CN109894563B - 一种步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具及方法，其中，该模具包括三级梯度上模和下模；其中，所述下模长于三级梯度上模，所述三级梯度上模和下模的对接采用凸凹配合结构形式，用于确认并固定三级梯度上模与下模的装配方向，便于模具快速找正。本发明通过整体工艺，设计步进式成形模具，可制备出大型具有相互垂直网格状的高筋板材方法，从而解决该类金属板材现有成形方法(如厚板机械加工出高筋、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，实现大型网格高筋板材的精密成形。

Description

一种步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具及方法

技术领域

本发明属于金属板材技术领域，尤其涉及一种步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具及方法。

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，大型板材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，带筋板材零部件已成为可实现轻量化直接有效的途径。在板料进行常规热成形时所需很大的载荷才可制备小筋。因此，为了实现高精度、高质量的大型带高筋板材零部件的制备，传统的方法是通过轧制出大面积厚板材，然后对其进行机械加工成形出筋来实现板材减重的目的，或者轧制出大面积薄板，通过焊接的方式将预制筋焊接或者铆接在薄板上。但有较高要求表面质量要求的板材，不仅增加了生产成本和研制周期，浪费大量的人力和物力，而且焊接和铆接影响板材表面形状精度，造成成形出的零件形状、尺寸与设计要求偏差较大，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高筋薄板材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，提供了一种步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具及方法，通过整体工艺，设计步进式成形模具，可制备出大型具有相互垂直网格状的高筋板材方法，从而解决该类金属板材现有成形方法(如厚板机械加工出高筋、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，实现大型网格高筋板材的精密成形。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具，其特征在于包括：三级梯度上模和下模；其中，所述下模长于三级梯度上模，所述三级梯度上模和下模的对接采用凸凹配合结构形式，用于确认并固定三级梯度上模与下模的装配方向，便于模具快速找正。

上述步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具中，所述三级梯度上模包括三级梯度凸模和预压模，其中，三级梯度凸模和预压模一体连接。

上述步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具中，三级梯度凸模的下表面包括三级结构，其中，三级结构包括一级模、二级模、三级模、一级筋槽和二级筋槽；其中，一级模通过一级筋槽与二级模相连接，二级模通过二级筋槽与三级模相连接。

上述步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具中，一级模包括多个一级网格，每个一级网格之间通过纵筋槽相连接；二级模包括多个二级网格，每个二级网格之间通过纵筋槽相连接；三级模包括多个三级网格，每个三级网格之间通过纵筋槽相连接。

上述步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具中，一级筋槽的外沿倒角大于二级筋槽的外沿倒角。

上述步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具中，所述下模包括导向结构和工作曲面；其中，导向结构和工作曲面相连接。

上述步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具中，所述预压模下表面高于三级梯度凸模的下表面，保证在局部变形时板材变形区前端不发生翘曲。

上述步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具中，一级筋槽的拔模斜度等于二级筋槽的拔模斜度；所述一级筋槽和所述二级筋槽均进行电解抛光。

根据本方面的另一方面，还提供了一种步进式大型网格状高筋薄板整体成形方法，其特征在于：采用了如本方面的一方面所述的模具进行热成形，热成形的步骤包括：步骤一，将铝合金预制板料放入下模的工作曲面上部；步骤二，利用锻压设备的上平台将三级梯度上模向下运动使得三级梯度上模与导向结构相连接，并对铝合金预制板料进行热成形；步骤三，待三级梯度上模的下表面与铝合金预制板料相接触，并达到锻压设备设定位置后，进行保压，直至铝合金预制板料流入上模的一级筋槽内，停止设备运行；步骤四，热成形完成后，三级梯度上模随锻压设备向上回程；步骤五，水平向前移动下模，移动距离为一级模与一级筋槽宽度之和；步骤六，重复步骤二至步骤五；步骤七，重复步骤六。

