CN111408659A - 中部不连续薄壁金属构件的叠层板成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于薄壁金属构件成形制造技术领域，提供了一种中部不连续薄壁金属构件的叠层板成形方法，步骤如下：构建特征分析；工艺方案确定；原始坯料及模具工装设计；覆层板坯的确定和制备；原始坯料上预冲孔；叠层板坯的组合；叠层板坯的成形；叠层板坯的分解；薄壁金属构件后处理。本发明对冲孔设备的要求较低，避免采用CNC数控切割或激光切割加工成形后的复杂形状中间坯料时，需要采用专用的数控机床及与之配套的在线测量和反馈***的问题。另外，本发明在制备异形孔时，不需要数控机床，避免了因采用数控方法在复杂形状的中间坯料上切割三维空间中的异形孔时因中间坯料上残余应力的释放而使中间坯料产生不可控的变形的问题。

Description

中部不连续薄壁金属构件的叠层板成形方法

技术领域

本发明属于薄壁金属构件成形制造技术领域，特别是涉及一种中部不连续薄壁金属构件的叠层板成形方法。

背景技术

薄壁金属构件在航空航天、汽车、高铁等领域非常常见，其既可以承受复杂的外部载荷，也可以起到屏蔽、隔热、保温等作用。根据使用、服役条件的不同，需要选用相应的金属结构材料，如铝合金、镁合金、钛合金、不锈钢等。为了承受复杂的外部载荷，或者为了与相邻的其他零部件实现连接，薄壁金属构件常设计成非常复杂的三维形状，并在局部区域设置圆形、方形或更一般形状的连接装配用异形孔。

带有异形孔的薄壁金属构件，其成形制造目前主要包括两个步骤：(1)外部整体形状的成形；(2)局部异形孔的加工。局部异形孔的加工一般都是在获得外部整体形状后的中间坯料上进行。当异形孔的形状比较规则且位于中间坯料的开放侧面或底面上时，可以采用传统的冲裁等方法进行加工。对于这种简单情况，往往可以将外部整体形状的成形和局部异形孔的加工在同一套模具上依次完成以提高生产效率。但是，更多的异形孔是位于薄壁金属构件的非开放的部位，难以或无法采用传统的冲孔方法和冲压设备来加工。此时，就需要采用数控加工方法如CNC数控切削、激光切割等来进行三维空间中异形孔的加工。

在采用数控方法进行三维空间中异形孔的加工时，将会出现如下问题或困难：(1)CNC数控切割或激光切割需要采用专用的数控机床及与之配套的在线测量、反馈***，对设备要求很高；(2)为了保证切割时构件的外部形状不会因为局部切割力、局部热胀冷缩等的作用而发生变化，需要制作专用的切割工装来固定构件，切割工装的加工及使用将大大降低加工效率、提高生产成本；(3)当中间坯料上的多个侧面和底面上都存在异形孔时，需要对切割工装和中间坯料进行多次翻转和空间定位，导致生产效率降低、工装精度要求大幅提高；(4)原始坯料在成形为复杂形状的中间坯料时会因局部变形不均匀而存在复杂的残余应力，在切割异形孔时将会因残余应力的释放而使中间坯料产生不可控的变形；(5)中间坯料的形状尺寸精度必然存在一定的偏差或不一致性，在切割三维空间中的异形孔时将会出现异形孔的精度不足甚至切割不充分的情况。

为解决目前在制造带有异形孔的薄壁金属构件时，因为采用了相互独立的两个步骤来成形外部整体形状和局部异形孔，导致对设备、模具工装提出很高要求，导致生产效率降低、生产成本明显提高，而且还常出现构件的外形形状发生复杂变化、切割的异形孔质量不满足要求等严重质量问题，需要开发一种新的薄壁金属构件成形方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有异形孔的中部不连续薄壁金属构件的成形方法，能够解决现有的成形技术因为采用了相互独立的两个步骤来成形外部整体形状和局部异形孔，导致对设备、模具工装提出很高要求，导致生产效率降低、生产成本明显提高，而且还常出现构件的外形形状发生复杂变化、切割的异形孔质量不满足要求等严重质量问题。

