专利名称：一种变径筒形件的液压成形装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种金属板材的液压成形装置及方法，具体涉及一种用于成形变径筒形件的液压装置及方法，特别涉及一种由底部向上外径逐渐减小或呈阶梯状减小的变径筒形件的液压成形装置及方法。
背景技术：
为了实现节能减排，轻量化设计的意义被日益突显出来。实现轻量化的途径有两种材料轻量化与结构轻量化。板材液压成形技术采用液态的水或油作为传力介质，代替传 统的刚性凸模或凹模，使坯料在传力介质压力作用下贴合凹模或凸模成形。液压成形技术在板材或管材成形方面均能克服传统工艺的不足之处，易于实现柔性化成形，有效地提高了板材或管材的成形能力，减少了零件的表面划痕，在结构强度与功能应用等都有所提高的前提下降低了零件的总重量，使结构轻量化得以实现。液压成形技术适于在一道工序内加工制造外形较为复杂的薄壁空心类构件，且对成形与凸模形状一致的大高径比筒形件有着显著优势。相比于普通板材拉深成形需要多道工序而言，采用液压成形技术可实现一次成形。其主要特征在于采用水或乳化液作为液态传力介质，将其注入凹模型腔内，通过外接增压器向型腔内施加内压，所产生的流体压力作用于成形板材上，使其贴紧凸模，成形板材与凸模之间的摩擦力在流体背压的作用下逐渐增大，形成有益摩擦，改善凸模圆角处拉应力对该处材料流动行为的影响，从而避免该处材料产生减薄甚至破裂等缺陷。法兰处压边部位的流体在板材与密封圈之间起到溢流润滑作用，从而确保了提高板材成形性能及表面质量的目的。基于上述优势，板材液压成形技术在航空航天与汽车等领域得到了广泛应用，并在此推动下得到了迅猛发展。随着先进领域产品设计在使用要求的多元化、几何特征的复杂化、设计理念的人性化等方面的发展，具有更为复杂结构外形的产品也为当前的成形工艺带来了挑战。如外径呈阶梯状变化的瓶状变径筒形件拉深成形，该类筒形件可以通过对凸模形状进行优化设计在板材液压成形技术中予以实现，但该方法仅限于从底部向上外径呈阶梯状增大的筒形件成形。若变径筒形件由底部向上的外径逐渐减小时，传统液压成形方法则难以成形，换言之，根本无法通过对凸模形状进行设计来实现；对于此类构件，可先将板料弯曲加工成阶梯状，通过卷焊成形出直臂和阶梯部分，再与筒底焊接成形，不仅工序繁多，同时焊接后的零件存在着残余应力、可靠性差、成本高、效率低等缺点。
发明内容
本发明为了解决针对由底部向上外径逐渐减小或呈阶梯状减小的变径筒形件采用传统板材液压拉深成形方法难以加工成形，而采用卷焊工艺存在成本较高、周期长、成形性能差的瓶颈问题，进而提供了一种变径筒形件的液压成形装置及方法。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是本发明所述变径筒形件的液压成形装置包括组合式凹模、凸模、压边圈、凹模注入孔和凸模注入孔，所述凸模为圆柱状的冲头且与压边圈密闭配合，所述组合式凹模由上凹模和下凹模构成且二者的连接面密闭连接，凹模内的型腔为传力介质腔体；所述凹模内的型腔与终成形筒形件的外轮廓形状一致，呈由底部向上孔径逐渐减小或呈阶梯状减小的变径筒形；压边圈置于上凹模的上方且二者之间的间隙用于夹置板材坯料；下凹模的侧壁上开有与传力介质腔体相通的凹模注入孔，通过凹模注入孔向传力介质腔体内注入传力介质以对预成形筒形件的外表面施加流体背向压力；所述凸模上开有凸模注入孔，通过凸模注入孔向预成形筒形件腔体内注入传力介质,从而使传力介质对成形过程中的板材坯料施加主动的液压胀形力。