专利名称：一种板材温热介质充液成形设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及充液热成形设备领域，具体来说，是一种板材温热介质充液成形设备。
背景技术：
充液热成形是21世纪初期提出的一种利用流体高压成形的先进柔性成形技术。若成形金属板材，则可采用某种高温传力介质，如高温橡胶等粘性介质、液态的等离子水和高温高压油、固态的特种粉末等作为软凸(凹)模，再用一刚性凹(凸)模，在传力介质的作用下使板材成形；若成形中空类管件，则多采用高温高压油和惰性气体等。碳钢、合金钢、不锈钢、铝合金、钛合金和铜合金等原则上具有一定塑性的材料均适用于充液热成形，尤其适合常温下难成形的招合金、镁合金、钛合金等材料的加工。实际生产中，招合金、镁合金温热充液成形介质可采用耐热油，镁合金成形配有防氧化工装，而钛合金充液热成形可采用铅铋等低熔点合金或惰性气体，同样要考虑防氧化问题。该技术可应用于汽车等民用领域、航空航天精密复杂构件、有特种功能和轻量化要求的军事设备等零件。板材充液热成形是一种非常适合于铝合金、镁合金等轻质材料加工的新型成形技术。目前，随着能源危 机、环保意识的提高，以及低碳生活意识的提出，为这种新型成形技术的发展提供了契机。板材充液热成形技术在国际上尚处于研究初期，没有成熟的经验可借鉴。其设备研发中的一些关键技术问题还需解决，国外也只有少数的实验室研发了一些简单的试验装置，且结构较为简单，多数以热胀形为主，难以实现复杂动作，无法进行复杂的工艺操作。公开号为CN2774673的实用新型专利《一种镁合金板材温热液压成形模具工装》，提出了于传统充液拉深设备基础上通过在压边圈与凹模对应位置处安装加热管以实现温热充液拉深工艺；公开号为CN102139304A的发明专利《点阵自阻电加热板料温热充液拉深成形方法》，提出在压边圈内部按点阵分布埋设针式电极通过电极和板料之间的接触电阻对坯料法兰处进行自阻电加热，以进行温热充液拉深。这两项专利仅在加热方式上有所区另O，加热位置均位于压边圈处，只对法兰部位材料进行加热，而且没有冷却装置，无法进行差温充液成形；且成形温度较低，材料适应性范围较窄，而且设备由于缺少冷却系统而无法长时间运行。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种板材温热介质充液成形设备，通过对设备的设计以及材料的选取，来最大限度地解决高温高压下等温/差温成形、设备密封及长时间工作问题，并能大大提高常温低塑性金属板料的成形极限，并能在很大程度上提高在常温下塑性差的金属板材的成形极限。本发明一种板材温热介质充液成形设备，包括机架、主缸、压边缸、炉体、加热板A、加热板B、加热板C、电热组件、增压器、凸模、凹模、压边圈与充液室。其中，机架由底座、立柱、上横梁、主缸横梁与压边横梁构成；立柱为η根，η >2，竖直固定在底板上，η根立柱间由上至下依次水平套接有上横梁、主缸横梁与压边横梁；上横梁与η根立柱间相对固定，而主缸横梁与压边横梁均与η根立柱间采用滑动连接；所述主缸及压边缸的缸体端均竖直固定在上横梁上，主缸与压边缸的伸缩端分别与主缸横梁、压边横梁固连。所述炉体设置在底座上，炉体内部侧壁与顶面上铺设有保温层；在炉体内侧壁周向均匀设置有电热组件，电热组件通过可控硅执行元件控制加热温度及加热功率；炉体内部底面上安装有隔热垫板；隔热垫板上表面由下至上依次固定安装有加热板Α、充液室、力口热板B ;凹模底部与充液室顶部固连；使凹模的内腔与充液室的充液腔连通；充液室与增压器的高压端连接并相通，增压器的低压端与油泵相连。所述凸模顶端与凸模连杆一端相连，凸模连杆另一端与主缸横梁固连，凸模位于凹模的内腔正上方；凸模连杆内部周向上开有循环冷却液体环腔B ;凸模连杆外壁上开有与循环冷却液体环腔B连通的进液通道B与出液通道B ;压边圈水平设置，使凸模底端位于通口内；压边圈顶面固定有加热板C，加热板C通过压边圈连杆与压边横梁固连；压边圈连杆内部开有循环冷却液体环腔C，以及与循环冷却液体环腔C相通的进液通道C和出液通道C0通过上述结构的板材温热介质充液成形设备在工作时，首先，通过增压器向充液室内部充液腔与凹模的内腔中充满高压液体，将预制好的板材放在凹模的顶面，随后控制主缸及压边缸的伸缩端伸长，分别带动压边横梁与主梁向下运动，直至压边圈将板材压在凸模顶面上，停止主缸与压边缸工作，完成合模过程。