CN112474858B - 一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，包括：设计热挤压件；设计并加工热挤压成形模具；确定并加工坯料；加热热挤压成形模具和坯料，压力机驱动上模下行，与下模逐渐合模，上模接触坯料并逐渐下行直至坯料接触下模中顶块的上表面，上模继续下行直至成形吨位达到设定吨位，并在此状态下保压设定时间；上模回程，通过压力机的下顶缸推动顶杆，顶杆推动顶块，顶块上行推动热挤压件脱模；去除热挤压件的上部飞边和底部飞边，得到热挤压件；对去除飞边后的热挤压件进行机械加工，获得最终近环形类构件。本发明成形工艺可实现薄板加工厚热挤压件，产品在满足性能和尺寸要求的同时，材料利用率大幅提高。
Description
技术领域
本发明属于热加工成形技术领域，特别涉及一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺。
背景技术
当前，航空航天产品零件正向轻量化、低成本及整体化方向发展，环形或者近环形端框类构件的应用也越来越多，该类型零件结构多为中空环形或者近环形结构，该种结构需要既满足高强度要求又能实现零件轻量化，一般应用于舱体链接处。
由于该类环形或者近环形类构件强度要求高，采用铸造工艺成形难以满足强度要求，以往常常采用自由锻件机加或者模锻制造，但一般是多道次反复成形或者是原材料厚度大于构件厚度，导致构件加工周期长、材料利用率低且加工成本高。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，该成形工艺能够在有效地保证近环形类构件热挤压近净成形的同时，实现产品材料利用率的大幅提高；通过设计热挤压成形模具，可在同一模具上实现热拉深和热挤压两道工序，可实现薄板加工厚热挤压件；通过设计切边模具，可在同一模具上实现底部飞边切除和上部飞边切除两道工序，且成形件无变形，易脱模，生产效率极高，整个成形工艺大大降低了近环形类构件的制造成本，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，包括如下步骤：
步骤1中，根据近环形类构件的模型，设计热挤压件；
步骤2，根据热挤压件，设计并加工热挤压成形模具，所述热挤压成形模具包括上模、下模、顶块和顶杆，上模具有与热挤压件内环随形的凸模，下模具有与热挤压件外环随形的凹模、以及凹模外缘的环形飞边槽，顶块和顶杆内置于下模中，顶块投影面的边缘不小于热挤压件投影面的内缘，顶杆位于顶块的下方，上模、下模、顶块和顶杆装配到位后，上模、下模和顶块形成的密闭空间与热挤压件外形一致；
步骤3，根据热挤压件、热挤压模具、以及工艺余量确定坯料尺寸，加工坯料；
步骤4，将步骤2所述热挤压成形模具和步骤3中加工的坯料加热至设定温度，并将坯料保温设定时间，取出坯料后将坯料居中放置于热挤压成形模具下模的凹模上方，压力机驱动上模下行，与下模逐渐合模，上模接触坯料并逐渐下行直至坯料接触下模中顶块的上表面，上模继续下行直至成形吨位达到设定吨位，并在此状态下保压设定时间；
步骤5，上模随压力机回程，通过压力机的下顶缸推动顶杆，顶杆推动顶块，顶块上行推动热挤压件脱模，得到带飞边的热挤压件；
步骤6，去除热挤压件的上部飞边和底部飞边，得到热挤压件；
步骤7，对去除飞边后的热挤压件进行机械加工，获得最终近环形类构件。
根据本发明提供的一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，提供了热挤压件的设计方法，满足最终产品近环形类构件的同时材料利用率大幅提高；
(2)本发明提供的一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，提供了热挤压成形模具和切边模具，可实现模具在线加热、产品成形、多道工序单模具成形，可大大提高生产效率，降低加工成本；
(3)本发明提供的一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，提供了坯料尺寸的确定方法，可实现热挤压成形坯料尺寸的快速确定，合适的坯料尺寸便于操作，且能够直接有效的降低原料成本。
附图说明
图1为本发明中一种近环形类构件热拉深挤压成形方法流程图；
图2为本发明一种优选实施方式中热挤压成形模具切剖示意图；
图3为本发明一种优选实施方式中热挤压成形模具的下模结构示意图；