利用上述成形装置进行液压成形的方法，所述方法是按照以下步骤实现的步骤一、按设计要求将上凹模与下凹模进行配合连接，形成完整变径筒形型腔；步骤二、将下凹模上的凹模注入孔及凸模上的凸模注入孔分别通过高压油管与外接增压器相连，独立控制，然后通过凹模注入孔向传力介质腔体内注入介质，使介质充满传力介质腔体直至与上 凹模上表面相差一定距离，向凸模注入孔内注入少量传力介质；步骤三、将板材坯料置于已安装密第二封圈的上凹模之上；步骤四、将压边圈、凸模分别与压力机施压装置相连接，通过调节压力机使压边圈下行至与板材坯料发生接触，此时施加一定的压边力(如图中标F处所示)，使第二密封圈与板材坯料充分接触，形成溢流润滑，以避免坯料法兰区在成形送料时产生褶皱；压边力大小的控制视具体要求而定；步骤五、通过控制压力机主滑块运动使凸模下行至与板材坯料发生接触，接触后继续下压，此时通过外接增压器向传力介质腔体内施加内压，对板材坯料产生流体背向压力，为避免背向压力过大导致板材坯料向注入孔内陷，通过调节外接增压器使凸模注入孔截面处静水压力与传力介质腔体内等面积压力相等、方向相反，待凸模下行至距下凹模内的底面少量距离后，压力机主滑块停止运动；步骤六、通过外接增压器向凸模注入孔内缓慢注入介质加压，同时控制传力介质腔体内液压与预成形筒形件腔体内液压保持恒定动态压力差，使板材坯料在动态压力差的作用下贴模成形，加工过程结束；步骤七、通过外接增压器卸去传力介质腔体、预成形筒形件腔体内的压力，主滑块带动凸模上行，通过压力机卸载压边力使压边圈上行，将组合式凹模分离，取出成形零件。本发明具有以下有益效果本发明实现了截面上小下大的瓶状变径筒形件采用板材液压成形方法来加工，SP通过一道工序实现变径筒形件(由底部向上外径逐渐减小或呈阶梯状减小的变径筒形件)的加工成形，从而达到提高效率、降低成本、改善零件整体质量的要求。本发明的创新之处就在于通过在凸模上开注入孔，并将凹模制成分体式来攻克了传统板材液压成形方法难以成形截面上小下大的变径筒形件这一技术难题。通过在凸模轴心部位钻油孔并由高压油管与外接增压器相连。首先进行板材充液拉深成形，当凸模将板材拉深至凹模腔底部时将凹模腔内压力降至较小值或卸去，通过凸模注入孔向板材上表面注入传力介质并开始增压，同时在凹模腔内流体背压力的配合作用下实现变径筒形件的成形。成形后分别卸去凸模和凹模腔内压力，移除凸模并将组合式凹模分离，取出成形零件。利用本发明实现的液压成形件的形状完全取决于凹模型腔的形状。本发明所述凸模外径为成形零件外径值最小值部位，保证凸模可顺利进入凹模型腔内。采用组合式凹模结构便于拆分，并利于成形后取出零件及型腔清理。使用本发明所述装置及方法可实现在一套模具装置中及单行程内成形变径筒形零件，从而提高了生产效率及整体质量。本发明方法具体优点如下一、通过先充液拉深-后液压胀形方法可实现截面上小下大的变径筒形件的加工成形；二、利用该方法成形时可先后使筒底及侧壁部位板材产生较大变形量，较传统板材成形工艺相比，易于提高零件整体壁厚的均匀性及成形性能；三、在凸模上开注入孔并与增压器单独相连，可实现该路液压与凹模腔内液压的分别独立精确控制，在二者合理匹配作用下实现变径筒形件的一次成形；四、组合式凹模型腔结构的设计，利于此类特征的变径筒形件成形并易于脱模。本发明装置结构简单可靠，制造技术成熟，易于在生产中实施、推广和应用。
图I是具体实施方式
一成形前成形装置与坯料位置关系状态示意图(传力介质腔体4内充满传力介质)，图2是具体实施方式
一成形过程中成形装置与坯料位置关系状态示意图(凸模I已下行至最大距离)，图3是利用本发明具体实施方式
一成形后液压装置结构 示意图(通过外接增压器向凸模注入孔11内缓慢注入介质加压，同时控制传力介质腔体4内液压与预成形筒形件腔体4-2内液压保持恒定动态压力差，使板材坯料9在动态压力差的作用下贴模成形)；图I 图3中给出凹模型腔为由底部向上孔径呈变径阶梯角度为45度阶梯状减小的变径筒形。图4是具体实施方式
