CN109692911B - 一种大型环壳零件整体成形装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大型环壳零件整体成形装置与方法，包括凹模、组合冲头和压边圈；所述组合冲头包括冲头与反向冲头，冲头与反向冲头采用间隙配合，通过氮气弹簧提供反向冲头的压力和调节反向冲头与板坯之间的距离，实现冲头和反向冲头的独立运动；所述的凹模设有流体介质通道，使压力流体通过该通道进入凹模容腔内，作用在板坯下方使其变形；所述板坯置于所述压边圈和所述凹模之间。采用整体成形方法易于实现数字化控制实现量产质量控制。由于消除了传统成形焊接工序，从而消除了焊接带来的残余应力、产品性能不均匀性和焊缝处轮廓校形等问题，大幅提高大型环壳零件的成形精度和服役可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及大型复杂曲面深腔构件整体成形领域，特别涉及一种大型环壳零件整体成形领域。
背景技术
航空发动机唇口零件为复杂的环壳体，属于大型复杂空间曲面薄壁板材零件。为了满足航空飞行器高速飞行条件下流体动力学要求，及撞击吸能要求，发动机唇口通常采用高强铝合金材料，唇口壁厚一般小于1.5mm，环壳轴线为非均匀曲率弧线，壳体纵切面结构不均匀，为典型的复杂变截面环壳类板材零件。该类零件通常采用分块冲压成形，拼装焊接的成形方法，拼焊结构如图1所示。
采用拼焊成形的方法存在的主要问题为：外形轮廓精度差，焊缝处存在接差；成形效率低/校型工作量大；结构刚度低、焊缝处强度差；材料利用率低，生产成本高。具体表现如下所述：1)外形轮廓精度难以达到设计要求，现有成形方法采用冲压成形，由于环壳各截面形状尺寸不一，导致分块冲压成型回弹难以控制，环壳截面回弹最大超过5.6mm，难以达到设计要求(小于0.8mm)。2)唇口材料选用2xxx系铝合金，拼焊后焊缝强度一般为母体材料的70％，且焊后残余应力较大，从而导致唇口零件强度不均匀，易于在焊缝处发生失效，唇口整体成形能力降低。3)拼接唇口在焊缝处存在明显的阶差，影响唇口外廓精度，需要进行手工校型，工作量大，唇口零件表面质量下降。4)采用分块成形时，工艺余料量大，材料利用率小于50％，造成材料浪费严重，同时，分块成形时需要至少8道成形工序，中间需要多次热处理，从而导致成产效率低/生产成本高。
针对该类复杂空间曲面薄壁零件，开发整体成形工艺和成形装置对提高零件表面质量、提高成形精度、提高生产效率、保障产品服役性能具有重要意义。目前，欧洲/美国日本等国家采用液压胀形的方法整体成形发动机唇口，最大直径为1.2m。由于材料塑性差，采用纯胀形成形时，最大等效应变超过30％，远超过材料的成形极限，需要多道次中间退火；对于更大直径的发动机唇口，需采用拼焊板成形，焊缝处易发生破裂，使得胀形成形困难。
本发明提供一种大型环壳零件整体成形装置和方法，以解决现有分块冲压、拼装焊接成形方法轮廓精度低、表面质量差、成形效率低、校形工作量大、零件强度不均匀、可靠性低、材料利用率低、成本高的问题，提高材料成形极限和零件成形精度，降低零件成形成本，保证环壳零件良好的空气动力学服役性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种大型环壳零件整体成形装置，包括凹模、组合冲头和压边圈；所述组合冲头包括冲头与反向冲头，冲头与反向冲头采用间隙配合，通过氮气弹簧提供反向冲头的压力和调节反向冲头与板坯之间的距离，实现冲头和反向冲头的独立运动；所述的凹模设有流体介质通道，使压力流体通过该通道进入凹模容腔内，作用在板坯下方使其变形；所述压边圈置于板坯之上，提供成形所需的压边力；所述板坯置于所述压边圈和所述凹模之间。
优选的，流体控制系统为所述流体通道提供并控制特定压力的流体介质进入凹模容腔。
优选的，所述板坯为铝合金、铝锂合金或不锈钢。
一种大型环壳零件整体成形方法，其特征在于，包括权利要求1所述的大型环壳零件整体成形装置，其成型方法步骤如下：
S1、合模步骤：
将板坯至于所述凹模上，完成定位后，所述压边圈下行与板坯接触后保持位置不变，所述组合冲头下行至与板坯接触后，保持位置不变；
S2、反向胀形步骤：
保持所述凹模的位置不变，调节所述压边圈对板坯的压力，调节所述反向冲头下行至设定位置，通过流体通道对所述凹模容腔内注入流体介质，作用于板坯背面，实现板坯的反向胀形至一定高度后，保持流体介质压力不变；
S3、充液拉深成形步骤：
保持所述凹模位置不变，保持流体压力和所述压力圈的压边力不变，所述组合冲头下行至板坯与所述凹模接触，增加所述流体压力并使所述组合冲头继续下行直到拉深到板坯胀形高度；
S4、脱模取件步骤：
成形结束后，卸载所述流体介质的压力和压边圈压力，所述组合冲头向上移动，随后所述压边圈向上移动，再由所述流体通道通入一定量流体介质，在所述流体介质的浮力作用下脱模取件。
