CN112845787A - 一种大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置及成形方法，属于薄壁曲面件成形技术领域，所述大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，包括成形模具、冷却结构和顶升结构，成形模具包括上模、下模和压边圈，上模和压边圈与压力机相连接，压边圈适于设置于下模的上方，且下模与压边圈之间适于放置待成形坯料，且下模内设置与冷却结构相连通的第一冷却腔体，压边圈内设置与冷却结构相连通的第二冷却腔体，且第一冷却腔体和/或第二冷却腔体适于向待成形坯料输送冷却介质，顶升结构与下模相连接，且顶升结构适于沿上模的移动方向移动以使待成形坯料变形。本发明能够有效地抑制拉深成形过程中的起皱和开裂缺陷，且成形载荷小、装置简单、便于制造。

Description

一种大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置及成型方法

技术领域

本发明涉及薄壁曲面件成形技术领域，具体而言，涉及一种大尺寸的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置及成形方法。

背景技术

传统薄壁曲面件的冷拉深和热拉深成形时悬空区极易同时发生起皱和开裂缺陷，为克服上述缺陷，现有技术中有的采用充液拉深的成形方法，通过在下模模腔内部设置充液室，将板料覆盖于充液室顶部，上模垂直于板料朝充液室底部运动，板料在高压流体支撑下拉深成形。该虽然方法能够有效抑制薄板成形过程的起皱缺陷，但由于液体反力的作用导致拉深载荷过大，使设备吨位和制造成本显著增大；现有技术中还有的通过模内多个环形套筒和油缸的上下位置组合，多点调节待成形坯料的变形区，使待成形坯料朝向上模的一面形成弧形面，在待成形坯料的悬空区形成拉深筋。该方法能够有效抑制待成形坯料拉深过程悬空区的起皱问题，在一定程度上代替了液体反力，使拉深载荷降低。但该方法增加了模内环形套筒和液压油缸的数量，由于模内空间有限，导致大吨位油缸安装受限；同时增加了液压控制***多级协同、精确控制的难度；多个油缸在板材悬空区施加外力，导致待成形坯料悬空区受力不均匀，很容易使悬空区的材料局部减薄和拉裂，进而增加工艺控制的难度。

发明内容

本发明解决的问题是现有大尺寸薄壁曲面件成形过程中容易发生起皱、开裂、拉深载荷过大、成本高或不易成形中的至少一个方面。

为解决上述问题，本发明提供一种大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，所述大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置包括：

成形模具、冷却结构和顶升结构，

所述成形模具包括上模、下模和压边圈，所述上模和所述压边圈与压力机相连接，且所述压力机适于带动所述上模和所述压边圈移动，所述下模固定于所述压力机的工作台面上，所述压边圈适于设置于所述下模的上方，且所述下模与所述压边圈之间适于放置待成形坯料，且所述下模内设置与所述冷却结构相连通的第一冷却腔体，所述压边圈内设置与所述冷却结构相连通的第二冷却腔体，且所述第一冷却腔体和/或所述第二冷却腔体适于向所述待成形坯料输送冷却介质，

所述顶升结构与所述下模相连接，且所述顶升结构适于沿所述上模的移动方向移动以使所述待成形坯料变形。

较佳地，所述下模与所述待成形坯料的接触端设有与所述第一冷却腔体相连通的第一冷却通道，和/或，所述压边圈与所述待成形坯料的接触端设有与所述第二冷却腔体相连通的第二冷却通道。

较佳地，所述压边圈的内侧端设置与所述第二冷却腔体相连通的第三冷却通道，且所述压边圈的内侧端与所述压边圈与所述待成形坯料的接触端相邻设置。

较佳地，所述下模通过下模固定板固定于所述压力机的工作台面上，所述顶升结构包括相互连接的顶升单元和动力单元，所述顶升单元的一端适于伸入到所述下模的模腔内，所述顶升单元的另一端适于在所述动力单元的带动下在所述下模固定板上移动。

较佳地，所述顶升单元包括相互连接的顶升环和导向部，所述顶升环适于伸入到所述下模的模腔内与所述待成形坯料相接触，所述导向部与所述动力单元相连接，且所述动力单元适于向所述导向部提供动力以带动所述导向部和所述顶升环移动。