二成形前成形装置与坯料位置关系状态示意图(传力介质腔体4内充满传力介质)，具体实施方式
二成形过程中成形装置与坯料位置关系状态示意图省略，与图2类似；图5是利用本发明具体实施方式
二成形后液压装置结构示意图(通过外接增压器向凸模注入孔11内缓慢注入介质加压，同时控制传力介质腔体4内液压与预成形筒形件腔体4-2内液压保持恒定动态压力差，使板材坯料9在动态压力差的作用下贴模成形)；图4和图5中给出凹模型腔为由底部向上孔径呈变径阶梯角度为30度阶梯状减小的变径筒形。图6是具体实施方式
三成形前成形装置与坯料位置关系状态示意图(传力介质腔体4内充满传力介质)，具体实施方式
三成形过程中成形装置与坯料位置关系状态示意图省略，与图2类似；图7是利用本发明具体实施方式
三成形后液压装置结构示意图(通过外接增压器向凸模注入孔11内缓慢注入介质加压，同时控制传力介质腔体4内液压与预成形筒形件腔体4-2内液压保持恒定动态压力差，使板材坯料9在动态压力差的作用下贴模成形)；图6和图7中给出凹模型腔为由底部向上孔径逐渐减小的变径筒形。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图I、图2和图3具体说明本实施方式。该装置包括下凹模5，所述下凹模5上设有与传力介质腔体4相通的注入孔6，工作时通过注入孔6向下凹模5内注入传力介质；下凹模5上端开口，所述下凹模5与上凹模3采用配合连接，形成完整的阶梯状变径筒形模具，其中上凹模3处变径阶梯角度为45° (阶梯角度为阶梯面轴线与竖直方向的夹角)，在下凹模5与上凹模3之间设有密封圈7，防止介质泄漏；所述上凹模3上方置有压边圈2和凸模1，坯料9夹置于上凹模3与压边圈2之间，在上凹模3与压边圈2之间留有一定间隙并设有密封圈8，目的在于上凹模3与压边圈2合模后，避免腔体4内的介质向外溢出，同时起到溢流润滑作用，从而保证送料并提高成形件表面精度；所述凸模I侧壁部位设有与其下端面轴心部位相通的注入孔11，侧壁钻孔处通过高压油管与外接增压器相连，工作时通过注入孔11向预成形筒形件腔体4-2内注入传力介质，从而使介质对坯料9施加液压胀形力；在所述上凹模3与压边圈2上均设有供凸模I通过的内孔，所述凸模I的外径同时小于上凹模3与压边圈2的内孔径，所述凸模I外径与上凹模3内孔径之间尺寸差略大于预成形板件厚度，所述凸模I与压边圈2之间设有密封圈10，目的在于传力介质对坯料9施加液压胀形力时，避免预成形筒形件腔体4-2内的介质向外溢出。
具体实施方式
二 下面结合图4、图5具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式
一的不同点在于上凹模3处变径阶梯角度为30°，其它组成结构与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三下面结合图6、图7具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式
