用于蠕变成型的模具的制作方法

本发明涉及蠕变时效模具技术领域，具体的涉及一种用于蠕变成型的模具。

背景技术

20世纪50年代初期，由于成形整体壁板零件的需要，蠕变时效成形技术逐渐发展起来，这项技术利用金属的蠕变特性，将成形与时效同步进行，同时满足成形成性的要求。目前，该技术已经成为国外先进大型整体壁板制造的关键工艺技术之一，波音、空客、textron等几家大型飞机制造企业已经利用该项技术生产了飞机机翼蒙皮和壁板等构件。

整体壁板蠕变时效成形过程一般划分为3个阶段：

(1)加载阶段。在室温下，向构件上表面逐步施加适当的载荷(一般为气压)，使构件发生变形，直至构件下表面与成形模具上表面紧密贴合，该变形量保持在材料弹性范围内。

(2)蠕变时效阶段。将构件与成形工装放入热压罐中，将温度升至时效温度，施加高温载荷并保持构件成形一定的时间。构件在此过程中发生蠕变、时效与应力松弛过程，三种机制交互作用，使得材料组织和性能发生较大变化，完成成形成性过程。

(3)卸载阶段。结束保温并去除施加在构件上的载荷，构件空冷至室温并自由回弹。由于蠕变时效与应力松弛的作用，构件中一部分弹性变形转变为永久塑性变形，使得卸载后构件保持一定形变。

由于蠕变时效成形工艺所得零构件残余应力小，成形过程中所需夹具少，工艺可重复性高，能够大幅提高可时效铝合金的抗疲劳特性，因此该工艺成为大尺寸、内部结构复杂的整体壁板成形的重要解决方案。

根据蠕变时效成形工艺的特点，其成形精度与可重复性基本是由其成形模具来保证的。蠕变成形模具是将设计理论转化为实际产品的关键枢纽，在整个技术构成中占有重要地位。

现有蠕变成形模具均存在不同的问题：

1.尺寸大，不便运输：因为蠕变时效成形技术适合于成形尺寸较大的整体壁板，所以蠕变成形模具都普遍较大(长宽达到几米到几十米的级别)，使得模具都非常重，不方便运输；

2.体积大，热容大，升温慢：由于工艺的原因，每次成形时模具都需要加热，但因体积大，模具热容非常大，导致了其升温极慢，会严重影响产品的时效强化效果；

3.尺寸大，升温时温差大：由于模具尺寸非常大，在升温过程中模具因受热不均匀必然会产生温度的不均匀，这种温差也会对产品的形状控制造成负面的影响。

现有模具的设计仍参考传统成形模具的设计思路，并未进行相应的优化设计，导致上述的3个模具缺点未得到有效解决。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于蠕变成型的模具。

本发明提供一种用于蠕变成型的模具，包括：多个卡板、多个侧板和多个挡风横向板，所述卡板、所述侧板和所述挡风横向板上均分别设置通气孔，多个所述通气孔在所述模具的纵向和横向均形成通气道；

所述卡板相互间隔且平行安装后，所述卡板的顶面围成用于支持型面板的成型面；所述卡板的两相对侧分别安装卡接于所述侧板进行固定；

所述挡风横向板安装于任两相邻所述卡板之间，并与所述侧板相互间隔，所述挡风横向板在所述成型面远离热源端形成回流。

进一步地，多个所述挡风横向板对称地安装于所述模具的纵向对称轴两侧，所述挡风横向板的顶面接近所述成型面并在所述成型面远离热源端阻挡部分热风通过所述挡风横向板与所述成型面之间。

