锥形嘴漏板整体冲挤复合成形模具及成形方法与流程

本发明涉及板材体积成形领域，具体是一种在板料上进行整体冲挤复合成形锥形漏嘴的方法。

背景技术：

漏板是玻璃纤维生产过程中使用的核心部件，其成形的好坏直接影响玻璃纤维的成型质量、拉丝效率以及漏板的使用寿命。为了提高玻璃纤维的产量及生产效率，漏板漏嘴从早期的100孔，发展到800孔，再到6000孔，孔数不断增加，排布不断紧密，此外，漏嘴的高径比大，这对漏板的成形质量和性能提出了更高的要求。

现有漏板成形方法大致分为两种。一种是分体成形，即漏嘴、底板分开加工，组合安装后焊接而成。该方法的关键在于漏嘴的制作及焊接组装。王德涵通过毛坯尺寸理论计算及黄铜板多道次拉深试验，探究了圆锥形无缝铂铑合金漏嘴成形工艺及模具参数设计(王德涵.冷冲压圆锥形无缝漏嘴成形工艺初探.玻璃纤维,1988(6):7-10.)。该工艺生产漏嘴的效率较低，其中冲底和切边工序对材料的损耗也较大。董鹤峰和于水提出了一种小孔径无缝漏嘴制造工艺(董鹤峰,于水.小孔径无缝漏嘴制造工艺的研发.玻璃纤维,2012(3):33-35.)，其特征包括：冲裁圆坯料、多道次深拉坯管、多道次冷拔、无缝管切断。该工艺较复杂，但提高了制嘴效率及材料的利用率。公开号为cn1864918a的专利公布了一种铂铑合金锥形漏嘴加工工艺，包括软化处理工序、切断工序、整形工序、反挤工序、镦挤成形工序和冲孔工序。该发明工艺提高了锥形嘴漏板的性能及使用寿命，并降低了铂合金的损耗。针对漏嘴与底板的组装焊接技术，杨兴无和李小甫指出：采用早期的氢氧焊工艺，底板热变形严重，漏嘴结构尺寸受影响，组装而成的漏板使用寿命较短；而采用新的焊接方法，如电子束焊、激光焊等，能减小热变形影响区，提高漏板的成形质量，但设备投资较大，生产成本增加(杨兴无,李小甫.池窑拉丝漏板制造方法及发展方向.玻璃纤维,2007(3):21-26.)。因此，分体成形方法存在的主要问题有：漏嘴形状、尺寸一致性较差；焊接时底板热变形较大，结构尺寸受影响，漏嘴强度降低；材料损耗较大，生产效率较低，成本投入大。

另一种漏板成形方法是整体成形法。最早采用的整体成形法是熔滴法，是通过火焰喷枪将金属丝熔化后，熔滴在漏板模型上不断堆积并进行机加工后制成漏板(陈松,张昆华,张吉明,等.玻璃纤维工业用铂基漏板的结构、制造和发展.贵金属,2010,31(3):70-77.)。该方法使得材料组织具有明显的铸造特点，底板与漏嘴的强度、结合和渗漏性都不好。后来采用切削放电法整体成形漏板，由于加工过程复杂，材料浪费大，生产成本高，而没有得到长足的发展。

面对当今形势，研究一种产品成形精度高、性能质量好，且简单、高效的漏板成形方法成为该领域技术人员迫切需要解决的技术难题。李奋强等采用冲挤复合成形技术对铝合金浅筒形件展开了研究，将h-m断裂准则集成到deform-3d软件中，很好地预测了铝合金浅筒形件冲挤复合成形过程中裂纹的产生(李奋强,刘全坤,张金宝.铝合金浅筒形件冲挤复合成形模拟与优化,锻压装备与制造技术,2009,44(3):93-97.)。该技术简单、易实现，能整体成形出浅筒形件，但对于高径比大的漏嘴构件很难成形。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的难以成形高径比大的漏嘴构件的不足，本发明提出了一种锥形嘴漏板整体冲挤复合成形模具及成形方法。

