一种叉形不等直径套管成型模具及成型工艺的制作方法

本发明涉及叉形套管成型技术领域，具体涉及一种叉形不等直径套管成型模具及成型工艺。

背景技术：

航空发动机上加热空气导管叉形套管的结构如图1所示，该零件需将半边叉形管经钣料压制成型后再焊接而成，一个套管上有3条对接焊缝，从图1中可以看出，该零件开叉角度小且不等直径，采取传统模具及工艺压型时，45°交叉处钣料处于局部弯曲、拉伸、压型贴膜的状态，材料受力流动方向复杂。冲压成型过程中原坯料会由于局部接触点在直径较大的一侧，而使直径较小一侧的坯料处于悬空状态而失稳，导致成型出现偏移、起皱、开裂等问题，无法顺利成型，影响发动机导管试制。并且在成型过程中，成型工艺选取，坯料的尺寸，压制参数等均会对最终套管的质量产生很大影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种叉形不等直径套管成型模具及成型工艺，以解决现有叉形套管成型过程中出现的偏移、起皱、开裂等问题，提高叉形套管成型效率和成型质量。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种叉形不等直径套管成型模具，包括：相对设置的第一模板和第二模板以及分别设置在第一模板和第二模板上的凸模和凹模；凸模包括：第一凸块以及第二凸块，第一凸块的直径大于第二凸块的直径，第二凸块倾斜设置在第一凸块的一侧，并且第二凸块的一端与第一凸块连接，凹模上设有与第一凸块以及第二凸块相配合的第一成型凹槽和第二成型凹槽；成型模具还包括与第一模板平行设置的托料板，托料板上设有与凸模的轮廓相匹配的通孔，托料板通过通孔滑动套设在凸模上，托料板上设有多个挡料销，凹模上设有与挡料销相配合的让开孔，托料板下表面对应的第一模板上设有顶出通孔。

该成型模具中第一模板和第二模板用于设置用于成型的凸模和凹模，第一模板和第二模板设置在冲压或者液压装置上，在装置的动力下将第二模板推向第一模板，使凹模与凸模配合将板件压制成型；凸模包括不等直径的两个凸块，其外轮廓与最终产品相匹配，由于第一凸块的直径较大，第二凸块的直径较小，则当凹模向凸模运动时，平板坯料的局部接触点在较大直径处，而较小直径处的平板坯料处于悬空状态而失稳，因此在第一模板上设置托料板，托料板上设置通孔，凸模穿过第一通孔固定第一模板上，对凸模的外缘的平板坯料起到支撑作用，托料板上的挡料销可以将平板坯料固定住，从而避免平板坯料位于较小直径处处于悬空状态，并且减少坯料成型过程中的滑移，并且在压制过程中，托料板通过顶出通孔与液压机等压力装置上的顶杆连接使托料板与第一模板滑动设置，可以随第二模板向下移动，可在成型全过程中对坯料起到支撑限位作用。该模具上取消了导向装置，工作过程中由凸凹模自导向找正。自导向找正的原理是基于凸凹模型面及转接型面在添加料厚后能够贴合，合模过程中各个型面互相限位，从而达到自找正。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，第一凸块和第二凸块靠近凹模的一面为圆弧面，第一凸块的轴线和第二凸块的轴线之间的夹角为45°。

第一凸块和第二凸块的上表面为成型面，其为圆弧面，且其轴线夹角为45°，与最终所需产品的参数相匹配。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，凸模和凹模之间的配合间隙为1.07～1.1mm。

凸模和凹模之间的间隙为坯料提供成型空间。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，凸模和凹模的材质均为crwmn，硬度为hrc55－60；凸模和凹模的工作面的表面粗糙度不大于ra0.8，第一模板和第二模板的材质均为45#钢，硬度为hrc32－38。

凸模和凹模采用硬度为hrc55－60的crwmn材质时，其强度可以满足产品成型需求，并且凸模和凹模的工作表面粗糙度在ra0.8以下时，可以保证零件表面较好的成型质量。

