专利名称：变阶面空心构件挤压成形装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种空心构件挤压成形装置及方法。
背景技术：
航空航天、汽车等领域迫切需要减轻质量以节约能源、降低排放，应对能源危机和环保压力。轻量化是实现节能减排的有效手段之一，也是提高飞机、汽车等运载工具性能的重要手段。实现轻量化设计的主要途径是采用轻质材料和轻体结构。材料轻量化主要通过选择铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等轻质材料的途径来实现。结构轻量化设计主要通过采用空心变截面、变厚度薄壁壳体和整体结构等，以及优化零件的形状、尺寸和壁厚分布等，以有效地发挥结构的功能，提高结构整体刚度及安全性。通过结构优化实现轻量化主要指根据载荷分布情况，进行合理的变截面设计，其中，变厚度搭配和以空代实是实现变截面的两种主要途径。变厚度是指在保证强度的基础上，通过合理的厚度组合，适应不同的载荷以减轻结构质量。对于承受非均布载荷的构件，根据载荷分布特征，在不同部位设计出相应厚度。在满足使用强度的前提下，与等厚度设计相比，变厚度设计可显著节约材料；以空代实是指采用空心结构代替实心结构。与实心结构相比，空心结构可充分发挥材料的抗扭和抗弯性能。以一个实心梁和空心梁比较而言，在保证强度相同的条件下，采用空心变截面结构，其质量由实心结构的46.2kg减少到空心结构的16.8kg，减重64%，因此，变截面设计既保证了强度要求，又达到了节约材料、减轻重量的目的。由于轻质材料本身的难成形性及轻量化结构的复杂性，给成形技术的研究与发展提出了新的挑战。轻量化成形技术的研究、发展与应用不仅赋予零件复杂的形状与尺寸及高性能，并已成为支撑国民经济发展与国防建设的重要支撑技术之一。轻量化成形的能力、水平和技术经济指标已成为衡量国家先进制造技术、工业化发展水平和重大技术装备自主创新能力的主要标志之一。综上可知，变阶面空心构件成形分别实现了连续阶变的截面形状和空心构件成形的先进制造技术，几乎能满足轻量化的所有要求，近年来发展迅速，在汽车制造和航空航天等诸多领域得到广泛应用。目前，管材液压成形方法常用于变截面空心构件的加工制造，但过于依赖专用设备，且成形后构件的壁厚均匀性也较差难以满足使用要求；挤压工艺也可用于变截面构件的成形，但通过对挤压模口部的导向模施加水平运动的来控制挤出制品形状仅适用于截面形状单侧变化构件的制造，对于空心变截面构件成形而言，几乎是无能为力。
发明内容
本发明的目的是提供一种变阶面空心构件挤压成形装置及方法，为解决目前变阶面空心构件制造流程复杂、所需中间处理工序多、成本高、品质性能控制困难的问题。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:方案一:所述装置包括冲头、挤压筒、穿孔针、底座、芯模和一组过渡模，芯模和一组过渡模由下至上依次安装在挤压筒内且一组过渡模和芯模同轴设置，一组过渡模的型腔和芯模的型腔组合形成连续的变截面的轴向台阶形挤压模型腔，冲头装在挤压筒的上方且二者间隙配合，穿孔针的一端与冲头的下端面固接，穿孔针的另一端穿过轴向台阶形挤压模型腔后设在芯模的外部，挤压筒的底部设在底座上；方案二:所述方法包括如下步骤:步骤一、将挤压筒固定在底座上；步骤二、将一组过渡模和芯模由下至上安装在挤压筒内，并置于底座上；步骤三、将需挤压的环形坯料置于挤压筒内且位于一组过渡模上；步骤四、将固定有穿孔针的冲头下移至挤压筒内，且置于环形坯