一种杯形件反挤压成形装置及成形方法与流程

本发明涉及一种杯形件反挤压成形装置及成形方法，属于金属塑性加工成形技术领域。

背景技术：

杯形构件是航空航天、国防军工、交通运输等领域最具代表性的结构形式之一，是反向挤压技术的典型制件。目前，对于高强韧杯形件的制造，国内外大都采用反挤压成形技术，反向挤压技术是一种先进的少切削加工工艺，不仅提高了锻件的形状和尺寸精度、节约了金属材料，而且因金属纤维流线呈仿形性而提高了该类零件的机械性能，具有“高效、优质、低能耗”的特点，在技术和经济上有很高的使用价值。金属在反挤压过程中，材料处于三向压应力状态，材料的变形抗力很大。而传统的反挤压杯形件成形工艺，金属在反向流动时与凸模和凹模均有相对运动，加之凸模与坯料的润滑效果不好，从而凸模与坯料、坯料与凹模之间在挤压过程中产生巨大的摩擦力，对工艺和制件不利。不仅使杯形件成形质量恶化甚至造成开裂，并且大大增加了挤压成形力，提高了设备的负荷和吨位要求。此外，较大的摩擦力和挤压力增加了模具磨损，降低了模具使用寿命。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种杯形件反挤压成形装置及成形方法。

本发明具体从两大部分对传统挤压工艺做了优化和改进：①对凸模设置了自动润滑功能，通过对冲头结构的设计来实现冲头在往下挤压金属的过程中对冲头工作带实行自动润滑；另一方面，传统的反挤压杯形件的制备，凹模为固定装置。②本发明工艺中，对凹模进行精确的速度控制，以抵消反挤压过程中反向流动的金属对凹模壁向下的摩擦力，化坯料与凹模之间的摩擦为主动。以上的两种设计，有效降低了杯形件热反挤压成形力，达到省力的目的，改善合金在挤压过程中的成形性，有效提高了成材率，降低了能耗，提高了冲头和模具的使用寿命，同时可以解决现有生产效率低的问题。

本发明提供了一种杯形件反挤压成形装置，包括上模板、垫板、反挤压冲头、压缩弹簧、限位套筒、反挤压筒、顶块、顶杆、液压缸拉杆、下模板；上模板下方设有垫板，垫板下方连接反挤压冲头，限位套筒内部设有反挤压筒，反挤压筒内部设有顶块，顶块底部为顶杆，反挤压筒与下模板之间固定有液压缸拉杆；

所述反挤压冲头为两段式阶梯圆柱形结构，上部为小圆柱下部为大圆柱；冲头内部设有通孔，该通孔分三部分，通孔上部为阶梯形，中部为圆柱形，通孔的上部和中部接触处形成台阶，下部为喇叭形，上部阶梯形孔内设有弹簧和杆，通孔与压缩弹簧为间隙配合，压缩弹簧顶部与垫板接触，压缩弹簧的下部缠绕在杆外侧，通孔的中、下部设有T形螺杆，螺杆顶部嵌入通孔上、中部的阶梯孔内，螺杆上表面与压缩弹簧紧贴，螺杆底部位于喇叭形孔内，螺杆底部与圆台块通过螺纹连接，圆台块嵌入喇叭形孔内，能在弹簧作用下发生上下移动；冲头上端侧壁上设有一小孔，为打入润滑剂的入口；

所述的限位套筒为带内腔的筒形件，内腔为阶梯状圆柱体结构；

所述的反挤压筒为内腔为通孔的筒形件，通孔内腔的上部为盛料腔，下部与顶块间隙配合；反挤压筒外部上端与限位套筒内腔上端为间隙配合，下端与限位套筒内壁间隙配合；反挤压筒的下端与四个液压缸拉杆连接，液压缸拉杆为“T”形结构，控制反挤压筒上下运动；反挤压筒内腔的顶块下端与下模板相接触；