随后根据热电偶传感器反馈的温度信号按要求通过加热板Α、加热板B、加热板C与电热组件分别对凹模、充液室中高压液体、压边圈以及板材进行加热直至达到所需温度后，利用增压器向充液室与凹模的内腔中持续通入高压液体，对板材进行必要的预胀形，使凹模上表面处的板材胀起一定高度，当到达所需要的胀形高度时，控制凸模继续向下运行；由于增压器持续向充液室内通入高温高压液体，可产生板材成形时所需要的压力；同时，向凸模连杆、压边圈连杆、增压器中冷却液体流通段内通入冷却介质，保证设备不致温度过高而发生危险，提高设备持续运行时间；最终，板材受压而紧紧地贴靠在凸 模上，形成与凸模形状精确一致的零件。本发明的优点在于1、本发明板材温热介质充液成形设备，采用的充液热成形工艺，结合了热成形工艺及充液成形工艺优点，可以获得比传统热成形及常温充液成形更佳的成形性能；2、本发明板材温热介质充液成形设备，可以实现凸、凹模等温及差温充液成形，并且可以保证设备的长时间运转；3、本发明板材温热介质充液成形设备，在炉体的加热腔内设计有12个加热区，每个加热区由可控硅执行元件实现单独控制，可充分保证工作空间内温度场的均匀性；4、本发明板材温热介质充液成形设备，可实现不同温热介质的成形工艺，且成形温度较高，增压器供给常规耐热油时，加热温度可达300°C，更换热介质(低熔点合金、熔融态玻璃、陶瓷颗粒等)之后设备的成形温度可以达到1000°C ；5、本发明板材温热介质充液成形设备，采用的密封措施能保证高温下的油液处于密封状态。
图1为本发明板材温热介质充液成形设备结构示意图；图2为本发明板材温热介质充液成形设备中主缸、压边缸安装方式示意图；图3为本发明板材温热介质充液成形设备中增压器结构示意图；图4为本发明板材温热介质充液成形设备中凸模连杆结构示意图；图5为本发明板材温热介质充液成形设备中凸模结构以及与凸模顶杆间连接示意图。图中1-机架2-主缸3-压边缸4-炉体5-加热板A6-加热板B7_加热板C8_电热组件9-增压器10-凸模11-凹模12-压边圈
13-充液室14-底板15-隔热垫板16-收油盘17-凸模连杆18-压边圈连杆 19-压边横梁冷却板 20-挡油罩21-移动滚轮底盘 101-底座102-立柱103-上横梁104-主缸横梁105-压边横梁 801-电热体802-支撑管901-低压端油缸段 902-高压端油缸段903-冷却液体流通段 904-柱塞905-循环冷却水环腔A906-进液通道A907-出液通道A908-进液口 A909-进液口 B910-出液口1001-循环冷却液体环腔D1701-循环冷却液体环腔B1702-进液通道B1703-出液通道B
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。本发明板材温热介质充液成形设备，如图1、图2所示，包括通用双动液压机机架I以及主缸2、压边缸3、炉体4、加热板A5、加热板B6、加热板C7、电热组件8、增压器9、凸模
10、凹模11、压边圈12与充液室13。其中，机架I由底座101、立柱102、上横梁103、主缸横梁104与压边横梁105构成；立柱102为η根，η > 2，竖直固定在底板14上，η根立柱102间由上至下依次水平套接有上横梁103、主缸横梁104与压边横梁105 ;上横梁103与η根立柱102间相对固定，而主缸横梁104与压边横梁105均与η根立柱102间采用滑动连接，可沿η根立柱102轴向滑动。底座101下方安装有移动滚轮底盘21，便于板材温热介质充液成形设备的移动。所述主缸2及压边缸3分别用来驱动主缸横梁104与压边横梁105在行程范围内自由运动。其中，主缸2与压边缸3的缸体端均竖直固定在上横梁103上，主缸2与压边缸3的伸缩端分别与主缸横梁104、压边横梁105固连；由此通过主缸2与压边缸3的伸缩伸长或缩短，分别带动主缸横梁104与压边横梁105沿η根立柱102轴向做上下运动。