较佳地，所述导向部包括与所述顶升环相连接的第一导向机构和与所述动力单元相连接的第二导向机构，所述第一导向机构和所述第二导向机构的运动方向相互垂直，且所述第一导向机构与所述第二导向机构活动连接。

较佳地，两个所述第二导向机构均与所述第一导向机构转动相连，两个所述导向机构分别设置于所述第一导向机构的两侧，且两个所述导向机构的运动方向相反。

较佳地，所述第一导向机构包括纵向导杆和纵向滑轮，所述纵向导杆与所述顶升环相连接，所述纵向滑轮用于连接所述纵向导杆和所述第二导向机构；所述第二导向机构包括横向导杆和横向滑轮，所述横向导杆的一端通过所述横向滑轮与所述纵向导杆相连接，所述横向导杆的另一端通过所述纵向滑轮与所述动力单元相连接。

较佳地，所述顶升环与所述待成形坯料的接触端设置橡胶圈。

较佳地，所述动力单元包括相互连接的液压站和液压缸，且所述液压缸与所述第二导向机构相连接。

较佳地，所述冷却结构包括冷源和温控元件，所述冷源与所述成形模具通过管路相连通，所述温控元件设置于所述管路上。

与现有技术比较，本发明所述的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置相对于现有技术的优势在于，本发明能够有效地抑制拉深成形过程中的起皱和开裂缺陷，成形载荷小、装置简单、便于制造，且制得的成形件减薄率低。

本发明还提供一种大尺寸薄壁曲面件超低温成形方法，基于所述的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，包括如下步骤：

步骤S1：将成形模具的下模固定在压力机的工作台面上，同时将待成形坯料放置在下模上，并使待成形坯料与所述下模的模腔对中；

步骤S2：压边圈下行并压紧所述待成形坯料，在所述待成形坯料的法兰面形成一个封闭的腔体；

步骤S3：向所述下模和所述压边圈内填充冷却介质，对所述下模和所述压边圈进行冷却，同时，所述冷却介质通过所述下模的第一冷却通道和所述压边圈的第二冷却通道喷射在所述待成形坯料法兰面的上、下表面，以获得临界成形温度；

步骤S4：向所述压边圈继续施加压边力，上模下行与所述待成形坯料接触；

步骤S5：顶升结构向上抬起，与所述待成形坯料接触，并使所述待成形坯料发生反向变形，形成凸包；

步骤S6：所述冷却介质通过所述压边圈的第三通道喷射在所述凸包的上表面，使所述凸包处的温度始终在临界温度以下；

步骤S7：向所述压边圈继续施加压边力，所述上模继续下行，所述顶升结构随所述上模下行，所述凸包形状逐渐减小；

步骤S8：所述上模继续下行，所述顶升结构随动下行，直至所述待成形坯料成形；

步骤S9：停止供给冷却介质，所述顶升结构的动力单元卸荷，所述下模和所述压边圈回程，取出所述成形件。

较佳地，所述冷却介质包括液氧、液氩或液氮。

本发明所述的一种大尺寸薄壁曲面件超低温成形方法与所述大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置相对于现有技术的其他优势相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例中大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置的细节结构示意图；

图3为图2中A处的的局部放大示意图；

图4为本发明实施例中大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置部分结构的工作状态示意图一；

图5为本发明实施例中大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置部分结构的工作状态示意图二；

图6为本发明实施例中大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置部分结构的工作状态示意图三；

图7为本发明实施例中铝合金深腔构件超低温成形方法的流程图；

图8为本发明实施例中顶升环的位移随上模位移的变化曲线；

图9为本发明实施例中顶升环的位移速度随上模位移的变化曲线；

图10为本发明实施例制得的大尺寸薄壁曲面件的结构示意图；

图11为本发明实施例采用第一直径的顶升环对板料进行反胀变形的工作状态示意图一；

图12为本发明实施例采用第一直径的顶升环对板料进行反胀变形的工作状态示意图二；

图13为本发明实施例采用第二直径的顶升环对板料进行反胀变形的工作状态示意图一；

图14为本发明实施例采用第二直径的顶升环对板料进行反胀变形的工作状态示意图二；

图15为本发明实施例采用第三直径的顶升环对板料进行反胀变形的工作状态示意图一；

图16为本发明实施例采用第三直径的顶升环对板料进行反胀变形的工作状态示意图二。

附图标记说明：

1-成形模具、11-上模、111-上模固定板、12-下模、121-第一冷却腔体、122-下模固定板、123-第一冷却通道、13-压边圈、131-第二冷却腔体、132-第二冷却通道、133-压边圈固定板、134-第三冷却通道、14-保温套；

