一种低塑性板材成型模具、成型系统的制作方法

本实用新型涉及板材冲压设备技术领域，具体涉及一种低塑性板材成型模具、成型系统。

背景技术：

冲压技术具有许多独特的优点，在航空航天、机械、电子、轻工等工业部门中应用广泛。钛合金所具有的特殊优异性能和发展潜力也使钛金材料的研究开发和推广应用不断深入。现代工业对零部件的制造加工提出了更加轻量化和更高精度的要求。冲压在生产中得到了广泛的应用。全世界的钢材中，有60％～70％是板材，其中大部分是经过冲压制成。汽车的车身、底盘、油箱、散热器片，锅炉的汽包、容器的壳体，电机、电器的铁芯硅钢片等都是冲压加工的。仪器仪表、家用电器、自行车、办公器械、生活器皿等产品中，也有大量冲压件。冷冲压可加工各种类型的产品，尺寸从小到钟表的秒针，大到汽车的纵梁、覆盖件，加工尺寸幅度大，适应性强。

对于塑性较低的板材，如钛合金板材，其塑性较低，变形抗力大，低温下较难成型，对于大多数钛合金，采用传统的冷成型工艺无法成型。在现有技术中，钛合金零件的成型多采用常规的冷冲压技术和超塑成型技术。发明人发现，钛合金在室温条件下塑性低、弹性模量低，使得冷冲压成型的钛合金冲压件存在回弹大、易产生扭曲、易破裂的缺陷，成品率较低。传统的超塑成型技术，则要求在很低的应变速率下进行，生产效率很低，不能满足大批量生产的要求。

在机械加工冲压工艺领域，对于钛合金板的冲压成型通常采用等温冲压成型和差温冲压成型，其中采用等温冲压成型，可以显著改善钛合金的塑性变形能力，提高冲压成型性能，但是发明人发现在成型过程中容易在凸模圆角部位产生集中塑性变形，造成冲压件的过早开裂，从而限制了钛合金冲压件的冲压性能。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种低塑性板材成型模具，能够利用同一套模具实现冲压与气胀、真空的复合成型，解决了现有低塑性板材冲压成型过程中易出现的擦伤、变形和开裂的问题，降低了模具成本，缩短了成型时间，提高了生产效率。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种低塑性板材成型模具，包括凸模和凹模，所述凸模位于压边圈内部并与上模机构连接，上模机构与压边圈弹性连接，上模机构用于带动凸模及压边圈的运动，压边圈可压紧板材边缘位置，凸模和凹模可对工件进行冲压成型，所述压边圈设置有进气孔和排气孔，用于对板材进行气胀成型，所述凹模设有抽真空孔，用于对板材进行真空成型。

通过在压边圈上设置进气孔和排气孔，并在凹模上设置抽真空孔，可以实现在同一个模具中连续完成冲压和气胀、真空成型，冲压过程结合了三种加工方法的优点，减少了模具成本，提高了零件精度。

进一步的，所述压边圈用于与板材接触的端面设有密封圈，用于板材和压边圈之间形成密封空间，所述凹模与板材接触的端面设有密封圈，用于板材和凹模之间形成密封空间。

进一步的，所述上模机构包括上模座，所述上模座顶端连接有模柄，所述模柄用于与冲压设备进行连接，上模座底端可拆卸连接有上模垫板，所述上模垫板与凸模柄一端连接，凸模柄另一端伸入压边圈内部空间并与凸模可拆卸连接，所述压边圈固定有密封件，用于密封凸模柄与压边圈之间的空隙。

进一步的，所述压边圈通过连接件与上模座及上模垫板可拆卸连接，所述连接件套有弹簧，所述弹簧一端与压边圈连接，另一端与上模垫板连接，通过弹簧实现了压边圈与上模机构的弹性连接。

进一步的，所述凹模与下模座可拆卸连接，所述下模座用于将凹模与冲压设备进行固定连接。

本实用新型的另一个目的是提供一种低塑性板材成型系统，包括冲床、充气装置、抽真空装置及所述的低塑性板材成型模具，所述低塑性板材成型模具安装在冲床上，压边圈通过进气孔与充气装置连接，凹模通过抽真空孔与抽真空装置连接。

通过设置与充气装置连接的压边圈及与抽真空装置连接的凹模，可以连续完成板材的冲压和其中、真空成型，将三种加工方法的优点进行结合，提高板材成型受力的均匀性，提高板材减薄的一致性。

