CN111408660B - 薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于薄壁金属构件成形制造技术领域，提供了一种薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法，步骤如下：原始坯料的设计；覆层板坯的确定和制备；叠层板坯的组合；合模密封；叠层板坯的成形；排出压力介质；叠层板坯的分解；薄壁构件后处理。本发明中叠层板坯成形时原始板坯不需要法兰区域，对于塑性成形性能差的材料，避免了局部胀形、局部减薄、局部开裂或者界面材料分配不均而出现起皱缺陷的问题。另外，本发明中叠层板坯成形时原始板坯不需要法兰区域，特别在成形尺寸较大的薄壁金属构件时，可解决所需原始板坯的外形尺寸超出现有板坯的制备能力的问题。

Description

薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法

技术领域

本发明属于薄壁金属构件成形制造技术领域，特别是涉及一种薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法。

背景技术

薄壁金属钣金构件是航空航天领域及汽车、高铁等运载装备中非常常见的一类结构件。根据薄壁金属钣金构件的使用服役要求如抗拉强度、外形尺寸、耐腐蚀性等，首先需要进行构件的材料选择及形状尺寸优化设计。然后，再选择合适的金属板坯，采用合适的成形方法制造出所需的薄壁金属钣金构件。所成形出的薄壁金属钣金构件，其形状尺寸、壁厚分布、力学性能等必须满足设计要求。同时，还需要从成形制造时的成形工艺难易程度、材料利用率、生产效率、制造成本等角度综合考虑。

薄壁金属钣金构件成形时，一般先在板坯的外边缘(通常称法兰区)施加一定的拉力或位移约束，然后采用刚性或弹性冲头、水或气等流体介质，对板坯中部区域施加垂直或近似垂直于板平面的作用力。板坯将在中部区域的成形载荷和外边缘的约束载荷共同作用下发生变形，直至贴合到凹模型腔后获得所需形状。根据中部区域所施加载荷的不同，可将薄壁金属钣金构件的成形方法分为刚性凸模成形和柔性/流体介质成形。而根据板坯外边缘所施加的约束条件，又可将薄壁金属钣金构件成形分为拉深成形和胀形成形。通常，板坯外边缘的拉力或位移约束，都是通过上模具、下模具的外边缘与板坯外边缘的相互作用形成的。上模具外边缘将板坯外边缘压靠在下模具外边缘后，在板坯中间部分发生变形时，如果同时允许板坯外边缘向模具型腔内流动，则称为拉深成形，如果不允许板坯外边缘向模具型腔内流动，则称为胀形成形。板坯外边缘的约束条件，对薄壁金属板坯的成形过程及成形质量起到至关重要的作用。当外边缘的约束条件不合理时，将出现中间变形区域起皱、过度减薄或破裂等缺陷。因此，传统的拉深或胀形成形过程中，在板坯上设置外边缘并通过外边缘对材料的变形流动进行控制是必不可少的。

但是，对于外形轮廓很复杂的薄壁钣金构件，外边缘材料的约束条件和变形过程非常复杂，极易导致板坯外边缘产生局部不合理的流动从而在整个板坯上产生局部开裂、局部减薄、局部起皱等不合理现象，进而直接影响最终构件的成形质量。虽然可以通过优化上模具、下模具上外边缘区域的形状、表面粗糙度及其与板坯外边缘的相互作用以调控板坯的流动，但是这些措施都将导致模具和工装复杂、工艺控制难度增加、成形效率低等问题。更为重要的是，在原始板坯上设置外边缘法兰区域后，将出现如下特殊问题：(1)对于铝合金、镁合金等室温下塑性变形能力差的材料，在成形时极易在外边缘法兰区域出现局部开裂；(2)薄壁金属板坯成形后，需要将发生变形的外边缘法兰区域切除掉，这对于价格昂贵的先进金属材料如高强铝合金、钛合金，或者金、银等贵重金属，必然造成极大的材料浪费并导致制造成本提高；(3)由于板坯外边缘法兰区的存在必将额外增加原始板坯的长、宽尺寸，这往往导致所需原始板坯的外形尺寸特别是宽度尺寸超出现有板坯的制备能力。例如，对于厚度2～5mm 的2000系高强铝合金，现有轧制设备可制备的板坯的最大宽幅约为2.5m。如果要成形的构件的宽度达到或超过2.5m，则无法采用单块板坯成形该构件。虽然可以将多块板坯拼焊到一起以增加板坯的宽度，但是因为原始板坯上拼焊焊缝的存在，必然将导致成形工艺的复杂化、成形后构件性能的弱化等不利影响。