一种基于上述叉形不等直径套管成型模具的叉形不等直径套管成型工艺，包括以下步骤：

s1、坯料预处理：选择冷轧板材，并将板材进行固溶处理；

s2、坯料切割：将步骤s1中经过固溶处理的板材采用激光进行切割，得到与1/2叉形不等直径套管展开形态相同的坯料；

s3、压制成型：将步骤s2切割所得坯料放入到第一模板和第二模板之间，启动机器，下压第二模板并对切割所得坯料压制成型，得到1/2叉形不等直径套管；

s4、校形：对1/2叉形不等直径套管校形；

s5、焊接成型：将两个1/2叉形不等直径套管相对进行焊接得到叉形不等直径套管。

航空发动机钣金导管零件常用的材料有：奥氏体不锈钢和变形高温合金等，奥氏体不锈钢和变形高温合金板材通常在固溶态时具有较低的抗拉强度、硬度及较好的塑形，利于成型，因此在步骤s1中将金属坯料进行固溶处理，使坯料达到固溶态；通过步骤s2将坯料切割成与零件展开形态相同的形状，在步骤s2中采用激光切割，激光切割方式对调整坯料形状及尺寸方便、快捷；在步骤s3中利用上述成型模具对切割好的坯料进行压制成型，在采用上述成型模具时，托料板以及托料板上的挡料销可以对坯料起到良好的支撑和固定作用，避免坯料在直径较小的一侧悬空，避免坯料滑移，从而提高压制成型质量；压制成型后，钣金零件的成型过程实质上是材料发生塑性变形的过程，塑性变形后随着残余应力的释放，在首次成型后会存在一定的回弹，针对产生回弹的问题，在成型时虽然可以通过将回弹量预加在成型模上的方式消除回弹产生的影响，但由于该零件的弯曲角已达到180°，预加回弹会导致零件无法贴凹模，同样影响尺寸精度，因此，在本方案中，在压制成型后，根据回弹情况后再增加一次校形，以确保尺寸稳定及提高精度。

将两个1/2叉形不等直径套管通过焊接形成一个完整套管。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，在步骤s2和步骤s3之间还包括步骤s21：去除切割所得坯料周边的重熔层，并对交叉部位转接处进行顺滑、倒圆以及抛光处理。

为防止交叉敏感部位出现裂纹，需要在切割后压制前对坯料进行处理，除了要对坯料周边的重熔层去除，还需要重点对交叉部位转接处进行顺滑、倒圆以及抛光处理，以避免交叉部位出现裂纹。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，在步骤s2中，切割所得的坯料在两个叉形管直径径向外侧边及交叉部位转接处均预留20～25mm加工余量。

坯料需要留出一定的压边面积，根据该零件的结构特点，成型时选择在三个材料易于流动部位进行压边，即两处直径径向外延处及交叉部位转接处。坯料尺寸应按零件展开尺寸在压边处预加20～25mm余量准备坯料，坯料余量在20～25mm范围内时，既可以满足需求，又不会余量因为太大而影响成型过程中材料流动，更利于成型。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，在步骤s3中，第二模板的下压速度为：2～4mm/s；成型压力为：30～50t。

模具的下压速度决定着材料的变形速度，变形速度太快时，材料的塑性下降，不利于成型；而变形速度过低时，塑形反而下降。选择较大的成型压力，卸载后回弹较小，且利于消除皱纹，因此选择模具下压速度为2～4mm/s；成型压力：30～50t。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，在步骤s4中，校形压力为50～80t。

校形压力选择50～80t，可以满足校形需求。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，在步骤s5中采用直流氩弧焊机，焊接参数为：焊接电流：30a～40a，焊丝直径φ1.2mm～φ1.5mm，氩气流量：8～10l/min，同时在管内腔通氩气保护。

叉形不等直径套管成型工艺要求，需将套管圆度控制在0.3以内。但该钣金焊接管在焊接后圆度远远达不到要求，除了增加校形外，还需严格控制焊接变形。针对焊接变形，采取了在约束状态下焊接，且同时尽量减少热输入，保证ⅱ级焊缝的质量要求。通过对焊接设备及参数优选，并开展了工艺验证，在上述工艺参数条件下，焊接质量可达到要求。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种叉形不等直径套管成型模具及成型工艺，该成型模具设有托料板，托料板上设有挡料销，在成型过程中可以对坯料起到支撑和固定作用，避免坯料悬空以及滑移，提高压制成型质量，并且还能在成型后将零件从凸模上顶出；该成型工艺包括步骤s1～s5，加工工艺选取以及加工参数选取均可降低零件交叉处偏移、起皱、开裂等风险，成型效率高，成型质量好。

附图说明

图1为航空发动机上加热空气导管叉形套管的结构示意图；

图2为本发明中叉形不等直径套管成型模具的纵截面剖视结构示意图；

图3为本发明的第一模板与凸模以及托料板组装结构的俯视结构示意图；

图4为本发明的凹模的仰视结构示意图；

图5为本发明中托料板的俯视结构示意图；

图6为本发明中切割后坯料的结构示意图；

图7为本发明中坯料在压制过程中物料的流动结构示意图。

其中：1－第一模板；11－顶出通孔；2－第二模板；3－凸模；31－第一凸块；32－第二凸块；4－凹模；42－第一成型凹槽；43－第二成型凹槽；43－让开孔；5－托料板；51－通孔；52－挡料销。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

