CN109894562A - 一种内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具及成形方法，其中，该模具包括凸模和凹模；其中，所述凸模包括凸模芯轴和多块凸模镶块；所述凸模芯轴的外周的直径从顶端到底端逐渐减小；多块凸模镶块组成一个圆筒套设于凸模芯轴的外周；凸模镶块的外表面开设有若干个环向筋槽和若干个竖向筋槽，若干个环向筋槽和若干个竖向筋槽交错排列形成若干个网块；凹模套设于凸模的外周。本发明从而解决该类金属桶形结构件现有成形方法(如厚壁桶机械加工出高筋、将高筋条通过焊接或铆接方式固定在板材上)的成本高、工序复杂等问题，实现大型内壁网格高筋桶形构件的整体成形。

Description

一种内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具及成形方法

技术领域

本发明属于内壁网格高筋桶形薄壁件技术领域，尤其涉及内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具及成形方法。

背景技术

随着我国经济全球化进程不断加快，无论是航空航天还是汽车，减小能源消耗和提高有效载荷，大型结构件轻量化已成为研究热点之一。对于市场成熟应用的金属材料，在保证相同结构强度的同时，减轻板材的重量，带筋结构件已成为可实现轻量化直接有效的途径，因此，大量产品出现内腔深且分布有呈网格结构的加强筋板的桶形结构件。为了实现该类结构件的制备，目前针对薄壁桶形件采用焊接加工、铸造件进行机械加工、厚筒旋压制备，存在带筋部位流线不完整，难以有效减重；对中性差，产品变形量大，不能满足高精度要求；易出现缺陷，内部疲劳性能和抗应力腐蚀性能大幅下降，力学性能难以达到使用要求，使用寿命受到严重影响；加工周期长，材料利用率低，制造成本极高。此外，均易产生相应应力集中而导致长期服役过程中稳定性降低，甚至破坏现象。因此现有技术急需一种能够大幅度降低生产成本、缩短研制周期同时获得良好性能内壁网格高筋桶形件的整体成形模具及成形方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具及成形方法，从而解决该类金属桶形结构件现有成形方法(如厚壁桶机械加工出高筋、将高筋条通过焊接或铆接方式固定在板材上)的成本高、工序复杂等问题，实现大型内壁网格高筋桶形构件的整体成形。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一方面，提供了一种内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具，其特征在于包括：凸模和凹模；其中，所述凸模包括凸模芯轴和多块凸模镶块；所述凸模芯轴的外周的直径从顶端到底端逐渐减小；多块凸模镶块组成一个圆筒套设于凸模芯轴的外周；凸模镶块的外表面开设有若干个环向筋槽和若干个竖向筋槽，若干个环向筋槽和若干个竖向筋槽交错排列形成若干个网块；凹模套设于凸模的外周。

上述内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具中，所述凸模芯轴的底端设置有与凸模镶块数量相等的滑块，每个凸模镶块的内侧开设有凹槽，凸模芯轴的每个滑块嵌设于相对应的凹槽内。

上述内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具中，每个滑块的宽度为每个凸模镶块内表面弧长的1/3-1/4，使得在凸模芯轴上升时滑块具有足够的强度与刚度。

上述内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具中，所述滑块的横截面从上端到底端逐渐增大，横截面的外侧弧长大于内侧弧长；使得凸模芯轴上升时，所述滑块通过相对应的凹槽向凸模芯轴的中心挤压相对应的凸模镶块，从而使得每个凸模镶块能够水平向中心靠拢，避免凸模镶块与内壁网格筋铝合金料分离对筋产生破坏。

上述内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具中，所述环向筋槽和所述竖向筋槽均具有拔模斜度。

根据本发明的另一方面，还一种根据如本发明的一方面所述的模具进行热挤压成形方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，将凹模套于凸模的外表面，将凸模的凸模芯轴与锻压设备的上平台相连接，将铝合金料放入凸模镶块与凹模之间；

步骤二，利用锻压设备的上平台带动凸模芯轴向下运动，通过凸模芯轴的外表面对凸模镶块的内表面的挤压使得凸模镶块水平向外移动，从而使得凸模镶块对铝合金料进行挤压使其发生塑性变形；

