一种高温合金拉弯曲面筒形零件成形装置及回弹控制方法

摘要

本发明涉及一种高温合金拉弯曲面筒形零件成形装置及回弹控制方法，包括型模、加载模、介质仓和柱塞，开设有型腔的型模套接在加载模外，型模与加载模之间套接有筒坯料，介质仓固连在型模底部，柱塞滑动连接在介质仓与加载模内，加载模内开设有注入通道，注入通道内填充有粘性介质，加载模与型腔相对的弧面上开设有若干个输出通道，输出通道与注入通道相通，输出通道口径大小随型腔的径向深度增大而减小，输出通道沿轴向分布的数量随型腔的轴向长度增大而增多，本发明具有通过加载模注入通道尺寸的差异控制粘性介质压力加载和卸载方式，使高温合金筒形零件成形后内部应力分布均匀，实现控制拉弯成形回弹的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及板料成形技术领域，尤其涉及一种高温合金拉弯曲面筒形零件成形装置及回弹控制方法。

背景技术

高温合金拉弯曲面筒形零件是航空、航天领域中常用的典型薄壁壳体零件，如图1所示，其主要特征为径向呈“V”型弯曲形式，考虑到壁厚均匀性，坯料要由两端轴向流入“V”型变形区，变形流动过程坯料在径向受到拉应力和弯曲的作用，变形后由于坯料厚度方向应力分布的差异，极易发生弹性恢复，尺寸精度降低，是这类零件具有的共性难题，成形前、后材料变形控制较为困难。

常规的冲压成形在弯矩作用下使坯料发生弯曲变形后截面应力分布如图2(a)所示，卸载时相当于对坯料施加一个假想的反向弹性弯矩，弹性弯矩在截面内引起的应力分布如图2(b)所示，图2(a)和2(b)的合成应力即为卸载后自由状态下截面内的残余应力，如图2(c)所示，卸载后坯料截面内残余应力较大且分布不均匀，会产生较大的回弹，在变形区域的顶点附近易产生回弹较大，因此常规的冲压成形无法解决此类高温合金筒形零件成形后回弹严重的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供了一种高温合金拉弯曲面筒形零件成形装置及回弹控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高温合金拉弯曲面筒形零件成形装置及回弹控制方法，包括型模、加载模、介质仓和柱塞，开设有型腔的型模套接在加载模外，型模与加载模之间套接有筒坯料，介质仓固连在型模底部，柱塞滑动连接在介质仓与加载模内，加载模内开设有注入通道，注入通道内填充有粘性介质，其中，加载模与型腔相对的弧面上开设有若干个输出通道，输出通道与注入通道相通，输出通道口径大小随型腔的径向深度增大而减小，输出通道沿轴向分布的数量随型腔的轴向长度增大而增多。

通过采用上述技术方案，根据高温合金拉弯曲面筒形零件主要特征，选择不同分子量的粘性介质，利用不同分子量的粘性介质压力分布特征不同的原理，并通过粘性介质加载和卸载通道直径的差异，控制粘性介质对拉弯曲面筒形零件的压力非均匀分布，使零件成形前后坯料内应力分布均匀，实现对这类零件的回弹进行控制。

作为对本发明的进一步说明，优选地，若干个输出通道的各个口径为Φ_i，型腔的最大径向深度为H，型腔各部分的径向深度为h_i，型腔的最大轴向长度为L，筒坯料的厚度为t，则有：

其中，

通过采用上述技术方案，利用上述公式可在已知型腔的各项尺寸时得出相应的输出通道的尺寸，且通过各项实验得知由此公式计算出的输出通道口径在实际零件成形过程中，能使零件回弹率降到最低。

作为对本发明的进一步说明，优选地，单一型腔一侧的输出通道沿轴向分布的数量为n，则有：

通过采用上述技术方案，能使输出通道的数量达到最优值，既不因数量过多而使加载模结构强度降低，又不会因数量过少而影响对筒坯料的加载，保证筒坯料能完全贴合模具型腔内且受力均匀，并能最大化减少残余应力的产生。

作为对本发明的进一步说明，优选地，型腔的最大轴向长度为L与型腔的最大径向深度为H的比值λ的取值范围为1.0～5.0。

通过采用上述技术方案，使成形装置能够适配不同形状和规格的型腔，进而能生产出不同的高温合金拉弯曲面筒性零件，使成形装置具有极高的实用性。

作为对本发明的进一步说明，优选地，

在λ＝1.0～2.0时，粘性介质的分子量选用范围为810kg/mol～900kg/mol；

在λ＝2.1～3.0时，粘性介质的分子量选用范围为710kg/mol～800kg/mol；

在λ＝3.1～4.0时，粘性介质的分子量选用范围为610kg/mol～700kg/mol；

在λ＝4.1～5.0时，粘性介质的分子量选用范围为500kg/mol～600kg/mol。

通过采用上述技术方案，对不同形状和规格的型腔采用不同分子量的粘性介质，可针对性地解决在不同型腔内，筒坯料内外层的应力应变不同导致卸载后残余应力不同的问题，能使筒坯料在不同的形状和规格的型腔内均能实现残余应力降到最低的效果。

