CN112475052B - 异形曲面结构件的成形模具及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异形曲面结构件的成形模具及成形方法，属于精密钣金加工，解决了现有技术中无法一次成形出非等壁厚异形曲面产品、产品表面质量差、加工效率低的问题。成形模具包括上模和下模；下模的上表面设有开口，坯料与上模的下表面接触，并通过开口进入下模型腔内；上模的侧面设有台阶，台阶与不同厚度的坯料的非平齐面处对应。成形方法包括制作坯料；焊接坯料；焊接后的坯料置于成形模具上，焊缝与上模的台阶对应；下降上模和顶缸，完成非等壁厚异形曲面结构件的一次成形。本发明实现了对非等壁厚异形曲面结构件的一次成形。

Description

异形曲面结构件的成形模具及成形方法

技术领域

本发明涉及精密钣金加工技术领域，尤其涉及一异形曲面结构件的成形模具及成形方法。

背景技术

航天航空零部件日益向复杂化方向发展，非等壁厚产品作为一种典型的构件广泛应用在航空航天飞行器上。

冷冲压加工装置和加工工艺只能加工等壁厚产品，对于非等壁厚产品无法一次成形，只能采用分段成形后拼焊的工艺。

采用分段成形再拼焊的工艺存在下列不足：首先，分段成形再拼焊的工艺需要手工修配、校形、打磨，工作量大，导致产品加工效率极其低。其次，焊缝多、焊缝变形大、校形容易产生裂纹，导致产品一次合格率低。再次，拼焊工艺加工后的产品表面质量差。最后，由于焊缝的存在必然会降低零件的力学性能。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种异形曲面结构件的成形模具及成形方法，至少能够解决以下技术问题之一：(1)现有技术无法一次成形出非等壁厚异形曲面产品；(2)分段成形后拼焊的工艺，导致产品表面质量差，并且降低产品的力学性能；(3)分段成形后拼焊的工艺加工效率低。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种异形曲面结构件的成形模具，包括上模和下模；所述下模的上表面设有开口，坯料与所述上模的下表面接触，并通过所述开口进入下模型腔内；所述上模的侧面设有台阶，所述台阶与不同厚度的坯料的非平齐面处对应。

基于上述成形模具的进一步改进，所述成形模具还包括模座，所述模座设于所述下模和动力设备之间，所述模座固定在所述动力设备上。

基于上述成形模具的进一步改进，所述模座通过压板和螺栓固定在所述动力设备上。

基于上述成形模具的进一步改进，所述上模的上端设有凸缘。

基于上述成形模具的进一步改进，所述上模的侧面为T形。

基于上述成形模具的进一步改进，所述上模下表面的宽度从一侧向另一侧逐渐变化。

基于上述成形模具的进一步改进，所述成形模具包括前段、收缩段和尾段，所述收缩段位于所述前段所述和尾段之间；所述前段和所述收缩段的壁厚相同，所述尾段的壁厚不同于所述前段和所述收缩段的壁厚。