进一步地，所述挡风横向板垂直所述卡板，并平行所述侧板安装。

进一步地，所述卡板沿其对称轴开设多个通气孔，所述通气孔垂直所述卡板贯通所述卡板开设，多个所述通气孔中面积最大的通气孔靠近所述侧板开设。

进一步地，所述卡板上开设的通气孔中面积最大的单个通气孔面积>25％所述卡板总面积。

进一步地，所述侧板上垂直所述侧板开设多个通气孔，所述通气孔沿所述侧板的纵向在所述侧板内延伸形成；所述侧板上通气孔的面积>70％所述侧板总面积。

进一步地，还包括多个用于定位所述卡板的横向支持构件，所述横向支持构件安装于任两相邻所述卡板之间，其上开设通气孔。

进一步地，所述横向支持构件为横向筋板，所述横向筋板上垂直所述横向筋板贯通所述横向筋板开设通气孔。

进一步地，所述卡板的顶面包括成型面弧段和相对设置于所述成型面弧段两端的第一支持面和第二支持面，型面板安装于所述成型面弧段上且相互贴合；所述第一支持面与所述成型面弧段的一端相连接；所述第二支持面与实时成型面弧段的另一端相连接。

进一步地，还包括多个顶板，所述顶板包括第一顶板和第二顶板，所述第一顶板卡接于多个所述卡板的多个所述第一支持面组成的平面上；所述第二顶板卡接于多个所述卡板的多个所述第二支持面组成的平面上。

本发明的技术效果：

(1)本发明提供用于蠕变成型的模具，依据蠕变成形模具承载小，承载均匀的特点，卡板上采用较大的通风孔，并降低除成型面外零件的厚度，以尽多地减小重量，同时将所得模具的整体重量相对现有模具减轻17％。简化结构，降低成本周期并能实现方便运输；

(2)本发明提供用于蠕变成型的模具，根据所成形构件的曲率特点，曲率小的方向设置主卡板，曲率大的方向设置侧板和定位用的筋板。形成构件的型面板曲率半径加大，使得构件成形的曲率半径大，降低模具多个方向上的受力，提高模具使用寿命；且同时控制成形构件曲率半径较大的方向平行热压罐热风的流场方向，从而保证热风几乎不受阻碍地经过型面，提高升温速率和降低温差。提高了模具型面处升温速率以及温度均匀性，提高成形构件的质量，减少构件的变形回弹量。

(3)本发明提供用于蠕变成型的模具，根据热压罐内热风流场的运动方向，调整模具结构，避免模具对热风的阻挡，模具主卡板的方向与热压罐风向平行；同时在型面远离风口处的末端设置挡风板。从而实现提高模具型面处的升温速率和降低模具型面最大温差的效果，有利于提高型面远离风口端的升温速率，进一步降低模具的温差。

(4)本发明提供用于蠕变成型的模具，在成形构件曲率半径较大和小的方向上，均少设置或者不设置加强筋，仅需设置定位用的简单结构。尽量多去除材料以达到减重的目的。

具体请参考根据本发明的用于蠕变成型的模具提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是本发明提供的用于蠕变成型的模具的立体透视示意图；

图2是本发明提供的用于蠕变成型的模具的主视示意图；

图3是本发明提供的用于蠕变成型的模具的俯视示意图；

图4是本发明提供的用于蠕变成型的模具的使用状态示意图；

图5是对比例中现有模具静力仿真等效应力与变形对比结果示意图，其中(a)为现有模具静力仿真等效应力结果示意图；(b)为现有模具静力仿真等效应力变形后结果示意图；

图6是本发明提供的用于蠕变成型的模具的静力仿真等效应力与变形结果对比结果示意图；其中(a)为该模具静力仿真等效应力结果示意图；(b)为该模具静力仿真等效变形结果示意图。

图7是本发明优选实施例中提供的未设置挡风横向板的轻量化模具和未经优化现有模具的整体升温曲线示意图；其中a)为热压罐中热源温度、现有模具中型面和未设置挡风横向板的轻量化模具中型面最低温度随加热时间变化的曲线；b)现有模具中型面和未设置挡风横向板的轻量化模具中型面最大温差随加热时间变化的曲线；

图8是本发明优选实施例中提供的未设置挡风横向板的轻量化模具和未经优化现有模具在热压罐内加热时，当t＝6000秒，9900秒和16500秒时温度分布示意图；其中，a)为现有模具在加热6000秒时的温度分布情况；b)为未设置挡风横向板的轻量化模具在加热6000秒时的温度分布情况；c)为现有模具在加热9900秒时的温度分布情况；d)为未设置挡风横向板的轻量化模具在加热9900秒时的温度分布情况；e)为现有模具在加热16500秒时的温度分布情况；f)为未设置挡风横向板的轻量化模具在加热16500秒时的温度分布情况；