本发明提出的锥形嘴漏板整体冲挤复合成形模具包括凹模、嵌套、第一挤压凹模、第二挤压凹模、挤压凸模、第一冲压凸模、第二冲压凸模、第三冲压凸模和第四冲压凸模。

所述第一冲压凸模、第二冲压凸模、第三冲压凸模和第四冲压凸模在不同的工艺阶段更换使用；所述所述第一冲压凸模、第二冲压凸模、第三冲压凸模和第四冲压凸模均分为支撑段和工作段。所述工作段为变径段，支撑段为等径段。各冲压凸模支撑段的直径为d1。其中：

第一冲压凸模工作段的轴向垂直长度为l1，该工作段的外圆周表面为锥面，该锥面的锥度为α1。所述第一冲压凸模的工作段轴向垂直长度l1为0.5mm～0.7mm，工作段锥面的锥度α1为60°。

第二冲压凸模工作段的轴向垂直长度为l2，工作段端面直径为φ1，该工作段的外圆周表面为锥面，该锥面的锥度由工作段端面直径φ1与支撑段直径d1确定。该第二冲压凸模工作段端面直径φ1为1.6mm～1.8mm，所述第二冲压凸模作段轴向垂直长度l2为1.5mm～1.8mm。

第三冲压凸模工作段的外圆周表面为锥面。所述工作段由两段不同锥角的锥面组成，其中上段锥面轴向垂直长度为l3'，下段锥面轴向垂直长度为l3”。所述第三冲压凸模工作段端面直径为φ2，上段锥面与下段锥面衔接处的直径为φ2'。上段锥面由工作段端面直径φ2与衔接处的直径φ2'确定，下段锥面由衔接处的直径φ2'与支撑段直径d1确定。所述第三冲压凸模的上段锥面轴向垂直长度l3'为1.2～1.4mm，下段锥面轴向垂直长度l3”为1.5mm～1.8mm，工作段端面直径φ2为1.6mm～1.8mm，上段锥面与下段锥面衔接处直径φ2'为2.0mm。

第四冲压凸模工作段的外圆周表面为锥面。所述工作段由三段组成：其中该工作段端头处为上段，该段为圆柱形，该上段轴向垂直长度为l4'，端面直径为φ3；工作段与支撑段连接处为下段，该段为锥形段，该下段锥面轴向垂直长度为l4”'，中间部分为中段，该段为锥形段，该中段锥面轴向垂直长度为l4”，工作段中段与下段衔接处直径为φ3”；工作段中段锥面由工作段端面直径φ3与衔接处的直径φ3”确定，下段锥面由衔接处的直径φ3”与支撑段直径d1确定。所述第四冲压凸模工作段上段圆柱形段轴向垂直长度l4'＝2.5mm，工作段下段锥面轴向垂直长度l4”'为1.5～1.8mm，工作段中段锥面轴向垂直长度l4”为1.2mm～1.4mm，中段锥面与下段锥面衔接处直径φ3”为2.0mm。

所述第一挤压凹模和第二挤压凹模在不同的工艺阶段更换使用。其中：

第一挤压凹模下端面中心有锥形盲孔，盲孔孔口处的直径为φ4，盲孔深度为h，盲孔内表面的锥度为β1，盲孔孔底为半径r1的圆弧。该盲孔孔口与该第一挤压凹模下端面之间圆弧过渡，该圆弧半径为r2。所述第一挤压凹模的高度h3为4.0mm，直径d2为7.9mm，盲孔深度h为0.8mm～1.1mm，盲孔内表面的锥度为β1为10°，盲孔孔底为半径r1为0.4～0.6mm的倒角，盲孔孔口处直径φ4为2.8mm，盲孔孔口与第一挤压凹模下端面之间过渡圆弧半径r2为0.4mm。

第二挤压凹模中心孔为锥形，内表面锥度为β2。所述中心孔下端孔口处的孔径为φ5。该第二挤压凹模下端面与所述中心孔孔口处圆弧过渡，该圆弧的半径为r3。第二挤压凹模的内表面锥度β2为10°，中心孔下端孔口处孔径φ5为2.8mm，过渡圆弧半径r3为0.4mm。