步骤三，当锻压设备达到设定压力后，进行保压，直至铝合金料流入环向筋槽和竖向筋槽内，直至内壁网格筋的成形；

步骤四，当成形完成后，凸模芯轴随锻压设备向上回程，滑块侧表面对凹槽的侧表面施加的侧向压力便会转化成水平向心分力和竖直向上分力，由于凹模镶块只能水平移动，水平向心分力压迫凹槽的侧表面向中心靠拢，滑块的外表面和凹槽的内表面之间的间隙逐渐闭合，凸模芯轴的滑块带动凸模镶块水平向中心靠拢，使得凸模镶块与内壁网格筋的自动分离，得到内壁网格高筋桶形薄壁件。

上述热挤压成形方法中，在步骤二中，锻压设备的上平台带动凸模芯轴向下运动的速度为1～5mm/s。

上述热挤压成形方法中，在步骤三中，设定压力为2000-15000N，保压时间为10～90s。

上述热挤压成形方法中，在步骤三中，内壁网格筋的高度≥3mm。

上述热挤压成形方法中，在步骤四中，凸模芯轴的滑块截面投影面积从上向下逐渐增加，同时外端弧长大于内侧弧长，与凸模镶块的凹槽保持间隙配合关系；滑块的外表面和凹槽的内表面之间具有间隙，同时滑块的侧表面与凹槽的侧表面之间保持配合关系。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明利用轴向加载径向填充原理，整体加工出内壁网格筋结构，实现了薄壁向垂直于板材厚度方向的向心流动，然后利用芯轴与凸模镶块的几何配合关系，回程时凸模镶块向心运动实现自动脱模。该方法不需要后续机加工来切除余料，降低了人力成本与原料成本，成形后的筋壁为一体成型，不存在焊接影响板材表面形状精度，可靠性差的问题，同时减少了机加工、焊接或者铆接等工序，降低了生产成本，缩短了生产周期。不仅实现桶形件轻量化可控制造有效途径，还可改善板材的抗疲劳性能等机械性能。本发明所成形出的带筋桶形件产品经过热处理后，由铸态的粗晶组织会转变成挤压态的再结晶组织，不仅增加了薄板的强度，满足了轻量化的需求，还使得板材的力学性能会明显改善，实现了材料的控形控性。此外，比现有机械加工方法材料利用率提高50％，制造成本降低50％，加工效率提高30％。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具的结构示意图；

图2(a)是本发明实施例提供的凸模芯轴的一个结构示意图；

图2(b)是本发明实施例提供的凸模芯轴的另一个结构示意图；

图3(a)是本发明实施例提供的凸模镶块的一个示意图；

图3(b)是本发明实施例提供的凸模镶块的另一个示意图；

图3(c)是本发明实施例提供的凸模镶块的又一个示意图；

图4是本发明实施例提供的凹模的示意图；

图5是本发明实施例提供的内壁网格高筋桶形薄壁件挤压成形数值模拟结果的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具的结构示意图；图2(a)是本发明实施例提供的凸模芯轴的一个结构示意图；图2(b)是本发明实施例提供的凸模芯轴的另一个结构示意图；图3(a)是本发明实施例提供的凸模镶块的一个示意图；图3(b)是本发明实施例提供的凸模镶块的另一个示意图；图3(c)是本发明实施例提供的凸模镶块的又一个示意图；图4是本发明实施例提供的凹模的示意图。

如图1、图2(a)、图2(b)、图3(a)、图3(b)、图3(c)和图4所示，该内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具包括：凸模1和凹模2；其中，所述凸模1包括凸模芯轴11和多块凸模镶块12；所述凸模芯轴11的外周的直径从顶端到底端逐渐减小；多块凸模镶块12组成一个圆筒套设于凸模芯轴11的外周；凸模镶块12的外表面开设有若干个环向筋槽122和若干个竖向筋槽123，若干个环向筋槽122和若干个竖向筋槽123交错排列形成若干个网块；凹模2套设于凸模1的外周。凸模镶块12的外表面与凹模2的内表面之间的径向距离大于成型产品筋的高度；所述挤压成形方法采用带斜度的凸模芯轴11推着带斜度的凸模镶块12，把轴向力转化为径向力，实现径向挤压。

如图2(a)至图3(c)所示，凸模芯轴11的底端设置有与凸模镶块12数量相等的滑块111，每个凸模镶块12的内侧开设有凹槽121，凸模芯轴11的每个滑块111嵌设于相对应的凹槽121内；凸模芯轴11滑块111与凸模镶块12上凹槽121间隙配合，挤压时滑块111与凹槽121不干涉相互移动，脱模时凸模芯轴11上升时，滑块111带动凸模镶块12水平向中心聚拢，实现自动脱模。