上述步进式大型网格状高筋薄板整体成形方法中，在所述步骤一中，铝合金预制板料与下模的工作曲面同宽。

上述步进式大型网格状高筋薄板整体成形方法中，在所述步骤二中，热成形速度为1～5mm/s，热成形温度为400～460℃。

上述步进式大型网格状高筋薄板整体成形方法中，在所述步骤三中，保压时间为10～90s。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明通过步进式成形模具，可制备出大型具有相互垂直网格状的高筋板材方法，从而解决该类金属板材现有成形方法(如厚板机械加工出高筋、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，实现大型网格高筋板材的精密成形；

(2)采用本发明方法利用局部加载原理，分步骤加工出筋结构，降低了大型板材与模具接触面积，提高了材料向垂直于板材厚度方向的流动能力，使得材料更易向筋槽内流动，该方法使用较小载荷制备出大型高筋平面或一定曲率薄板件。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，成型后的筋板为一体成型，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。不仅实现板材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。

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网格状高筋铝合金薄板示意图；

图2是本发明实施例提供的步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具的示意图；

图3是本发明实施例提供的网格状高筋铝合金薄板整体成形模具的三级梯度上模的示意图；

图4是本发明实施例提供的网格状高筋铝合金薄板整体成形模具的下模的示意图；

图5是本发明实施例提供的网格状高筋铝合金薄板整体过程示意图。

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2是本发明实施例提供的步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具的示意图。如图2所示，该步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具包括：三级梯度上模1和下模2；其中，所述下模2长于三级梯度上模1，所述三级梯度上模1和下模2的对接采用凸凹配合结构形式，用于确认并固定三级梯度上模与下模的装配方向，便于模具快速找正。

图3是本发明实施例提供的网格状高筋铝合金薄板整体成形模具的三级梯度上模的示意图。如图3所示，该三级梯度上模1包括三级梯度凸模11和预压模12，三级梯度凸模11和预压模12一体连接。

三级梯度凸模11的下表面包括三级结构，三级结构包括一级模111、二级模112、三级模113、一级筋槽114和二级筋槽115；其中，一级模111通过一级筋槽114与二级模112相连接，二级模112通过二级筋槽115与三级模113相连接。

一级模111包括多个一级网格，每个一级网格之间通过纵筋槽116相连接；二级模112包括多个二级网格，每个二级网格之间通过纵筋槽116相连接；三级模113包括多个三级网格，每个三级网格之间通过纵筋槽116相连接；一级筋槽114的外沿倒角大于二级筋槽115的外沿倒角；纵筋槽116数量可根据产品要求，数量增多或者减少。

图4是本发明实施例提供的网格状高筋铝合金薄板整体成形模具的下模的示意图。如图4所示，该下模2包括导向结构21和工作曲面22；其中，导向结构21和工作曲面22相连接。

模具的三级梯度上模1的预压模12下表面高于三级梯度凸模下表面，以保证在局部变形时板材变形区前端不发生翘曲。

一级筋槽114的拔模斜度等于二级筋槽115的拔模斜度。所述模具的上模筋槽进行电解抛光，使得槽壁具有较低粗糙度。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。

下模2的长度大于上模1的长度，并且上下模外缘为导向配合，以使下模与上模快速对中，节省了大量装置轴线对中的调节时间；上模1固定在压力机上工作台上，可连续移动下模2放置压力机下工作台上。利用锻压工艺的局部加载成形原理，上模1工作面上存在三级梯度的凸模11，该梯度是指凸模11下边缘倒角梯度，依次排列。一级模111为主要起到受力作用，为预成形阶段，其边缘倒角最大，方便压入板材，由于板材的纵向两侧凹模限制，形成半闭式模锻，使得板材向纵筋槽处流动，随着压下量的增加，类似于反向挤压工艺，所形成的筋越来越高。同时，在一级模111外延处具有压块模，当一级模111下压时，预压模12下面的板材会避免翘起，板材还会向前定向伸长。二级模112起到过渡作用，底部边缘倒角小于一级模111，主要起到成形筋根部的作用。三级模113起到最终校形作用，还可防止变形后铝合金预制板料翘曲等缺陷产生。此外，筋槽出均有一定的斜度，利于脱模，这样大大减小了所需的载荷，同时还可以成形出较高质量筋条。另外，当成形不同筋格零件时，只需改变上模1的形状，如网格疏密等，下模2不需更换，从而节省生产成本；铝合金预制板料放在下模的凹槽内，以实现对坯料的快速精确定位。