本发明的技术方案：

中部不连续薄壁金属构件的叠层板成形方法，步骤如下：

步骤一、构件特征分析：对带有异形孔的薄壁金属构件的特征进行分析，获得外部整体形状和局部异形孔的几何特征、工艺性及相互关系；

步骤二、工艺方案确定：根据步骤一的特征分析结果，初步确定薄壁金属构件外形和局部异形孔的叠层板成形工艺；

步骤三、原始坯料及模具工装设计：根据步骤一和步骤二的分析结果，通过FEM反向模拟、坯料展开计算方法确定原始坯料的材料与轮廓形状，以及预冲孔的位置与形状，并通过理论计算或仿真模拟方法来设计模具；

步骤四、覆层板坯的确定和制备：依据原始板坯的材料特性、原始板坯与覆层板坯之间变形的协调性来确定上覆层板坯和下覆层板坯的材料及外形轮廓尺寸，且覆层板坯的截面尺寸与原始板坯的尺寸一致，冲裁制备；

步骤五、原始坯料上预冲孔：根据步骤三中的理论计算或仿真模拟方法所确定的预冲孔的外形轮廓尺寸，冲裁制备，在原始坯料上制备出需要的若干异形孔；

步骤六、叠层板坯的组合：对步骤四得到的上覆层板坯与下覆层板坯的表面进行预处理以增大与原始板坯的连接强度，然后将上覆层板坯、带预冲孔的原始板坯、下覆层板坯按照顺序进行组合、粘接与定位，获得所需要的叠层板坯；

步骤七、叠层板坯的成形：将组合好的叠层板坯放置到成形模具上，向上模与上覆层板形成的密闭腔体中通入高压介质，叠层板坯在高压介质的作用下进行整体成形，使得叠层板坯发生胀形并贴靠模具型腔，得到所需要的外形轮廓；

步骤八、叠层板坯的分解：待叠层板坯整体成形完成后，将高压介质通过介质通道释放出去，降低零件内部或表面的压力至设定值，然后将模具打开，取出胀形后的叠层板坯，撤去上下覆层板坯，使得整体成形后的叠层板坯进行分解，获得中间的薄壁金属构件；

步骤九、薄壁金属构件后处理：对成形后的薄壁金属构件进行必要的清洗、抛光或通过数控机床将局部工艺材料去除，得到最终的薄壁金属构件。

本发明的有益效果是：

一、本发明的中部不连续薄壁金属构件的叠层板成形方法，制备异形孔时，只需在原始坯料上预冲孔，然后在模具上进行整体成形，对冲孔设备的要求显著降低，避免采用CNC数控切割或激光切割加工成形后的复杂形状中间坯料时，需要采用专用的数控机床及与之配套的在线测量和反馈***的问题。

二、本发明的中部不连续薄壁金属构件的叠层板成形方法，制备异形孔时，只需在原始坯料上预冲孔，然后在模具上进行整体成形，避免了采用数控加工方法加工异形孔时为保证构件的外部形状不会因局部切割力、局部热胀冷缩等的作用而发生变化从而需要制作专用的切割工装来固定工件的问题，大大提高了加工效率，降低了生产成本。

三、本发明的中部不连续薄壁金属构件的叠层板成形方法，当中间坯料的多个侧面和底面都需要制备异形孔时，只需在原始坯料上预冲孔，然后在模具上进行整体成形。该方法可以避免采用数控加工方法对复杂形状的中间坯料进行加工时需要对切割工装和中间坯料进行多次翻转和空间定位的问题，大大提高了生产效率。

四、本发明的中部不连续薄壁金属构件的叠层板成形方法，制备异形孔时，只需在原始坯料上预冲孔，然后在模具上进行整体成形。该方法可以避免采用数控方法在复杂形状的中间坯料上切割三维空间中的异形孔时因中间坯料上残余应力的释放而使中间坯料产生不可控变形的问题。

五、本发明的中部不连续薄壁金属构件的叠层板成形方法，制备异形孔时，只需在原始坯料上预冲孔，然后在模具上进行整体成形。该方法可以避免采用数控加工方法在复杂形状的中间坯料上切割三维空间中的异形孔时将会因为中间坯料的形状尺寸精度存在偏差或不一致而出现所切割的异形孔的精度不足甚至切割不充分的问题。