如图2(a)和图2(b)所示，模具的凸模芯轴11的滑块111围绕凸模芯轴11对称分布，位于凸模芯轴11中下端，数量与凸模镶块12的数量对应，滑块111的宽度为凸模镶块12内表面弧长的1/3-1/4，以保证在凸模芯轴11上升时滑块111具有足够的强度与刚度。

滑块111的横截面从上端到底端逐渐增大，横截面的外侧弧长大于内侧弧长；使得凸模芯轴11上升时，所述滑块111通过相对应的凹槽121向凸模芯轴11的中心挤压相对应的凸模镶块12，从而使得每个凸模镶块12能够水平向中心靠拢，避免凸模镶块12与内壁网格筋铝合金料分离对筋产生破坏。

模具的凸模镶块12的环向筋槽122和竖向筋槽123具有拔模斜度，利于筋条脱模。这样大大减小了所需的载荷，同时还可以成形出较高精度筋条。

本实施还提供了一种根据内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具进行热挤压成形方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，将凹模2套于凸模1的外表面，凸模1的凸模芯轴11与锻压设备的上平台相连接，将铝合金料放入凸模镶块12与凹模2之间；

步骤二，利用锻压设备的上平台带动凸模芯轴11向下运动，通过凸模芯轴11的外表面对凸模镶块12的内表面的挤压使得凸模镶块12水平移动，从而使得凸模镶块12对铝合金料进行挤压使其发生塑性变形；

步骤三，当锻压设备达到设定压力(压力可以选择2000-15000N，也可以根据具体情况确定)后，进行保压，直至铝合金料流入环向筋槽122和竖向筋槽123内，直至内壁网格筋的成形；

步骤四，凸模芯轴11的滑块111截面投影面积从上向下逐渐增加，同时外端弧长大于内测弧长，与凸模镶块12的凹槽121保持间隙配合关系，凸模芯轴12随锻压设备向上回程时，带动凸模芯轴11的滑块111上移。由于热成形后在滑块111的外表面1111和凹槽121的内表面1121之间具有一定间隙，同时滑块111的侧表面1112与凹槽121的侧表面1212之间保持配合关系。当热成形完成后，凸模芯轴11开始逐渐上升，此时，滑块111的侧表面1112对凹槽121的侧表面1212施加的侧向压力便会转化成水平向心分力和竖直向上分力，由于凹模镶块只能水平移动，水平向心分力压迫凹槽121的侧表面1212向中心靠拢，滑块111的外表面1111和凹槽121的内表面1121之间的间隙逐渐闭合，凸模芯轴11的滑块111带动凸模镶块12水平向中心靠拢，还原成初始配合状态，完成凸模镶块12与内壁网格筋的自动分离，实现自动脱模过程。

所述步骤一中，铝合金桶形料为机械加工后，其外径与凹模2内径间隙配合。

所述步骤二中，热成形速度为1～5mm/s，在该速度下，材料发生缓慢均匀的塑性变形，可以增加成形筋的高度，避免网格处发生折叠等缺陷。

所述步骤三中，锻压设备控制位移，并保压时间为10～90s，可以实现对热成形的热校形过程，从而降低残余应力，增加结构稳定性。

内壁网格高筋桶形薄壁件的桶形截面为圆形、椭圆、及凸多边形截面，桶形坯料初始厚度为5-20mm。制备出的网格加强筋高度≥3mm。

实施例1：

如图1～5所示，模具主要包括组合式凸模1(凸模芯轴和多块凸模镶块)、凹模2，所选用的材料为低耐热高韧性钢5CrMnMo，经过热处理，具有足够的强度、硬度及耐磨性能，组合式凸模分为凸模芯轴11和凸模镶块12，组合式凸模1及凹模2的上下表面均为水平。凸模芯轴11和凸模镶块12接触面要设计成斜楔机构，表面经过打磨、抛光处理，凸模、凹模表面粗糙度Ra0.8，凸模芯轴11和凸模镶块12要设计成带斜度配合关系，角度为2°-5°。凸模芯轴11的滑块111与凸模镶块12的凹槽121间隙配合，挤压时滑块111与凹槽121不干涉相互移动。凸模芯轴11的滑块111围绕凸模芯轴11对称分布，位于凸模芯轴11中下端，数量与凸模镶块12的数量对应，整体环向宽度为凸模镶块12内表面弧长的1/2-1/3，以保证在芯轴11上升时滑块111具有足够的强度与刚度。凸模芯轴11的滑块111结构上窄下宽，内窄外宽，以保证在芯轴11上升时，凸模镶块12可以水平向中心靠拢，避免凸模镶块12与内壁网格筋桶形料分离对筋产生破坏。所述模具的凸模镶块上筋槽的拔模斜度为2°，圆角半径为5mm，利于筋条脱模。这样大大减小了所需的载荷，同时还可以成形出较高精度筋条。