作为对本发明的进一步说明，优选地，单一型腔一侧的输出通道沿圆周方向的同一平面内分布数量为16～24个。

通过采用上述技术方案，能有效保障筒坯料在圆周方向受力均匀，进而能使成形后的零件结构规整且规格尺寸符合设计要求。

作为对本发明的进一步说明，优选地，筒坯料采用镍基高温合金材料或不锈钢材料，筒坯料的厚度范围为0.2～0.3mm。

通过采用上述技术方案，选用合适材料和厚度的筒坯料，不仅能使筒坯料更易成形，还能很好地降低成形后零件内应力、消除弹复、提高尺寸精度，成形装置结构稳定，一举两得。

作为对本发明的进一步说明，优选地，注入通道的宽度范围为15～50mm。

通过采用上述技术方案，不仅使粘性介质能稳定流动，还可相应地减少成形装置在水平方向的围度，进而降低制造成本和占用的空间，使成形装置更为轻巧。

本发明还提供一种高温合金拉弯曲面筒形零件成形回弹控制方法，包括以下步骤：

I.将筒坯料安装到型模与加载模之间，随后向注入通道内注入粘性介质；

Ⅱ.由柱塞向上运动以加载粘性介质，使粘性介质通过输出通道作用在筒坯料上，使筒坯料逐渐变形与型模的型腔贴合；

Ⅲ.成形结束后，柱塞以速度V缓慢下行，使型模内压力缓慢下降；

Ⅳ.待型模内压力降为零时，取出成形零件。

通过采用上述技术方案，成形过程简单，有效降低操作难度，无需对模具进行补偿，节省资源成本和时间成本，使成形装置易于普及到绝大多数成形制造环境中。

作为对本发明的进一步说明，优选地，柱塞下行的速度V的取值范围为0.001mm/s～0.005mm/s。

通过采用上述技术方案，缓慢的下行速度能有效释放筒坯料的残余应力，使筒坯料不易产生回弹。

实施本发明的，具有以下有益效果：

1、本发明通过粘性介质加载注入通道尺寸的差异控制压力加载方式和卸载方式，使高温合金筒形零件成形后内部应力分布均匀，实现控制成形后回弹的目的；

2、本发明的控制回弹过程操作简单，无需对模具进行补偿，节省资源成本和时间成本。

附图说明

图1是本发明的成形零件结构图；

图2是零件刚模成形时弯曲变形区域卸载过程的板料截面应力变化图；

图3是本发明的高温合金拉弯曲面筒形零件成形模具结构图；

图4是图3中A的成形前放大图；

图5是图3中A的成形后放大图；

图6是图3中B-B的剖视图；

图7是图3中C-C的剖视图；

图8是本发明的零件刚模成形时弯曲变形区域卸载过程的板料截面应力变化图。

附图标记说明：

1、型模；11、型腔；2、加载模；21、注入通道；22、输出通道；3、介质仓；4、柱塞；5、粘性介质；6、筒坯料。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种高温合金拉弯曲面筒形零件成形装置及回弹控制方法，如图3所示，包括型模1、加载模2、介质仓3和柱塞4，开设有型腔11的型模1套接在加载模2外，型模1与加载模2之间套接有筒坯料6，筒坯料6采用镍基高温合金材料，例如GH738、GH3030、GH3044和GH4169，筒坯料6还可采用不锈钢材料，例如304、310、314和330号不锈钢，筒坯料6的厚度范围为0.2～0.3mm，选用合适材料和厚度的筒坯料6，不仅能使筒坯料6更易成形，还能很好地降低成形后的零件内应力、消除弹复、提高尺寸精度，成形装置结构稳定，一举两得；介质仓3固连在型模1底部，柱塞4滑动连接在介质仓3与加载模2内。

结合图1、图3，型模1内的型腔11形状和尺寸与拉弯曲面筒形零件形状和尺寸相同，且均为圆弧状，加载模2为中空柱状体，加载模2中部开设有环形筒状的注入通道21，注入通道21的宽度范围为15～50mm，不仅使粘性介质5能稳定流动，还可相应地减少成形装置在水平方向的围度，进而降低制造成本和占用的空间，使成形装置更为轻巧；加载模2与型腔11相对的弧面上开设有圆孔形的输出通道22，输出通道22一端与注入通道21相通，输出通道22另一端与筒坯料6相抵接，注入通道21和输出通道22内填充有粘性介质5。

结合图3、图4，单一型腔11一侧的输出通道沿圆周方向的同一平面内分布数量为16～24个，能有效保障筒坯料6在圆周方向受力均匀，进而能使成形后的零件结构规整且规格尺寸符合设计要求；输出通道22在单一型腔11内沿轴向方向的数量为多个，其中输出通道22口径大小随型腔11的径向深度增大而减小，且满足以下关系：