图5是本发明实施例提供的网格状高筋铝合金薄板整体过程示意图。结合图5，该方法包括如下步骤：

步骤一，将铝合金预制板料放入下模2的工作曲面22上部；

步骤二，利用锻压设备的上平台将三级梯度上模1向下运动使得三级梯度上模1与导向结构21相连接，并对铝合金预制板料进行热成形；

步骤三，待三级梯度上模1的下表面与铝合金预制板料相接触，并达到锻压设备设定位置后，进行保压，直至铝合金预制板料流入上模的一级筋槽114内，停止设备运行；

步骤四，热成形完成后，三级梯度上模1随锻压设备向上回程；

步骤五，水平向前移动下模，移动距离为一级模与一级筋槽114宽度之和；

步骤六，重复步骤二至步骤五；

步骤七，重复步骤六。

具体的，上述七个步骤进行细化后包括步骤如下：

步骤1：首先将上模1固定在压力机的上工作台，把下模2固定在压力机的可定向移动的下工作台上；

步骤2：移动上模1下行，进行合模三次，调试上模和下模的对中性；

步骤3：将尺寸大小合适的板材放入下模中工作曲面上部，然后用销子固定其一端；

步骤4：移动三级梯度上模下行至一定位置，利用一级模进行锻造板坯料，二级和三级模置空，不受力状态；

步骤5：移动三级梯度上模上行，保证上模和下模在边缘导向结构内；

步骤6：下工作台水平向前步进一级模和筋槽宽度之和的距离；

步骤7：向下移动上工作台，一级模下压坯料，此时二级模刚好下落至一级模压出的槽内，三级模仍然置空；

步骤8：重复步骤5至步骤6；

步骤9：向下移动上工作台，一级模下压坯料，此时二级模刚好下落至一级凸模压出的槽内，三级模压入二级模压后的槽内，

步骤10：移动三级梯度上模上行，保证上下模在边缘导向结构内，完成一个动作周期；重复步骤八至步骤九，致使三级模压缩板材末端，最终整体成形出大型带筋板材。

步骤11：试验结束后，控制移动三级梯度上模上行，取出零件；

步骤12：采用三坐标测量仪测量零件的几何轮廓。

以某大型网格状高筋铝合金薄板为例，其形状尺寸如图1所示，零件材料为2A12铝合金，板材长度为1800mm，宽度620mm，板厚2mm，筋格200×200mm，筋宽5mm，筋高≮10mm，高宽比≮2。其具体的多步连续热压成形工艺为：板料预处理→下板料→模具加热→一次热压板料→二次热压板料→三次热压板料→四次热压板料→→→直至板料全通过三级梯度上模→取高筋薄板。具体流程如图5所示。

具体实施步骤如下：

(1)本实施例所述的一种步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具，包括上模1、下模2。

(2)所述高筋铝合金薄板整体成形模具的分模面为带筋板材上表面，所述的模具上模下表面及下模上表面为水平面，即带筋板材件的分模面，所述三级梯度上模和下模导向配合结构形式，下模配合结构槽宽为

三级梯度上模配合结构宽度为

三级梯度上模下表面上加工出相互垂直的筋槽，间距为200×200mm，槽宽5mm，为了使板材在模锻过程中易于向筋槽内流动，一级模前端面外延倒角与一级筋槽114的外沿倒角为5mm，二级筋槽115的外沿倒角为3mm，3级模后端面的倒角为3mm，并且均设置有一定的拔模斜度，易于脱模。