在使用过程中，将5A06铝合金坯料放入凹模2和凸模镶块12内，利用凸模芯轴11对凸模镶块12的压力，迫使凸模镶块12水平移动，挤压过程中坯料被挤压，压至凸模芯轴11与凸模镶块12底部平齐，同时将凸模镶块12与凹模2配合后的型腔填充满，最终实现热挤压精确成形，产品稳定性得到提升。在热挤压成形过程中，凸模镶块12上的筋槽122的设计可以将凸模镶块12与凹模2配合后的封闭型腔内的空气排出，降低缺陷的产生，提高热挤压筋端部表面性能。热挤压完成后，凸模芯轴11向上运动，凸模镶块12向凸模芯轴11靠拢，内壁网格高筋热挤压工序完成。将热挤压成形后的薄壁网格高筋件转入后续工序，经热处理、机械加工等工序，最终加工为内壁网格高筋桶形薄壁件成品。

实施例2：

如图1～5所示，模具主要包括组合式凸模1(凸模芯轴和多块凸模镶块)、凹模2，所选用的材料为低耐热高韧性钢5CrMnMo，经过热处理，具有足够的强度、硬度及耐磨性能，组合式凸模分为凸模芯轴11和凸模镶块12，组合式凸模1及凹模2的上下表面均为水平。凸模芯轴11和凸模镶块12接触面要设计成斜楔机构，表面经过打磨、抛光处理，凸模、凹模表面粗糙度Ra0.8，凸模芯轴11和凸模镶块12要设计成带斜度配合关系，角度为2°-5°。凸模芯轴11的滑块111与凸模镶块12的凹槽121间隙配合，挤压时滑块111与凹槽121不干涉相互移动。凸模芯轴11的滑块111围绕凸模芯轴11对称分布，位于凸模芯轴11中下端，数量与凸模镶块12的数量对应，整体环向宽度为凸模镶块12内表面弧长的1/2-1/3，以保证在芯轴11上升时滑块111具有足够的强度与刚度。凸模芯轴11的滑块111结构上窄下宽，内窄外宽，以保证在芯轴11上升时，凸模镶块12可以水平向中心靠拢，避免凸模镶块12与内壁网格筋桶形料分离对筋产生破坏。所述模具的凸模镶块上筋槽的拔模斜度为2°，圆角半径为6mm，利于筋条脱模。这样大大减小了所需的载荷，同时还可以成形出较高精度筋条。

在使用过程中，将AZ31镁合金坯料放入凹模2和凸模镶块12内，利用凸模芯轴11对凸模镶块12的压力，迫使凸模镶块12水平移动，挤压过程中坯料被挤压，压至凸模芯轴11与凸模镶块12底部平齐，同时将凸模镶块12与凹模2配合后的型腔填充满，最终实现热挤压精确成形，产品稳定性得到提升。在热挤压成形过程中，凸模镶块12上的筋槽122的设计可以将凸模镶块12与凹模2配合后的封闭型腔内的空气排出，降低缺陷的产生，提高热挤压筋端部表面性能。热挤压完成后，凸模芯轴11向上运动，凸模镶块12向凸模芯轴11靠拢，内壁网格高筋热挤压工序完成。将热挤压成形后的薄壁网格高筋件转入后续工序，经热处理、机械加工等工序，最终加工为内壁网格高筋桶形薄壁件成品。

采用本发明方法利用轴向加载径向填充原理，整体加工出内壁网格筋结构，实现了薄壁向垂直于板材厚度方向的向心流动，然后利用芯轴与凸模镶块的几何配合关系，回程时凸模镶块向心运动实现自动脱模。该设计方法可以直接有效的实现挤压成形工艺的自动脱模，解决了该工艺发展的瓶颈问题。此外，不需要后续机加工来切除余料，降低了人力成本与原料成本，成形后的筋壁为一体成型，不存在焊接影响板材表面形状精度，可靠性差的问题，同时减少了机加工、焊接或者铆接等工序，降低了生产成本，缩短了生产周期。不仅实现桶形件轻量化可控制造有效途径，还可改善板材的抗疲劳性能等机械性能。使用本发明的一种内壁网格高筋桶形薄壁件挤压成形与脱模一体化模具设计方法，所成形出的带筋桶形件产品经过热处理后，由铸态的粗晶组织会转变成挤压态的再结晶组织，不仅增加了薄板的强度，满足了轻量化的需求，还使得板材的力学性能会明显改善，实现了材料的控形控性。此外，比现有机械加工方法材料利用率提高50％，制造成本降低50％，加工效率提高30％。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具，其特征在于包括：凸模(1)和凹模(2)；其中，