为解决目前薄壁金属钣金构件成形时因需要在原始坯料上设置外边缘法兰区以控制原始坯料上各区域材料的合理流动，对于塑性成形性能差的材料极易出现法兰区起皱或开裂、对于高性能金属材料和贵重金属材料将导致材料利用率低和制造成本高、对于大尺寸构件将导致现有板坯的尺寸特别是宽度尺寸不满足要求等问题，需要开发一种新的薄壁金属钣金构件成形方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属薄壁钣金构件的无法兰边成形方法，能够解决现有的拉深或胀形工艺因采用了外边缘法兰边而导致塑性成形性能差的材料极易出现法兰区起皱或开裂、对于高性能金属材料和贵重金属材料将导致材料利用率低和制造成本高、对于大尺寸构件将导致现有板坯的尺寸特别是宽度尺寸不满足要求等问题。

本发明的技术方案：

薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法，步骤如下：

步骤一、原始坯料的设计：对薄壁金属构件进行特征分析，确定所需要的原始板坯的材料与外形轮廓尺寸，原始板坯的尺寸与模具分模面的最大截面尺寸相一致，冲裁制备；

步骤二、覆层板坯的确定和制备：依据原始板坯的材料特性以及原始板坯与覆层板坯之间变形的协调性来确定上覆层板坯和下覆层板坯的材料及外形轮廓尺寸，覆层板坯的尺寸大于原始板坯的尺寸，冲裁制备；

步骤三、叠层板坯的组合：对步骤二得到的上覆层板坯与下覆层板坯的表面进行预处理来增大与原始板坯的摩擦阻力以利于提高极限应变，然后将上覆层板坯、原始板坯、下覆层板坯按顺序进行组合、定位，获得所需要的叠层板坯，且叠层板坯组合后在成形过程中原始板坯的变形不需要法兰区域；

步骤四、合模密封：将叠层板坯置于成形模具中，进行合模密封，使得模具分别与上覆层板坯和下覆层板坯接触并密封，形成密闭的腔体，保证成形过程中模具内部的压力稳定；

步骤五、叠层板坯的成形：向上模与上覆层板坯形成的密闭腔体中通入高压介质，叠层板坯在压力介质的作用下发生变形，待叠层板坯成形到所需的外形轮廓时，停止向介质通道通入高压介质；

步骤六、排出压力介质：待叠层板坯成形完成后，将高压介质通过介质通道释放出去，降低零件内部或表面的压力至设定值；

步骤七、叠层板坯的分解：将模具分开，取出胀形后的零件，撤去上覆层板坯与下覆层板坯，使得整体成形后的叠层板坯分解，得到无法兰边的胀形零件；

步骤八、薄壁金属构件后处理：对成形后的薄壁金属构件的端部和表面进行切割、抛光以及清洗处理，得到最终的无法兰边的薄壁金属钣金构件。

本发明的有益效果：

(1)本发明的薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法，由于叠层板坯成形时原始板坯不需要法兰区域，因此，对于铝合金、镁合金等室温下塑性能力差的材料，有利于避免出现局部胀形、局部减薄、局部开裂或者各截面材料分配不均出现起皱等缺陷。

(2)本发明的薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法，由于叠层板坯成形时原始板坯不需要法兰区域，相较于采用传统的薄壁金属构件制造方法在板坯成形后需要将发生变形的外边缘法兰区域切掉，尤其对于价格昂贵的先进金属材料如高强铝合金、钛合金，或者金、银等贵重金属，提高了材料的利用率，节约了制造成本。

(3)本发明的薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法，由于叠层板坯成形时原始板坯不需要法兰区域，降低了对原始板坯的外形尺寸要求。特别是在成形尺寸较大的薄壁金属构件时，可解决所需要原始板坯的外形尺寸超出现有板坯的制备能力的问题。

(4)本发明的薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法，采用高压液体/气体作为传力介质，代替了传统的刚性凸模，可以减少模具与材料之间的摩擦，提高零件表面质量，简化了模具设计，节约了制造成本。

附图说明

图1为本发明中薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法原理图。

图2为本发明原始板坯的示意图。

图3为本发明叠层板坯的组合示意图。

图4为本发明合模密封示意图，(a)为采用压边力密封，(b)为采用拉深筋结构密封。

图5为本发明叠层板坯的成形示意图。

图6为本发明排出压力介质示意图。

图中：1原始板坯，2上覆层板坯，3下覆层板坯，4下模具，5介质通道， 6上模具，7凹槽，8拉深筋。

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，本发明提出的薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法，该方法是按照以下步骤进行的：

本发明提供一种薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法，包括以下步骤：

步骤一、原始坯料的设计。对薄壁金属构件进行特征分析，通过理论计算或仿真模拟等方法确定所需要的原始板坯的材料与外形轮廓尺寸，由于原始板坯的成形不需要法兰区域，因此原始板坯的尺寸选择与模具分模面的最大截面尺寸相一致，然后利用坯料切割机切割或通过冲裁模具进行冲裁来制备；