一的不同点在于成形筒形件为外径由上至下呈线性递增的锥形筒，所述下凹模5与上凹模3形成完整的锥形模具，其中上凹模3上设有介质注入孔，其它组成结构与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四利用上述装置进行成形的具体过程如下一、按设计要求将上凹模3与下凹模5进行配合连接，形成完整变径筒形型腔；二、将下凹模5上的注入孔6及凸模I上的注入孔11分别通过高压油管与外接增压器相连，独立控制，然后通过注入孔6向腔体4内注入介质，使介质充满腔体4直至与上凹模3上表面相差一定距离，向注入孔11内注入少量介质；三、将板材坯料9置于已安装密封圈8的上凹模3之上；四、将压边圈2、凸模I分别与压力机施压装置相连接，通过调节压力机使压边圈下行至与坯料9发生接触，此时施加一定的压边力(如图中标F处所示)，使密封圈8与坯料9充分接触，形成溢流润滑，也为了避免坯料9法兰区在成形送料时产生褶皱；压边力大小的控制视具体要求而定；五、通过控制压力机主滑块运动使凸模I下行至与坯料9发生接触，接触后继续下压，此时通过外接增压器向腔体4施加内压，对板材坯料9产生流体背向压力，为避免背向压力过大导致坯料向注入孔11内陷，通过调节外接增压器使注入孔11截面处静水压力与腔体4内等面积压力相等、方向相反，待凸模I下行至距下凹模5底面少量距离后，压力机主滑块停止运动；六、通过外接增压器向注入孔11内缓慢注入介质加压，同时控制腔体4内液压与预成形筒形件腔体4-2内液压保持恒定动态压力差，使坯料9在动态压力差的作用下贴模成形，加工过程结束；七、通过外接增压器卸去腔体4、预成形筒形件腔体4-2内压力，主滑块带动凸模I上行，通过压力机卸载压边力使压边圈2上行，将组合式凹模分离，取出成形零件即可。
具体实施方式
五7、根据权利要求6所述的一种变径筒形件的液压成形装置，其特征在于在步骤二中，使介质充满传力介质腔体4直至与上凹模3上表面相差I 5mm的距离。其它操作步骤与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
六8、根据权利要求7所述的一种变径筒形件的液压成形装置，其特征在于在步骤五中，待凸模I下行至距下凹模5内的底面I 20mm的距离后，压力机主滑块停止运动。这样能避免凸模I与预成形筒形件内的底面直 接触，使预成形筒形件的贴模成形是依靠预成形筒形件腔体4-2内注入传力介质来完成的，从而提高终成形筒形件的质量。其它操作步骤与具体实施方式
五相同。
权利要求
1.一种变径筒形件的液压成形装置，其特征在于所述成形装置包括组合式凹模、凸模(I)、压边圈(2)、凹模注入孔(6)和凸模注入孔(11)，所述凸模⑴为圆柱状的冲头且与压边圈(2)密闭配合，所述组合式凹模由上凹模(3)和下凹模(5)构成且二者的连接面密闭连接，凹模内的型腔为传力介质腔体(4);所述凹模内的型腔与终成形筒形件的外轮廓形状一致，呈由底部向上孔径逐渐减小或呈阶梯状减小的变径筒形；压边圈(2)置于上凹模(3)的上方且二者之间的间隙用于夹置板材坯料(9);下凹模(5)的侧壁上开有与传力介质腔体(4)相通的凹模注入孔￠)，通过凹模注入孔￠)向传力介质腔体(4)内注入传力介质以对预成形筒形件的外表面施加流体背向压力；所述凸模(I)上开有凸模注入孔(11)，通过凸模注入孔(11)向预成形筒形件腔体(4-2)内注入传力介质，从而使传力介质对成形过程中的板材坯料(9)施加主动的液压胀形力。
2.根据权利要求I所述的一种变径筒形件的液压成形装置，其特征在于所述成形装置还包括第一密封圈(10)，所述凸模(I)与压边圈(2)之间设有第一密封圈(10)。
3.根据权利要求2所述的一种变径筒形件的液压成形装置，其特征在于所述成形装置还包括第二密封圈(8)和第三密封圈(7)，在上凹模(3)与压边圈(2)之间设有第二密封圈(8)，在下凹模(5)与上凹模(3)之间设有第三密封圈(7)。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种变径筒形件的液压成形装置，其特征在于所述凸模注入孔(11)为通孔，凸模注入孔(11)的一端开口位于凸模(I)侧壁部位，凸模注入孔(11)的另一端开口位于凸模(I)下端面轴心部位，且凸模注入孔(11)的位于出口的一段开设在凸模(I)的轴线位置处。
