凹模的型腔内，所述第一环形套筒连接有第一驱动油缸，所述第一驱动油缸能够带动所述第一环形套筒上下运动，所述凹模的内径较所述凸模的外径大，所述第一环形套筒设置于所述凸模与所述凹模之间的间隙内，所述第二环形套筒设置于所述下模板上，且位于所述凸模的正下方，所述第一环形套筒设置于所述第二环形套筒的外部，所述第二环形套筒连接有第二驱动油缸，所述第二驱动油缸能够带动所述第二环形套筒上下运动，所述第一驱动油缸和所述第二驱动油缸均与液压***相连，所述第一环形套筒和所述第二环形套筒朝向所述凸模的一面均为弧形面。
2.根据权利要求1所述的大型薄壁曲面件成形装置，其特征在于：所述第二环形套筒的数量为三个，三个所述第二环形套筒同轴设置且半径不同。
3.根据权利要求1所述的大型薄壁曲面件成形装置，其特征在于：所述第一驱动油缸的数量为两个，两个所述第一驱动油缸相对于所述第一环形套筒的轴线对称设置，所述第二驱动油缸的数量为两个，两个所述第二驱动油缸相对于所述第二环形套筒的轴线对称设置。
4.根据权利要求1所述的大型薄壁曲面件成形装置，其特征在于：所述第一驱动油缸和所述第二驱动油缸均设置于所述下模板上。
5.根据权利要求1所述的大型薄壁曲面件成形装置，其特征在于：所述第一环形套筒和所述第二环形套筒的轴向截面形状相一致。
6.根据权利要求1所述的大型薄壁曲面件成形装置，其特征在于：所述压边圈和所述凹模与板材坯料相抵接处均作倒圆角处理。
7.一种大型薄壁曲面件成形方法，利用权利要求1-6任一项所述的大型薄壁曲面件成形装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在凹模的上表面放置板材坯料，第一环形套筒和第二环形套筒的顶部与板材坯料相抵接；
步骤二、压力机带动与之相连的压边圈向下运动，将板材坯料压住，并施加初始压边力；
步骤三、压力机带动凸模向下运动，与板材坯料接触后停止运动；
步骤四、通过液压***对第一驱动油缸和第二驱动油缸施加初始压力，产生推力，推动第一环形套筒和第二环形套筒顶住板材坯料，并使板材坯料产生向上变形；
步骤五、压力机带动凸模向下运动，令板材坯料向下变形，第二环形套筒被迫向下运动；
步骤六、凸模带动板材坯料向下运动与第一环形套筒接触时，通过液压***增大第一驱动油缸的下腔压力，令第一环形套筒推动板材坯料向上变形，使悬空部分的板材坯料贴靠凸模，形成拉深筋，消除悬空区起皱；
步骤七、拉深结束后，通过液压***控制第一驱动油缸和第二驱动油缸，使第一环形套筒和第二环形套筒恢复初始位置，第一环形套筒、第二环形套筒的顶面与凹模的顶面相平齐。
8.根据权利要求7所述的大型薄壁曲面件成形方法，其特征在于：压力机带动压边圈向板材坯料施加初始压边力，施压区域的单位压边力为1-2MPa。
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