步骤二、覆层板坯的确定和制备。依据原始板坯的材料特性以及原始板坯与覆层板坯之间变形的协调性来确定上覆层板坯和下覆层板坯的材料及外形轮廓尺寸，覆层板坯的尺寸大于原始板坯的尺寸，利用坯料切割机切割或通过冲裁模具进行冲裁来制备；

步骤三、叠层板坯的组合。对步骤三得到的上覆层板坯与下覆层板坯的表面进行预处理来增大与原始板坯的摩擦阻力以利于提高极限应变，然后将上覆层板坯、原始板坯、下覆层板坯按顺序进行组合、定位，获得所需要的叠层板坯，且叠层板坯组合后在成形过程中原始板坯的变形不需要法兰区域；

步骤四、合模密封。将叠层板坯置于成形模具中，进行合模，采用相应的密封方式使得模具分别与上覆层板坯和下覆层板坯接触并密封，形成密闭的腔体，保证成形过程中模具内部的压力稳定；

步骤五、叠层板坯的成形。高压泵源通过介质通道向上模与上覆层板坯形成的密闭腔体中通入高压介质，叠层板坯在压力介质的作用下发生变形，待叠层板坯成形到所需的外形轮廓时，停止向介质通道通入高压介质；

步骤六、排出压力介质。待叠层板坯成形完成后，将压力介质通过介质通道释放出去，降低零件内部或表面的压力至设定值；

步骤七、叠层板坯的分解。将模具分开，取出胀形后的零件，撤去上覆层板坯与下覆层板坯，使得整体成形后的叠层板坯分解，得到无法兰边的胀形零件；

步骤八、薄壁金属构件后处理。对成形后的薄壁金属构件的端部和表面进行切割、抛光及清洗处理，得到最终的无法兰边的薄壁金属构件。

本实施例的有益效果是：本发明的薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法，由于叠层板坯成形时原始板坯不需要法兰区域，因此，对于铝合金、镁合金等室温下塑性能力差的材料，有利于避免出现局部胀形、局部减薄、局部开裂或者各截面材料分配不均出现起皱等缺陷；相较于采用传统的薄壁金属构件制造方法在板坯成形后需要将发生变形的外边缘法兰区域切掉，尤其对于价格昂贵的先进金属材料如高强铝合金、钛合金，或者金、银等贵重金属，提高了材料的利用率，节约了制造成本；并且降低了对原始板坯的外形尺寸要求。特别是在成形尺寸较大的薄壁金属构件时，可解决所需要原始板坯的外形尺寸超出现有板坯的制备能力的问题；叠层板坯的成形采用高压液体/气体作为传力介质，代替了传统的刚性凸模，可以减少模具与材料之间的摩擦，提高零件表面质量，简化了模具设计，降低了制造成本。

实施例2：结合图1说明，在步骤一中，所选用的原始板坯的材料为5A06 铝合金，厚度为2mm，外形尺寸选择直径为150mm的圆，其它步骤，与实施例1相同。

本实施例的有益效果是：5A06铝合金比强度高，抗腐蚀能力强，可焊性能好，广泛应用于航空、航天领域的整流罩、燃料贮箱等零件。

实施例3：结合图2说明，在步骤二中，上覆层板坯与下覆层板坯的材料选择1Cr18Ni9Ti不锈钢板，厚度为1mm，外形尺寸选择直径为200mm的圆，其它步骤，与实施例1相同。

本实施例的有益效果是：1Cr18Ni9Ti的综合性能很好，塑性和韧性高，它的延伸率、断面收缩率和冲击值都较高，1Cr18Ni9Ti的延伸率是40％，通过上下不锈钢覆层板坯，减小了原始板坯顶部与底部位置的双向拉应力，减小了原始板坯变形区应力和应变梯度，整个胀形区的应力应变分布更均匀，从而使胀形变形更加均匀。

实施例4：结合图3说明，在步骤三中，采用粗粒度的砂轮对上下覆层板坯打磨来增大覆层板与原始板坯接触面的摩擦，然后将上覆层板坯、原始板坯、下覆层板坯按照顺序进行组合，获得所需要的的叠层板坯，叠层板坯在成形过程中不需要法兰区域，其它步骤，与实施例1相同。

