CN113770224B - 一种深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于深腔薄壁金属构件的成形制造领域，提出了一种深腔薄壁盒形构件局部小圆角推挤成形装置。利用刚性模具包裹约束侧壁及底面，能够提供极高的约束力，实现约束侧壁不变形不失稳。将变形限定在圆角区，从而将拉深获得的深腔薄壁构件上的大圆角推挤成形为小圆角，能够实现四周及底面小圆角的推挤成形，有效解决圆角区贴模度差、局部圆角尺寸精度不足等问题。与现有的深腔薄壁构件的成形方法相比，此装置无须加工多种刚性模具，且无需使用昂贵的高档伺服设备，所用动力原件均为简单气动装置，对于大批量生产来说可以大幅降低生产成本。

Description

一种深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置

技术领域

本发明涉及深腔薄壁金属构件的成形制造领域，具体涉及一种深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置。

背景技术

在航空、航天、汽车等领域，深腔薄壁金属构件是一种非常重要且应用广泛的构件。图1所示为典型深腔薄壁金属构件，根据构件的几何形状，通常将深腔薄壁金属构件分为轴对称筒形件、非轴对称盒形件；轴对称筒形件具有底面圆角a，非轴对称盒形件具有底面圆角a和侧壁圆角b。目前，深腔薄壁构件的批量化生产大多采用刚性模具多道次拉深成形的方法，每一道次的拉深成形只使坯料发生一定程度的变形，在相邻道次之间需对坯料进行必要的热处理，因此实际生产效率较低。当构件为几何形状非轴对称的盒形件时，则又会出现拉深件法兰区严重增厚、侧壁靠近底部圆角区严重减薄的问题，导致最终构件上壁厚分布不均，出现局部起皱、开裂、贴模度差以及局部圆角尺寸不足等问题。因此，深腔薄壁盒形构件的精密成形及批量化生产难度很大。为了降低制造难度，通常将深腔薄壁构件设计成轴对称的圆筒形状，且底部圆角半径一般大于5倍的原始坯料壁厚。目前，针对圆角半径大于5倍壁厚的圆筒形深腔薄壁构件的成形技术已经比较成熟，可以实现大批量生产。

随着航空航天、汽车、高铁等高端装备对于结构轻量化的要求越来越高，需要实现单个构件的轻量化设计与制造以及多个构件的合理布局和组合。为此，需要将薄壁构件设计成具有更小圆角的非对称深腔薄壁构件，如图1(b)中的方盒形件。当采用具有很小圆角的(如圆角半径为原始坯料壁厚的2～3倍)四边形或多边形盒形深腔构件进行组合时，可显著减小相邻构件之间的间隙、增强组装结构的整体刚度、提高各独立构件内部的有效空腔容积。例如，新能源汽车中的锂电池盒就是一种具有极小圆角半径的方盒形深腔薄壁构件，是一种用量很大且难以替代的重要构件。但是，目前针对这种构件的成形技术还不成熟，更不具备量产条件。

发明专利(专利号CN201610689208.8)提出一种针对薄壁零件小圆角特征的胀压复合成形方法。该方法通过预成形和终成形两道次液压成形工序，预成形为被动式充液拉深，获得高度略大于最终零件、圆角略大于最终小圆角的中间坯料，终成形为胀压复合成形，利用带有局部小圆角的凸模和内部液压复合作用成形出筒形件底部的小圆角。这种方法虽可用于成形筒形件底部的小圆角，但是采用该方法及装置存在如下缺点和不足：(1)由于最终的底部小圆角是通过内部液体压力胀形坯料，使坯料贴靠凸模上的圆角区域而获得的，一套凸模和凹模只能成形出一个特定尺寸的局部小圆角；(2)因凸模和凹模为整体结构，凸模只能单方向压缩预成形坯料以成形底部的小圆角，而无法成形侧壁的小圆角；(3)在预成形获得的形状不规则的深腔薄壁坯料的内腔建立密封环境难度很大，既需要实现充液、增压、调压的复杂液压***以保证坯料内腔的压力，又需要驱动凸模精确运动的高档伺服压力机，设备复杂且昂贵；(4)所能成形的最小圆角尺寸受限，当圆角尺寸极小时成形质量较差或无法成形，易出现侧壁失稳、圆角与直线段过渡区凸起等问题。上述方法和装置对于深腔薄壁盒形件底部小圆角进行成形的条件较为苛刻，无法实现深腔薄壁盒形构件上底部圆角和侧壁圆角的同时成形，且能够成形的极小圆角尺寸仍然受到一定局限。