料上，穿孔针一次穿过环形坯料的预制孔、轴向台阶形挤压模型腔后设在芯模的外部；步骤五、对冲头施加压力使其下行，环形坯料发生塑性变形并依次从芯模的模口及一组过渡模挤出；步骤六、撤去芯模，继续对冲头施加压力下行，环形坯料依次从一组过渡模的模口挤出；步骤七、撤去一组过渡模中位于最底端的一个；步骤八、继续对冲头施加压力下行，环形坯料依次从剩余的过渡模的模口挤出；步骤九、重复步骤七和八；步骤十、继续对冲头施加压力下行，直至环形坯料从最后一个过渡模的模口挤出，即制得成形材料；方案三:所述装置包括冲头、挤压筒、穿孔针、底座、芯模、一级过渡模和二级过渡模，芯模、一级过渡模和二级过渡模由下至上依次安装在挤压筒内且三者同轴设置，芯模、一级过渡模和二级过渡模的型腔组合形成连续的变截面的轴向台阶形挤压模型腔，冲头装在挤压筒的上方且二者间隙配合，穿孔针由第一段、第二段和第三段连接制成一体，其中第一段的外径小于第二段的外径，第二段的外径小于第三段的外径，穿孔针的第三段的一端装在冲头的内孔中且二者同轴设置，穿孔针的第一段的一端穿过轴向台阶形挤压模型腔后设在芯模的外部，挤压筒的底部设在底座上。方案四:所述方法包括如下步骤:步骤一、将挤压筒固定在底座上；步骤二、将芯模、一级过渡模和二级过渡模由下至上安装在挤压筒内，并置于底座上；步骤三、将需挤压的环形坯料置于挤压筒内且位于二级过渡模上；步骤四、将冲头下移至挤压筒内，置于环形坯料上，穿孔针依次穿过环形坯料、轴向台阶形挤压模型腔后，并使穿孔针的第一段的底端设在芯模的外部；步骤五、对冲头施加压力使其下行，环形坯料发生塑性变形并依次从芯模的模口、一级过渡模的模口以及二级过渡模的模口挤出，此时穿孔针的第一段起作用；六、撤去芯模，调整穿孔针位移，使穿孔针的第二段的底端设在一级过渡模的外部；七、继续对冲头施加压力下行，环形坯料依次从一级过渡模和二级过渡模的模口挤出，此时穿孔针的第二段起作用；八、撤去一级过渡模，调整穿孔针位移，使穿孔针的第三段的底端设在二级过渡模的外部；九、继续对冲头施加压力下行，环形坯料从二级过渡模的模口挤出，即制的成形材料。有益效果:与传统机械加工方法相比，利用该方法成形获得的构件流线呈连续分布，力学性能得到了显著改善，材料利用率高；解决了液压成形方法制造此类构件时必需专用设备、局部壁厚过度减薄、构件尺寸受到严格限制等技术瓶颈。该方法易实施，生产效率也明显提闻。本发明的创新之处在于通过在挤压过程进行的同时更换不同结构的芯模，并与穿孔针配合使用，可改变挤出制品的形状特征，并获得与几何形状一致的流线分布，壁厚均匀性和综合力学性能均得到显著提高。利用本发明实现的变阶面空心构件的形状取决于芯模口部和穿孔针的截面形状。本发明所述芯模为可拆分的组合式结构，穿孔针为梯度变化的结构。随着坯料的挤出成型，逐次移除部分芯模，并与穿孔针配合使用。由于模口截面形状和尺寸的连续变化，挤出制品特征也随之呈现连续变化分布。使用本发明所述装置及方法可实现在一套装置直接挤压成形并获得所需变阶面空心构件。本发明方法具有如下优点:一、通过一次挤压即可直接成形连续变阶面空心型材，得到具有轻量化结构特征的轻质材料构件；二、可成形全纤维高性能的挤压制品，提高了构件整体的结构强度、性能及可靠性；三、通过更换模具可获得沿轴线上截面为圆形或异形且呈阶变特征的空心型材；四、无需后续机械加工处理、工艺流程短、材料利用率高；五、本发明装置结构简单，技术理论成熟、成本也较低，便于在生产中实施、推广和应用。
图1是具体实施方式
二的整体结构主视图，图2是具体实施方式