进一步的，所述充气装置包括空压机及气体盛装装置，所述空压机的进气阀通过管路与气体盛装装置连接，排气阀通过管路及进气孔与压边圈连接，空压机可驱动气体盛装装置内的气体通过进气孔进入压边圈内部空间，并保持一定气体压力。

本实用新型的另一个目的是提供一种低塑性板材的成型系统的工作方法，解决了现有低塑性板材冲压成型过程中易出现擦伤、变形和开裂的问题，包括以下步骤：

步骤1：预先对板材进行加热，加热至一定温度后，保温一定时间，使板材受热均匀。

步骤2：将板材放置于凹模上，冲床带动上模机构、压边圈及凸模向凹模方向运动，压边圈与凹模压紧板材的边缘位置，压边圈内与工件、凹模与工件形成密闭空间，抽真空装置工作，将凹模与工件之间的密闭空间内空气抽出，形成真空，封闭排气孔，充气装置工作，通过进气孔向工件与压边圈之间密闭空间内充入一定压力气体，板材向凹模型腔内胀形，凸模继续向凹模运动直至将板材压紧在凹模的成型面。

步骤3：上模机构、压边圈及凸模远离凹模运动，对成型完成后的板材进行脱模，即完成了板材的成型工作。

进一步的，进行所述步骤1之前，在凹模、凸模和板材表面均匀涂覆石墨，避免板材表面的擦伤。

进一步的，所述步骤2中，通入的气体为惰性气体，能够有效避免板材表面的高温氧化。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型的板材成型模具，在同一个模具上可同时实现冲压、气胀和真空三种成型方式，避免了采用不同工艺需要更换不同模具的复杂步骤，减少了模具成本。

2.本实用新型的板材成型方法，采用了冲压、气胀和真空复合成型，结合了三种加工方式的优点，可以提高板材成型受力的均匀性，提高板材减薄的一致性，减少钛合金板高温氧化，显著缩短了成型时间，而且可避免拉深部位起皱、变形不均匀及开裂，不仅可以保证冲压件尺寸的稳定性、提高钛合金冲压件的极限拉深比，而且可以使冲压件的厚度分布更加均匀，使工件获得预期的形状，提高了零件精度，有效提高冲压质量。

3.本实用新型的板材成型方法，冲压前进行加热，能有效改善板材的成型性能，解决了板材冲压时发生变形和开裂的问题。

4.本实用新型的板材成型方法，冲压前在凹模、凸模和板材表面涂覆石墨，可以避免冲压时板材表面的擦伤。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本实用新型实施例成型前整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例成型完成后整体结构示意图；

其中，1.凹模，2.凸模，3.压边圈，4.第一螺钉，5.下模座，6.上模座，7. 模柄，8.第二螺钉，9.上模垫板，10.定位销，11.凸模柄，11-1.阶梯轴结构， 12.长螺钉，13.弹簧，14.进气孔，15.排气孔，16.抽真空孔，17.第一密封圈， 18.第二密封圈，19.钛合金板材，20.凸模炳密封圈。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本实用新型中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的低塑性板材冲压过程中，易出现表面擦伤、变形和开裂的问题，针对上述问题，本申请提出了一种低塑性板材成型模具。

本申请的一种典型实施方式中，如图1-2所示，一种低塑性板材成型模具，包括凹模1和凸模2，所述凸模位于压边圈3内部，凸模与上模机构连接，上模机构与压边圈顶端面弹性连接，上模机构可带动压边圈及凸模的上下运动。

所述凹模及凸模具有相匹配的成型面，所述成型面形状根据待成型工件的形状进行设计，凹模和凸模对板材进行挤压，可将板材进行成型为设计的形状，所述凸模与上模机构连接，由上模机构带动其运动，凹模通过第一螺钉4与下模座 5连接，凹模可通过下模座安装在冲床的工作台上。