图4为坯料结构示意图；
图5为本发明中带飞边的热挤压件的示例结构示意图；
图6为本发明中热挤压件的示例结构示意图；
图7为本发明中热挤压件-近环形类构件结构关系示意图；
图8为本发明中近环形类构件的示例结构示意图；
图9为本发明一种优选实施方式中切边模具的结构示意图。
附图标号说明
1-上模；2-下模；21-凹模；22-飞边槽；23-过桥结构；3-顶块；4-顶杆；5-切边上模；51-一级切边；52-二级切边；6-切边内模；7-切边下模。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
本发明提供了一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1中，根据近环形类构件的模型，设计热挤压件；
步骤2，根据热挤压件，设计并加工热挤压成形模具，如图2和图3所示，所述热挤压成形模具包括上模1、下模2、顶块3和顶杆4，上模1具有与热挤压件内环随形的凸模，下模2具有与热挤压件外环随形的凹模21、以及凹模21外缘的环形飞边槽22，顶块3和顶杆4内置于下模2中，顶块3投影面的边缘不小于热挤压件投影面的内缘，顶杆4位于顶块3的下方，上模1、下模2、顶块3和顶杆4装配到位后，上模1、下模2和顶块3形成的密闭空间与热挤压件外形一致；
步骤3，根据热挤压件、热挤压模具、以及工艺余量确定坯料尺寸，加工坯料，如图4所示；
步骤4，将步骤2所述热挤压成形模具和步骤3中加工的坯料加热至设定温度，并将坯料保温设定时间，取出坯料后将坯料居中放置于热挤压成形模具下模2的凹模上方，压力机驱动上模1下行，与下模2逐渐合模，上模1接触坯料并逐渐下行直至坯料接触下模2中顶块3的上表面，该过程为热拉伸成形，上模1继续下行直至成形吨位达到设定吨位P，并在此状态下保压设定时间t，该过程为热挤压成形；
步骤5，上模1随压力机回程，通过压力机的下顶缸推动顶杆4，顶杆4推动顶块3，顶块3上行推动热挤压件脱模，得到带飞边的热挤压件，如图5所示；
步骤6，去除热挤压件的上部飞边和底部飞边，得到热挤压件，如图6和图7所示；
步骤7，对去除飞边后的热挤压件实施表面处理、热处理等和机械加工，获得最终近环形类构件，如图8所示。
本发明中，步骤1中，设计的热挤压件可将最终产品近环形类构件包围在内，且在热挤压件上随意选取一处，确定此处内缘到中心点O的距离Drn即热挤压件的近似内径、外缘到中心点O的距离Drw即热挤压件的近似外径、对应位置处近环形类构件的内缘到中心点O的距离Dln即近环形类构件的近似内径、外缘到中心点O的距离Dlw即近环形类构件的近似外径，则一般建议0.004≦(Dln-Drn)/Dln≦0.02且(Dln-Drn)≧0.5mm，0.004≦(Drw-Dlw)/Dlw≦0.02且(Drw-Dlw)≧0.5mm。当热挤压件的内缘存在两条直线或近似直线相交的情况时，两条直线或近似直线交叉点处设计过渡圆角，确定两条直线或近似直线到中心点O的距离分别为D1和D2，该过渡圆角R满足：(D1+D2)/10≦R≦(D1+D2)/4。在一个实施例中，设计的热挤压件如图7所示，(Dln-Drn)/Dln＝0.02，Dln-Drn＝4mm，(Drw-Dlw)/Dlw＝0.02，Drw-Dlw＝4mm，R＝90mm，热挤压件的厚度δr＝72mm。
本发明中，步骤2中，如图2所示，所述上模1和下模2通过位于上模1四角的凸台和位于下模2四角的凹槽实现互相定位和导向。
如图3所示，所述顶块3的投影面的边缘与所述热挤压件的投影面的内缘相同。
如图3所示，所述上模1和下模2中开设有圆柱形通孔，其中，分布于下模2的圆柱形通孔不与顶杆4干涉，所述上模1和下模2通过插入圆柱形通孔的加热管实现模具加热。
如图3所示，所述飞边槽22的内径大于凹模直径，优选飞边槽22的内径≥凹模直径+10mm，更优选飞边槽22至凹模之间加工过桥结构23，过桥结构23用于控制金属材料向飞边槽的流动，保证热挤压件充填到位。
本发明中，步骤3中，所述坯料的厚度δp＝(0.3-0.8)δr，坯料的体积为Sp·δp＝(1.1-1.3)Vr，Dpn＜Drn，Dpw＞Drw，其中δp为坯料的厚度，一般为标准板材厚度，δr为热挤压件的厚度，Sp为坯料的表面积，Vr为热挤压件的体积，Dpn为坯料的近似内径，Drn为热挤压件的近似内径，Dpw为坯料的近似外径，Drw为热挤压件的近似外径。在一个实施例中，坯料如图4所示，δp为30mm。