本实施例的有益效果是：上覆层板坯、原始板坯、下覆层板坯之间粗糙度增大时，摩擦因数越大，也就是板坯之间的界面剪切摩擦越大时，板坯的极限成形高度与极限应变越大，有利于零件的最终成形。此外，叠层板坯成形时原始板坯不需要法兰区域，因此，对于铝合金、镁合金等室温下塑性变形能力差的材料，有利于避免出现局部胀形、局部减薄、局部开裂或者各截面材料分配不均出现起皱等缺陷。

实施例5：结合图4(a)说明，在步骤四中，将叠层板坯置于成形模具中，通过采用10kN～2000kN的压边力使得模具分别与上覆层板坯和下覆层板坯接触并密封，形成密闭的腔体，其它步骤，与实施例1相同。

本实施例的有益效果是：采用足够大的压边力使得模具与板坯之间进行密封，可以阻止材料的流动来实现胀形，有利于避免出现起皱的现象，简化了模具的设计。

实施例6：结合图4(b)说明，在步骤四中，将叠层板坯置于带拉深筋结构的模具中，其中，拉深筋的圆角为R6mm，模具分别与上覆层板坯和下覆层板坯接触并密封，形成密闭的腔体，其它步骤，与实施例1相同。

本实施例的有益效果是：采用带拉深筋结构的模具分别与上下覆层板坯进行密封时，板坯将被压入到凹槽中，从而可以限制材料的流动，有利于避免出现起皱的现象，易于实现胀形，降低了对压力机的要求，可以使用小吨位的压力机即可实现板坯的胀形。

实施例7：结合图5说明，在步骤五中，高压泵源通过介质通道向上模与上覆层板坯形成的密闭腔体中通入高压液体介质，叠层板坯在液体压力的作用下发生变形，待待叠层板坯成形到所需的外形轮廓时，停止向介质通道通入高压介质，其它步骤，与实施例1相同。

本实施例的有益效果是：叠层板变形时，采用高压液体作为传力介质，代替了传统刚性凸模，可以减少材料之间的摩擦，提高了零件表面质量，简化了模具设计，降低了成本，而且液体的流动性好，压力处处相等，多用于成形形状复杂的零件。

实施例8：结合图5说明，在步骤五中，通过高频感应加热设备将模具加热到300～500℃，高压气泵通过介质通道向上模与上覆层板坯形成的密闭腔体中通入3～15MPa的高压气体介质进行热气压胀形，待成形完成后，保持模具闭合，使成形后零件在高温和高压条件下保温保压1h，其它步骤，与实施例1 相同。

本实施例的有益效果是：采用气体进行胀形可以在密闭腔体内部各处施加均布的压力，并且气体压力随腔体形状的变化很小，使其内部的压力控制更为准确，所需的高压气源通过高压泵站吸收空气进行加压即可，所以容易获得，成本低廉，在高温高压下保温保压一段时间，有利于进行成形后板坯的组织性能的调控。

Claims (1)

1.一种薄壁金属钣金构件的无法兰边成形方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、原始坯料的设计：对薄壁金属构件进行特征分析，确定所需要的原始板坯的材料与外形轮廓尺寸，原始板坯的尺寸与模具分模面的最大截面尺寸相一致，冲裁制备；

步骤二、覆层板坯的确定和制备：依据原始板坯的材料特性以及原始板坯与覆层板坯之间变形的协调性来确定上覆层板坯和下覆层板坯的材料及外形轮廓尺寸，覆层板坯的尺寸大于原始板坯的尺寸，冲裁制备；

步骤三、叠层板坯的组合：对步骤二得到的上覆层板坯与下覆层板坯的表面进行预处理来增大与原始板坯的摩擦阻力以利于提高极限应变，然后将上覆层板坯、原始板坯、下覆层板坯按顺序进行组合、定位，获得所需要的叠层板坯，且叠层板坯组合后在成形过程中原始板坯的变形不需要法兰区域；

步骤四、合模密封：将叠层板坯置于成形模具中，进行合模密封，使得模具分别与上覆层板坯和下覆层板坯接触并密封，形成密闭的腔体，保证成形过程中模具内部的压力稳定；

步骤五、叠层板坯的成形：向上模与上覆层板坯形成的密闭腔体中通入高压介质，叠层板坯在压力介质的作用下发生变形，待叠层板坯成形到所需的外形轮廓时，停止向介质通道通入高压介质；

步骤六、排出压力介质：待叠层板坯成形完成后，将高压介质通过介质通道释放出去，降低零件内部或表面的压力至设定值；

步骤七、叠层板坯的分解：将模具分开，取出胀形后的零件，撤去上覆层板坯与下覆层板坯，使得整体成形后的叠层板坯分解，得到无法兰边的胀形零件；

步骤八、薄壁金属构件后处理：对成形后的薄壁金属构件的端部和表面进行切割、抛光以及清洗处理，得到最终的无法兰边的薄壁金属钣金构件。

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