所述下模板上设有竖直方向的通孔，放置顶杆和液压缸拉杆；

所述的反挤压冲头、限位套筒、反挤压筒通孔、下模板的顶杆通孔位于同一中心轴线上。

上述装置中，所述反挤压冲头与垫板通过内六角螺栓固定，把压缩弹簧限制在冲头内腔中；垫板通过螺栓与上模板连接。

上述装置中，所述反挤压筒内部设有圆形通孔，其由同心的上下两段圆柱筒组成，下段圆柱筒的外径大于上段圆柱筒的外径，上段圆柱筒的外径与限位套筒顶部的内径相等，下段圆柱筒的外径与限位套筒底部的内径相等；且在下段圆柱筒的底部沿圆周方向均匀设有四个盲孔。

上述装置中，所述的下模板的中心设有一个顶杆通孔，沿圆周方向均匀设置了四个液压缸拉杆通孔，且液压缸拉杆通孔与反挤压筒底部的盲孔对应，顶杆通孔为上大下小的阶梯孔，通孔上端与顶块间隙配合，顶块放置在上端通孔内，下端为顶杆通孔，限位套筒下端外圈由螺栓固定在下模板上；所述的顶杆以上下往复伸缩的方式从顶杆通孔进入反挤压筒内腔通孔中；所述的液压缸拉杆的上部位于反挤压筒底部设置的盲孔内，且该盲孔大于下模板的液压缸拉杆通孔，液压缸拉杆以上下往复伸缩的方式通过下模板的液压缸拉杆通孔进入限位套筒内，实现对反挤压筒的上下运动控制。

上述装置中，所述的限位套筒内腔高度为h，反挤压筒下端外部的台阶厚度为a，顶块高度为b，下模板顶杆通孔的上端盛顶块的高度为c，反挤压筒向上滑动的极限距离为h-a；且h-a<b-c，确保整个挤压过程中顶块始终保留或部分保留在反挤压筒的通孔内。

本发明成形装置中反挤压冲头的设计原理：在反向挤压过程中，被挤压的金属会沿着反挤压筒和冲头工作带反向向上流动，由此在坯料与冲头工作带、坯料与反挤压筒之间产生巨大的摩擦力，从而大大增加了挤压成形力和压力机的负荷。因此，采用有效的方式对挤压过程中的冲头进行润滑特别有必要。所述的反挤压冲头为上端带斜锥、下端带有反挤压工作带的阶梯轴。冲头内部带通孔，通孔分上中下三段，上中两段为上大下小的阶梯轴，最下段为圆台状，内部与圆台状配合。通孔的上段部分装有压缩弹簧和杆，通孔与压缩弹簧间隙配合。杆为上中下三段阶梯轴，杆的最上段，直径较大，放置在压缩弹簧内，与弹簧间隙配合，杆的最下段直径最小，开有外螺纹，与圆台块上端的内螺纹联接。杆的中段部分，直径最大，与冲头内腔壁间隙配合，中段部分的上表面与压缩弹簧紧贴，下表面与冲头内腔的锁孔(冲头通孔的中段部分)上表面紧贴。杆中段起到限位作用，在冲头顶端的圆台块不受压力时，杆的中段受压缩弹簧和锁孔的限制。冲头上端设有一小孔，为打入润滑剂的入口。杆的中段部分下端在四个方向上开有半圆通孔槽，方便被打入的润滑剂自上而下流到冲头顶端。具体工作流程分两步，第一步冲头下压。随着冲头向下移动，圆台块受压，与弹簧内杆受力上升，挤压压缩弹簧，直至圆台块完全缩回冲头内孔中形成闭合的端面。继续下压，在坯料内压一小段凹槽；第二步，从冲头顶端小孔打入润滑剂，冲头反向上抬后又继续下压。随着冲头反向抬升，圆台块逐渐伸出，打入的润滑剂自上而下从冲头型腔进入冲头顶端工作带，在坯料凹槽内形成一层润滑剂膜，随后冲头的继续下压，把凹槽润滑剂膜沿工作带与杯形件内壁反向挤出，达到整个挤压过程中润滑冲头工作带的效果。