四成形过程图，图3是成形材料的结构示意图，图4是成形材料的A-A剖视图(一组过渡模和芯模5的型腔截面均为正五边形)，图5是成形材料的A-A剖视图(一组过渡模和芯模5的型腔截面均为正四边形)，图6是成形材料的A-A剖视图(一组过渡模和芯模5的型腔截面均为圆形)，图7是方案三的整体结构主视图，图8是方案四成形过程图，图9是方案四成形材料的结构示意图，图10是成形材料的B-B剖视图(一组过渡模和芯模5的型腔截面均为正五边形)，图11是成形材料的B-B剖视图(一组过渡模和芯模5的型腔截面均为正四边形)，图12是成形材料的B-B剖视图(一组过渡模和芯模5的型腔截面均为圆形)。
具体实施例方式具体实施方式
一:本实施方式的所述装置包括冲头1、挤压筒2、穿孔针3、底座4、芯模5和一组过渡模,芯模5和一组过渡模由下至上依次安装在挤压筒2内且一组过渡模和芯模5同轴设置，一组过渡模的型腔和芯模5的型腔组合形成连续的变截面的轴向台阶形挤压模型腔9，冲头I装在挤压筒2的上方且二者间隙配合，穿孔针3的一端与冲头I的下端面固接，穿孔针3的另一端穿过轴向台阶形挤压模型腔9后设在芯模5的外部，挤压筒2的底部设在底座4上。
具体实施方式
二:结合图1说明本实施方式，本实施方式的一组过渡模的数量为1-4个，当过渡模的数量为2时，装置包括冲头1、挤压筒2、穿孔针3、底座4、芯模5、一级过渡模6和二级过渡模7，芯模5、一级过渡模6和二级过渡模7由下至上依次安装在挤压筒2内且三者同轴设置，芯模5、一级过渡模6和二级过渡模7的型腔组合形成连续的变截面的轴向台阶形挤压模型腔9，冲头I装在挤压筒2的上方且二者间隙配合，穿孔针3的一端与冲头I的下端面固接，穿孔针3的另一端穿过轴向台阶形挤压模型腔9后设在芯模5的外部，挤压筒2的底部设在底座4上。其它实施方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三:结合图4-图6说明本实施方式,本实施方式的一组过渡模和芯模7的型腔截面均为圆形或正N边形，当一组过渡模和芯模5的型腔截面均为正五边形时，成形产品的截面均为正五边形；参见图4，当一组过渡模和芯模5的型腔截面均为正四边形时，成形产品的截面均为正四边形，参见图5 ;当一组过渡模和芯模5的型腔截面均为圆形时，成形产品的截面均为圆形，参见图6。其它实施方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四:本实施方式的一组过渡模包括一级过渡模6和二级过渡模7, —级过渡模6为圆形、二级过渡模7为正N边形、芯模5为正M边形，其中N为大于等于4的偶数，M为大于等于4的偶数；二级过渡模7为圆形、一级过渡模6为正N边形、芯模5为正M边形，其中N为大于等于4的偶数，M为大于等于4的偶数；一级过渡模6为正M边形、二级过渡模7为正N边形、芯模5为圆形，其中N为大于等于4的偶数，M为大于等于4的偶数。其它实施方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五:本实施方式的方法包括如下步骤:步骤一、将挤压筒2固定在底座4上；步骤二、将一组过渡模和芯模5由下至上安装在挤压筒2内，并置于底座4上；步骤三、将需挤压的环形坯料8置于挤压筒2内且位于一组过渡模上；步骤四、将固定有穿孔针3的冲头I下移至挤压筒2内，且置于环形坯料8上，穿孔针3 —次穿过环形坯料8的预制孔、轴向台阶形挤压模型腔9后设在芯模5的外部；步骤五、对冲头I施加压力使其下行，环形坯料8发生塑性变形并依次从芯模5的模口及一组过渡模挤出；步骤六、撤去芯模5，继续对冲头I施加压力下行，环形坯料8依次从一组过渡模的模口挤出；步骤七、撤去一组过渡模中位于最底端的一个；步骤八、继续对冲头I施加压力下行，环形坯料8依次从剩余的过渡模的模口挤出；步骤九、重复步骤七和八；步骤十、继续对冲头I施加压力下行，直至环形坯料8从最后一个过渡模的模口挤出，即制得成形材料。