本发明中，步骤4中，模具的加热温度Tm和坯料的加热温度Tp根据坯料材料进行选取，优选0≤Tp-Tm≤50℃；坯料的保温时间tp满足：1.5δp≤tp≤2δp，保温时间tp的单位为分钟，δp为坯料的厚度，单位为毫米。
步骤4中，所述上模的下行速度V同热挤压件的厚δr成反比，当热挤压件的厚δr越大，合模速度V越小，合模速度V一般不超过3mm/s。
热挤压成形中，所述设定吨位P＝(1.5～2.5)F·S，其中F为坯料在Tp温度下的流动应力，S为热挤压件的投影面积(S＝Vr/δr)。
在一个实施例中，坯料为5A06铝合金，模具加热温度Tm为400℃，坯料加热温度为440℃，坯料保温时间为45min，模具上模1接触坯料并逐渐下行60mm直至坯料接触模具下模2中顶块3上表面进行热拉深成形，上模1继续下行23mm直至成形吨位达到1600吨，并在此状态下保压90s。
本发明中，步骤6中，采用切边模具去除热挤压件的上部飞边和底部飞边，如图9所示，切边模具包括切边上模5、切边内模6和切边下模7，切边上模5台阶结构，具有位于下方的一级切边51和位于上方的二级切边52，一级切边51的外型面与所述热挤压件的内型面随形，二级起边52的外型面与所述热挤压件的外型面随形；所述切边内模6可拆卸内置于切边下模7中，切边内模6的内径小于所述热挤压件的外径且不小于所述热挤压件的内径，用于支撑所述热挤压件，并不干涉切边上模5的二级切边52；所述切边下模7的内型面与所述热挤压件的外型面随形。
操作时，将热挤压件放置于切边模具中，切边上模5下行直到一级切边51切除热挤压件底部飞边，切边内模6下行，切边上模5下行直到二级切边52切除热挤压件的上部飞边，切边内模6上行，取出去除飞边后热挤压件，其中，切边内模6下行高度大于热挤压件上部飞边的厚度。优选地，切边上模5的一级切边51的高度H满足：1.5δr≧H≧1.2δr，δr为所述热挤压件的厚度。
在一个实施例中，切边上模5的一级切边51的高度H＝115mm。切边上模5下行75mm直到一级切边51切除热挤压件底部飞边，切边内模6下行30mm，切边上模5下行15mm直到二级起边52切除热挤压件上部飞边，切边内模6上行30mm顶出去除飞边后的热挤压件，如图9所示。采用本发明个工艺，热挤压件的成形精度达到±0.5mm。
本发明中，步骤7中，对去除飞边后的热挤压件表面处理、热处理和机加，获得最终近环形类构件。具体地，热挤压件经过酸洗，去应力退火热处理以及机加获得了近环形类构。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (11)
1.一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1中，根据近环形类构件的模型，设计热挤压件；
步骤2，根据热挤压件，设计并加工热挤压成形模具，所述热挤压成形模具包括上模（1）、下模（2）、顶块（3）和顶杆（4），上模（1）具有与热挤压件内环随形的凸模，下模（2）具有与热挤压件外环随形的凹模（21）、以及凹模（21）外缘的环形的飞边槽（22），顶块（3）和顶杆（4）内置于下模（2）中，顶块（3）投影面的边缘不小于热挤压件投影面的内缘，顶杆（4）位于顶块（3）的下方，上模（1）、下模（2）、顶块（3）和顶杆（4）装配到位后，上模（1）、下模（2）和顶块（3）形成的密闭空间与热挤压件外形一致；
步骤3，根据热挤压件、热挤压模具、以及工艺余量确定坯料尺寸，加工坯料；
步骤4，将所述热挤压成形模具和加工的坯料加热至设定温度，并将坯料保温设定时间，取出坯料后将坯料居中放置于热挤压成形模具下模（2）的凹模上方，压力机驱动上模（1）下行，与下模（2）逐渐合模，上模（1）接触坯料并逐渐下行直至坯料接触下模（2）中顶块（3）的上表面，上模（1）继续下行直至成形吨位达到设定吨位，并在此状态下保压设定时间；
步骤5，上模（1）随压力机回程，通过压力机的下顶缸推动顶杆（4），顶杆（4）推动顶块（3），顶块（3）上行推动热挤压件脱模，得到带飞边的热挤压件；