所述炉体4通过底板14固定在底座101上，底板14起到承重、隔热作用，防止损坏底座101。炉体4内部为加热腔，炉体4内部侧壁与顶面上铺设有保温层，用于屏蔽加热腔内部热量与外部环境进行热交换，保证板材成形温度的准确性。在炉体4内侧壁周向均匀分布四套电热组件8，每套电热组件8由6个电热体801构成，6个电热体801沿竖直方向等间隔通过陶瓷支撑管802固定安装在保温层上，每个电热体801表面均安装有陶瓷保护套；由此以两个电热体801为一组，每套电热组件8可在炉体4内侧壁上形成三个加热区，使炉体4内侧壁上形成共12个加热区。各个电热体801均通过可控硅执行元件控制加热温度及加热功率，使每个电热体801工作温度可达到iooo°c。上述电热体801均采用插入式结构，可选用经济适用的铁、铬、铝等材料热体。炉体4内部工作腔底面上安装有陶瓷隔热垫板15，陶瓷隔热垫板15用来承受整个设备的工作时产生的压力，采用能够承受高温高压且具有较好绝热性能的材料，如硅酸铝陶瓷等；考虑到陶瓷隔热垫板15在不均匀压力情况下易发生裂纹的特性，因此在陶瓷隔热垫板15周向侧壁上加装金属容框，限制陶瓷隔热垫板15发生裂纹的倾向。所述陶瓷隔热垫板15上表面由下至上通过螺栓依次固定安装有加热板A5、充液室13、加热板B6 ;其中，充液室13内部为充液腔，顶部具有螺纹孔，用来连接凹模11 ;凹模11底部具有螺纹连接结构，内部具有内腔，凹模11底部螺纹连接结构穿过加热板B6与充液室13顶部螺纹孔螺纹连接固定，并通过紫铜垫片与密封圈实现密封，使凹模11的内腔与充液室13的充液腔连通。充液室13与柱塞式增压器9的高压端连接并相通，增压器9的低压端与油泵相连，通过增压器9用来向充液室13内部供给高压液体，保证充液室13中的油液压力值始终保持符合工艺路线；加热板A5与加热板B6内部均横向等间隔开有相互平行的贯通孔，内插采用不锈钢发热管材料的加热棒A，通过加热板A5与加热板B6为凹模11以及充液室13内部高压液体加温，保证加热板A5与加热板B6的加热区域达到足够的温度，且保持温度场的均匀性。所述凹模11周向上还安装有收油盘16，用于收集从板材成形过程中在凹模11顶面上形成的法兰结构下表面溢流出的油液。上述增压器9由高压端油缸段902、低压端油缸段901、冷却液体流通段903、柱塞904组成。其中，高压端油缸段902与低压端油缸段901通过冷却液体流通段903相连并相通，在低压端油缸段902内设置有柱塞904。上述低压端油缸段末端901开有进液口 A908 ；高压端油缸段902前端开有出液口 910 ;由此通过油泵可将常温液体由进液口 A908泵入到低压端油缸段901内，从而柱塞904可将高压油缸内油液加压，并从出液口 910泵出常温高压液体。由于增压器9注入到充液腔中的常温高压液体会通过炉体4内部加热器件加温，由此使增压器9内的常温液体温度也随之上升，为了防止油泵损坏，上述冷却液体流通段903内部周向上开有循环冷却液体环腔A905，冷却液体流通段903外壁上开有与循环冷却液体环腔A905连通的进液通道A906与出液通道A907，由此通过进液通道A906将冷却液体(水或油)注入循环冷却液体环腔A905后，由出液通道A907排出，如图3所示，由此可在实现在增压器9内的高温液体的冷却。上述低压端油缸段902前端侧壁上开有进液口 B909，在增压器9工作完毕后，可通过向进液口 B909向低压端油缸段前端输送常温液体，将柱塞归位(即使增压器9回到初始状态)。所述凸模10顶端螺纹连接在不锈钢材质的凸模连杆17 —端，凸模连杆17另一端与主缸横梁104间螺栓固连，凸模10位于凹模11的内腔正上方；凸模连杆17内部周向上开有循环冷却液体环腔B 1702;凸模连杆17外壁上开有与循环冷却液体环腔B 1702连通的进液通道B1702与出液通道B1703 ;通过进液通道B1702将冷却液体(水或油)注入循环冷却液体环腔B1701后，可由出液通道B1703排出，如图4所示，由此可防止主缸横梁104过热。