基于上述成形模具的进一步改进，所述尾段的壁厚大于所述前段和所述收缩段的壁厚。

基于上述成形模具的进一步改进，所述异形曲面结构件为非等壁厚。

基于上述成形模具的进一步改进，所述异形曲面结构件包括前段、收缩段和尾段；所述前段和所述收缩段的壁厚相同，所述尾段的壁厚不同于所述前段和所述收缩段的壁厚。

基于上述成形模具的进一步改进，所述尾段的壁厚大于所述前段和所述收缩段的壁厚。

基于上述成形模具的进一步改进，所述异形曲面结构件是指从前段至尾段，所述结构件的底面逐渐变宽。

基于上述成形模具的进一步改进，所述异形曲面结构件的底面从尾段至前段向上倾斜。

基于上述成形模具的进一步改进，所述前段具有弧度。

基于上述成形模具的进一步改进，所述成形模具还包括顶出块，所述顶出块置于所述下模型腔内，并能够在顶出缸的带动下上升和下降。

基于上述成形模具的进一步改进，所述上模的下表面与所述顶出块的上表面配合，所述坯料位于所述上模的下表面和所述顶出块的上表面之间。

基于上述成形模具的进一步改进，所述上模的下表面和所述顶出块的上表面均与水平面平行。

基于上述成形模具的进一步改进，所述模座上设有避让孔，顶缸穿过所述避让孔上升和下降。

基于上述成形模具的进一步改进，所述避让孔包括不同的类型，以适应不同的动力设备。

基于上述成形模具的进一步改进，所述顶出块的下端设有凸缘。

基于上述成形模具的进一步改进，所述顶出块的侧面为倒T形。

基于上述成形模具的进一步改进，顶出块上表面设有突出部。

基于上述成形模具的进一步改进，所述开口包括第一开口部和位于所述下模一端的第二开口部，所述第二开口部的宽度大于所述第一开口部的宽度，且所述第一开口部靠近所述第二开口部的端面向下倾斜。

另一方面，本发明还提供了一种异形曲面结构件的成形方法，采用上述的成形模具完成，包括如下步骤：

步骤1：制作坯料；

步骤2：焊接坯料；

步骤3：焊接后的坯料置于成形模具上，焊缝与上模的台阶对应；

步骤4：下降上模和顶缸，完成非等壁厚异形曲面结构件的一次成形。

基于上述成形方法的进一步改进，所述步骤1具体包括：根据需要成形的产品模型分别计算出不同厚度的坯料的外形尺寸，然后分别下料；计算尺寸的过程中在设计软件中进行抽壳处理，然后展开。

基于上述成形方法的进一步改进，所述步骤2包括：焊接时焊缝两侧的坯料一面是平齐的，一面是不平齐的。

基于上述成形方法的进一步改进，所述步骤3具体包括：焊接后的坯料置于成形模具的下模上，焊缝与上模的台阶对应，并且焊缝两侧的坯料不平齐的一面朝向上模，平齐的一面朝向下模。

基于上述成形方法的进一步改进，所述步骤2和所述步骤3之间包括：操控顶缸使下模型腔中的顶出块顶起，顶出块的上表面与下模的上表面平齐。

基于上述成形方法的进一步改进，所述步骤4中：上模的下吨位为50-100T，顶缸压力为10-40T；成形速度V₁为0.2mm/s。

基于上述成形方法的进一步改进，所述步骤4之后还包括步骤5：脱模；所述脱模具体包括：同时移动顶缸和上模，顶缸带动顶出块和结构件上移，直至顶出块的上表面与下模具的上表面平齐，取出结构件，移动速度V₂为0.3mm/s。

基于上述成形方法的进一步改进，所述成形方法采用非等壁厚异形曲面结构件的成形模具完成。

基于上述成形方法的进一步改进，所述成形模具包括包括上模和下模；所述上模的侧面设有台阶。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、非等壁厚产品常规工艺是分段成形，然后拼焊在一起。需要大量的手工修配、打磨、校形，工序复杂。本发明通过在成形模具的上模设计台阶，突破了冲压成形只能加工等壁厚材料的限制，实现了对非等壁厚异形曲面产品的一次成形。

2、本发明所要成形的产品下表面向上倾斜，按照传统的设计思路是将模具也设计为向上倾斜，即上模的下表面和顶出块的上表面设计为向上倾斜，但模具向上倾斜，会使成形出的产品前段堆料，从而造成产品前段起皱和开裂，降低产品的性能。本发明创新地将上模的下表面和顶出块的上表面设计为与水平面平行，使得产品成形时由深引伸(130.8mm)变为浅引伸(66.5mm)，有效防止成形出的产品前段堆料，从而降低了产品前段起皱和开裂的风险，保证产品质量。