其中，

Φ_i为在单一型腔11内输出通道22的各个口径；

L为单一型腔11的最大轴向长度；

h_i为单一型腔11内各部分的径向深度；

H为单一型腔11的最大径向深度；

λ为单一型腔11的最大轴向长度L与此型腔11的最大径向深度H的比值；

t为筒坯料6的厚度。

同时，设单一型腔11内的输出通道22在轴线方向上的数量为n，则有：

其中，

Φ_max是指单一型腔11内所有输出通道22中最大口径尺寸；

Φ_min是指单一型腔11内所有输出通道22中最小口径尺寸；

L是指单一型腔11的轴向长度。

结合图6、图7，将单一型腔11内的输出通道22设置成不同口径，且位于变形区域顶点附近正对的输出通道22直径较小，则卸载过程中则该处粘性介质5压力降低缓慢，粘性介质5会持续对该处筒坯料6产生较高的压力，而从变形区中心到边缘处的输出通道22直径逐渐增大，相应的粘性介质5压力从变形区中心到边缘处逐渐减小，引起卸载时粘性介质5压力在板材表面形成非均匀分布，对比图2和图8，促使板材内部应力均匀化，从而实现降低回弹的作用；同时利用上述公式可在已知型腔11的各项尺寸时即可得出相应的输出通道22的尺寸，还得出型腔11轴向长度与输出通道22之间的关系，在进行不同形状和规格的零件成形时无需进行多次实验，直接通过测量计算即可得出结果，极大地节省研发成本。

结合图4、图5和图8，以具有5个输出通道22的型腔11为例，设其直径大小分别为Φ₁、Φ₂、Φ₃、Φ₄、Φ₅，且Φ₁>Φ₂>Φ₃<Φ₄<Φ₅，卸载时型腔11顶点附近易产生较大回弹，由于直径Φ₃较小，则此注入通道出口的粘性介质5压力降低较小，压力较高(P₁<P₂<P₃>P₄>P₅)，卸载过程中该处的粘性介质5持续对该处筒坯料6产生较高压力，从而可以抑制回弹；对比图2，由上述实验得知，通过上述公式计算出的输出通道22口径在实际零件成形过程中，能使零件回弹率降到最低，且通过计算能使输出通道22的数量达到最优值，既不因数量过多而使加载模2结构强度降低，又不会因数量过少而影响对筒坯料6的加载，保证筒坯料6能完全贴合模具型腔11内且受力均匀，并能最大化减少残余应力的产生。

λ的取值范围为1.0～5.0，且有：

在λ＝1.0～2.0时，粘性介质的分子量选用范围为810kg/mol～900kg/mol；

在λ＝2.1～3.0时，粘性介质的分子量选用范围为710kg/mol～800kg/mol；

在λ＝3.1～4.0时，粘性介质的分子量选用范围为610kg/mol～700kg/mol；

在λ＝4.1～5.0时，粘性介质的分子量选用范围为500kg/mol～600kg/mol。

λ的取值不同，则表明型腔11的形状和规格不同，通过对不同形状和规格的型腔11采用不同分子量的粘性介质5，可针对性地解决在不同型腔11内，筒坯料6内外层的应力应变不同导致卸载后残余应力不同的问题，能使筒坯料6在不同的形状和规格的型腔11内均能实现残余应力降到最低的效果，且λ取值范围大，使成形装置能够适配不同形状和规格的型腔11，进而能生产出不同的高温合金拉弯曲面筒性零件，使成形装置具有极高的实用性。

本发明还提供一种高温合金拉弯曲面筒形零件成形回弹控制方法，包括以下步骤：

I.将筒坯料6安装到型模1与加载模2之间，随后向注入通道22内注入粘性介质5；

Ⅱ.由柱塞4向上运动以加载粘性介质5，使粘性介质5通过输出通道22作用在筒坯料6上，使筒坯料6逐渐变形与型模1的型腔11贴合；

Ⅲ.成形结束后，柱塞4以速度V缓慢下行，所述速度V的取值范围为0.001mm/s～0.005mm/s，使型模1内压力缓慢下降，缓慢的下行速度能有效释放筒坯料6的残余应力，使筒坯料6不易产生回弹；

Ⅳ.待型模1内压力降为零时，取出成形零件。

综上，本发明根据高温合金拉弯曲面筒形零件主要特征，选择不同分子量的粘性介质5，利用不同分子量的粘性介质5压力分布特征不同的原理，并通过粘性介质5加载和卸载的输出通道22直径的差异，控制粘性介质5对拉弯曲面筒形零件的压力非均匀分布，使零件成形前后坯料内应力分布均匀，实现对这类零件的回弹进行控制；且成形过程简单，有效降低操作难度，无需对模具进行补偿，节省资源成本和时间成本，使成形装置易于普及到绝大多数成形制造环境中。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。