2-顶升单元、21-顶升环、211-橡胶圈、22-支撑架、23-横向导杆、24-纵向导杆、25-横向滑轮、26-纵向滑轮；

3-动力单元、31-液压缸；32-同步阀；33-液压站；

4-冷源、41-杜瓦瓶、42-管路；

5-温控元件、51-流量阀。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，附图中“X”的正向代表右方，“X”的反向代表左方，“Y”的正向代表上方，“Y”的反向代表下方，且术语“X”和“Y”指示的方位或位置关系为基于说明书附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

术语“一些具体实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

需要说明的是，本实施例中的大尺寸薄壁曲面件可以是大尺寸薄壁封头，薄壁封头是石油化工、食品制药、航空航天等装备中不可缺少的重要部件，是压力容器上的端盖。例如运载火箭燃料贮箱箱底，一般直径大于2m，壁厚2-4mm。本实施例中大尺寸薄壁封头可以是铝及铝合金封头，或是由铝和铝合金拼焊结构封头。

如图1-3所示，本发明实施例提供一种大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置包括：

成形模具1、冷却结构和顶升结构；

成形模具1包括上模11、下模12和压边圈13，上模11和压边圈13与压力机相连接，且压力机适于带动上模11和压边圈13移动，下模12固定于压力机的工作台面上，压边圈13适于设置于下模12的上方，且下模12与压边圈13之间适于放置待成形坯料，且下模12内设置与冷却结构相连通的第一冷却腔体121，压边圈13内设置与冷却结构相连通的第二冷却腔体131，且第一冷却腔体121和/或第二冷却腔体131适于向待成形坯料输送冷却介质；

顶升结构与下模12相连接，且顶升结构适于沿上模11的移动方向移动以使待成形坯料变形。

在一些优选的实施例中，下模12通过下模固定板122固定安装在压力机的工作台面上，上模11、压边圈13通过上模固定板111和压边固定板分别与压力机的拉深油缸和压边油缸连接，向上模11和压边圈13施加拉深和压边载荷，以带动上模11和压边圈13移动，需要说明的是，本实施例中压力机适于带动上模11和压边圈13移动包括压力机适于带动上模11和压边圈13沿图中Y方向移动。

在一些优选的实施例中，压边圈13和下模12的外侧包裹有保温套14，于外界温度隔离，避免压边圈13和下模12的冷却温度受到影响。

本实施例中对于第一冷却腔体121和第二冷却腔体131的形状不做限制，可以为任意几何形状，在一些优选的实施例中，第一冷却腔体121和第二冷却腔体131的截面形状为长方形，结构简单且加工容易。

如图3所示，在一些优选的实施例中，下模12与待成形坯料的接触端设有与第一冷却腔体121相连通的第一冷却通道123，和/或，压边圈13与待成形坯料的接触端设有与第二冷却腔体131相连通的第二冷却通道132。需要说明的是，本实施例中，下模12与待成形坯料的接触端为下模12的上表面，压边圈13与待成形坯料的接触端为压边圈13的下表面。

在一些优选的实施例中，压边圈13的内侧端设置与第二冷却腔体131相连通的第三冷却通道134，且压边圈13的内侧端与压边圈13与待成形坯料的接触端相邻设置。需要说明的是，本实施例中压边圈13的内侧端的为图中压边圈13的右侧面。

本实施例中对于第一冷却通道123、第二冷却通道132和第三冷却通道134的结构不做限制，只要使得冷却介质能够通过第一冷却通道123、第二冷却通道132和第三冷却通道134喷射出去即可，在一些优选的实施例中，第一冷却通道123为与第一冷却腔体121连通的多个圆形深孔组成，且多个圆形深孔呈环状分布于下模12的上端，第二冷却通道132和第三冷却通道134均为与第二冷却腔体131连通的多个圆形深孔组成，且多个圆形深孔呈环状分别分布于压边圈13的下端和右端，使得冷却介质能够均匀地喷射于待成形坯料的上、下表面以获得较低的临界成形温度，或使得冷却介质能够均匀地喷射于待成形坯料的凸包的表面，使凸包处待成形坯料温度始终在临界温度以下，局部板坯强度和塑性同时增加，避免了凸包处因反胀导致的局部开裂。