针对现有的方法在成形具有极小圆角半径深腔薄壁构件的过程中，出现的拉深件法兰区严重增厚、侧壁靠近底部圆角区严重减薄，导致构件上壁厚分布不均、局部起皱、开裂、贴模度差以及局部圆角尺寸不足，加工适应性差、只能成形底部圆角，以及需要使用高档伺服装备所带来的高生产成本等问题，亟需设计一种深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置。

发明内容

本发明旨在提出一种深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置，以解决现有的方法在成形具有极小圆角半径深腔薄壁构件的过程中，出现的拉深件法兰区严重增厚、侧壁靠近底部圆角区严重减薄，最终构件上壁厚分布不均、局部起皱、开裂、贴模度差以及局部圆角尺寸不足，加工适应性差、只能成形底部圆角，以及需要使用高档伺服装备所带来的高生产成本等问题。

本发明的技术方案：

一种深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置包括上底板1、基座体2、侧面内部支撑板3、侧面外部驱动气缸4、侧面外推板5、复位弹簧6、传动杆7、内部支撑杆8、刚性挡块9、底面内部支撑板10、限位楔块11、限位楔块a11-1、限位楔块b11-2、推杆楔头12、内部驱动气缸13、底侧外部驱动气缸14和底侧外推板15；

上底板1固定基座体2于压力机滑块上；内部驱动气缸13螺栓固定于基座体2的内部；内部驱动气缸13的活塞杆端部与传动杆7一端法兰连接固定，传动杆7随着内部驱动气缸13活塞杆于竖直方向上移动；传动杆7另一端侧面固定刚性挡块9以限制活塞杆伸出的距离。

底面内部支撑板10通过连杆与传动杆7底端刚性连接，底面内部支撑板10跟随传动杆7在竖直方向移动；底面内部支撑板10与底面外推板15成间隙用于放置构件，底侧外部驱动气缸14活塞杆末端法兰连接底面外推板15；限位楔块11固定于刚性挡块9下部。

侧面内部支撑板3布置于基座体2四周外侧，内部支撑杆8横穿基座体2，其一端通过螺栓与侧面内部支撑板3固定，另一端与推杆楔头12刚性固定；工作过程，推杆楔头12与限位楔块11的楔面相接触；气缸13活塞杆向下伸出，传动杆7随动，底面内部支撑板10向下方伸出，限位楔块11同时向下运动，将内部支撑杆8四周向外侧挤出，起内部支撑作用；侧面外推板5与侧面内部支撑板3成间隙用于放置构件，侧面外部驱动气缸4活塞杆末端法兰连接侧面外推板5。

复位弹簧6一端安装于基座体2的安装孔内，另一端与内部支撑杆8的轴肩固定；内部支撑杆8与基座体2的安装孔接触横截面为方形，用于使侧面内部支撑板3在竖直平面内处以正确的角度。

限位楔块11按环向90°角等间距阵列排布与刚性挡块9连接固定为一整体；限位楔块11斜面角度为30°-90°，用于控制内部支撑杆8的移动起限位作用。

所述复位弹簧6处于非工作状态时，其不受力处于初始长度，内部支撑杆8达到限位；起内部支撑作用时，内部支撑杆8向外侧伸出，复位弹簧6受拉力作用变长；侧面外部驱动气缸4及底面外部驱动气缸14施力向内推挤，内部支撑杆8逐渐向内侧收回时，复位弹簧6恢复原始长度，侧面内推杆12重新到达限位。

本发明的有益效果：

(1)本发明的深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置，利用刚性模具包裹约束侧壁及底面，能够提供极高的约束力，实现约束侧壁不变形不失稳。将变形限定在圆角区，从而将拉深获得的深腔薄壁构件上的大圆角推挤成形为小圆角，能够实现四周及底面小圆角的推挤成形，有效解决圆角区贴模度差、局部圆角尺寸精度不足等问题。

(2)本发明的深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置，代替多道次拉深技术的成形方法，避免加工采用多套刚性冲头及凹模，舍弃复杂的成形过程，解决深腔薄壁小圆角盒形件成形过程操作复杂繁琐、加工适应性差、实际生产效率不高等问题。

(3)本发明的深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置，通过更换推挤限位楔块，既改变楔块角度或形状，实现各向同步推挤工作以及单向单独(各向顺序)推挤工作。具有可调节变换、形式多适用性广的优点。

(4)本发明的深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置，通过极小的推挤量实现深腔薄壁构件上的大圆角推挤成形为小圆角，整体变形量不大，将塑性变形控制在圆角区域，保证由大圆角到小圆角推挤成形过程中的稳定性。

(5)本发明的深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置，对于成形四周侧壁形状不规则的盒形件，通过改变四周外推板及内部支撑板的截面形状，达到与盒形件四周截面形状相匹配的目的，以实现侧壁为异形截面构件的小圆角推挤成形。