压边圈12水平设置，使凸模10底端位于压边圈12的通口内；压边圈12顶面固定有加热板C7，加热板C7通过压边圈连杆18与压边横梁冷却板19相连，压边横梁冷却板19固定在压边横梁105上，由此实现压边圈12与压边横梁105间的相对定位，且压边横梁冷却板19内设计有冷却通道，通过注入冷却水，使压边横梁冷却板19可对压边横梁105进行冷却，防止压边横梁105过热。压边圈12周向与凸模连杆17、压边圈连杆18间设置有挡油罩20，通过挡油罩20防止在板材温热介质充液成形设备工作过程中的油液飞溅进入到炉体4内部。压边圈连杆18内部同样开有循环冷却液体环腔C，以及与循环冷却液体环腔C相通的进液通道C和出液通道C，与凸模连杆17相内部设计的循环冷却液体环腔B1701、进液通道B1702、出液通道B1703方式相同；通过进液通道C将冷却液体(水或油)注入循环冷却液体环腔C后可由出液通道C排出，由此进一步防止压边横梁105过热。所述加热板C7中同样横向等间隔开有贯通孔，内插采用不锈钢发热管材料的加热棒B。本发明中还包括电气控制单元、温度测量单元与压力测量单元构成的控制系统；其中，温度测量单元为热电偶传感器，用来测量炉体4内部与充液室13内的高温高压液体温度，将测得的温度信号发送到电气控制单元；压力测量单元用来测量充液室13内以及压边圈12与凹模11顶面间的压力，将测得的压力信号发送到电气控制单元；电气控制单元用来控制加热棒A、加热棒B与可控娃执行兀件的工作以及主缸2、压边缸3工作；由此电气控制单元根据接收到的温度信号，控制加热棒A与加热棒B的加热温度，通过控制可控硅执行元件调节各个电热体801的加热温度，从而保证成形过程中板材各处温度值符合制定的工艺路线；且电气控制单元还根据接收到的压力信号，控制主缸2与压边缸3的伸缩端伸缩长度，进而控制压边圈12与板材间的压力。下面对本发明板材温热介质充液成形设备的工作过程进行说明首先，通过增压器9向充液室13内部充液腔与凹模11的内腔中充满高压液体，将预制好的板材放在凹模11的顶面，随后通过液压控制系统控制主缸2及压边缸3的伸缩端伸长，分别带动压边横梁105与主梁向下运动，直至压边圈12将板材压在凸模10顶面上，停止主缸2与压边缸3工作，完成合模过程；上述合模过程中，根据压力传感器实时反馈的压力信号控制控制压边圈12对板材的压力大小适中，压紧板材，但并没有将板材压死在凸模10顶面上，板材有流动。随后根据热电偶传感器反馈的温度信号按要求通过加热板A5、加热板B6、加热板C7与电热组件8分别对凹模11、充液室13中高压液体、压边圈12以及板材进行加热直至达到所需温度后，利用增压器9向充液室13与凹模11的内腔中持续通入高压液体，对板材进行必要的预胀形，使凹模11上表面处的板材胀起一定高度，当到达所需要的胀形高度时，控制凸模10继续向下运行；由于增压器9持续向充液室13内通入高压液体，可产生板材成形时所需要的压力；同时，向凸模连杆17、压边圈连杆18、增压器9中冷却液体流通段903内通入冷却介质，保证设备不致温度过高而发生危险，提高设备持续运行时间；最终，板材受压而紧紧地贴靠在凸模10上，形成与凸模10形状精确一致的零件。本发明板材温热介质充液成形设备中还可在凸模10内部周向上设计循环冷却液体环腔D1001，如图5所示，使循环冷却液体环腔D1001与凸模连杆17中的循环冷却液体环腔B1701连通进而在板材温热介质充液成形设备工作过程中，通入循环冷却水时，进入到循环冷却液体环腔B1701内的冷却水也可进入到循环冷却液体环腔D1001中，实现凸模10的冷却，进而实现板材成形的差温成形工艺。上述凸模10内的循环冷却液体环腔D1001可事先加工成形，通过将凸模10内的循环冷却液体环腔D1001进行封堵或连通，进行等温成 形与差温成形工艺的切换。
权利要求