在一些优选的实施例中，顶升结构包括相互连接的顶升单元2和动力单元3，顶升单元2的上端适于伸入到下模12的模腔内，且顶升单元2的下端适于在动力单元3的带动下在下模固定板122上移动。

在一些优选的实施例中，顶升单元2包括相互连接的顶升环21和导向部，顶升环21适于伸入到下模12的模腔内与待成形坯料相接触，导向部与动力单元3相连接，且动力单元3适于向导向部提供动力以带动导向部和顶升环21移动。因此，顶升单元2可将水平方向上的运动转化为垂直方向上的运动，从而减小模具内部垂直加载的空间要求。与充液拉深工艺相比，采用顶升环21代替液压产生反胀效果，减小了液体对上模11产生的反作用力，大幅减小了拉深成形过程中的载荷，设备吨位小。

在一些具体的实施例中，顶升环21与导向部通过支撑架22相连接，顶升环21包括垂直设置于支撑架22两端的顶升杆，在一些具体的示例中，本实施例中对于支撑架22与顶升杆的连接方式不做限制，在一些优选的实施例中，支撑架22与顶升杆一体连接，连接方便且牢固。

在一些优选的实施例中，下模12的底部设有与顶升杆的轮廓形状相匹配的通孔，顶升杆适于穿过通孔在下模12的模腔内上下移动。

在一些优选的实施例中，顶升环21的模腔设有与冷却结构相连通的第三冷却腔体，顶升环21与待成形坯料相接触的一端设有与第三冷却腔体相连通的第四冷却通道，本实施例中对于第四冷却通道的结构不做限制，只要使得冷却介质能够通过第四冷却通道喷射出去即可，在一些优选的实施例中，第四冷却通道为与第三冷却腔体连通的多个圆形深孔组成，且多个圆形深孔呈环状分布于顶升环21的上端，使得冷却介质能够均匀地喷射于待成形坯料的凸包的下表面，使凸包处待成形坯料温度始终在临界温度以下，局部板坯强度和塑性同时增加，避免了凸包处因反胀导致的局部开裂。

在一些优选的实施例中，导向部包括与顶升环21相连接的第一导向机构和与动力单元3相连接的第二导向机构，第一导向机构和第二导向机构的运动方向相互垂直，且第一导向机构与第二导向机构活动连接。在一些具体的实施例中，第一导向机构可在动力单元3的带动下沿竖直方向运动，第二导向机构可在动力单元3的带动下沿水平方向运动。

在一些具体的实施例中，第一导向机构与支撑架22相连接，本实施例中对于第一导向机构与支撑架22的连接方式不做限制，在一些优选的实施例中，第一导向机构与支撑架22一体连接，连接方便且牢固。

在一些优选的实施例中，两个第二导向机构均与第一导向机构转动相连，两个导向机构分别设置于第一导向机构的两侧，且两个导向机构的运动方向相反。

在一些优选的实施例中，第一导向机构包括纵向导杆24和纵向滑轮26，纵向导杆24与顶升环21相连接，纵向滑轮26用于连接纵向导杆24和第二导向机构；第二导向机构包括横向导杆23和横向滑轮25，横向导杆23的一端通过横向滑轮25与纵向导杆24相连接，横向导杆23的另一端通过纵向滑轮26与动力单元3相连接，通过滑轮减小摩擦力的作用，从而减小动力单元3的推力。

在一些优选的实施例中，动力单元3包括相互连接的液压站33和液压缸31，且液压缸31与第二导向机构相连接，带动第二导向机构沿水平方向移动，继而带动第一导向机构沿竖直方向运动，通过液压缸31实现顶升高度控制，达到随拉深行程变化时反胀形状的实时调控。在一些具体的实施例中，动力单元3还包括同步阀32，每个第二导向机构均与一个液压缸31相连接，且多个液压缸31均与液压站33相连接，并通过同步阀32控制两个第二导向机构同步水平运动，以实现第一导向结构的纵向运动。