结合图2说明本实施方式，当一组过渡模包括一级过渡模6和二级过渡模7时，所述方法包括如下步骤:步骤一、将挤压筒2固定在底座4上；步骤二、将芯模5、一级过渡模6和二级过渡模7由下至上安装在挤压筒2内，并置于底座4上；步骤三、将需挤压的环形坯料8置于挤压筒2内且位于二级过渡模7上；步骤四、将固定有穿孔针3的冲头I下移至挤压筒2内，且置于环形坯料8上，穿孔针3 —次穿过环形坯料8的预制孔、轴向台阶形挤压模型腔9后设在芯模5的外部；步骤五、对冲头I施加压力使其下行，环形坯料8发生塑性变形并依次从二级过渡模7的模口、一级过渡模6的模口以及芯模5的模口挤出；六、撤去芯模5 ;七、继续对冲头I施加压力下行，环形坯料8依次从二级过渡模7的模口和一级过渡模6的模口挤出；八、撤去一级过渡模6 ;九、继续对冲头I施加压力下行，环形坯料8从二级过渡模7的模口挤出，即制得成形材料。
具体实施方式
六:结合图7说明本实施方式，本实施方式的所述装置包括冲头1、挤压筒2、穿孔针、底座4、芯模5、一级过渡模6和二级过渡模7，芯模5、一级过渡模6和二级过渡模7由下至上依次安装在挤压筒2内且三者同轴设置，芯模5、一级过渡模6和二级过渡模7的型腔组合形成连续的变截面的轴向台阶形挤压模型腔9，冲头I装在挤压筒2的上方且二者间隙配合，穿孔针由第一段3-1、第二段3-2和第三段3-3连接制成一体，其中第一段3-1的外径小于第二段3-2的外径，第二段3-2的外径小于第三段3-3的外径，穿孔针的第三段3-3的一端装在冲头I的内孔中且二者同轴设置，穿孔针的第一段的一端穿过轴向台阶形挤压模型腔9后设在芯模5的外部，挤压筒2的底部设在底座4上。
具体实施方式
七:结合图10-图12说明本实施方式，本实施方式的一级过渡模6、二级过渡模7和芯模(5)的型腔的截面均为圆形或正N边形，当一级过渡模5、二级过渡模6和芯模7的型腔截面均为正五边形时，成形产品的截面均为正五边形；参见图10，当一级过渡模5、二级过渡模6和芯模7的型腔截面均为正四边形时，成形产品的截面均为正四边形，参见图11 ;当一级过渡模5、二级过渡模6和芯模7的型腔截面均为圆形时，成形产品的截面均为圆形，参见图12。其它实施方式与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
八:，本实施方式的一级过渡模6为圆形、二级过渡模7为正N边形、芯模5为正M边形，其中N为大于等于4的偶数，M为大于等于4的偶数；二级过渡模7为圆形、一级过渡模7为正N边形、芯模5为正M边形，其中N为大于等于4的偶数，M为大于等于4的偶数；一级过渡模6为正M边形、二级过渡模7为正N边形、芯模5为圆形，其中N为大于等于4的偶数，M为大于等于4的偶数。其它实施方式与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