所述挤压凸模为棒状，直径为d3为1.6mm～1.8mm。

所述凹模中心孔孔径为a，a＝3.0mm，高为h1，h1＝6.0mm。所述嵌套中心孔的孔径b略大于坯料的直径，b＝8.0mm，高为h2，h2＝4.0mm。

本发明提出的利用所述成形模具整体冲挤复合成形锥形嘴漏板的具体过程是：

步骤1：模具与坯料的装配。

将所述模具中的嵌套固定在凹模上；第一冲压凸模从凹模内孔的下端插入，当第一冲压凸模工作段l1刚好完全从凹模通孔内露出时固定；冲压凸模支撑段与凹模之间遵循机械设计手册中的h7/k6配合。将所述坯料置于嵌套中，并使坯料与嵌套的同轴度所述第一挤压凹模置于坯料上，并使坯料与第一挤压凹模的同轴度

步骤2：反挤压成形锥形嘴漏板的预制体。

将装配后的模具与坯料置于压力机的工作台上。启动压力机，对第一挤压凹模施加压力，使该第一挤压凹模以vp＝0.1mm/s的速度下行，对坯料进行封闭式挤压至坯料的厚度减薄至锥形嘴漏板厚度t，此时在坯料中心形成了凸台。得到锥形嘴漏板的预制体。

步骤3：冲挤复合成形。

更换挤压凹模，将所述第一挤压凹模更换为第二挤压凹模。

更换冲压凸模，将第一冲压凸模更换为第二冲压凸模。

安装挤压凸模，将该挤压凸模从所述第二挤压凹模内孔的上端放入。

启动压力机，对得到的锥形嘴漏板的预制体进行冲挤复合成形。在所述冲挤复合成形中，压力机以fi＝8×10³n的压边力压紧嵌套中的锥形嘴漏板的预制体，同时压力机对所述挤压凸模施加fb＝560n的挤压力，并通过该挤压凸模对锥形嘴漏板预制体上的凸台施加压力。第二冲压凸模以ve＝0.1mm/s的速度对预制体进行拉深。

坯料凸台在第二冲压凸模和挤压凸模的共同作用下逐渐增高。当第二冲压凸模进入锥形嘴漏板预制体内的深度h1＝0.9mm～1.2mm时，停止上行。得到凸台高度增加后的锥形嘴漏板预制体。卸除压力。

步骤4：正挤压成形。

将第二冲压凸模更换为第三冲压凸模；将挤压凹模固定不动。启动压力机，通过第二挤压凹模继续对凸台高度增加后的锥形嘴漏板预制体施加fi＝8×10³n的压边力。第三冲压凸模以ve＝0.1mm/s的速度对预制体进行挤压。

第三冲压凸模与挤压凸模之间的金属由于受到挤压作用而不断流向由第二挤压凹模与挤压凸模构成的型腔。当第三冲压凸模进入凸台高度增加后的锥形嘴漏板预制体的深度到达h2＝1.2mm～1.4mm时停止上行。卸除压力，得到带有连皮的漏嘴。

步骤5：冲连皮。

用第四冲压凸模替换第三冲压凸模，并拆除挤压凸模。启动压力机，通过第二挤压凹模继续对带有连皮的锥形嘴漏板施加fi＝8×10³n的压边力。第四冲压凸模以ve＝0.1mm/s的速度上行，当上升距离到达h3＝2.5mm时，连皮被冲掉，得到光洁的通孔。

步骤6：漏嘴校形。

去除底板表面的毛刺，磨平漏嘴端面，使得漏嘴的总长度l到达5.0mm，得到锥形嘴漏板。

本发明的目的在于实现精度高、整体成形性好和可操作性强的锥形嘴漏板整体冲挤复合成形，根据金属塑性成型原理，将规整的金属板材置于安装在压力机上的模具型腔内，采用挤压、冲压相结合的工艺整体成形出底板和漏嘴。