在一些具体的实施例中，当动力单元3推动两个第二导向机构的横向滑轮25和横向导杆23沿水平方向相向运动，继而带动顶升单元2的纵向滑轮26和纵向导杆24纵向向上运动，顶升单元2的顶升环21向上抬起；当动力单元3拉动两个第二导向机构的横向滑轮25和横向导杆23沿水平方向背向运动，继而带动顶升单元2的纵向滑轮26和纵向导杆24纵向向下运动，顶升单元2的顶升环21下行。通过动力单元3与顶升单元2相连接，将水平方向上的运动转化为垂直方向上的运动，从而减小模具内部垂直加载的空间要求。

在一些优选的实施例中，顶升环21与待成形坯料的接触端设置橡胶圈211。避免顶升环21直接接触待成形板坯，对其造成损害。

在一些优选的实施例中，橡胶圈211的材料采用耐低温、低摩擦系数的聚四氟乙烯材料制成，顶升环21反胀过程中，可减小板坯与顶升环21之间的摩擦力。

在一些优选的实施例中，冷却结构冷源4和温控元件5，冷源4与成形模具1通过管路42相连通，温控元件5设置于管路42上，在一些优选的实施例中冷源4为存有冷却介质的杜瓦瓶41。

在一些优选的实施例中，冷却结构还包括与温控元件5相连接的温度检测器，温度检测器可以与下模12或压边圈13相连接，用于检测下模12或压边圈13内的温度，并根据检测结果通过温控元件5对冷却介质的流量进行控制，控温准确，更有利于成形。在一些具体的实施例中，温控元件5为流量阀51，控制准确，操作方便。

本发明实施例的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置相对于现有技术的优势在于，本发明能够有效地抑制拉深成形过程中的起皱和开裂缺陷，且成形载荷小、装置简单、便于制造，具体包括：

1、利用顶升结构使悬空区待成形坯料反胀，使悬空区待成形坯料的应力状态由环向压应力变为环向拉应力，可以避免悬空区起皱缺陷发生；

2、下模12和压边圈13分别设置第一冷却通道123和第二冷却通道132获得较低的成形温度，更有利于成形且成形效果好；

3、压边圈13设置第三冷却通道134，通过喷射冷却介质对待成形坯料反胀区局部冷却，使反胀区待成形坯料局部增强增塑，可抑制待成形坯料开裂；

4、与充液拉深工艺相比，采用顶升结构代替液压产生反胀效果，减小了液体对上模11产生的反作用力，大幅减小了拉深载荷，设备吨位小，且制得的成形件减薄率低。

5、与模内多级环形套筒和多个油缸驱动方法相比，本发明采用模外的动力单元3***代替模内的多个油缸，大吨位油缸安装不受模内空间限制、避免了多个油缸协同控制的难题，因而更易于制造和实施。

如图7所示，本发明实施例还还提供一种大尺寸薄壁曲面件超低温成形方法，基于的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，包括如下步骤：

步骤S1：将成形模具1的下模12固定在压力机的工作台面上，同时将待成形坯料放置在下模12上，并使待成形坯料与下模12的模腔对中；

步骤S2：压边圈13下行并压紧待成形坯料，在待成形坯料的法兰面形成一个封闭的腔体；

步骤S3：向下模12和压边圈13内填充冷却介质，对下模12和压边圈13进行冷却，以获得较低的模具温度，同时，冷却介质通过下模12的第一冷却通道123和压边圈13的第二冷却通道132喷射在待成形坯料法兰的上、下表面，以获得临界成形温度；

步骤S4：向压边圈13继续施加压边力，上模11下行与待成形坯料接触；

步骤S5：顶升结构向上抬起，与待成形坯料接触，并使待成形坯料发生反向变形，形成凸包，具体包括，顶升结构的动力单元3推动顶升单元2的横向滑轮25和横向导杆23沿横向正向运动，继而带动顶升单元2的纵向滑轮26和纵向导杆24沿纵向正向运动，顶升单元2的顶升环21被抬起，使得待成形坯料与顶升环21接触，并在顶升环21作用下发生反变形，形成凸包，需要说明的是，本实施例中横向正向是指两个第二导向机构沿图中X的方向相向运动，纵向正向为图中Y的正向；