本发明成形装置中反挤压筒的设计原理：所述的反挤压筒通过液压缸拉杆来控制其工作进程，主要是对反挤压筒上升时速度的控制。同上，为了减小甚至消除反挤压过程中反挤压筒筒壁对金属流动的阻力，化阻力摩擦为主动，本发明通过液压缸给反挤压筒一个向上的运动得以实现，来减小反挤压成形力。并根据秒流量相等，给出了冲头向下的速度与反挤压筒向上的速度的具体匹配关系式。设圆柱形待挤压坯料截面直径为D，冲头工作带截面直径为d，根据秒流量相等列出关系式：

上式中，v_冲为冲头下行速度，v_料为反挤压坯料挤压速度，t为完成挤压形变所需时间；

化简得：

取修正系数μ，反挤压筒与坯料挤压过程中的速度匹配关系为：

v_筒＝μv_料 (2)

μ≥1时，反挤压筒与坯料之间摩擦力方向与金属运动方向一致，μ＝1时挤压成型里最为省力。由公式(1)、(2)得出冲头与反挤压筒的速度匹配关系式为：

上式中，μ→1说明反挤压筒与坯料挤压速度大小接近。

本发明提供了一种杯形件反挤压成形方法，包括以下步骤：

(1)将加热后的圆柱形坯料放置在反挤压筒的盛料腔内；

(2)压力机带动上模板和反挤压冲头压下，冲头顶端的圆台块首先与坯料接触，压力机继续下压，圆台块不断缩回冲头喇叭孔内，待冲头顶端完全闭合成平面继续向下挤压坯料，坯料内压成一小段凹槽；

(3)反向抬起压力机，同时在冲头顶端小孔打入润滑剂；使润滑剂在冲头抬起过程中自上而下沿着冲头内腔流进坯料凹槽，形成一层润滑剂膜；

(4)随后压力机继续压下带动冲头继续压下，把凹槽润滑剂膜沿工作带与坯料内壁反向挤出；冲头向下的速度为v_冲，此时设定液压缸拉杆以v_筒的速度向上推动反挤压筒，且满足式中，μ为反挤压筒与坯料挤压过程中速度的修正系数，D为圆柱形待挤压坯料截面直径，d为冲头工作带截面直径；此过程中被挤压的坯料已变形区的金属沿着冲头工作带四周和反挤压筒内壁向上流动；

(5)压力机带动冲头继续往下挤压坯料，反挤压筒继续上升，当反挤压筒下端的限位台阶接触限位套筒上端的限位台阶时，反挤压筒被限制运动，反挤压筒停止上升，反挤压筒上升的极限位为h-a，同时压力机停止压下，挤压过程完成；坯料成形为杯形件；

(6)压力机反向抬升，带动反挤压冲头和反挤压杯形件的反向抬升，反挤压杯形件在上升的过程中，被卸料板限制运动，脱离反挤压冲头；

(7)压力机的顶杆向上顶出，推动顶块向上顶出反挤压杯形件，杯形件脱离反挤压筒，随后被取出；

(8)液压缸拉杆向下缩回，带动反挤压筒的向下缩回，直至反挤压筒的底面与下模板上表面接触，停止液压缸拉杆的向下缩回；

(9)顶杆向下缩回，顶块在重力的作用下下滑至下模板的盛顶块通孔处，顶块与下模板相接触；整个模具恢复到初始状态。

本发明的有益效果：

(1)本发明使反挤压过程中的冲头与坯料、坯料与反挤压筒壁之间巨大的摩擦力大大减小，明显减小了挤压杯形件的成形力，达到省力的目的，减小压力机的负荷，提高设备使用寿命。节约了成本，有相当可观的经济效益。

(2)因为减小冲头与坯料、坯料与模具之间的摩擦力，明显减小了挤压杯形件的成形力，这样使挤压过程中坯料受三向应力状态均匀，有效降低了挤压裂纹的产生，提高了杯形构件的可成形性。