本发明从铝合金浅筒形件冲挤复合成形工艺中受到启发，探索了一种适用于锥形嘴漏板整体成形的工艺。与现有技术相比较，本发明取得的有益效果是：

1.有效的结合板料冲压和冷挤压工艺。首先利用冷挤使板料减薄，从而使得锥形嘴漏板在形成凸台的同时整体进行塑性变形，产生加工硬化的效果。在拉深、冲挤成形漏嘴部分的过程中，利用模具对坯料施加多约束，使坯料处于强烈的三向压缩应力状态，可同时避免成形过程中裂纹的产生。

2.成形精度高。在漏嘴部分成形过程中，仅需通过变换冲压凸头，即可实现三段式锥形嘴漏板的成形。金属仅在模具型腔中做质点流动，通过模具的制造精度可以保证锥形嘴漏板的成形精度，公差等级能够达到it8～it7，可直接用于玻璃纤维的拉丝生产，省去后续工序。而传统的焊接分体成形工艺，需要将漏嘴部分与嘴板部分分别焊接起来，使得最终的构件的精度得不到保障。如附图11。

3.该冲挤复合成形工艺仅需在加工前进行方形板材的预制，加工过程简单，且由于是冲挤成形，材料始终置于模具型腔中，因此在成形过程中几乎不会产生废料，材料利用率高，同时也适合连续冲挤成形。而焊接分体成形工艺需要对漏嘴部分以及漏板部分分别预制，生产效率过低，每分钟仅能加工3～4只漏嘴，且会产生大量废料，最后还需要额外增加工时进行漏嘴和嘴板的焊接，增加工时。熔滴法则是在漏板模型上不断堆积后进行机加工制成漏板，成形工艺十分复杂，材料浪费率极高，成本投入大。

4.整体冲挤复合成形的锥形嘴漏板在实际生产中，据国外统计数据，与焊接分体成形成形工艺相比，在降低制造漏嘴漏板的工作量大约40％，在现有员工人数的情况下每天玻璃纤维生产率的增加可达10％。

附图说明

图1为整体成形的锥形嘴漏板结构示意图；

图2为反挤压成形示意图，图2a是反挤压成形开始阶段，图2b是反挤压成形结束阶段；

图3为冲挤复合成形示意图，图3a是冲挤复合成形开始阶段，图3b是冲挤复合成形结束阶段；

图4为正挤压成形示意图，图4a是正挤压成形开始阶段，图4b是正挤压成形结束阶段；

图5为冲连皮示意图，图5a是冲连皮开始阶段，图5b是冲连皮结束阶段；

图6为凹模尺寸示意图；

图7为嵌套尺寸示意图；

图8为挤压凹模尺寸示意图，图8a是第一挤压凹模，图8b是第二挤压凹模；

图9为冲压凸模尺寸示意图，图9a是第一冲压凸模，图9b是第二冲压凸模，图9c是第三冲压凸模，图9d是第四冲压凸模；

图10为挤压凸模尺寸示意图；

图11为分体成形与整体冲挤复合成形效果对比图，其中，图11a是分体成形，图11b是整体冲挤复合成形；

图12为本发明的流程图。

图中：1.第一冲压凸模，2.凹模，3.嵌套，4.坯料，5.第一挤压凹模，6.凸台，7.第二挤压凹模，8.挤压凸模，9.第二冲压凸模，10.第三冲压凸模，11.型腔，12.连皮，13.第四冲压凸模。

具体实施方式

本发明是一种锥形嘴漏板整体冲挤复合成形方法，将通过三个实施例具体说明其成形过程。

本发明的坯料选用2219铝合金，坯料为直径7.9mm，厚度1.6mm～1.85mm，对该坯料进行退火软化处理。

所需成形的锥形嘴漏板结构见图1，其中，锥形嘴漏板直径d4＝8.0mm，厚度t＝1.5mm～1.8mm；漏嘴底部直径d1＝3.0mm，中部直径d2＝2.0mm，端面内径d为1.6mm～1.8mm，端面外径d3＝2.2mm～2.4mm；漏嘴总长l＝5.0mm，第一段内圆锥面长l1＝1.5mm～1.8mm，第二段内圆锥面l2＝1.2mm～1.4mm；漏嘴外圆锥面锥角α＝10°，工艺圆角r＝0.4mm。具体实施例中结构如下表