步骤S6：冷却介质通过压边圈13的第三通道喷射在凸包的上表面，使凸包处的温度始终在临界温度以下，局部板坯强度和塑性同时增加，避免了该处因反胀导致的局部开裂；

步骤S7：向压边圈13继续施加压边力，上模11继续下行，顶升结构随上模11等距下行，凸包形状逐渐减小，具体包括，向压边圈13继续施加压边力，上模11继续下行，顶升结构的动力单元3拉动顶升单元2的横向滑轮25和横向导杆23沿横向反向运动，继而带动顶升单元2的纵向滑轮26和纵向导杆24沿纵向反向运动，使得顶升环21随上模11下行，凸包形状逐渐减小，需要说明的是，本实施例中横向反向是指两个第二导向机构沿图中X的方向背向运动，纵向反向为图中Y的反向；

步骤S8：上模11继续下行，顶升环21在顶升结构的动力单元3的控制下随动下行，直至待成形坯料成形；

步骤S9：关闭冷却结构，停止向成形模具1内供给冷却介质，动力单元3卸荷，下模12和压边圈13回程，取出成形件。

在一些优选的实施例中，冷却介质包括液氧、液氩或液氮。在一些具体的实施例中，冷却介质可以为温度为-183℃的液氧、温度为-186℃的液氩或温度为-196℃的液氮中的任意一种，能够迅速地达到冷却温度，且原料来源广泛，成本低。

在一些优选的实施例中，步骤S7与所述步骤S8中，在顶升结构下行的过程中，上模11与顶升结构的顶升环21的位移速度满足如下关系式：

其中，H为曲面件的深度，R为曲面件的半径，h为上模11的行程，v为上模11的位移速度，v′为顶升环21的位移速度。

由此，本实施例中凸包的形状可以通过顶升环2的位移速度与上模11的位移速度来控制，使得凸包的变形可控。

在一些优选的实施例中，大尺寸薄壁曲面件超低温成形过程中，待成形坯料在拉深成形过程形成反胀凸包的形状可以通过调控顶升环21的位移与上模11的拉深位移来实现。如图8所示，其中，H为曲面件的深度，h为上模11的行程，Δh为顶升环21的行程。

在另一些优选的实施例中，大尺寸薄壁曲面件超低温成形过程中，待成形坯料在拉深成形过程形成反胀凸包的形状可以通过调控顶升环21的位移速度与上模11的拉深位移来实现。如图9所示，其中，H为曲面件的深度，h为上模11的行程，v为上模11的位移速度，Δh为顶升环21的行程，v′为顶升环21的位移速度，且向下的位移速度为正，向上的位移速度为负。

需要说明的是，上述实施例中，上模11的行程h是指上模11在下行过程中从接触待成形坯料开始到下行到任一点时沿Y轴方向移动的距离，顶升环2的行程Δh是指从上模11接触待成形坯料时顶升环2所在的位置到顶升环2下行到任一点时沿Y轴方向移动的距离。

如图10所示，本发明实施例的大尺寸薄壁曲面件超低温成形方法，一方面，通过成形模具1外侧的动力单元3带动模具内部的顶升环21垂直运动，并通过调控顶升环21与上模11的位移或速度调节待成形坯料在拉深过程形成反胀凸包的形状，避免起皱；另一方面，通过压边圈13内设置第三冷却通道134，向反胀凸包喷射低温介质对待成形坯料进行局部冷却，使待成形坯料在反胀区局部增强增塑，避免局部开裂，进而获得大尺寸薄壁曲面件。

因此，本发明实施例的大尺寸薄壁曲面件超低温成形方法能够抑制大尺寸铝合金薄壁封头拉深起皱和开裂缺陷、且不受模内空间限制、成形载荷小、装置简单、便于实施。

本发明的一种大尺寸薄壁曲面件超低温成形方法与大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置相对于现有技术的其他优势相同，在此不再赘述。

实施例1

如图4-6所示，本实施例提供了一种开口直径为2250mm的大尺寸薄壁封头在-160℃时的超低温拉深实施过程，分为三个阶段，待成形坯料和成形模具1预冷的拉深初始阶段，随上模11拉深过程的顶升环21上升阶段以及随上模11拉深过程的顶升环21下降阶段,其中待成形坯料为固溶态AA2219铝合金，具体步骤如下：