附图说明

图1为本发明中中部不连续薄壁金属构件的叠层板成形方法原理图。

图2为本发明原始板坯预冲孔的示意图。

图3为本发明叠层板坯的组合示意图。(a)为三层板坯组合(b)为双层板坯组合。

图4为本发明叠层板坯的成形示意图。

图5为本发明薄壁金属构件后处理示意图。

图中：1原始板坯，2预冲孔，3上覆层板坯，4下覆层板坯，5介质通道，6叠层板坯，7上模具，8下模具，9异形孔，10金属板件成形件。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例1：结合图1、图2、图3、图4、图5说明，本发明提出的中部不连续薄壁金属构件的叠层板成形方法，该方法是按照以下步骤进行的：

步骤一、构件特征分析：对带有异形孔的薄壁金属构件的特征进行分析，获得外部整体形状和局部异形孔的几何特征、工艺性及相互关系；

步骤二、工艺方案确定：根据步骤一的特征分析结果，初步确定薄壁金属构件外形和局部异形孔的叠层板成形工艺；

步骤三、原始坯料及模具工装设计：根据步骤一、二的分析结果，通过FEM反向模拟、坯料展开计算方法确定原始坯料的材料与轮廓形状以及预冲孔的位置与形状，并通过理论计算或仿真模拟方法来设计模具的结构与尺寸；

步骤四、覆层板坯的确定和制备：依据原始板坯的材料特性以及原始板坯与覆层板坯之间变形的协调性来确定上覆层板坯和下覆层板坯的材料及外形轮廓尺寸，且覆层板坯的截面尺寸与原始板坯的尺寸一致以利于同步变形，利用坯料切割机切割或通过冲裁模具进行冲裁来制备；

步骤五、原始坯料上预冲孔：根据步骤三中的理论计算或仿真模拟等方法所确定的预冲孔的外形轮廓尺寸，并利用坯料切割机切割或通过冲裁模具进行冲裁，在原始坯料上制备出需要的若干异形孔；

步骤六、叠层板坯的组合：对步骤四得到的上覆层板坯与下覆层板坯的表面进行预处理以增大与原始板坯的连接强度，然后将上覆层板坯、带预冲孔的原始板坯、下覆层板坯按照顺序进行组合、粘接与定位，获得所需要的叠层板坯；

步骤七、叠层板坯的成形：将组合好的叠层板坯放置到成形模具上，高压泵源通过介质通道向上模与上覆层板坯形成的密闭腔体中通入高压介质，叠层板坯在压力介质的作用下进行整体成形，使得叠层板坯发生胀形并贴靠模具型腔，得到所需要的外形轮廓；

步骤八、叠层板坯的分解：待叠层板坯整体成形完成后，将压力介质通过介质通道释放出去，降低零件内部或表面的压力至设定值，然后将模具打开，取出胀形后的叠层板坯，撤去上下覆层板坯，使得整体成形后的叠层板坯进行分解，获得中间的薄壁金属构件；

步骤九、薄壁金属构件后处理：对成形后的薄壁金属构件进行必要的清洗、抛光或通过数控机床将局部工艺材料去除，得到最终的薄壁金属构件。

本实施例的有益效果是：本发明的中部不连续薄壁金属构件的叠层板成形方法，制备异形孔时，只需在原始坯料上预冲孔，然后在模具上进行整体成形，对冲孔设备的要求显著降低，避免采用CNC数控切割或激光切割加工成形后的复杂形状中间坯料时，需要采用专用的数控机床及与之配套的在线测量和反馈***的问题；该方法可以避免采用数控加工方法为保证构件的外部形状不会因局部切割力、局部热胀冷缩等的作用而发生变化从而需要制作专用的切割工装来固定工件的问题，大大提高了加工效率，降低了生产成本；该方法可以避免采用数控加工方法对复杂形状的中间坯料进行加工时需要对切割工装和中间坯料进行多次翻转和空间定位的问题，大大提高了生产效率；该方法可以避免采用数控方法在复杂形状的中间坯料上切割三维空间中的异形孔时因残余用力的释放而使中间坯料产生不可控变形的问题；该方法可以避免采用数控加工方法在复杂形状的中间坯料上切割三维空间中的异形孔时将会因为中间坯料的形状尺寸精度存在偏差或不一致而出现所切割的异形孔的精度不足甚至切割不充分的问题。