(6)本发明的深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置，优化了深腔薄壁小圆角盒形构件的成形过程，与现有的深腔薄壁构件的成形方法相比，此装置无须加工多种刚性模具，且无需使用昂贵的高档伺服设备，所用动力原件均为简单气动装置，对于大批量生产来说大幅降低了生产成本。

附图说明

图1(a)为典型深腔薄壁筒形件示意图；

图1(b)为典型深腔薄壁盒形件示意图；

图2为本发明中深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置三维结构示意图；

图3为本发明中深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置局部传动机构结构示意图；

图4为本发明中深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置楔块推挤机构结构示意图；

图5为本发明中深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置初始工作状态示意图；

图6为本发明中深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置中间支撑状态示意图；

图7为本发明中深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置不同推挤楔块局部示意图。

图中：1-固定上底板，2-基座体，3-侧面内部支撑板，4-侧面外部驱动气缸，5-侧面外推板，6-复位弹簧，7-传动杆，8-内部支撑杆，9-刚性挡块，10-底面内部支撑板，11-限位楔块，11-1-限位楔块a，11-2-限位楔块b，12-推杆楔头，13-内部驱动气缸，14-底侧外部驱动气缸，15-底侧外推板，a-底面圆角，b-侧壁圆角。

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、图6说明，本发明是一种深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置，包括上底板1、基座体2、侧面内部支撑板3、侧面外部驱动气缸4、侧面外推板5、复位弹簧6、传动杆7、内部支撑杆8、刚性挡块9、底面内部支撑板10、限位楔块11、推杆楔头12、内部驱动气缸13、底侧外部驱动气缸14和底侧外推板15；

步骤一：如图1、图2、图3、图4、图5所示，初始状态下固定上底板1，通过基座螺纹孔将内部驱动气缸13固定在基座体2内部。内部驱动气缸13的活塞杆端部通过法兰盘与传动杆7的一端相互固定，传动杆7另一端安装刚性挡块9及限位楔块11于特定位置。限位楔块11下方使用连杆再将底面内部支撑板10连接在一起。此时内部驱动气缸13在基座体2内部安装完成，并且活塞杆处于未伸出状态，将基座体2通过上底板1固定于压力机上滑块准备工作。

步骤二：如图2、图3、图4、图5所示，复位弹簧6一端固定在基座体2侧面的定位孔的端面上，另一端与内部支撑杆8的轴肩端面部分固定；内部支撑杆8一端与侧面内部支撑板3通过法兰盘连接固定，内部支撑杆8另一端安装推杆楔头12；内部支撑杆8穿过复位弹簧6与基座体2定位孔，伸入基座体2内部使推杆楔头12与连杆接触并达到限位。此时盒形件内部四周支撑部分安装完成，为初始位置。

步骤三：如图1、图4、图5所示，侧面外部驱动气缸4固定于四周，各气缸活塞杆轴线与内部支撑杆8轴线共线。侧面外部驱动气缸4的活塞杆一端通过法兰盘与侧面外推板5相互固定。

步骤四：如图4、图5、图6、图7所示，内部驱动气缸13的活塞杆伸出，传动杆7跟随活塞杆竖直向下运动。传动杆端部的刚性挡块9，限位楔块11跟随向下移动。连杆及底面内部支撑板10跟随向下伸出，给予盒形件底面支撑力。限位楔块11与推杆楔头12为垂直面接触。

步骤五：如图4、图5、图6、图7所示，内部支撑杆8一端通过法兰连接侧面内部支撑板3。限位楔块11竖直向下运动，推动内部支撑杆8在定位孔及复位弹簧6的限制作用下水平向外运动。直至刚性挡块9与内部支撑杆8接触至达到限位，复位弹簧6受拉力作用被拉长。此时侧面四个推板撑开，给予盒形件侧面内部支撑。

步骤六：如图4、图5、图6所示，侧面外部驱动气缸4活塞杆伸出，侧面外推板5随其水平向内移动。底侧外部驱动气缸14活塞杆伸出，底面外推板15随其竖直向上移动。推挤盒形件侧面，同时内部支撑杆8受侧面外部驱动气缸4的推力水平向内移动，复位弹簧6收缩回初始长度。推杆楔头12水平向内运动推动限位楔块11竖直向上运动。底面内部支撑板10竖直向上移动，内部驱动气缸8活塞杆以恒定支撑力匀速退回至初始位置，盒形件的大圆角经压缩变小。