参照图2，一种叉形不等直径套管成型模具，包括：相对设置的第一模板1和第二模板2以及分别设置在第一模板1和第二模板2上的凸模3和凹模4，在本实施例中，凸模3和凹模4分别通过螺钉固定在第一模板1和第二模板2上；凸模3和凹模4之间的配合间隙为1.07mm，在本发明的其他实施例中，凸模3和凹模4之间的配合间隙还可以为1.07～1.1mm之间的任意值，该配合间隙与所需成型的坯料厚度成正比。参照图3，凸模3包括：直径较大的第一凸块31以及直径较小的第二凸块32，第二凸块32倾斜设置在第一凸块31的一侧，并且第二凸块32的一端与第一凸块31连接，第一凸块31和第二凸块32整体成型凸模3的工作面，避免零件表面出现压痕。第一凸块31和第二凸块32靠近凹模4的一面为圆弧面，第一凸块31的轴线和第二凸块32的轴线之间的夹角为45°，在本实施例中，第一凸块31上端面的圆弧的直径为60mm，第二凸块32上端面的圆弧的直径为48mm。参照图4，凹模4上设有与第一凸块31以及第二凸块32相配合的第一成型凹槽41和第二成型凹槽42，第一凹槽41和第二凹槽42分别与第一凸块31以及第二凸块32相匹配不包括其长度方向，而是指其成型面，在本实施例中，第一凹槽41和第二凹槽42的长度均大于第一凸块31与第二凸块32的长度。

参照图5，成型模具还包括与第一模板1平行设置的托料板5，托料板5上设有与凸模3的外轮廓相匹配的通孔51，托料板5通过该通孔51滑动套设在凸模3上，托料板5可以相对于凸模3滑动，托料板5上设有三个挡料销52，其中两个挡料销52设置在第一凸块31的外侧，另一个挡料销52设置在第一凸块31远离第二凸块32一端的内侧，从而使挡料销52对位于第一凸块31一侧的坯料起到更好的固定作用，凹模4上设有与挡料销52相配合的让开孔43。托料板5下表面的第一模板1上设有顶出通孔11，顶出通孔11的设置位置应与液压机上的顶出孔的位置相匹配。

本实施例中的成型模具所适用的平板坯料为壁厚1mm的不锈钢1cr18ni9ti、防锈铝lf21等可用于钣金成型的材质，凸模3和凹模4采用crwmn，硬度为hrc60，凸模3和凹模4的工作面的表面粗糙度为ra0.8，第一模板1和第二模板2采用45#钢，硬度为hrc38。在本发明的其他实施例中，凸模3和凹模4的硬度还可以为hrc55－60之间的任意值，凸模3和凹模4的工作面的表面粗糙度还可以小于ra0.8，第一模板1和第二模板2的硬度还可以为hrc32－38之间的任意值。

一种叉形不等直径套管成型工艺，包括以下步骤：

s1、坯料预处理：选择冷轧板材，并将板材进行固溶处理；在本实施例中，板材为厚度为1mm的1cr18ni9ti板材；

s2、坯料切割：将步骤s1中经过固溶处理的板材采用激光进行切割，得到与1/2叉形不等直径套管展开形态相同的坯料，切割后坯料的形状和尺寸如图6所示，三个箭头所指的位置，即切割所得的坯料在两个叉形管直径径向外侧边及交叉部位转接处均设有20mm加工余量。

s21：去除切割所得坯料周边的重熔层，并对交叉部位转接处进行顺滑、倒圆以及抛光处理，顺滑采用什锦锉，抛光采用金相砂纸。

s3、压制成型：将步骤s2切割所得坯料通过上述成型模具压制成型，得到1/2叉形不等直径套管；压制过程中，坯料各个部位材料的流向如图7所示。

成型模具安装及压制过程为：将第一模板1使用压板固定在液压机上，并保证液压机平台上的顶出孔与第一模板上的顶出通孔11相对应，再将液压机上平台下移至与第二模板2接触，将第二模板2通过压板装夹在液压机的上平台的相应位置。在本实施例中，采用200t具备拉伸功能的四柱开式液压机。

工作过程：模具装夹好后，开模，将铜皮取出，将设备的上平台上移至便于操作的位置，使用设备上的顶出装置将托料板5升至上平面与凸模3最高处齐平或略高，在托料板5上放入预制好的坯料，上平台下移，当凹模4平面与托料板上5的坯料接触后，此时形成一定的压边力，继续下压时，凹模4与凸模3的型面在坯料填充间隙后产生各个型面互相限位，实现自找正。同时托料板5随凹模4一起下移，直至成型结束。在本实施例中，成型模具下压速度为：2mm/s；成型压力：30t。成型结束后，再次使用顶出力使托料板5上升，从而将贴在凸模3上的零件进行脱模。

s4、校形：将步骤s3压制成型的1/2叉形不等直径套管进行校形；校形采用原成型设备，具体过程为：将步骤s3压制成型的零件放在凸模3上(此时托料板5放置在第一模板1上)，用木榔头敲击检查回弹情况，回弹较大处使用木榔头手工粗校至零件紧贴凸模3后，将液压机压力调至50t后，启动液压机合模，并保压1～2分钟，完成校形。

s5、焊接成型：将两个1/2叉形不等直径套管相对进行焊接得到叉形不等直径套管。

在本实施例中焊接设备采用：yc－300tsp直流氩弧焊机。焊接参数：焊接电流：40a，焊丝直径φ1.5mm，氩气流量：10l/min，焊接过程中在管内腔通氩气保护。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。