(3)由于本发明对反挤压筒进行精确的速度控制，从而可以实现对杯形件的内壁与外部金属流动进行控制。制备特殊织构要求的杯形构件，应用范围较广，操控性强。

(4)本发明受力均匀，应用范围广泛。不仅适合铝合金杯形件成形，还可用于变形较为困难的镁合金等多种金属的杯形构件成形。

(5)本发明为杯形构件提供了一种短流程、低能耗、可控性强的制造方法，为制备特殊织构杯形件提供了参考。随着航空航天、国防军工、交通运输等装备的轻量化水平提高，对各种高性能优质的有色金属产品的需求越来越大，结合当前全球环境问题工艺经济节能化对有色金属产品的生产工艺提出更大的挑战，本发明应用前景将越来越大。

附图说明

图1是本发明的模具组装图；

图2是本发明的反挤压冲头的结构示意图；

图3是坯料在挤压过程中冲头、坯料和反挤压筒运动指向示意图；

图4是成形后的杯形件结构示意图。

图5是坯料在挤压成形过程中金属分流示意图；

图6是坯料刚放进盛料筒内待挤压时模具工作状态示意图；

图7是坯料在挤压过程中模具工作状态示意图；

图8是挤压终了时模具工作状态示意图；

图中1为上模板，2为垫板，3为反挤压冲头，4为限位套筒，5为反挤压筒，6为顶块，7为下模板，8为液压缸拉杆，9为顶杆，10为压缩弹簧，11为孔，12为杆，13为圆台块，14为杯形件，15为已变形区，16为圆环变形区，17为待变形区，18为圆柱镦粗变形区。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

如图1～8所示，一种杯形件反挤压成形装置，包括上模板1、垫板2、反挤压冲头3、压缩弹簧10、限位套筒4、反挤压筒5、顶块6、顶杆9、液压缸拉杆8、下模板7；上模板1下方设有垫板2，垫板2下方连接反挤压冲头3，限位套筒4内部设有反挤压筒5，反挤压筒5内部设有顶块6，顶块6底部为顶杆9，反挤压筒5与下模板7之间固定有液压缸拉杆8；

所述反挤压冲头3为两段式阶梯圆柱形结构，上部为小圆柱下部为大圆柱；冲头内部设有通孔，该通孔分三部分，通孔上部为阶梯形，中部为圆柱形，通孔的上部和中部接触处形成台阶，下部为喇叭形，上部阶梯形孔内设有压缩弹簧10和杆12，通孔与压缩弹簧10为间隙配合，压缩弹簧10顶部与垫板2接触，压缩弹簧10的下部缠绕在杆12外侧，通孔的中、下部形成限位台阶，内设有T形螺杆，螺杆顶部嵌入通孔上、中部的阶梯孔内，螺杆上表面与压缩弹簧10紧贴，螺杆底部位于喇叭形孔内，螺杆底部与圆台块13的内孔通过螺纹连接，圆台块13嵌入喇叭形孔内，能在弹簧作用下发生上下移动；冲头上端侧壁上设有一小孔11，为打入润滑剂的入口；如图2所示。在挤压成形过程中，润滑剂沿反挤压冲头内的通孔下落，经过圆台块的上下移动，将润滑剂带到成形过程中起到润滑的作用。

所述的限位套筒4为带内腔的筒形件，内腔为阶梯状圆柱体结构；

所述的反挤压筒5为内腔为通孔的筒形件，通孔内腔的上部为盛料腔，下部与顶块6间隙配合；反挤压筒5外部上端与限位套筒4内腔上端为间隙配合，下端与限位套筒4内壁间隙配合；反挤压筒5的下端与四个液压缸拉杆8连接，液压缸拉杆8为“T”形结构，控制反挤压筒5上下运动；反挤压筒5内腔的顶块6下端与下模板7相接触；