1.一种板材温热介质充液成形设备，其特征在于包括机架、主缸、压边缸、炉体、加热板A、加热板B、加热板C、电热组件、增压器、凸模、凹模、压边圈与充液室； 其中，机架由底座、立柱、上横梁、主缸横梁与压边横梁构成；立柱为η根，η >2，竖直固定在底板上，η根立柱间由上至下依次水平套接有上横梁、主缸横梁与压边横梁；上横梁与η根立柱间相对固定，而主缸横梁与压边横梁均与η根立柱间采用滑动连接；所述主缸及压边缸的缸体端均竖直固定在上横梁上，主缸与压边缸的伸缩端分别与主缸横梁、压边横梁固连； 所述炉体设置在底座上，炉体内部侧壁与顶面上铺设有保温层；在炉体内侧壁周向均匀设置有电热组件，电热组件通过可控硅执行元件控制加热温度及加热功率；炉体内部底面上安装有隔热垫板；隔热垫板上表面由下至上依次固定安装有加热板Α、充液室、加热板B ;凹模底部与充液室顶部固连；使凹模的内腔与充液室的充液腔连通；充液室与增压器的高压端连接并相通，增压器的低压端与油泵相连； 所述凸模顶端与凸模连杆一端相连，凸模连杆另一端与主缸横梁固连，凸模位于凹模的内腔正上方；凸模连杆内部周向上开有循环冷却液体环腔B ;凸模连杆外壁上开有与循环冷却液体环腔B连通的进液通道B与出液通道B ;压边圈水平设置，使凸模底端位于通口内；压边圈顶面固定有加热板C，加热板C通过压边圈连杆与压边横梁固连；压边圈连杆内部开有循环冷却液体环腔C，以及与循环冷却液体环腔C相通的进液通道C和出液通道C。
2.如权利要求1所述一种板材温热介质充液成形设备，其特征在于所述增压器由高压端油缸段、低压端油缸段、冷却液体流通段与柱塞组成；其中，高压端油缸段与低压端油缸段通过冷却液体流通段相连并相通，在低压端油缸段内设置有柱塞；低压端油缸段末端开有进液口 A ;高压端油缸端前端开有出液口 ；且低压端油缸段前端侧壁上开有进液口 B ；上述冷却液体流通段内部周向上开有循环冷却液体环腔Α，冷却液体流通段外壁上开有与循环冷却液体环腔A连通的进液通道A与出液通道Α。
3.如权利要求1所述一种板材温热介质充液成形设备，其特征在于所述凹模周向上安装有收油盘。
4.如权利要求1所述一种板材温热介质充液成形设备，其特征在于所述压边圈周向与凸模连杆、压边圈连杆间设置有挡油罩。
5.如权利要求1所述一种板材温热介质充液成形设备，其特征在于所述加热板Α、加热板B、加热板C内均横向等间隔开有贯通孔，内插加热棒。
6.如权利要求1所述一种板材温热介质充液成形设备，其特征在于所述凸模内部周向上设计循环冷却液体环腔D，使循环冷却液体环腔D与凸模连杆中的循环冷却液体环腔B连通。
7.如权利要求1所述一种板材温热介质充液成形设备，其特征在于所述凸模顶端凸模连杆间采用螺纹连接；凹模与充液室间采用螺纹连接，且通过紫铜垫片与密封圈实现密封。
8.如权利要求1所述一种板材温热介质充液成形设备，其特征在于所述电热组件为4套，每套电热组件由6个电热体构成，6个电热体沿竖直方向等间隔固定安装在保温层上。
9.如权利要求8所述一种板材温热介质充液成形设备，其特征在于所述电热体表面均安装有陶瓷保护套。
10.如权利要求1所述一种板材温热介质充液成形设备，其特征在于还包括由电气控制单元、温度测量单元与压力测量单元构成的控制系统；其中，温度测量单元为热电偶传感器，用来测量炉体内部与充液室内的高温高压液体温度，将测得的温度信号发送到电气控制单元；压力测量单元用来测量充液室内以及压边圈与凹模顶面间的压力，将测得的压力信号发送到电气控制单元；电气控制单元用来控制加热棒与可控硅执行元件的工作以及主缸、压边缸工作；由此电气控制单元根据接收到的温度信号，控制加热棒的加热温度，通过控制可控硅执行元件调节各个电热体的加热温度；且电气控制单元还根据接收到的压力信号，控制主缸与压边缸的伸缩端伸缩长度。
全文摘要
本发明公开一种板材温热介质充液成形设备，包括通用双动液压机机架、加热系统与板材充液成形装置；双动液压机机架用来安装与驱动板材充液成形装置工作；板材成形装置中通过炉体内部设置的加热系统为板材成形过程中提供热量；板材成形装置通过增压器为充液室提供高压液体；通过凸模与凹模间的相互配合实现板材成形过程中合模与成形过程；且本发明通过在板材成形中适当位置设计冷却水通道，实现相应的冷却功能；同时可实现等温及差温充液热成形工艺；本发明的优点为可最大限度地解决高温高压下等温/差温成形、设备密封及长时间工作问题，且可提高在常温下塑性差的金属板材的成形极限。
文档编号B21D37/16GK103056215SQ20121057972
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者郎利辉, 刘康宁, 蔡高参, 郭禅 申请人:北京航空航天大学