5.根据权利要求4所述的一种变径筒形件的液压成形装置，其特征在于所述凸模注入孔(11)为L形通孔，L形通孔中的垂直段位于凸模⑴的轴线位置处。
6.一种利用上述任意一项权利要求所述的成形装置进行液压成形的方法，其特征在于所述方法是按照以下步骤实现的步骤一、按设计要求将上凹模(3)与下凹模(5)进行配合连接，形成完整变径筒形型腔；步骤二、将下凹模(5)上的凹模注入孔(6)及凸模(I)上的凸模注入孔(11)分别通过高压油管与外接增压器相连，独立控制，然后通过凹模注入孔(6)向传力介质腔体(4)内注入介质,使介质充满传力介质腔体(4)直至与上凹模(3)上表面相差一定距离，向凸模注入孔(11)内注入少量传力介质；步骤三、将板材坯料(9)置于已安装密第二封圈⑶的上凹模⑶之上；步骤四、将压边圈(2)、凸模⑴分别与压力机施压装置相连接，通过调节压力机使压边圈(2)下行至与板材坯料(9)发生接触，此时施加一定的压边力，使第二密封圈(8)与板材坯料(9)充分接触，形成溢流润滑，以避免坯料(9)法兰区在成形送料时产生褶皱；压边力大小的控制视具体要求而定；步骤五、通过控制压力机主滑块运动使凸模(I)下行至与板材坯料(9)发生接触，接触后继续下压，此时通过外接增压器向传力介质腔体(4)内施加内压，对板材坯料(9)产生流体背向压力，为避免背向压力过大导致板材坯料(9)向注入孔(11)内陷，通过调节外接增压器使凸模注入孔(11)截面处静水压力与传力介质腔体(4)内等面积压力相等、方向相反，待凸模(I)下行至距下凹模(5)内的底面少量距离后，压力机主滑块停止运动；步骤六、通过外接增压器向凸模注入孔(11)内缓慢注入介质加压，同时控制传力介质腔体(4)内液压与预成形筒形件腔体(4-2)内液压保持恒定动态压力差，使板材坯料(9)在动态压力差的作用下贴模成形，加工过程结束；步骤七、通过外接增压器卸去传力介质腔体(4)、预成形筒形件腔体(4-2)内的压力，主滑块带动凸模(I)上行，通过压力机卸载压边力使压边圈(2)上行，将组合式凹模分离，取出成形零件。
7.根据权利要求6所述的一种变径筒形件的液压成形方法，其特征在于在步骤二中，使介质充满传力介质腔体(4)直至与上凹模(3)上表面相差I 5mm的距离。
8.根据权利要求7所述的一种变径筒形件的液压成形方法，其特征在于在步骤五中，待凸模(I)下行至距下凹模(5)内的底面I 20mm的距离后，压力机主滑块停止运动。
全文摘要
一种变径筒形件的液压成形装置及方法，它涉及一种金属板材液压成形装置及方法。针对轴线处的截面为上小下大的瓶状变径筒形件采用传统板材液压成形方法难以加工成形而采用卷焊工艺成本较高、周期长、成形性能差等瓶颈问题，装置包括下凹模和上凹模，在上凹模上方设有压边圈和凸模，所述凹模内的型腔与终成形筒形件的外轮廓形状一致，呈由底部向上孔径逐渐减小或呈阶梯状减小的变径筒形，其中下凹模和凸模分别设有注入孔；成形方法依次为向腔体注入介质、放置坯料、压边、施加背压与凸模下行、预成形件内腔加压贴模。凸模设有注入孔可使坯料在成形中期受内外动态流体压力差作用，一次完成板料的贴模成形，且通过组合式凹模设计可顺利将成形零件取出。
文档编号B21D26/031GK102764808SQ20121025743
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月24日 优先权日2012年7月24日
发明者张鑫龙, 李峰, 林俊峰 申请人:哈尔滨工业大学