锥形件充液拉深成形时防止悬空区破裂的装置及成形方法

摘要

锥形件充液拉深成形时防止悬空区破裂的装置及成形方法，它涉及锥形件成形装置及成形方法。它解决了现有成形工艺悬空区胀形破裂的问题。本发明的装置的刚性压边圈(3)设在凹模(2)上方，刚性压边圈(3)内开有凹槽，柔性支撑环(5)设在凹槽内，凹模(2)设置在流体介质腔体(1)的上面，注液孔(9)与液压系统连接。成形方法为：一、腔体上的注液孔与液压系统连通；二、在凹模上方放置板材坯料；三、刚性压边圈向下移动并施加压边力；四、凸模向下移动至板材坯料随凸模拉入凹模内，即完成锥形件的成形。本发明实现了一道工序拉深成形高径比大、半锥角大的锥形件，避免了锥形件充液拉深悬空区破裂，节省工序、降低成本、提高了效率。

说明书

技术领域

本发明涉及锥形件充液拉深成形悬空区破裂的装置及成形方法。

背景技术

板材成形加工中，对于成形与凸模形状尺寸一致的高径比大于1的板材零件，普通拉深难以一次成形。目前通常采用流体作为传力介质来辅助成形加工，其原理是使板材在流体背压力作用下贴靠凸模，背压作用增强坯料与凸模的摩擦效果，形成有益摩擦力，可抵消凸模圆角处坯料的部分拉应力，提高变形坯料的承载能力，从而避免凸模圆角处材料的破裂，实现板材零件成形。以流体为传力介质的板材零件充液拉深成形技术以其工艺柔性高、制模简单、成形零件质量好等优点日益得到广泛的重视，能够克服常规冲压成形方式的不足，尤其适合在一道工序内成形变形量大的复杂板材零件。该工艺问世后，大高径比、型面复杂的零件已被应用到航空、汽车、电子产品等制造业中。近年来，随着高压液压系统和相关控制技术的发展，以流体为传力介质的板材成形技术在国内外得到了广泛应用并得以迅猛发展。由于许多新材料受板材成形性能以及成形技术本身的约束，对于高径比大、锥角大的锥形件，采用刚性压边装置的充液拉深在成形过程中会形成较大的悬空区。在压边圈施加一定压边力，拉深凸模以一定速度向下进行拉深，在液室(凹模)内的背压力的作用下进行充液拉深成形，形成悬空区。由于没有任何支撑，悬空区在液压作用下容易被胀破，所以施加的背压力大小受到限制，而锥形件拉深时要克服凸模底部圆角处的破裂，需要更大的背压力。所以，为避免悬空区破裂要降低背压力与为克服凸模圆角处破裂需要增大背压力二者产生矛盾，施加的背压力大小受到限制，在一道工序仍无法实现较深或者锥角大的零件的成形。而多道次成形不仅造成加工成本增加、加工周期延长，而且多道成形的累积，影响零件壁厚的均匀性，无法满足航空、航天领域特殊使用条件对零件壁厚、气动力学性能等方面的要求。

发明内容

本发明为了解决现有成形技术对于高径比大、锥角大的锥形件，采用刚性压边装置的充液拉深在成形过程中会形成较大的悬空区，在压边圈施加一定压边力，拉深凸模以一定速度向下进行拉深，在液室(凹模)内的背压力的作用下进行充液拉深成形，受悬空区胀形破裂因素的影响，施加的背压力大小受到限制，靠一道工序仍无法实现较深或者锥角大的零件的成形，多道次成形增加成本、加工周期延长，而且多道成形的累积，影响零件壁厚均匀性的问题，提供了一种锥形件充液拉深成形时防止悬空区破裂的装置及成形方法，解决上述问题的具体技术方案如下：

本发明防止悬空区破裂的装置，它包含流体介质腔体1、凹模2、刚性压边圈3、凸模4和柔性支撑环5，凹模2设置在流体介质腔体1的上方，凹模2的下平面与流体介质腔体1的上平面固定连接，刚性压边圈3设在凹模2的上方，刚性压边圈3内环开有凹槽，柔性支撑环5设在凹槽内，板材坯料6放置在刚性压边圈3与凹模2之间，流体介质腔体1的上表面中心处开有口的介质腔8，流体介质腔体1的左下方设有与介质腔8相通的注液孔9，注液孔9与液压系统连通。

柔性支撑环5采用橡胶材料。

采用本发明的装置进行充液拉深锥形件成形的方法，该方法的步骤如下：

步骤一、首先将腔体1上的注液孔9与液压系统连接，然后向介质腔8内注入流体介质10；

步骤二、然后在凹模2上表面放置预成形板材坯料6；

步骤三、通过液压机的压边缸控制刚性压边圈3向下移动至与成形板材坯料6的上平面相接触，并施加压边力，压边力的大小为刚性压边圈3、凹模2之间的板材坯料6所受到夹持部分的法兰区面积与单位压边力的乘积；

步骤四、通过液压机的主缸控制凸模4向下移动，施加到凸模4上的力大于凸模最大截面面积与反向压力的乘积，凸模4与成形板材坯料6接触后，继续下压，同时通过液压系统对腔体1内的流体介质10加压使其对成形板材坯料6产生反向压力，反向压力控制在15Mpa～25Mpa，直到成形板材坯料6随凸模4进入凹模2内，反向压力卸载，即完成锥形件充液拉深成形。