图9是本发明优选实施例中提供模具和未设置挡风横向板的轻量化模具的对低温度和最大温差变化曲线示意图；其中a)为本发明提供模具中型面与未设置挡风横向板的轻量化模具中型面最低温度随加热时间变化的曲线；b)本发明提供模具中型面与未设置挡风横向板的轻量化模具中型面最大温差随加热时间变化的曲线；

图例说明：

100、卡板；210、第一顶板；220、第二顶板；300、型面板；410、第一侧板；420、第二侧板；500、横向筋板；6、挡风横向板；700、底板。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

参见图1，本发明提供的用于蠕变成型的模具，包括：多个卡板、多个侧板和多个挡风横向板，所述卡板、所述侧板和所述挡风横向板上均分别设置通气孔，在所述模具纵向形成通气道；所述卡板相互间隔且平行安装后，所述卡板围成用于支持型面板的成型面；所述卡板的两相对侧分别安装卡接于所述侧板进行固定；所述挡风横向板安装于两相邻所述卡板之间，并与所述侧板相互间隔，所述挡风横向板在所述成型面远离热源处形成回流。

如图4所示，当采用热压罐进行蠕变时效成型时，通过热风进行加热，挡风横向板设置在模具型面远离热压罐风口的位置，使热风在型面末端形成回流，增加对型面尾部的加热，从而提高型面上整体温度的均匀性，避免型面靠近热源和远离热源处温差过大的问题，提高构件的成型效果。为了实现此功能，所述挡风横向板仅需为具有阻挡气体通过功能的结构，如薄平板、筋板等。

优选的，多个所述挡风横向板对称地安装于所述模具的纵向对称轴两侧，所述挡风横向板的顶面接近所述成型面并在所述成型面远离热源端阻挡部分热风通过所述挡风横向板与所述成型面之间。

优选的，所述挡风横向板垂直所述卡板，并平行所述侧板安装。

优选的，所述卡板沿其对称轴开设多个通气孔，所述通气孔垂直所述卡板贯通所述卡板开设，多个所述通气孔中面积最大的通气孔靠近所述侧板开设。

该模具纵向是成形构件曲率较小的方向，为主要承载的方向，但因气压式加载的蠕变成形模具承受载荷小，因为蠕变成形使用气压加载，而大气压是无处不在的，相比机械加载、液压加载等传统的加载方式，其加载更加均匀，对模具刚度要求不大；该卡板避免采用传统卡板的密集、小面积开孔的方式开孔，采用较大面积的开孔，这样不仅可以减少重量和模具的热容，而且降低了加工制造的难度。

优选的，所述卡板上开设的通气孔中面积最大的单个通气孔面积>25％所述卡板总面积。

优选的，所述卡板包括至少5个相互间隔安装的卡板。设置5个，能使模具的重量和成型效果均达到最优。

优选的，所述卡板上开设的通气孔中面积最大的单个通气孔面积>25％所述卡板总面积。

优选的，所述侧板上垂直所述侧板开设多个通气孔，所述通气孔沿所述侧板的纵向在所述侧板内延伸形成；所述侧板上通气孔的面积>70％所述侧板总面积。优选的，所述侧板上垂直所述侧板开设多个通气孔，所述通气孔沿所述侧板的纵向在所述侧板内延伸形成。更优选的，所述侧板上的通气孔的面积>70％所述侧板总面积。

通过分析可知模具横向是成形构件曲率较大的方向，此方向的受力较小，侧板无需设置横向加强筋，从而进一步降低模具质量，同时可以提高侧板上通气孔的面积，例如图1所示的竖直大孔。进一步降低模具的质量。