实施例2：结合图3说明，在步骤二中，根据原始板坯的材料以及构件的外部整体形状，从而调整原始板坯与覆层板坯的叠合方式，当原始板坯的延伸性能不好时，选择综合性能较好的上下覆层板坯，采用三层板坯组合；当原始板坯的延伸性能较好，且构件的外部整体形状容易成形时，采用双层板坯组合，下覆层板坯选择综合性能一般的材料，其它步骤，与实例1相同。

本实施例的有益效果是：根据原始板坯的材料以及构件的外部整体形状，选择适用的覆层板坯材料及叠合方式，能够极大提高材料的利用率，降低生产成本，提高加工效率，且通过覆层板坯的辅助成形，有利于提高原始板坯的胀形能力。

实施例3：结合图2说明，在步骤三中，通过有限元模拟对比带有异形孔板坯的成形结果以及没有异形孔板坯的成形结果，从而逆向设计原始板坯及预冲孔的形状与尺寸，调整试验参数，使得带有异形孔的变形为有益变形，其它步骤，与实例1相同。

本实施例的有益效果是：当异形孔的成形对外部整体形状的成形有影响时，可通过逆向设计原始板坯及预冲孔的形状与尺寸，调整实验参数，使得在一次成形中可同时成形异形孔及外部整体形状，避免了二次加工，有利于保证材料结构的完整性，使材料内部的应力分布更均匀。

实施例4：结合图2说明，在步骤三中，所选用的原始板坯的材料为2219铝合金，厚度为1.8mm，外形尺寸选择直径200mm的圆，预冲孔选择直径为30mm的圆，位置依据模拟、计算结果确定，其它步骤，与实例1相同。

本实施例的有益效果是：2219铝合金是一种轻质高强合金，由于其具有良好的低温力学性能、断裂韧性、焊接性能以及抗应力腐蚀性能，在航空航天领域中主要用于制造大型运载火箭燃料贮箱，预先冲孔有助于避免整体成形后再进行异形孔加工时会产生需要对切割工装和中间坯料进行多次翻转和空间定位的问题，异形孔的加工只需在原始板坯上预冲孔，然后在成形模具上整体成形。

实施例5：结合图3(a)说明，在步骤六中，上覆层板坯与下覆层板坯的材料选择1Cr18Ni9Ti不锈钢板，厚度为1mm，外形尺寸选择直径与原始板坯尺寸相同的200mm的圆，其它步骤，与实例1相同。

本实施例的有益效果是：1Cr18Ni9Ti的综合性能很好，塑性和韧性高，它的延伸率、断面收缩率和冲击值都较高，1Cr18Ni9Ti的延伸率是40％，通过上下不锈钢覆层板坯，减小了原始板坯顶部与底部位置的双向拉应力，减小了原始板坯变形区应力和应变梯度，整个胀形区的应力应变分布将更均匀，从而使胀形变形更加均匀，通过不锈钢覆层板坯辅助成形，使得原始板坯的胀形能力得到有效提高，覆层板坯尺寸与原始板坯尺寸一致有助于变形的同步性。

实施例6：结合图3(a)说明，在步骤六中，将上覆层板坯与下覆层板坯的表面进行磨粗处理，使用JL-6218金属粘金属塑料胶水分别将上覆层板坯、带预冲孔的原始板坯、下覆层板坯按照顺序进行组合、粘接与定位，获得所需要的叠层板坯，其它步骤，与实例1相同。

本实施例的有益效果是：JL-6218金属粘金属塑料胶水为单组份新型透明溶液胶，室温固化，操作方便、具有高强度、高弹形、胶膜柔软、耐水、碱性能好等特点，此外，对覆层板坯表面进行磨粗处理，可以增强粘接效果，有利于进行定位，从而可以保证了异形孔的位置精度。