步骤七：如图4、图5、图6、图7所示，侧面外部驱动气缸4活塞杆收回，底侧外部驱动气缸14活塞杆收回。侧面外推板5与底面外推板15与盒形件外表面分离，进行取件。

实施例二：结合图4、图7说明。上述步骤一中，对安装于刚性挡块9上的限位楔块11进行拆卸更换，实现盒形件内部的单侧支撑。图7推挤楔块局部示意图中，限位楔块a11-1为矩形限位块，限位楔块b11-2为楔形限位块。此时当传动杆7竖直向下移动时，矩形限位块侧的内部支撑杆8不会随之伸出，楔形限位块侧的内部支撑杆8会随之伸出。更换图7所示限位块实现盒形件内部的单侧支撑，其余安装使用步骤与实施例一相同。

实施例三：结合图4、图7说明，上述步骤一中，安装于刚性挡块9上的限位楔块11进行更换，实现盒形件异侧侧面内部非同步支撑。图4、图7推挤楔块局部示意图中，限位楔块进行拆卸更换。限位楔块a11-1及限位楔块b11-2的斜面角度分别设为不同角度，此时在传动杆11竖直向下移动过程中实现异侧内部支撑杆8的非同步伸出，即达到盒形件异侧侧面内部非同步支撑的效果。将此种限位楔块11装于传动杆7上，其余安装使用步骤与实施例一相同。

实施例四：结合图2、图4、图7说明，上述步骤三、步骤五中将分别安装于侧面外部驱动气缸4活塞杆一端的侧面外推板5与安装于内部支撑杆8一端的侧面内部支撑板3进行拆卸更换，实现盒形件侧壁异形截面推挤成形。对于四周异形截面盒形件小圆角的推挤成形，将侧面外推板5与侧面内部支撑板3调整为与盒形件截面形状相匹配的异形截面板，实现盒形件侧壁异形截面推挤成形。其余安装使用步骤与实施例一相同。

Claims (2)

1.一种深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置，其特征在于，该深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置包括上底板(1)、基座体(2)、侧面内部支撑板(3)、侧面外部驱动气缸(4)、侧面外推板(5)、复位弹簧(6)、传动杆(7)、内部支撑杆(8)、刚性挡块(9)、底面内部支撑板(10)、限位楔块(11)、推杆楔头(12)、内部驱动气缸(13)、底侧外部驱动气缸(14)和底侧外推板(15)；

上底板(1)固定基座体(2)于压力机滑块上；内部驱动气缸(13)螺栓固定于基座体(2)的内部；内部驱动气缸(13)的活塞杆端部与传动杆(7)一端法兰连接固定，传动杆(7)随着内部驱动气缸(13)活塞杆于竖直方向上移动；传动杆(7)另一端侧面固定刚性挡块(9)以限制活塞杆伸出的距离；

底面内部支撑板(10)通过连杆与传动杆(7)底端刚性连接，底面内部支撑板(10)跟随传动杆(7)在竖直方向移动；底面内部支撑板(10)与底侧外推板(15)成间隙用于放置构件，底侧外部驱动气缸(14)活塞杆末端法兰连接底侧外推板(15)；限位楔块(11)固定于刚性挡块(9)下部；

侧面内部支撑板(3)布置于基座体(2)四周外侧，内部支撑杆(8)横穿基座体(2)，其一端通过螺栓与侧面内部支撑板(3)固定，另一端与推杆楔头(12)刚性固定；工作过程，推杆楔头(12)与限位楔块(11)的楔面相接触；内部驱动 气缸(13)活塞杆向下伸出，传动杆(7)随动，底面内部支撑板(10)向下方伸出，限位楔块(11)同时向下运动，将内部支撑杆(8)四周向外侧挤出，起内部支撑作用；侧面外推板(5)与侧面内部支撑板(3)成间隙用于放置构件，侧面外部驱动气缸(4)活塞杆末端法兰连接侧面外推板(5)；

复位弹簧(6)一端安装于基座体(2)的安装孔内，另一端与内部支撑杆(8)的轴肩固定；内部支撑杆(8)与基座体(2)的安装孔接触横截面为方形，用于使侧面内部支撑板(3)在竖直平面内处以正确的角度；

所述限位楔块(11)按环向90°角等间距阵列排布与刚性挡块(9)连接固定为一整体；限位楔块(11)斜面角度为30-90°，用于控制内部支撑杆(8)的移动起限位作用。

2.根据权利要求1所述的一种深腔薄壁盒形构件小圆角推挤成形装置，其特征在于，所述复位弹簧(6)处于非工作状态时，其不受力处于初始长度，内部支撑杆(8)达到限位；起内部支撑作用时，内部支撑杆(8)向外侧伸出，复位弹簧(6)受拉力作用变长；侧面外部驱动气缸(4)及底面外部驱动气缸(14)施力向内推挤，内部支撑杆(8)逐渐向内侧收回时，复位弹簧(6)恢复原始长度，侧面内推杆重新到达限位。

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