步骤S1：将下模12固定在压力机的工作台面上，同时将待成形坯料放置在下模12上，并使待成形坯料与下模12的模腔对中；

步骤S2：压边圈13下行并压紧待成形坯料，在待成形坯料的法兰面形成一个封闭的腔体；

步骤S3：向下模12和压边圈13内填充液氮，对下模12和压边圈13进行冷却，以获得较低的模具温度-180℃--190℃，同时，液氮通过下模12的第一冷却通道123和压边圈13的第二冷却通道132喷射在待成形坯料法兰的上、下表面，以获得临界成形温度-160℃；

步骤S4：向压边圈13继续施加压边力，上模11下行与待成形坯料接触；

步骤S5：动力单元3推动两个横向滑轮25和横向导杆23沿图中X的方向相向运动，继而带动纵向滑轮26和纵向导杆24沿图中Y的正向移动，顶升环21被抬起，使得待成形坯料与顶升环21接触，并在顶升环21作用下发生反变形，形成凸包；

步骤S6：液氮通过压边圈13的第三通道喷射在凸包的上表面，使凸包处的温度始终在-160℃以下，局部板坯强度和塑性同时增加，避免了该处因反胀导致的局部开裂；

步骤S7：向压边圈13继续施加压边力，上模11继续下行，动力单元3拉动两个横向滑轮25和横向导杆23沿图中X的方向背向运动，继而带动纵向滑轮26和纵向导杆24沿图中Y的反向运动，使得顶升环21随上模11下行，凸包形状逐渐减小；

步骤S8：上模11继续下行，顶升环21在动力单元3的控制下随动下行，直至待成形坯料成形；

步骤S9：关闭冷却结构，停止向成形模具1内供给液氮，动力单元3卸荷，下模12和压边圈13回程，取出成形件。

实施例2

如图11-16所示，其中图11和图12为采用第一直径的顶升环对板料进行反胀变形的工作状态示意图，图13和图14为采用第二直径的顶升环对板料进行反胀变形的工作状态示意图，图15和图16为采用第三直径的顶升环对板料进行反胀变形的工作状态示意图，需要说明的是，本实施例中三个顶升环的直径大小关系为：第一直径＞第二直径＞第三直径。

本实施例在不同拉伸阶段，选用不同直径的三个顶升环对板料进行反胀变形，最终制得的大尺寸薄壁曲面件的减薄率为10.81％，由此可以看出，通过调节不同拉伸阶段的顶升环的直径，可以得到更小减薄率的成形件。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，其特征在于，所述大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置包括：

成形模具(1)、冷却结构和顶升结构，

所述成形模具(1)包括上模(11)、下模(12)和压边圈(13)，所述上模(11)和所述压边圈(13)与压力机相连接，且所述压力机适于带动所述上模(11)和所述压边圈(13)移动，所述下模(12)固定于所述压力机的工作台面上，所述压边圈(13)适于设置于所述下模(12)的上方，且所述下模(12)与所述压边圈(13)之间适于放置待成形坯料，所述下模(12)内设置与所述冷却结构相连通的第一冷却腔体(121)，所述压边圈(13)内设置与所述冷却结构相连通的第二冷却腔体(131)，且所述第一冷却腔体(121)和/或所述第二冷却腔体(131)适于向所述待成形坯料输送冷却介质，

所述顶升结构与所述下模(12)相连接，且所述顶升结构适于沿所述上模(11)的移动方向移动以使所述待成形坯料变形。

2.根据权利要求1所述的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，其特征在于，所述下模(12)与所述待成形坯料的接触端设有与所述第一冷却腔体(121)相连通的第一冷却通道(123)，和/或，所述压边圈(13)与所述待成形坯料的接触端设有与所述第二冷却腔体(131)相连通的第二冷却通道(132)。

3.根据权利要求2所述的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，其特征在于，所述压边圈(13)的内侧端设置与所述第二冷却腔体(131)相连通的第三冷却通道(134)，且所述压边圈(13)的内侧端与所述压边圈(13)与所述待成形坯料的接触端相邻设置。