各实施例坯料及锥形嘴漏板结构尺寸

本发明提出的锥形嘴漏板整体冲挤复合成形模具包括凹模2、嵌套3、第一挤压凹模5、第二挤压凹模7、挤压凸模8、第一冲压凸模1、第二冲压凸9模、第三冲压凸模10和第四冲压凸模13。

所述凹模2为中空回转体，其中心孔孔径为a，a＝3.0mm，高为h1，h1＝6.0mm。

所述嵌套3为中空回转体，其中心孔的孔径b略大于坯料的直径，高为h2，其中b＝8.0mm，高为h2，h2＝4.0mm。

所述冲压凸模分为第一冲压凸模1、第二冲压凸模9、第三冲压凸模10和第四冲压凸模13，在不同的工艺阶段更换使用。所述第一冲压凸模、第二冲压凸模、第三冲压凸模和第四冲压凸模均为棒状，分为支撑段和工作段。所述工作段为变径段，支撑段为等径段。各冲压凸模支撑段的直径d1＝3mm。

各冲压凸模中：

第一冲压凸模1工作段的轴向垂直长度为l1为0.5mm～0.7mm，该工作段的外圆周表面为锥面，该锥面的锥度α1＝60°，该工作段的端面与锥面之间倒角过渡。

第二冲压凸模9工作段的轴向垂直长度为l2＝1.5mm～1.8mm，该工作段的外圆周表面为锥面，该工作段的端面与锥面之间倒角过渡。第二冲压凸模工作段端面直径为φ1为1.6mm～1.8mm。锥面的锥度由工作段端面直径φ1与支撑段直径d1共同确定。

第三冲压凸模10工作段的外圆周表面为锥面，该工作段的端面与锥面之间倒角过渡。所述工作段由两段不同锥角的锥面组成，其中上段锥面轴向垂直长度为l3'＝1.2～1.4mm，下段锥面轴向垂直长度为l3”＝1.5mm～1.8mm。所述第三冲压凸模10工作段端面直径为φ2为1.6mm～1.8mm，上段锥面与下段锥面衔接处的直径为φ2'。上段锥面由工作段端面直径φ2与衔接处的直径φ2'确定，下段锥面由衔接处的直径φ2'与支撑段直径d1确定。

第四冲压凸模13工作段的外圆周表面为锥面，该工作段的端面与锥面之间倒角过渡。所述工作段由三段组成：其中该工作段端头处为上段，该段为圆柱形，该上段的轴向垂直长度为l4'，端面直径为φ3；该工作段与支撑段连接处为下段，该段为锥形段，该下段锥面轴向垂直长度为l4”'＝1.5mm～1.8mm；所述上段与下段之间为中段，该段为锥形段，中段的锥面轴向垂直长度为l4”＝1.2mm～1.4mm，中段锥面与下段锥面衔接处直径为φ3”。所述第四冲压凸模13工作段上端面直径为φ3为1.6mm～1.8mm。中段锥面由工作段端面直径φ3与衔接处的直径φ3”确定，下段锥面由衔接处的直径φ3”与支撑段直径确定。

所述挤压凹模为圆柱形，包括第一挤压凹模5和第二挤压凹模7，在不同的工艺阶段更换使用。本实施例中，挤压凹模高度h3＝4mm，挤压凹模直径d2＝7.9mm。其中：

第一挤压凹模5下端面中心有锥形盲孔，盲孔孔口处的直径为φ4，盲孔深度为h为0.8mm～1.1mm，盲孔内表面的锥度为β1，盲孔孔底为半径r1＝0.3mm～0.5mm的圆弧。该盲孔孔口与该第一挤压凹模下端面之间圆弧过渡，该圆弧半径为r2。