3、本发明通过在顶出块的下端设置凸缘，可以在顶出块上升过程中起到限位作用，从而防止顶出块上升过程中冲出下模型腔。

4、本发明通过在上模的上端设置凸缘，可以在上模下降过程中起到限位作用，从而防止上模下降过程中过度压入下模型腔。

5、本发明通过在顶出块上表面设置突出的定位销，可以在坯料放置在下模上时，对坯料进行初步定位。

6、本发明采用整体成形的工艺，即先将不等壁厚的坯料焊接在一起，然后再进行成形的工艺，减少了手工修配、打磨、校形的工序，大大提高了加工效率。具体而言，采用本发明的一次成形工艺，能够使得加工效率提高180％。

7、常规对于非等壁厚产品拼焊的工艺焊缝多，会存在焊缝变形的问题，在打磨焊缝时容易产生裂纹等原因导致产品合格率很低。本发明采用先焊接坯料再整体成形的工艺，降低了操作难度，使得产品合格率大幅提升至100％。

8、本发明整体成形的工艺，大大减少了焊缝数量，使得零件表面质量明显提高。

9、本发明采用整体成形工艺，降低了焊缝变形对于零件尺寸精度的影响，使得产品的力学性能提高了10％。

10、本发明通过将下模上表面的开口设置为包括第一开口部和第二开口部，并将第二开口部的宽度设置为大于第一开口部的宽度，且第一开口部靠近第二开口部的端面向下倾斜，能够保证产品型面足够的同时有效减少余量处料的堆积，从而减轻对褶皱拉平时的划痕甚至开裂。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的成形装置整体结构示意图；

图2为本发明实施例的模座结构示意图；

图3为本发明实施例的下模结构示意图；

图4为本发明实施例的顶出块结构示意图；

图5为本发明实施例的上模仰视图；

图6为合模时的纵截面图；

图7为采用本发明的成形装置成形出的产品示意图；

图8(a)为采用传统模具成形出的目标产品示意图，图8(b)为采用本发明成形模具成形出的目标产品示意图；

图9为产品整体成形的主视图；

图10为产品整体成形的俯视图；

图11为传统模具成形出的目标产品实物图；

图12为本发明成形模具成形出的目标产品实物图。

附图标记：

1-模座、2-下模、3-顶出块、4-上模、5-定位销、6-吊环螺钉、7-内六角圆柱头螺钉；8-前段；9-收缩段；10-尾段；11-螺栓定位孔；12-避让孔；14-下模型腔；15-台阶；16-螺栓；17-第一开口；18-第二开口；19-第一开口部靠近第二开口部的端面。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

本发明的一个具体实施例，公开了一种成形装置，用于非等壁厚异形曲面结构件的一次成形。

非等壁厚异形曲面结构件包括前段8、收缩段9和尾段10；产品材料为：1Cr18Ni9Ti不锈钢，材料厚度分别为1mm和2mm，即前段和收缩段是1mm，后段是2mm，产品长×宽×高为1100mm×130mm×100mm，成形后的产品模型如图7所示。成形出的异形曲面结构件的底面从尾段至前段向上倾斜，底面与水平面的夹角为β，如图8(a)和图8(b)所示。

按照传统的设计思路，为了成形出具有上述结构的结构件，设计师通常会将模具也设计为向上倾斜一定的角度α，即上模的下表面和顶出块的上表面设计为向上倾斜，并且满足下列关系式；

α＝(0.8～1)β

其中，α和β的单位均为°。

但模具向上倾斜，会使成形出的产品前段堆料，从而造成产品前段起皱，甚至开裂，如图11所示，降低产品的性能。在一种优选的实施方式中，将上模的下表面和顶出块的上表面设计为与水平面平行，使得产品成形时由130.8mm的深引伸变为66.5mm的浅引伸，有效防止成形出的产品前段堆料，从而降低了产品前段起皱和开裂的风险，如图12所示，保证产品质量。

