薄壁波纹盘柔性成形装置及使用其制造薄壁波纹盘的方法

摘要

本发明公开了一种薄壁波纹盘柔性成形装置及使用其制造薄壁波纹盘的方法，解决了薄壁波纹盘成形极限低和易开裂的难题。成形装置包括上下模、充液室、进液通道及接口组成；下模型面上开有与波纹盘形状相吻合的沟槽，设有与高能率充液装置连接的接口及高压液体的进液通道，形成封闭的高压液室。本发明提供了使用该装置制造薄壁波纹盘的柔性成形方法，通过采取分步级进式高能率冲击充液复合成形方法，提高了材料的成形极限。该成形方法属于动态能量成形，具有能量大、速度快、效率高的优点，采用该方法生产的产品成形精度高，生产成本低，并且能够成形出各种复杂特征的板材零件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄壁波纹盘结构件成形装置以及薄壁波纹盘制造方法。

背景技术

随着深空探索、载人航空的不断发展，航天飞行器所需要的功能越来越多，相应装配的天线、传感器数量也大幅增加，为保证这些功能设备互不干扰，且满足各自视场的要求，空间金属可展开式结构应此而生。空间金属可展开式结构是将金属箔材按照一定形式折叠，固定在航天器舱体，以折叠的状态进行发射，发射入轨后，在太空中对其进行充气，使折叠体积释放实现金属箔材的展开。空间金属充气可展开结构不需要转轴驱动机构，也不需要不需要固化环节，利用金属自有刚度即可保证结构整体刚度，成为航天器空间结构的重要结构形式之一。金属可展开结构包括两种工作状态，一种是折叠，另一种是展开。在航天器发射阶段，各监测/检测元件收拢固定在航天器舱体内隔离恶劣的超高温动力环境。当航天器运行到达指定轨道时，通过机构将其释放，伸展到工作位置。如图1、图2所示，为空间可展开结构的三维图，从图中可以看出，空间可展开壳体承力结构是由不锈钢薄板经机加、成形、焊接、装配而成，气动展开。具有重量小、刚性好、展开可靠性高等优点。金属可展开结构在展开过程中，需要符合等距变形原理，成形精度要求非常高，其中薄壁波纹盘是空间可展开结构中最重要的结构部件，在整个的变形过程中承担受力支撑和气动展开的作用，其中成形制造技术直接决定了该类结构的力学性能、寿命和应用效果，是研制该类结构所必须突破的关键制造技术。

薄壁波纹盘材料为304不锈钢，壁厚超薄仅为δ0.1mm，波纹数量多，成形精度要求非常高，如果采用传统的模压成形方法，成形过程中流料困难，波纹易起皱，同时极易产生破裂；而采用级进模连续冲压成形方法成形，所需的成形模具价格高，成形工序复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明公开一种薄壁波纹盘柔性成形装置及使用其制造薄壁波纹盘的方法，用于解决空间金属可展开结构的薄壁波纹盘传统成形过程中，板材流料困难，波纹易起皱，成形极限低和容易产生开裂的难题。

本发明所采用的技术方案是：一种薄壁波纹盘柔性成形装置，包括：上模和下模；下模上端面开有凹槽，凹槽底面开有与薄壁波纹盘成形后的形状相吻合的环形波纹沟槽；上模的下端与下模上端面的凹槽相配合，上模的下端面开有环形凹槽与环形波纹沟槽位置对应，当上模和下模对接后，上模下端面的凹槽与下模凹槽底面之间形成封闭的高压液室使得环形波纹沟槽位于高压液室内；在上模的侧面开有充液接口、进液通道，充液接口与进液通道的接头之间采用锥面密封，进液通道与高压液室连通。

所述上模与下模之间配合的侧接触面、上模的端面中部和边缘均开有密封沟槽，与下模凹槽之间使用O形橡胶密封圈进行密封。

一种制造薄壁波纹盘的方法，包括步骤如下：

步骤一、将上模和下模分别装在液压机的上平台和下平台上，分别用压板将上模和下模固定在液压机的上台面、下台面上；

步骤二、选择薄壁金属板材作为坯料，将坯料的一面涂抹润滑油，另一面不做处理；将润滑过的坯料放入下模，涂有润滑油的一侧朝向下模，未涂润滑油的一侧朝向上模，并将坯料的外轮廓与下模的外轮廓对齐；