所述下模板7上设有竖直方向的通孔，放置顶杆9和液压缸拉杆8；

所述的反挤压冲头3、限位套筒4、反挤压筒5通孔、下模板7的顶杆通孔位于同一中心轴线上。

上述装置中，所述反挤压冲头3与垫板2通过内六角螺栓固定，把压缩弹簧10限制在冲头内腔中；垫板2通过螺栓与上模板1连接。

上述装置中，所述反挤压筒5内部设有圆形通孔，其由同心的上下两段圆柱筒组成，下段圆柱筒的外径大于上段圆柱筒的外径，上段圆柱筒的外径与限位套筒顶部的内径相等，下段圆柱筒的外径与限位套筒底部的内径相等；且在下段圆柱筒的底部沿圆周方向均匀设有四个盲孔。

上述装置中，所述的下模板7的中心设有一个顶杆通孔，沿圆周方向均匀设置了四个液压缸拉杆通孔，且液压缸拉杆通孔与反挤压筒底部的盲孔对应，顶杆通孔为上大下小的阶梯孔，通孔上端与顶块间隙配合，顶块放置在上端通孔内，下端为顶杆通孔，限位套筒下端外圈由螺栓固定在下模板上；所述的顶杆以上下往复伸缩的方式从顶杆通孔进入反挤压筒内腔通孔中；所述的液压缸拉杆的上部位于反挤压筒底部设置的盲孔内，且该盲孔大于下模板的液压缸拉杆通孔，液压缸拉杆以上下往复伸缩的方式通过下模板的液压缸拉杆通孔进入限位套筒内，实现对反挤压筒的上下运动控制。

上述装置中，所述的限位套筒4内腔高度为h，反挤压筒5下端外部的台阶厚度为a，顶块高度为b，下模板顶杆通孔的上端盛顶块的高度为c，反挤压筒向上滑动的极限距离为h-a；且h-a<b-c，确保整个挤压过程中顶块始终保留或部分保留在反挤压筒的通孔内。

本发明的成形方法包括以下步骤：

(1)将加热后的圆柱形坯料放置在反挤压筒5的盛料腔内；

(2)压力机带动上模板1和反挤压冲头3压下，冲头顶端的圆台块首先与坯料接触，压力机继续下压，圆台块不断缩回反挤压冲头3喇叭孔内，待冲头顶端完全闭合成平面继续向下挤压坯料，坯料内压成一小段凹槽；

(3)反向抬起压力机，同时在反挤压冲头3顶端小孔打入润滑剂。使润滑剂在冲头抬起过程中自上而下沿着冲头内腔流进坯料凹槽，形成一层润滑剂膜；

(4)随后压力机继续压下带动反挤压冲头3继续压下，把凹槽润滑剂膜沿工作带与坯料内壁反向挤出；反挤压冲头3向下的速度为v_冲，此时设定液压缸拉杆8以v_筒的速度向上推动反挤压筒5，且满足(μ→1(v_冲和v_筒大小接近)，μ为正数)。此过程中被挤压的坯料已变形区的金属沿着冲头工作带四周和反挤压筒5内壁向上流动；

(5)压力机带动反挤压冲头3继续往下挤压坯料，反挤压筒5继续上升，当反挤压筒5下端的限位台阶接触限位套筒4上端的限位台阶时，反挤压筒5被限制运动，反挤压筒5停止上升，反挤压筒5上升的极限位为h-a，同时压力机停止压下，挤压过程完成；坯料成形为杯形件14；

(6)压力机反向抬升，带动反挤压冲头3和反挤压杯形件的反向抬升，反挤压杯形件在上升的过程中，被卸料板(图中未画出)限制运动，脱离反挤压冲头3；

(7)压力机的顶杆9向上顶出，推动顶块6向上顶出反挤压杯形件，杯形件脱离反挤压筒5，随后被取出；

(8)液压缸拉杆8向下缩回，带动反挤压筒5的向下缩回，直至反挤压筒5的底面与下模板7上表面接触，停止液压缸拉杆8的向下缩回；

(9)顶杆9向下缩回，顶块6在重力的作用下下滑至下模板7的盛顶块通孔处，顶块6与下模板7相接触。整个模具恢复到初始状态；

(10)重复工序(1)到(9)，可连续不断地完成杯形件的反挤压成形。