4.根据权利要求1所述的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，其特征在于，所述下模(12)通过下模固定板(122)固定于所述压力机的工作台面上，所述顶升结构包括相互连接的顶升单元(2)和动力单元(3)，所述顶升单元(2)的一端适于伸入到所述下模(12)的模腔内，所述顶升单元(2)的另一端适于在所述动力单元(3)的带动下在所述下模固定板(122)上移动。

5.根据权利要求4所述的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，其特征在于，所述顶升单元(2)包括相互连接的顶升环(21)和导向部，所述顶升环(21)适于伸入到所述下模(12)的模腔内与所述待成形坯料相接触，所述导向部与所述动力单元(3)相连接，且所述动力单元(3)适于向所述导向部提供动力以带动所述导向部和所述顶升环(21)移动。

6.根据权利要求5所述的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，其特征在于，所述导向部包括与所述顶升环(21)相连接的第一导向机构和与所述动力单元(3)相连接的第二导向机构，所述第一导向机构和所述第二导向机构的运动方向相互垂直，且所述第一导向机构与所述第二导向机构活动连接。

7.根据权利要求6所述的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，其特征在于，两个所述第二导向机构均与所述第一导向机构转动相连，两个所述导向机构分别设置于所述第一导向机构的两侧，且两个所述导向机构的运动方向相反。

8.根据权利要求6或7所述的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，其特征在于，所述第一导向机构包括纵向导杆(24)和纵向滑轮(26)，所述纵向导杆(24)与所述顶升环(21)相连接，所述纵向滑轮(26)用于连接所述纵向导杆(24)和所述第二导向机构；所述第二导向机构包括横向导杆(23)和横向滑轮(25)，所述横向导杆(23)的一端通过所述横向滑轮(25)与所述纵向导杆(24)相连接，所述横向导杆(23)的另一端通过所述纵向滑轮(26)与所述动力单元(3)相连接。

9.根据权利要求5所述的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，其特征在于，所述顶升环(21)与所述待成形坯料的接触端设置橡胶圈(211)。

10.根据权利要求6所述的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，其特征在于，所述动力单元(3)包括相互连接的液压站(33)和液压缸(31)，且所述液压缸(31)与所述第二导向机构相连接。

11.根据权利要求1所述的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，其特征在于，所述冷却结构包括冷源(4)和温控元件(5)，所述冷源(4)与所述成形模具(1)通过管路(42)相连通，所述温控元件(5)设置于所述管路(42)上。

12.一种大尺寸薄壁曲面件超低温成形方法，基于权利要求1-11任一项所述的大尺寸薄壁曲面件超低温成形装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：将成形模具(1)的下模(12)固定在压力机的工作台面上，同时将待成形坯料放置在下模(12)上，并使待成形坯料与所述下模(12)的模腔对中；

步骤S2：压边圈(13)下行并压紧所述待成形坯料，在所述待成形坯料的法兰面形成一个封闭的腔体；

步骤S3：向所述下模(12)和所述压边圈(13)内填充冷却介质，对所述下模(12)和所述压边圈(13)进行冷却，同时，所述冷却介质通过所述下模(12)的第一冷却通道(123)和所述压边圈(13)的第二冷却通道(132)喷射在所述待成形坯料法兰面的上、下表面，以获得临界成形温度；

步骤S4：向所述压边圈(13)继续施加压边力，上模(11)下行与所述待成形坯料接触；

步骤S5：顶升结构向上抬起，与所述待成形坯料接触，并使所述待成形坯料发生反向变形，形成凸包；

步骤S6：所述冷却介质通过所述压边圈(13)的第三通道喷射在所述凸包的上表面，使所述凸包处的温度始终在临界温度以下；

步骤S7：向所述压边圈(13)继续施加压边力，所述上模(11)继续下行，所述顶升结构随所述上模(11)下行，所述凸包形状逐渐减小；

步骤S8：所述上模(11)继续下行，所述顶升结构随动下行，直至所述待成形坯料成形；

步骤S9：停止供给冷却介质，所述顶升结构的动力单元(3)卸荷，所述下模(12)和所述压边圈(13)回程，取出所述成形件。

13.根据权利要求12所述的大尺寸薄壁曲面件超低温成形方法，其特征在于，所述冷却介质包括液氧、液氩或液氮。

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