步骤三、将上模下行使得上模和下模合模，施加压边力；

步骤四、将下模上环形波纹沟槽中除内侧的第一圈波纹沟槽外的其余波纹沟槽用密封泥封堵；

步骤五、利用高压液体在设定的时间内，通过上模的进液通道进入到高压液室内，高压液体以波的形式将高压液体脉冲作用在坯料上，形成待成形的薄壁波纹盘内侧的第一圈波纹；

步骤六、依次去除下模上环形波纹沟槽中从内侧第一圈波纹沟槽开始的波纹沟槽内的密封泥，重复步骤五，依次形成待成形的薄壁波纹盘的波纹圈，直至待成形的薄壁波纹盘上所有的波纹全部成形出来；

步骤七、将步骤六获得的成形完成后的波纹板从下模上取下来，进行退火处理，退火处理后再放到下模上，调整波纹板使得波纹板上的波纹与下模上的环形波纹沟槽一一对应；

步骤八、将上模和下模合模，利用高压液体在设定的时间内，通过上模的进液通道进入到高压液室内，高压液体以波的形式将高压液体脉冲作用在步骤七中获得的退火后的波纹板上；

步骤九、将步骤八中获得的波纹板取下，切除多余的部分形成带波纹的环形盘，对外轮廓和内轮廓边进行翻边处理，成形出薄壁波纹盘。

所述步骤三中施加的压边力Q按照下述公式计算：

Q＝KπD²q/4

其中，K为设定的系数，取值范围为1.1～1.4；D为坯料直径；q为单位压边力。

所述高压液体的压力峰值大于100MPa。

所述步骤五或步骤八中设定的时间小于1ms。

所述步骤五中，高压液体作用在坯料上使得坯料在不低于10^-3m/s的速度下变形并贴紧下模。

所述下模上端面开有凹槽，凹槽底面开有与薄壁波纹盘成形后的形状相吻合的环形波纹沟槽。

所述上模的下端与下模上端面的凹槽相配合，上模的下端面开有环形凹槽与环形波纹沟槽位置对应，当上模和下模对接后，上模下端面的凹槽与下模凹槽底面之间形成封闭的高压液室使得环形波纹沟槽位于高压液室内；在上模的侧面开有充液接口、进液通道，充液接口与进液通道的接头之间采用锥面密封，进液通道与高压液室连通。

所述上模与下模之间配合的侧接触面、上模的端面中部和边缘均开有密封沟槽，与下模凹槽之间使用O形橡胶密封圈进行密封。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明针对空间可展开结构的波纹盘壁厚薄(δ0.1mm)、波纹多、难成形的特点，创新性的提出了分步级进式高能率冲击充液复合成形方法，突破了高能率冲击充液加载控制和高压液体密封等关键技术，解决了该类薄壁结构成形极限低和易开裂的难题；

(2)本发明的制造方法通过柔性芯模设计和分步级进式成形工艺，确定了不同波纹的分步级进的成形顺序，采用每个波纹单独成形的方法，解决了成形过程中板材流料困难，波纹易起皱的难题，有效的控制了壁厚减薄率，提高了材料的成形极限；

(3)本发明的成形方法属于动态能量成形，与传统的模压成形方法相比，该成形方法不仅具有技术能量大、速度快、效率高的优点，而且采用该方法生产的产品成形精度高，生产成本低，并且能够成形出各种复杂特征的板材零件。在航空航天、汽车等领域中特种材料复杂构件制造，尤其是具有小特征尺寸的大型复杂曲面成形、整形等方面具有深远应用前景。