步骤6，去除热挤压件的上部飞边和底部飞边，得到热挤压件；采用切边模具去除热挤压件的上部飞边和底部飞边，切边模具包括切边上模（5）、切边内模（6）和切边下模（7），切边上模（5）台阶结构，具有位于下方的一级切边（51）和位于上方的二级切边（52），一级切边（51）的外型面与所述热挤压件的内型面随形，二级切边（52）的外型面与所述热挤压件的外型面随形；所述切边内模（6）可拆卸内置于切边下模（7）中，切边内模（6）的内径小于所述热挤压件的外径且不小于所述热挤压件的内径，用于支撑所述热挤压件，并不干涉切边上模（5）的二级切边（52）；所述切边下模（7）的内型面与所述热挤压件的外型面随形；操作时，将热挤压件放置于切边模具中，切边上模（5）下行直到一级切边（51）切除热挤压件底部飞边，切边内模（6）下行，切边上模（5）下行直到二级切边（52）切除热挤压件的上部飞边，切边内模（6）上行，取出去除飞边后热挤压件，其中，切边内模（6）下行高度大于热挤压件上部飞边的厚度；
步骤7，对去除飞边后的热挤压件进行机械加工，获得最终近环形类构件。
2.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤1中，所述设计的热挤压件需要能够将最终产品近环形类构件包围在内，且在热挤压件上随意选取一处，确定此处内缘到中心点O的距离Drn即热挤压件的近似内径、外缘到中心点O的距离Drw即热挤压件的近似外径、对应位置处近环形类构件的内缘到中心点O的距离Dln即近环形类构件的近似内径、外缘到中心点O的距离Dlw即近环形类构件的近似外径，则0.004≦（Dln-Drn）/Dln≦0.02且（Dln-Drn）≧0.5mm，0.004≦（Drw-Dlw）/Dlw≦0.02且（Drw-Dlw）≧0.5mm。
3.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤1中，所述设计的热挤压件的内缘存在两条直线或近似直线相交的情况时，两条直线或近似直线交叉点处设计过渡圆角，确定两条直线或近似直线到中心点O的距离分别为D1和D2，该过渡圆角R满足：（D1+D2）/10≦R≦（D1+D2）/4。
4.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤2中，所述上模（1）和下模（2）通过位于上模（1）四角的凸台和位于下模（2）四角的凹槽实现互相定位和导向。
5.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤2中，所述顶块（3）的投影面的边缘与所述热挤压件的投影面的内缘相同。
6.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤2中，所述上模（1）和下模（2）中开设有圆柱形通孔，其中，分布于下模（2）的圆柱形通孔不与顶杆（4）干涉，所述上模（1）和下模（2）通过插入圆柱形通孔的加热管实施模具加热。
7.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤2中，所述飞边槽（22）的内径大于凹模直径。
8.根据权利要求7所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，飞边槽（22）的内径≥凹模直径+10mm。
9.根据权利要求7所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，飞边槽（22）至凹模之间加工过桥结构（23），过桥结构（23）用于控制金属材料向飞边槽的流动，使热挤压件充填到位。
10.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤3中，所述坯料的厚度δp=(0.3-0.8)δr，坯料的体积为Sp·δp=(1.1-1.3)Vr，Dpn＜Drn，Dpw＞Drw，其中δp为坯料的厚度，δr为热挤压件的厚度，Sp为坯料的表面积，Vr为热挤压件的体积，Dpn为坯料的近似内径，Drn为热挤压件的近似内径，Dpw为坯料的近似外径，Drw为热挤压件的近似外径。
11.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤4中，模具的加热温度Tm和坯料的加热温度Tp根据坯料材料进行选取，确定0≤Tp-Tm≤50℃；和/或
坯料的保温时间tp满足：1.5δp≤tp≤2δp，保温时间tp的单位为分钟，δp为坯料的厚度，单位为毫米；和/或
热挤压成形中，所述设定吨位P=（1.5~2.5）F·S，其中F为坯料在Tp温度下的流动应力，S为热挤压件的投影面积。
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