如图1所示。成形装置包括模座1、下模2、顶出块3、上模4、定位销5、吊环螺钉6、内六角圆柱头螺钉7。

下面对上述成形装置的各个部分进行详细介绍。

模座1包括用于固定的螺栓定位孔11和用于顶缸上下移动的避让孔12，如图2所示。模座1通过压板和螺栓固定在油压机的下平台上。

需要说明的是，避让孔12的数量为多个，分为两类。第一类避让孔为在油压机上配合顶缸使用的避让孔；第二类为在热成形压机上配合顶缸使用的避让孔。

在一种可能的实施方式中，避让孔的数量可以为7个，其中3个为第一类避让孔，其余4个为第二类避让孔。示例性地，避让孔的尺寸为：Ф60mm。

下面结合图3详细介绍下模2的结构。

下模2包括顶出块3和下模型腔14。顶出块3置于下模型腔14内，并能够在顶出缸的带动下上升和下降。下模2和模座1之间通过螺栓连接。

下模2的上表面设有开口，上模4的下部可以通过该开口进入下模型腔14。

因为所要成形的产品前端为异形曲面，在成形过程中容易起褶皱，在对褶皱拉平时因为堆料就易有严重划痕甚至是开裂。在一种可能的实施方式中，下模2上表面的开口包括第一开口部17和位于下模2一端的第二开口部18。第二开口部18的宽度大于第一开口部17的宽度，且第一开口部靠近第二开口部的端面19向下倾斜，如图3所示，第二开口部靠近第一开口部的端面与第二开口部的倾斜端面相互配合。通过上述设计，能够保证产品型面足够的同时有效减少余量处料的堆积，从而减轻对褶皱拉平时的划痕甚至开裂。

顶出块3的上表面设有突出部，坯料上设有与该突出部对应的通孔。当坯料置于模具上时，该突出部穿过坯料上的通孔，用来将坯料初步定位在下模2上。示例性地，所述突出部可以为定位销，也可以为其他的凸起，只要能够与坯料上的通孔配合，起到初步定位坯料的作用即可。

在一种可能的实施方式中，顶出块3的下端具有凸缘，顶出块3的侧面为倒T形，如图4所示，可以在顶出块3上升过程中起到限位作用，从而防止顶出块上升过程中冲出下模型腔。

在另一种可能的实施方式中，为了得到图7所示的产品，顶出块3前段的上表面向上倾斜，如图4所示。

接着结合图5介绍上模4。

上模4包括用于和坯料中非等壁厚面配合的台阶15、用于和油压机上平台衔接的压板(图中未示出)、用于和螺栓配合吊装的螺孔、用于在使用螺栓不方便时采用钢丝吊装的吊装孔。

需要说明的是，台阶15的高度和坯料非平齐面的尺寸需要满足一定的关系，如下式所示：

y＝x+Δd

Δd＝d1-d2

式中，y为上模中台阶上平面的宽度，mm；x为上模中台阶下平面的宽度，mm；d1为厚坯料的厚度；d2为薄坯料的厚度；Δd为厚坯料和薄坯料的厚度差，Δd为0～0.5mm。

值得注意的是，上模4的下平面是和下模2中的顶出块3的上表面平行。

在一种优选的实施方式中，上模2的上端具有凸缘，可以在上模下降过程中起到限位作用。上模2的侧面为T形，沿图1所示的长度方向，上模2下表面的宽度逐渐变窄，如图5所示。

在另一种可能的实施方式中，为了得到图7所示的产品，上模4前段的下表面向上倾斜，如图6所示。

实施例二

本发明的另一个具体实施例，公开了一种非等壁厚异形曲面结构件的成形方法，采用实施例一的成形模具用于非等壁厚异形曲面结构件的一次成形。

图8(a)为传统模具成形出的目标产品示意图，图8(b)为采用本发明成形模具成形出的目标产品示意图。图8(a)和图8(b)的产品是相同的，但从表面上看图8(a)的产品上表面与水平面是平行的，下表面向上倾斜角度β；而图8(b)的产品下表面与水平面是平行的，上表面向下倾斜一定角度。