附图说明

图1为空间金属可展开结构示意图；

图2为金属薄壁波纹盘结构示意图；

图3为本发明的高能率冲击充液复合成形装置示意图；

图4为本发明的高能率冲击充液复合成形工艺流程图；

图5为本发明的分步级进式工艺中波纹成形顺序图；

图6为本发明成形出的波纹盘截面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做具体的介绍。

一种薄壁波纹盘柔性成形装置，如图3所示，包括上模1和下模2，在上模1与下模2之间用于放置薄壁金属板材3，在下模2上端面开有圆形凹槽，凹槽底面开有与薄壁波纹盘成形后的形状相吻合的环形波纹沟槽4；上模1的下端与下模2上端面的凹槽相配合，上模1的下端面开有圆环形凹槽与环形波纹沟槽4位置对应，当上模1和下模2对接后，上模1下端面的圆环形凹槽与下模2凹槽底面之间形成封闭的高压液室7使得环形波纹沟槽4位于高压液室7内，在上模1的侧面开有与高能率充液装置相结合的充液接口5及高压液体的进液通道6，进液通道6与高压液室7连通，充液接口5与进液通道6的接头之间采用锥面密封8。上模1与下模3之间配合的侧接触面、上模1的端面中部和边缘均开有密封沟槽，与下模3凹槽之间使用不同规格的O形橡胶密封圈9、10、11进行密封，用于成形过程中高能率液体的密封。

图4为本发明所述的工艺流程图，如图4所示，使用薄壁波纹盘柔性成形装置制造薄壁波纹盘的方法，包括如下步骤：

步骤一、将O形橡胶密封圈9、10、11装在上模1上，然后将上模1和下模2分别装在液压机的上下平台上，分别用压板将上模1和下模2固定在液压机的上下台面上；

步骤二、选择薄壁金属板材3作为坯料，将坯料的一面涂抹润滑油以减小摩擦力，另一面不做处理；将润滑过的坯料放入预成形模具下模2上，其中涂有润滑油的一侧朝向预成形模具的下模2，未涂油的一侧朝向预成形上模1，并将坯料3的外轮廓与下模2的外轮廓对齐；

步骤三、板料放置完毕后，预成形模具上模1下行，将上模1和下模2合模，然后增加一定数值的压边力，压边力大小Q可按照下述公式计算：

Q＝KπD²q/4

式中，Q—压边力；K—系数，取1.1～1.4；D—坯料直径；q—单位压边力，根据毛坯的材料确定，不锈钢材料取2.5～3；

步骤四、根据如图4所示的分步级进式成形工艺流程，确定波纹的成形顺序为从波纹盘的里侧到外侧依次成形，其示意图如图5所示，即：先成形波纹盘的内侧的第一个波纹，然后成形波纹盘内侧的第二个波纹，依次类推，最后成形波纹盘的最外侧的波纹。在成形第一个波纹的时候，需要将不成形的波纹的凹槽用密封泥封堵，如下步骤中详细的对成形顺序进行描述：

4.1、首先成形波纹盘的内侧的第一个波纹，在成形第一个波纹时候，需要将下模2上环形波纹沟槽4中除内侧的第一圈波纹沟槽外的其余波纹沟槽用密封泥封堵；

4.2、利用压力峰值大于100MPa的高压液体12，在低于1ms的极短时间内，通过上模1的进液通道6进入到高压液室7内，高压液体12经过进液通道6以波的形式将高压液体脉冲直接作用在金属坯料上，使金属坯料在不低于10^-3m/s的速度下变形和贴模，成形出内侧的第一圈波纹；

4.3、依次去除下模2上环形波纹沟槽4中从内侧第一圈波纹沟槽开始的波纹沟槽内的密封泥，重复步骤4.2，依次形成待成形的薄壁波纹盘的波纹圈，直至待成形的薄壁波纹盘上所有的波纹全部成形出来；

步骤五、将步骤四中成形完成后的波纹板从下模2上取下来，进行退火处理，退火处理后再放到下模2上，调整波纹板使得波纹板上的波纹与下模2上的环形波纹沟槽4一一对应；

步骤六、将上模1和下模2合模，利用压力峰值大于100MPa的高压液体，在低于1ms的极短时间内，通过上模1的进液通道6进入到高压液室7内，高压液体12经过进液通道6以波的形式将高压液体脉冲直接作用在退火后的波纹盘上，对成形后的波纹盘进行的高能量冲击，从而高压整形，最后成形出的完整零件，其示意图如图6所示；

步骤七、切除多余的工艺补充面形成带波纹的环形盘，然后将外轮廓和内轮廓进行翻边处理，成形出薄壁波纹盘，其示意图如图2所示。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。