所述凸模(1)包括凸模芯轴(11)和多块凸模镶块(12)；

所述凸模芯轴(11)的外周的直径从顶端到底端逐渐减小；多块凸模镶块(12)组成一个圆筒套设于凸模芯轴(11)的外周；凸模镶块(12)的外表面开设有若干个环向筋槽(122)和若干个竖向筋槽(123)，若干个环向筋槽(122)和若干个竖向筋槽(123)交错排列形成若干个网块；

凹模(2)套设于凸模(1)的外周。

2.根据权利要求1所述的内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具，其特征在于：所述凸模芯轴(11)的底端设置有与凸模镶块(12)数量相等的滑块(111)，每个凸模镶块(12)的内侧开设有凹槽(121)，凸模芯轴(11)的每个滑块(111)嵌设于相对应的凹槽(121)内。

3.根据权利要求2所述的内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具，其特征在于：每个滑块(111)的宽度为每个凸模镶块(12)内表面弧长的1/3-1/4，使得在凸模芯轴(11)上升时滑块(111)具有足够的强度与刚度。

4.根据权利要求2所述的内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具，其特征在于：所述滑块(111)的横截面从上端到底端逐渐增大，横截面的外侧弧长大于内侧弧长；使得凸模芯轴(11)上升时，所述滑块(111)通过相对应的凹槽(121)向凸模芯轴(11)的中心挤压相对应的凸模镶块(12)，从而使得每个凸模镶块(12)能够水平向中心靠拢，避免凸模镶块(12)与内壁网格筋铝合金料分离对筋产生破坏。

5.根据权利要求2所述的内壁网格高筋桶形薄壁件脱模一体化模具，其特征在于：所述环向筋槽(122)和所述竖向筋槽(123)均具有拔模斜度。

6.一种根据如权利要求1-5中任一项所述的模具进行热挤压成形方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一，将凹模(2)套于凸模(1)的外表面，将凸模(1)的凸模芯轴(11)与锻压设备的上平台相连接，将铝合金料放入凸模镶块(12)与凹模(2)之间；

步骤二，利用锻压设备的上平台带动凸模芯轴(11)向下运动，通过凸模芯轴(11)的外表面对凸模镶块(12)的内表面的挤压使得凸模镶块(12)水平向外移动，从而使得凸模镶块(12)对铝合金料进行挤压使其发生塑性变形；

步骤三，当锻压设备达到设定压力后，进行保压，直至铝合金料流入环向筋槽(122)和竖向筋槽(123)内，直至内壁网格筋的成形；

步骤四，当成形完成后，凸模芯轴(11)随锻压设备向上回程，滑块侧表面(1112)对凹槽(121)的侧表面(1212)施加的侧向压力便会转化成水平向心分力和竖直向上分力，由于凹模镶块只能水平移动，水平向心分力压迫凹槽(121)的侧表面(1212)向中心靠拢，滑块(111)的外表面(1111)和凹槽(121)的内表面(1121)之间的间隙逐渐闭合，凸模芯轴(11)的滑块(111)带动凸模镶块(12)水平向中心靠拢，使得凸模镶块(12)与内壁网格筋的自动分离，得到内壁网格高筋桶形薄壁件。

7.根据权利要求6所述的热挤压成形方法，其特征在于，在步骤二中，锻压设备的上平台带动凸模芯轴(11)向下运动的速度为1～5mm/s。

8.根据权利要求6所述的热挤压成形方法，其特征在于，在步骤三中，设定压力为2000-15000N，保压时间为10～90s。

9.根据权利要求6所述的热挤压成形方法，其特征在于，在步骤三中，内壁网格筋的高度≥3mm。

10.根据权利要求6所述的热挤压成形方法，其特征在于，在步骤四中，凸模芯轴(11)的滑块(111)截面投影面积从上向下逐渐增加，同时外端弧长大于内侧弧长，与凸模镶块(12)的凹槽(121)保持间隙配合关系；

滑块(111)的外表面(1111)和凹槽(121)的内表面(1121)之间具有间隙，同时滑块(111)的侧表面(1112)与凹槽(121)的侧表面(1212)之间保持配合关系。