九:，结合图8说明本实施方式，本实施方式的所述方法包括如下步骤:步骤一、将挤压筒2固定在底座4上；步骤二、将芯模5、一级过渡模6和二级过渡模7由下至上安装在挤压筒2内，并置于底座4上；步骤三、将需挤压的环形坯料8置于挤压筒2内且位于二级过渡模7上；步骤四、将冲头I下移至挤压筒2内，置于环形坯料8上，穿孔针依次穿过环形坯料8、轴向台阶形挤压模型腔9后，并使穿孔针的第一段3-1的底端设在芯模5的外部；步骤五、对冲头I施加压力使其下行，环形坯料8发生塑性变形并依次从芯模5的模口、一级过渡模6的模口以及二级过渡模7的模口挤出，此时穿孔针的第一段3-1起作用；六、撤去芯模5，调整穿孔针位移，使穿孔针的第二段3-2的底端设在一级过渡模6的外部；七、继续对冲头I施加压力下行，环形坯料8依次从一级过渡模6和二级过渡模7的模口挤出，此时穿孔针的第二段3-2起作用；八、撤去一级过渡模6，调整穿孔针位移，使穿孔针的第三段3-3的底端设在二级过渡模7的外部；九、继续对冲头I施加压力下行，环形坯料8从二级过渡模7的模口挤出，即制的成形材料。
权利要求
1.一种变阶面空心构件挤压成形装置，其特征在于所述装置包括冲头(I)、挤压筒(2)、穿孔针(3)、底座(4)、芯模(5)和一组过渡模，芯模(5)和一组过渡模由下至上依次安装在挤压筒⑵内且一组过渡模和芯模(5)同轴设置，一组过渡模的型腔和芯模(5)的型腔组合形成连续的变截面的轴向台阶形挤压模型腔(9)，冲头(I)装在挤压筒(2)的上方且二者间隙配合，穿孔针(3)的一端与冲头(I)的下端面固接，穿孔针(3)的另一端穿过轴向台阶形挤压模型腔(9)后设在芯模(5)的外部，挤压筒(2)的底部设在底座(4)上。
2.根据权利要求1所述变阶面空心构件挤压成形装置，其特征在于一组过渡模的数量为1-4个。
3.根据权利要求2所述变阶面空心构件挤压成形装置，其特征在于一组过渡模和芯模(5)的型腔截面均为圆形或正N边形。
4.根据权利要求2所述变阶面空心构件挤压成形装置，其特征在于一组过渡模包括一级过渡模(6)和二级过渡模(7)，一级过渡模(6)为圆形、二级过渡模(7)为正N边形、芯模(5)为正M边形，其中N为大于等于4的偶数，M为大于等于4的偶数；二级过渡模(7)为圆形、一级过渡模6为正N边形、芯模(5)为正M边形，其中N为大于等于4的偶数，M为大于等于4的偶数；一级过渡模(6)为正M边形、二级过渡模(7)为正N边形、芯模(5)为圆形，其中N为大于等于4的偶数，M为 大于等于4的偶数。
5.一种采用权利要求1所述变阶面空心构件挤压成形装置的成形方法，其特征在于所述方法包括如下步骤:步骤一、将挤压筒(2)固定在底座(4)上；步骤二、将一组过渡模和芯模(5)由下至上安装在挤压筒(2)内，并置于底座(4)上；步骤三、将需挤压的环形坯料(8)置于挤压筒(2)内且位于一组过渡模上；步骤四、将固定有穿孔针(3)的冲头(I)下移至挤压筒(2)内，且置于环形坯料(8)上，穿孔针(3) —次穿过环形坯料(8)的预制孔、轴向台阶形挤压模型腔(9)后设在芯模(5)的外部；步骤五、对冲头(I)施加压力使其下行，环形坯料(8)发生塑性变形并依次从芯模(5)的模口及一组过渡模挤出；步骤六、撤去芯模(5)，继续对冲头⑴施加压力下行，环形坯料⑶依次从一组过渡模的模口挤出；步骤七、撤去一组过渡模中位于最底端的一个；步骤八、继续对冲头(I)施加压力下行，环形坯料(8)依次从剩余的过渡模的模口挤出；步骤九、重复步骤七和八；步骤十、继续对冲头(I)施加压力下行，直至环形坯料(8)从最后一个过渡模的模口挤出，即制得成形材料。