第二挤压凹模7为中空回转体，中心孔为锥形，内表面锥度为β2。所述中心孔下端孔口处的孔径为φ5。该第二挤压凹模下端面与所述中心孔孔口处圆弧过渡，该圆弧的半径为r3。

所述挤压凸模8为棒状，直径为d3为1.6mm～1.8mm，端面以倒角r4过渡。

具体实施例中各模具结构参数如下表：

各实施例中模具的结构尺寸

本发明提出的利用所述成形模具整体冲挤复合成形锥形嘴漏板的具体过程是：

步骤1：模具与坯料的装配。

将所述模具中的嵌套3固定在凹模2上；第一冲压凸模1从凹模2内孔的下端插入，当第一冲压凸模1工作段l1刚好完全从凹模2通孔露出时固定，冲压凸模支撑段与凹模为了保证的同轴度达到要求，且方便拆卸，根据机械设计手册，该冲压凸模支撑段与凹模之间采用h7/k6配合。将所述坯料4置于嵌套3中，并使坯料4与嵌套3的同轴度所述第一挤压凹模5置于坯料上，并使坯料4与第一挤压凹模5的同轴度

步骤2：反挤压成形。

将装配后的模具与坯料置于压力机的工作台上。启动压力机，使第一挤压凹模5以vp＝0.1mm/s的速度下行，对坯料4进行封闭式挤压至坯料的厚度减薄至锥形嘴漏板厚度t＝1.5mm，此时在坯料中心形成了凸台6。得到锥形嘴漏板的预制体。

步骤3：冲挤复合成形。

更换挤压凹模，将所述第一挤压凹模5更换为第二挤压凹模7。

更换冲压凸模，将第一冲压凸模1更换为第二冲压凸模9。

安装挤压凸模8，将该挤压凸模8从所述第二挤压凹模7内孔的上端放入。

启动压力机，对得到的锥形嘴漏板的预制体进行冲挤复合成形。在所述冲挤复合成形中，压力机以fi＝8×10³n的压边力压紧锥形嘴漏板的预制体，同时压力机对所述挤压凸模8施加fb＝560n的挤压力，并通过该挤压凸模对锥形嘴漏板预制体上的凸台施加压力。第二冲压凸模以ve＝0.1mm/s的速度对坯料进行拉深。

坯料凸台在第二冲压凸模和挤压凸模的共同作用下逐渐增高。当第二冲压凸模9进入锥形嘴漏板预制体内的深度h1＝0.9mm～1.2mm时，停止上行。得到凸台高度增加后的锥形嘴漏板预制体。卸除压力。

各实施例中第二冲压凸模进入锥形嘴漏板预制体内的深度：

步骤4：正挤压成形。

将第二冲压凸模9更换为第三冲压凸模10；将挤压凹模8固定不动。启动压力机，通过第二挤压凹模7继续对凸台高度增加后的锥形嘴漏板预制体施加fi＝8×10³n的压边力。第三冲压凸模10以ve＝0.1mm/s的速度对坯料4进行挤压。

第三冲压凸模10与挤压凸模8之间的金属由于受到挤压作用而不断流向由第二挤压凹模7与挤压凸模8构成的型腔11。当第三冲压凸模10进入凸台高度增加后的锥形嘴漏板预制体的深度到达h2＝1.2mm～1.4mm时停止上行。卸除压力，得到带有连皮12的漏嘴。

各实施例中第三冲压凸模进入锥形嘴漏板预制体内的深度：

步骤5：冲连皮。

用第四冲压凸模13替换第三冲压凸模10，并拆除挤压凸模8。启动压力机，通过第二挤压凹模7继续对带有连皮的锥形嘴漏板施加fi＝8×10³n的压边力。第四冲压凸模13以ve＝0.1mm/s的速度上行，当上升距离到达h3＝2.5mm时，连皮被冲掉，得到光洁的通孔。

步骤6：漏嘴校形。

去除底板表面的毛刺，磨平漏嘴端面，使得漏嘴的总长度l到达5.0mm，得到锥形嘴漏板。