下面详细介绍产品的成形过程。

首先，进行零件预成形坯料制作。具体而言，根据需要成形的产品模型分别计算出不同厚度的坯料的外形尺寸，然后分别下料。

在一种可能的实施方式中，坯料的下料方式采用激光切割的方式，将厚度为1mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢和厚度为2mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢在激光切割机床上分别下料，也可以选取板材在水切割机床、五轴数控铣床或者数控冲床上进行坯料下料。除此之外，也可以采用增材、堆焊等其他的下料方式进行下料。

需要说明的是，计算坯料的尺寸是在设计软件中完成的，计算过程中需要在设计软件中进行抽壳，然后进行展开。

需要说明的是，由于所要成形的产品为非等壁厚产品，在设计软件中无法完成展开料的计算，进而导致在仿真软件中无法进行仿真模拟。抽壳操作就是把非等壁厚产品从中间层抽出来一个片体，用这个片体可以计算展开料的尺寸和仿真模拟。

接着，将不同厚度的坯料焊接在一起。需要说明的是，由于坯料厚度不同，焊接时需要注意焊缝两侧的坯料一面是平齐的，一面是不平齐的。

之后，进行非等壁厚异形曲面产品整体成形。产品整体成形的主视图和俯视图如图9和图10所示，成形过程具体包括如下步骤：

第一步，将上模通过压板和螺栓固定在400t油压机的上平台上，下模通过压板和螺栓固定在400t油压机的下平台上。

固定下模时需要注意顶缸和顶缸避让孔的对应；上模和上平台衔接时需要注意上下模之间定位销和定位孔的匹配。

第二步，在模具上面刷润滑油，在焊接后的坯料上面贴塑料膜，以减少划伤划痕的出现。

具体来说，是在产品成形时需要和产品接触的地方都需要刷润滑油，如上模的下表面、顶出块的上表面以及下模型腔的侧面。

第三步，通过操控顶缸将下模型腔中的顶出块顶起，使顶出块的上表面与下模的上表面平齐。

第四步，将预成形焊接后的1Cr18Ni9Ti不锈钢坯料放在上下模之间，并利用定位销初步定位，最终位置的确定要和上模的台阶进行匹配。

放置时需要注意坯料上焊缝两侧不等高处和上模上的台阶对应，并且焊缝两侧的坯料不平齐的一面朝向上模，平齐的一面朝向下模。

第五步，缓慢下降上模直至和坯料接触，然后再同时下降上模和顶缸，实现零件的成形过程；其中上模的下吨位在(50-100)T，下模的顶缸压力在(10-40)T之间；成形速度V₁为0.2mm/s，直至合模。

第六步。进行零件的脱模。以V₂为0.3mm/s同时移动顶缸和上模，顶缸带动顶出块和零件上移，直至顶出块的上表面与下模具的上表面平齐，取出零件。

最后，对成形的产品去除余量。具体包括先划线，再激光切割去除余量，得到最终产品。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、非等壁厚产品常规工艺是分段成形，然后拼焊在一起。需要大量的手工修配、打磨、校形，工序复杂。本发明通过在成形模具的上模设计台阶，突破了冲压成形只能加工等壁厚材料的限制，实现了对非等壁厚异形曲面产品的一次成形。

2、本发明所要成形的产品下表面向上倾斜，按照传统的设计思路是将模具也设计为向上倾斜，即上模的下表面和顶出块的上表面设计为向上倾斜，但模具向上倾斜，会使成形出的产品前段堆料，从而造成产品前段起皱和开裂，降低产品的性能。本发明创新地将上模的下表面和顶出块的上表面设计为与水平面近似平行，使得产品成形时由深引伸(130.8mm)变为浅引伸(66.5mm)，有效防止成形出的产品前段堆料，从而降低了产品前段起皱和开裂的风险，保证产品质量。