本发明由于柔性支撑环辅助充液拉深成形，在柔性支撑环5的支撑作用下，允许施加更大的背压力进行充液拉深，更大的背压力使得坯料法兰区下表面形成润滑油膜，减小坯料与凹模2间的摩擦，使坯料表面得到充分保护，成形零件不易划伤，提高零件表面质量；坯料法兰区的流体润滑降低变形坯料的径向拉应力，避免拉深零件底部圆角处的破裂，提高了成形极限、改善零件壁厚的均匀性；本发明对铝合金AL1100材料进行锥形件成形，反向压力可由15Mpa提高到25Mpa，直径为100mm，锥形件半锥角由8°提高到了15°，零件贴模性、形状稳定性好，反向压力卸载后回弹小，成形零件精度高。实现了一道工序拉深成形高径比大、半锥角大的锥形件，显著节省工序、降低成本，提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明成形轴对称锥形件的示意图，图2是具体实施方式五成形非轴对称的半锥形件的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1描述本实施方式。本实施方式由流体介质腔体1、凹模2、刚性压边圈3、凸模4和柔性支撑环5组成，凹模2设置在流体介质腔体1的上方，凹模2的下平面与流体介质腔体1的上平面固定连接，刚性压边圈3设在凹模2的上方，刚性压边圈3内环开有凹槽，柔性支撑环5设在凹槽内，柔性支撑环5采用聚氨酯橡胶材料，板材坯料6放置在刚性压边圈3与凹模2之间，流体介质腔体1的上表面中心处开有口的介质腔8，流体介质腔体1的左下方设有与介质腔8相通的注液孔9，注液孔9与液压系统相连通。

柔性支撑环5的形状根据锥形件的形状设计。

具体实施方式二：结合图1描述本实施方式。本实施方式的凹模2及柔性支撑环5上都设有供凸模4通过的内孔，所述凸模4的最大外径小于刚性压边圈3和凹模2的内孔径。保证凸模4的上下移动进行拉深。

具体实施方式三：结合图1描述本实施方式。本实施方式的凹模2内孔径与凸模4最大外径的尺寸差大于成形板材坯料6的厚度。使板材坯料6压入凹模2内时而不破裂。

具体实施方式四：结合图1描述本实施方式。本实施方式的柔性支撑环5的内锥孔与凸模4的锥度相同。凸模4通过时对其进行均匀径向压缩，使其向刚性压边圈3内凹槽中移动。

实际操作中，只需控制凸模4外径与凹模2内孔径的尺寸差是欲成形板件厚度的1.1倍即可，当然此数值也可以略大或略小，都能实现本发明的目的。

具体实施方式五：结合图1描述本实施方式。本实施方式还含有密封圈7，密封圈7设在凹模2的下平面与流体介质腔体1上端内侧。

具体实施方式六：结合图2描述本实施方式。本实施方式的柔性支撑环5的内孔为非轴对称的半锥形件。

具体实施方式七：本实施方式成形方法的步骤如下：

步骤一、首先将腔体1上的注液孔9与液压系统连通，然后向介质腔8内注入流体介质10；

步骤二、然后在凹模2上表面放置预成形板材坯料6；

步骤三、通过液压机的压边缸控制刚性压边圈3和凹槽内的柔性支撑环5共同向下移动至与成形板材坯料6的上平面相接触，并施加压边力F，压边力F的大小为刚性压边圈3、凹模2之间的坯料6所受到夹持部分的面积与单位压边力的乘积(如铝合金单位压边力为1～1.5Mpa)；施加压边力的目的在于避免板材坯料法兰区拉深时起皱。

刚性压边圈3的凹槽内设置柔性支撑环5起到压边和支撑刚性压边圈3与凸模4之间的坯料悬空区的作用，避免起皱和破裂；

步骤四、通过液压机的主缸控制凸模4向下移动，施加到凸模4上的力大于凸模最大截面面积与反向压力P的乘积，凸模4向下移动与成形板材坯料6接触，后继续下压，同时通过液压系统对腔体1内的流体介质10加压使其对成形板材坯料6产生反向压力，反向压力控制在15Mpa～25Mpa，直到成形板材坯料6压入凹模2内，反向压力卸载，将凸模4和刚性压边圈3向上移动，取出所成形零件，即完成锥形件充液拉深成形。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤四中的反向压力P为20Mpa。

避免板材坯料6在凸模4与刚性压边圈3之间的间隙中产生悬空区胀形破裂；来自流体介质容腔内的背压力使板材坯料6紧紧贴在凸模4上，在凸模与坯料之间建立起了有益的摩擦；在一定压边力作用下坯料6法兰区建立起流体润滑，减小径向拉应力，避免坯料在凸模4底部拉裂。上述因素能提高非轴对称的半锥形板材零件的成形极限，避免悬空区背压力作用下胀形破裂。对于需要多道次成形的零件来讲，显著节省工序，降低成本。

该装置的工作原理：

该装置安装在液压机上，液压机主滑块连接装置中的凸模4，驱动其向下运动，进行拉深；柔性支撑环5的内孔与凸模4外形相当，凸模4下行拉深时穿过柔性支撑环5的内孔，并对其进行径向压缩，内孔逐渐扩大并向刚性压边圈5内部的凹槽扩展；液压机压边滑块与刚性压边圈3连接，以施加压边力，流体介质腔体1的左下方开有与介质腔10相通的液体注入孔9，液体注入孔9与液压系统连接控制背压力的实施。