本发明提供的一种大型环壳零件整体成形装置及方法，实现了一套工装、同一工位下一次成形，极大提高了大型环壳零件成形深度，提高大型环壳零件成形质量，大幅缩短大型环壳制造周期，提高产品质量一致性。同时，采用整体成形方法易于实现数字化控制实现量产质量控制。由于消除了传统成形焊接工序，从而消除了焊接带来的残余应力、产品性能不均匀性和焊缝处轮廓校形等问题，大幅提高大型环壳零件的成形精度和服役可靠性。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1为现有航空发动机唇口拼焊结构示意图；
图2是本发明实施例提供的航空发动机唇口整体成形装置示意图；
图3是本发明实施例提供的航空发动机唇口整体成形过程示意图；
图4是本发明实施例提供的合模过程示意图；
图5是本发明实施例提供的反胀成形示意图；
图6是本发明实施例提供的充液拉深成形示意图；
图7是本发明实施例提供的整体成形航空发动机唇口结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的描述。
实施例
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的航空发动机唇口整体成形方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图2所示为航空发动机唇口整体成形装置示意图，装置主要包括成形模具(凹模6、组合冲头和压边圈4)、流体控制系统9、氮气弹簧1以及流体通道7。成形模具和板坯5尺寸根据唇口零件具体尺寸确定，氮气弹簧1用于提供反向冲头3的压力和调节反向冲头3与板坯5的初始距离。流体控制系统9为反胀和充液拉深过程提供特定压力的流体介质，流体通道7为压力介质进入凹模6容腔8与板坯5发生作用的通道。
图3所示为不同成形阶段的板坯形状，初始板坯为圆形平板，首先经反胀成形为中间凸台，然后经过充液拉深成形获得环形壳，然后切除工艺余量即得到唇口零件。
图4所示为合模状态示意图。板料置于压边圈4与凹模6之间，冲头2向下运动并与板坯5接触。
图5所示为反胀成形，保持凹模6位置不变，调节压边圈4对板坯法兰的压力，同时保持冲头2位置不变而反向冲头3向下运动至设定位置，然后液压系统9通过流体通道7向凹模6容腔8内注入高压介质，作用于板材发生反胀变形。
图6所示为充液拉深成形，保持凹模6、压边圈4位置不变，调节压边力和流体压力按照设定曲线加载，冲头2和反向冲头3同时向下运动，冲头2速度大于反向冲头3速度，当冲头2带动板坯5接触凹模6时，反向冲头3应刚好推动凸台板坯与凹模6接触，成形结束后压边圈4、组合冲头回退到设定位置，然后完成脱模取件。
所述唇口覆含盖各种截面形状和各种曲率轴线的环形壳零件，零件材料包括各种牌号的铝合金和不锈钢等。
本发明所述航空发动机唇口整体成形方法适用于大尺寸回转体类薄壁深腔曲面构件成形，该装置需在通用双动压机或是带液压垫单动压机上进行操作，采用该种成形方法能够控制板坯不同位置发生变形的顺序，通过调节流体介质压力、冲头和反向冲头速度、压边力的大小，可以消除成形过程中破裂缺陷，控制成形零件的壁厚均匀性；成形的零件形状尺寸精度高，可靠性高。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种大型环壳零件整体成形方法，其特征在于，采用的整体成形装置包括凹模、组合冲头和压边圈；所述组合冲头包括冲头与反向冲头，冲头与反向冲头采用间隙配合，通过氮气弹簧提供反向冲头的压力和调节反向冲头与板坯之间的距离，实现冲头和反向冲头的独立运动；所述的凹模设有流体介质通道，使压力流体通过该通道进入凹模容腔内，作用在板坯下方使其变形；所述压边圈置于板坯之上，在合模和充液拉深成形时向板坯施加压边力；所述板坯置于所述压边圈和所述凹模之间；
所述大型环壳零件整体成形方法包括：
S1、合模步骤：
将板坯置于所述凹模上，完成定位后，所述压边圈下行与板坯接触后保持位置不变，所述组合冲头下行至与板坯接触后，保持位置不变；
S2、反向胀形步骤：
保持所述凹模的位置不变，调节所述压边圈对板坯的压力，调节所述反向冲头下行至设定位置，通过流体介质通道对所述凹模容腔内注入流体介质，作用于板坯背面，实现板坯的反向胀形至一定高度后，保持流体介质压力不变；
S3、充液拉深成形步骤：
保持所述凹模位置不变，保持流体压力和所述压边圈的压边力不变，所述组合冲头下行至板坯与所述凹模接触，增加所述流体压力并使所述组合冲头继续下行直到拉深到板坯胀形高度；
S4、脱模取件步骤：
成形结束后，卸载所述流体介质的压力和压边圈压力，所述组合冲头向上移动，随后所述压边圈向上移动，再由所述流体介质通道通入一定量流体介质，在所述流体介质的浮力作用下脱模取件。
2.如权利要求1所述的大型环壳零件整体成形方法，其特征在于，所述整体成形装置还包括流体控制系统，流体控制系统为所述流体介质通道提供并控制特定压力的流体介质进入凹模容腔。
3.如权利要求1所述的大型环壳零件整体成形方法，其特征在于，所述板坯为铝合金或不锈钢。
4.如权利要求3所述的大型环壳零件整体成形方法，其特征在于，所述板坯为铝锂合金。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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