(3)上模1、下模2所选用的材料为热作模具钢H13，上模和下模经过热处理，上下模表面硬度达45-50HRC。

(4)带筋板材整体成形方法中所述的2A12铝合金板材加热温度为440℃，保温时间为2h，整体成形模具温度为440℃-460℃，到温后将板料放入整体模具型腔中，然后将一级模以1mm/s的速度进行下压板材，二级和三级模不工作，模具达到设定位置后，保压15s，上模1随上平台回程，定向移动下模205mm，重复这一动作，直至第三级模完成单独工作区间，三级梯度上模1随上平台回程，取出带筋板料，连续整体成形过程结束。

使用本实施例的步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具及成形方法，所成形出的带筋薄板产品经过热处理后，由轧制态的纤维组织会转变成锻造态的再结晶组织，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 (8)

1.一种步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具，其特征在于包括：三级梯度上模(1)和下模(2)；其中，所述下模(2)长于三级梯度上模(1)，所述三级梯度上模(1)和下模(2)的对接采用凸凹配合结构形式，用于确认并固定三级梯度上模与下模的装配方向，便于模具快速找正；其中，

所述三级梯度上模(1)包括三级梯度凸模(11)和预压模(12)，其中，三级梯度凸模(11)和预压模(12)一体连接；

三级梯度凸模(11)的下表面包括三级结构，其中，三级结构包括一级模(111)、二级模(112)、三级模(113)、一级筋槽(114)和二级筋槽(115)；其中，一级模(111)通过一级筋槽(114)与二级模(112)相连接，二级模(112)通过二级筋槽(115)与三级模(113)相连接。

2.根据权利要求1所述的步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具，其特征在于：一级模(111)包括多个一级网格，每个一级网格之间通过纵筋槽(116)相连接；

二级模(112)包括多个二级网格，每个二级网格之间通过纵筋槽(116)相连接；

三级模(113)包括多个三级网格，每个三级网格之间通过纵筋槽(116)相连接。

3.根据权利要求1所述的步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具，其特征在于：一级筋槽(114)的外沿倒角大于二级筋槽(115)的外沿倒角。

4.根据权利要求1所述的步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具，其特征在于：所述下模(2)包括导向结构(21)和工作曲面(22)；其中，导向结构(21)和工作曲面(22)相连接。

5.根据权利要求1所述的步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具，其特征在于：所述预压模(12)下表面高于三级梯度凸模(11)的下表面，使得在局部变形时板材变形区前端不发生翘曲。

6.根据权利要求1所述的步进式大型网格状高筋薄板整体成形模具，其特征在于：一级筋槽(114)的拔模斜度等于二级筋槽(115)的拔模斜度；

所述一级筋槽(114)和所述二级筋槽(115)均进行电解抛光。

7.一种步进式大型网格状高筋薄板整体成形方法，其特征在于：采用了如权利要求1-6中任一项所述的模具进行热成形，热成形的步骤包括：

步骤一，将铝合金预制板料放入下模(2)的工作曲面(22)上部；

步骤二，利用锻压设备的上平台将三级梯度上模(1)向下运动使得三级梯度上模(1)与导向结构(21)相连接，并对铝合金预制板料进行热成形；

步骤三，待三级梯度上模(1)的下表面与铝合金预制板料相接触，并达到锻压设备设定位置后，进行保压，直至铝合金预制板料流入上模的一级筋槽(114)内，停止设备运行；

步骤四，热成形完成后，三级梯度上模(1)随锻压设备向上回程；

步骤五，水平向前移动下模，移动距离为一级模与一级筋槽(114)宽度之和；

步骤六，重复步骤二至步骤五；

步骤七，重复步骤六。

8.根据权利要求7所述的步进式大型网格状高筋薄板整体成形方法，其特征在于：在所述步骤二中，热成形速度为1～5mm/s，热成形温度为400～460℃。

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