实施例7：结合图4说明，在步骤七中，将叠层板坯置于成形模具中进行密封，形成密闭的腔体，通过介质通道向上模与上覆层板坯形成的密闭腔体中通入高压液体介质，叠层板坯在液体压力的作用下进行整体成形，使得叠层板坯发生胀形并贴靠模具型腔，得到所需要的的外形轮廓，其它步骤，与实例1相同。

本实施例的有益效果是：叠层板坯成形时，采用高压液体作为传力介质，代替了传统刚性凸模，减少材料之间的摩擦，提高了零件表面质量，简化了模具设计，降低了生产成本，而且液体的流动性好，压力处处相等，多用于成形形状复杂的零件。

实施例8：结合图4说明，在步骤八中，待叠层板坯成形完成后，通过高频感应设备将模具加热到200～300℃，达到JL-6218金属粘金属塑料胶水的熔点130℃，使得叠层板坯分解，然后撤去上下覆层板坯，获得中间的薄壁金属构件，其它步骤，与实例1相同。

本实施例的有益效果是：将模具加热到金属粘金属塑料胶水的熔点以上使其熔化，叠层板坯分解后得到中间的薄壁金属构件。此外，在同一套模具中先后进行叠层板坯的整体成形与分解，能够减少生产工序，有效提高生产效率。

实施例9：结合图5说明，在步骤九中，将获得的薄壁金属构件的异形孔在成形之后通过数控机床对其进行二次精加工，其它步骤，与实例1相同。

本实施例的有益效果是：精加工是工件工艺的最后一道工序，精加工时，进给量小，容易控制零件的尺寸精度和表面粗糙度，因此对精度要求较高的异形孔进行二次精加工时可以获得符合尺寸精度和表面质量要求的异形孔。

Claims (1)

1.一种中部不连续薄壁金属构件的叠层板成形方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、构件特征分析：对带有异形孔的薄壁金属构件的特征进行分析，获得外部整体形状和局部异形孔的几何特征、工艺性及相互关系；

步骤二、工艺方案确定：根据步骤一的特征分析结果，初步确定薄壁金属构件外形和局部异形孔的叠层板成形工艺；

步骤三、原始坯料及模具工装设计：根据步骤一和步骤二的分析结果，通过FEM反向模拟、坯料展开计算方法确定原始坯料的材料与轮廓形状，以及预冲孔的位置与形状，并通过理论计算或仿真方法来设计模具；

步骤四、覆层板坯的确定和制备：依据原始板坯的材料特性、原始板坯与覆层板坯之间变形的协调性来确定上覆层板坯和下覆层板坯的材料及外形轮廓尺寸，且覆层板坯的截面尺寸与原始板坯的尺寸一致，冲裁制备；

步骤五、原始坯料上预冲孔：根据步骤三中的理论计算或仿真模拟方法所确定的预冲孔的外形轮廓尺寸，冲裁制备，在原始坯料上制备出需要的若干异形孔；

步骤六、叠层板坯的组合：对步骤四得到的上覆层板坯与下覆层板坯的表面进行预处理以增大与原始板坯的连接强度，然后将上覆层板坯、带预冲孔的原始板坯、下覆层板坯按照顺序进行组合、粘接与定位，获得所需要的叠层板坯；

步骤七、叠层板坯的成形：将组合好的叠层板坯放置到成形模具上，向上模与上覆层板坯形成的密闭腔体中通入高压介质，叠层板坯在高压介质的作用下进行整体成形，使得叠层板坯发生胀形并贴靠模具型腔，得到所需要的的外形轮廓；

步骤八、叠层板坯的分解：待叠层板坯整体成形完成后，将高压介质通过介质通道释放出去，降低零件内部或表面的压力至设定值，然后将模具打开，取出胀形后的叠层板坯，撤去上下覆层板坯，使得整体成形后的叠层板坯被分解，获得中间的薄壁金属构件；

步骤九、薄壁金属构件后处理：对成形后的薄壁金属构件进行必要的清洗、抛光或通过数控机床将局部工艺材料去除，得到中部不连续薄壁金属构件。

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