6.一种变阶面空心构件挤压成形装置，其特征在于所述装置包括冲头(I)、挤压筒(2)、穿孔针、底座(4)、芯模(5)、一级过渡模(6)和二级过渡模(7)，芯模(5)、一级过渡模(6)和二级过渡模(7)由下至上依次安装在挤压筒(2)内且三者同轴设置，芯模(5)、一级过渡模(6)和二级过渡模(7)的型腔组合形成连续的变截面的轴向台阶形挤压模型腔(9)，冲头(I)装在挤压筒(2)的上方且二者间隙配合，穿孔针由第一段(3-1)、第二段(3-2)和第三段(3-3)连接制成一体，其中第一段(3-1)的外径小于第二段(3-2)的外径，第二段(3-2)的外径小于第三段(3-3)的外径，穿孔针的第三段(3-3)的一端装在冲头(I)的内孔中且二者同轴设置，穿孔针的第一段的一端穿过轴向台阶形挤压模型腔(9)后设在芯模(5)的外部，挤压筒(2)的底部设在底座(4)上。
7.根据权利要求6所述变阶面空心构件挤压成形装置，其特征在于一级过渡模6、二级过渡模7和芯模(5)的型腔的截面均为圆形或正N边形。
8.根据权利要求6所述变阶面空心构件挤压成形装置，其特征在于一级过渡模(6)为圆形、二级过渡模(7)为正N边形、芯模(5)为正M边形，其中N为大于等于4的偶数，M为大于等于4的偶数；二级过渡模(7)为圆形、一级过渡模7为正N边形、芯模(5)为正M边形，其中N为大于等于4的偶数，M为大于等于4的偶数；一级过渡模(6)为正M边形、二级过渡模(7)为正N边形、芯模(5)为圆形，其中N为大于等于4的偶数，M为大于等于4的偶数。
9.一种采用权利要求6所述变阶面空心构件挤压成形装置的成形方法，其特征在于所述方法包括如下步骤:步骤一、将挤压筒(2)固定在底座(4)上；步骤二、将芯模(5)、一级过渡模(6)和二级过渡模(7)由下至上安装在挤压筒(2)内，并置于底座(4)上；步骤三、将需挤压的环形坯料(8)置于挤压筒(2)内且位于二级过渡模(7)上；步骤四、将冲头(I)下移至挤压筒(2)内，置于环形坯料(8)上，穿孔针依次穿过环形坯料(8)、轴向台阶形挤压模型腔(9)后，并使穿孔针的第一段(3-1)的底端设在芯模(5)的外部；步骤五、对冲头(I)施加压力使其下行，环形坯料(8)发生塑性变形并依次从芯模(5)的模口、一级过渡模(6)的模口以及二级过渡模(7)的模口挤出，此时穿孔针的第一段(3-1)起作用；六、撤去芯模(5)，调整穿孔针位移，使穿孔针的第二段(3-2)的底端设在一级过渡模￠)的外部；七、继续对冲头(I)施加压力下行，环形坯料(8)依次从一级过渡模(6)和二级过渡模(7)的模口挤出，此时穿孔针的第二段(3-2)起作用；八、撤去一级过渡模￠)，调整穿孔针位移，使穿孔针的第三段(3-3)的底端设在二级过渡模(7)的外部；九、继续对冲头(I)施加压力下行，环形坯料⑶从 二级过渡模(7)的模口挤出，即制的成形材料。
全文摘要
变阶面空心构件挤压成形装置及方法，它涉及一种空心构件挤压成形装置及方法。该装置及方法解决目前变阶面空心构件制造流程复杂、所需中间处理工序多、成本高、品质性能控制困难的问题。方案一芯模和一组过渡模由下至上依次安装在挤压筒内且一组过渡模和芯模同轴设置；方案二将一组过渡模和芯模由下至上安装在挤压筒内；对冲头施加压力使其下行，环形坯料从最后一个过渡模的模口挤出，即制得成形材料；方案三穿孔针由第一段、第二段和第三段连接制成一体；方案四将一组过渡模和芯模由下至上安装在挤压筒内，并置于底座上；对冲头施加压力使其下行，环形坯料从最后一个过渡模的模口挤出。本发明用于空心构件成形。
文档编号B21C23/18GK103191950SQ20131011527
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者李峰, 李巍, 隋小冲, 石玮 申请人:哈尔滨理工大学