优选的，还包括多个用于定位所述卡板的横向支持构件，所述横向支持构件安装于任两相邻所述卡板之间，其上开设通气孔。

优选的，所述横向支持构件为横向筋板，所述横向筋板上垂直所述横向筋板贯通所述横向筋板开设通气孔。

该模具中横向是成形构件曲率较大的方向，此方向的受力较小，因此侧板的横向不需要设置加强筋。但是模具制造过程中，每块纵向卡板间需要定位，因此所述横向筋板5的主要作用是为纵向卡板提供定位。为了实现此功能，所述横向筋板5并不是唯一的结构，所有具有某一个方向定位功能的结构，如圆棒，圆管等，都可以充当横向筋板5。

优选的，所述横向筋板垂直所述卡板，并平行所述侧板安装。

优选的，所述模具的板材厚度为8～15mm。此时整体模具的质量较低，且成型后构件的形变较小。

在一实施例中，参见附图2～3，横向筋板分别安装于靠近热源一端的成型面下方，并分别安装于两两相邻的卡板之间，同时也安装于成型面下方远离热源一端，挡风横向板的外侧。

优选的，所述卡板的顶面包括成型面弧段和相对设置于所述成型面弧段两端的第一支持面和第二支持面，型面板安装于所述成型面弧段上且相互贴合；所述第一支持面与所述成型面弧段的一端相连接；所述第二支持面与实时成型面弧段的另一端相连接。

优选的，还包括多个顶板，所述顶板包括第一顶板和第二顶板，所述第一顶板卡接于多个所述卡板的多个所述第一支持面组成的平面上；所述第二顶板卡接于多个所述卡板的多个所述第二支持面组成的平面上。

优选的，还包括底板，多个所述卡板的底面卡接于所述底板上。

优选的，所述第一支持面和所述第二支持面分别与所述底板平行。

以下就上述模型进行分析，以证明该模具具有相应的效果。

参见图1～3，本发明优选实施例中，所提供的用于蠕变成型的模具，包括：多个卡板、第一顶板、第二顶板、型面板、第一侧板、第二侧壁和底板。卡板为片状结构，垂直卡板表面设置多个贯通通孔，以降低整体模具重量，同时利于热空气通过。卡板的顶面包括成型面弧段和相对设置于成型面弧段两端的第一支持面和第二支持面。型面板安装于成型面弧段上且相互贴合。第一支持面与成型面弧段的一端相连接，并与底板平行；第二支持面与成型面弧段的另一端相连接，并与底板平行。此实施例中包括相互平行的5个卡板，各卡板纵向间隔安装于底板上。各卡板的成型面弧段处于同一弧面上，并支持型面板。卡板的两相侧面分别安装第一侧板和第二侧板。5个卡板的第一侧面卡接于安装于第一侧板上，第二侧面卡接安装于第二侧板上。侧板上沿其纵向贯通所述侧板，间隔设置多个通气孔。底板上垂直底板开设多个通气孔。

参见图2～3，各相邻卡板之间设置横向筋板，横向筋板设置于第一侧板和第二侧板之间，并以成型面弧段纵向对称轴对称设置于该对称轴的两相对侧。横向筋板垂直连接于卡板上。横向筋板的一侧与卡板的侧壁相连接，另一侧与另一卡板的侧壁相连接，横向筋板的顶面远离成型面弧段设置。横向筋板上垂直横向筋板设置通气孔。

挡风横向板的设置方式与横向筋板相同，区别在于挡风横向板靠近热风罐热风出风口处设置，挡风横向板的顶面靠近成型面弧段。挡风横向板靠近模具横向对称轴并分别设置于横向对称轴的两侧。上述实施例考虑了蠕变工艺的加载规律，去除了承载小或不承载位置的筋板材料，大大减轻了模具重量，而且考虑了模具在利用气体加热时的规律，利用尽量不阻碍热气流动和在特定位置设置挡风板使热风滞留的两种设计的结合，大大提高了模具的升温效率和温度均匀性，有利于提高蠕变时效成形构件的质量。

采用未见改进的模具作为对比例，对比例与上述实施例的区别在于现有模具以冲压模具为原型设计，横向和纵向都设置有承载筋板，而且为了提高承载能力，减重用的开孔密而小，单个开孔面积小于卡板面积的5％。且不考虑模具加热时的效率和温度均匀性。