3、本发明通过在顶出块的下端设置凸缘，可以在顶出块上升过程中起到限位作用，从而防止顶出块上升过程中冲出下模型腔。

4、本发明通过在上模的上端设置凸缘，可以在上模下降过程中起到限位作用，从而防止上模下降过程中过度压入下模型腔。

5、本发明通过在顶出块上表面设置突出的定位销，可以在坯料放置在下模上时，对坯料进行初步定位。

6、本发明采用整体成形的工艺，即先将不等壁厚的坯料焊接在一起，然后再进行成形的工艺，减少了手工修配、打磨、校形的工序，大大提高了加工效率。具体而言，采用本发明的一次成形工艺，能够使得加工效率提高180％。

7、常规对于非等壁厚产品拼焊的工艺焊缝多，会存在焊缝变形的问题，在打磨焊缝时容易产生裂纹等原因导致产品合格率很低。本发明采用先焊接坯料再整体成形的工艺，降低了操作难度，使得产品合格率大幅提升至100％。

8、本发明整体成形的工艺，大大减少了焊缝数量，使得零件表面质量明显提高。

9、本发明采用整体成形工艺，降低了焊缝变形对于零件尺寸精度的影响，使得产品的力学性能提高了10％。

10、本发明通过将下模上表面的开口设置为包括第一开口部和第二开口部，并将第二开口部的宽度设置为大于第一开口部的宽度，且第一开口部靠近第二开口部的端面向下倾斜，能够保证产品型面足够的同时有效减少余量处料的堆积，从而减轻对褶皱拉平时的划痕甚至开裂。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种异形曲面结构件的成形模具，其特征在于，包括上模和下模；

所述下模的上表面设有开口，坯料与所述上模的下表面接触，并通过所述开口进入下模型腔内；

所述上模的侧面设有台阶，所述台阶与不同厚度的坯料的非平齐面处对应；

所述异形曲面结构件为非等壁厚；

所述异形曲面结构件包括前段、收缩段和尾段；所述前段和所述收缩段的壁厚相同，所述尾段的壁厚不同于所述前段和所述收缩段的壁厚；

所述尾段的壁厚大于所述前段和所述收缩段的壁厚；

所述异形曲面结构件是指从前段至尾段，所述结构件的底面逐渐变宽；

所述异形曲面结构件的底面从尾段至前段向上倾斜；

所述前段具有弧度；

所述成形模具还包括顶出块，所述顶出块置于所述下模型腔内，并能够在顶出缸的带动下上升和下降；

所述上模的下表面与所述顶出块的上表面配合，所述坯料位于所述上模的下表面和所述顶出块的上表面之间；

所述上模的下表面和所述顶出块的上表面均与水平面平行；

所述开口包括第一开口部和位于所述下模一端的第二开口部，所述第二开口部的宽度大于所述第一开口部的宽度，且所述第一开口部靠近所述第二开口部的端面向下倾斜。

2.根据权利要求1所述的成形模具，其特征在于，所述成形模具还包括模座，所述模座设于所述下模和动力设备之间，所述模座固定在所述动力设备上。

3.根据权利要求2所述的成形模具，其特征在于，所述模座通过压板和螺栓固定在所述动力设备上。

4.根据权利要求1所述的成形模具，其特征在于，所述上模的上端设有凸缘。

5.根据权利要求4所述的成形模具，其特征在于，所述上模的侧面为T形。

6.根据权利要求1-5任一项所述的成形模具，其特征在于，所述上模下表面的宽度从一侧向另一侧逐渐变化。

7.一种结构件的成形方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的成形模具成形出非等壁厚异形曲面结构件，包括如下步骤：

步骤1：制作坯料；

步骤2：焊接坯料；

步骤3：焊接后的坯料置于成形模具上；

步骤4：下降上模和顶缸，完成非等壁厚异形曲面结构件的一次成形。

Images