现有模具经过静力学仿真后，结果如图5(a)～(b)所示，模具最大受力处为33.64mpa，型面处最大变形仅为0.05mm。参见图6(a)～(b)所示，为本发明提供的模具的静力学仿真结果示意图。由图6可见，模具最大受力处为70mpa，型面处最大变形为0.07mm。

现有模具和本发明提供的模具物理参数表，如表1。

表1

经过对比，轻量化后模具的质量与总体积减少17.2％，零件种类减少一种，总零件数减少8个。说明本发明提供的模具减重效果明显。

由表1整体对比可以看出，模具经过修改后，最大变形量增加约40％，最大等效应力增加约27.2％，同时模具受力情况几乎不变。说明经过减重后，该模具具有与未改进前模具相同的承重能力。

按xuy,zhanl,huangm,etal.numericalsimulationoftemperaturefieldinlargeintegralpanelduringageformingprocess:effectofautoclavecharacteristics[j].procediaengineering,2017,207:269-274.中公开的方法对本发明提供的模具和对比例中提供的现有模具，分别进行温度场模拟仿真分析。

通过基于cfd的热压罐-模具系统流场-温度场仿真，可模拟出在热压罐的热流场下模具的整体升温情况，具体模拟方法可参考论文(xuy,zhanl,huangm,etal.numericalsimulationoftemperaturefieldinlargeintegralpanelduringageformingprocess:effectofautoclavecharacteristics[j].procediaengineering,2017,207:269-274.)

设置热压罐内的环境温度从25℃升温到165℃，升温时间5760秒，热风从左往右通过模具，则轻量化优化前和优化后的模具整体升温情况如图7所示。其中图7a)为实施例和对比例中模具型面上最低温度变化曲线；图7b)为实施例和对比例中所得模具型面最大温差随保温时间的变化曲线；由图7a)可以看出，在罐内结束升温进入保温阶段时，本发明提供的轻量化后模具的最低温度已达到115℃，而此时未经优化处理，现有模具的最低温度为106℃；同时在保温进行到t＝4h35min时，轻量化后模具上的最低温度已达到目标165℃，而原模具直到t＝5h10min时才达到这个水平。说明本发明提供的模具整体升温速度较快，升温效率高。

由图7b)可见，轻量化优化前模具型面处最大温差为25℃，而经轻量化优化后模具型面处最大温差降为15℃，说明本发明提供的模具型面上整体温度均匀性好。

轻量化前和后的模具在t＝6000秒，9900秒和16500秒时温度分布如图8所示。其中，图8a)为现有模具在加热6000秒时的温度分布情况；图8b)为未设置挡风横向板的轻量化模具在加热6000秒时的温度分布情况；图8c)为现有模具在加热9900秒时的温度分布情况；图8d)为未设置挡风横向板的轻量化模具在加热9900秒时的温度分布情况；图8e)为现有模具在加热16500秒时的温度分布情况；图8f)为未设置挡风横向板的轻量化模具在加热16500秒时的温度分布情况。由图8可以看出，原模具的升温过程趋向于“从左往右”，即从靠近出风口到远离出风口区域温度依次升高，在型面部分区域尤其如此；而轻量化后模具升温过程则趋向于“从外往内”，即模具温度从周围向中间依次升高。考虑到轻量化后模具升温速率也明显提升，故模具温度场的均匀性得到了较大改善。

因此本发明提供的模具通过改变此处小卡板结构，采用挡风横向板，提高中间两块小卡板高度，使热气流在此处的回流变强，从而提高对此处的加热效率。

修改后模具的最低温度和最大温差变化情况如图9所示，图9a)说明了修改前后模具的升温效率相当，图9b)说明了修改后模具型面处的最大温差进一步降低到了7℃。可见修改卡板后的模具有效改善了原来模具中较难升温区域的均匀加热问题，进一步减小了模具升温时的最大温差，使最大温差从现有模具的25℃降低到了7℃。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。