所述上模机构包括上模座6，所述上模座顶面中心位置通过螺纹连接有模柄 7，所述模柄用于与冲床连接，所述上模座底面通过多个第二螺钉8连接有上模垫板9，所述上模座及上模垫板上还设有多个相匹配的定位销孔，连接时，定位销孔中插入定位销10，可对上模座和上模垫板的相对位置进行限位，方便其利用第二螺钉进行连接，所述上模垫板与凸模柄11的一端连接，所述凸模柄的一端具有阶梯轴结构11-1，包括直径较大的第一轴段及直径较小的第二轴段，上模垫板上设有与所述阶梯轴结构相匹配的阶梯孔，包括直径较大的第一孔段及直径较小的第二孔段，所述第二孔段位于第二轴段内部，第一轴段位于第一孔段内部，第一轴段的底端面放置在阶梯孔的台阶面上。所述凸模柄的另一端伸入压边圈的内部空间，并且螺纹连接有凸模2，所述凸模柄与压边圈之间设置有密封件，所述密封件采用凸模柄密封圈20，所述凸模柄密封圈用于密封凸模柄与压边圈之间的空隙。

所述压边圈内部具有空腔，且底部敞口，压边圈可采用立方体结构或圆柱体结构，可根据实际情况进行设置，压边圈的顶面通过连接件与上模座及上模垫板固定连接，所述连接件采用长螺钉12，所述长螺钉穿过上模座、上模垫板并与压边圈螺纹连接固定，所述长螺钉套有弹簧13，所述弹簧一端与上模垫板连接，弹簧另一端与压边圈连接，通过弹簧实现了压边圈与上模机构的弹性连接。

所述压边圈上设有对称分布的进气孔14和排气孔15，通过进气孔对压边圈内部的空间施加气压，从而对工件进行气胀成型，所述排气孔用于排出压边圈内部的气体，优选的，所述进气孔和排气孔设置在凸模上方，即进气孔、排气孔和凹模位于凸模两侧，采用此种设置，可避免压边圈内部产生的气压阻碍凸模向凹模的运动。

所述凹模上设有抽真空孔16，所述抽真空孔与凹模的型腔连通，用于对凹模的型腔进行抽真空。

所述压边圈的下端面固定有三条第一密封圈17，压边圈可通过第一密封圈压紧板材，板材与压边圈可形成密封空间，防止压边圈内部空间内气体的泄漏，所述凹模用于放置板材的端面也设有三条第二密封圈18，板材和第二密封圈可将凹模型腔构成一个密封空间，防止凹模型腔抽真空后再进入气体。

本实施例还公开了一种低塑性板材成型系统，包括冲床、充气装置、抽真空装置及所述的低塑性板材成型模具。

所述冲床采用现有的冲压用冲床即可，所述低塑性板材成型模具装配在冲床上，具体的，下模座安装在冲床的工作台上，上模机构通过模柄与冲床的滑块底平面上。

所述充气装置采包括空压机及气体盛装装置，所述气体盛装装置采用惰性气体盛装瓶，所述惰性气体盛装瓶的瓶口通过管路与空压机的进气阀连接，空压机的出气阀通过管路及进气口与压边圈连接，所述惰性气体盛装瓶内盛装有氮气或其他类型的惰性气体，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。

所述抽真空装置可采用真空泵，所述真空泵通过管路及抽真空孔与凹模连接，也可采用其他抽真空装置，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。

本实施例还公开了一种低塑性板材成型系统的工作方法，对钛合金板材19 进行成型加工，包括以下步骤：

步骤1：预先对钛合金板材进行加热，加热温度控制为700℃-800℃，保温 10min-20min，使板材受热均匀。

进行步骤1之前，可在凹模、凸模及钛合金板材表面均匀涂覆石墨，可以避免成型过程中板材表面的擦伤。

步骤2：将板材放置于凹模上，冲床工作，通过模柄带动上模座、上模垫板、压边圈、凸模向下运动，压边圈底端接触钛合金板材，压边圈与钛合金板材接触后，上模座、上模垫板继续向下运动，此时上模垫板压缩弹簧，弹簧压紧压边圈，使压边圈下表面压紧钛合金板材，同时凹模及压边圈的密封圈压紧钛合金板材，从而使压边圈与工件之间形成一个密封空间，凹模与工件之间形成一个密封空间，真空泵工作，通过抽真空孔将凹模与工件之间的空气抽出，在凹模的型腔内形成真空，密封压边圈上的排气孔，启动空压机，空压机向压边圈内部空间充入 2MPa-5MPa的惰性气体，凸模炳密封圈会被气压压紧包裹在凸模炳上，防止高压气体从凸模炳与压边圈之间的间隙处泄漏出去，起到密封作用，压边圈内部的气压使钛合金板材向凹模型腔内胀形，上模座、上模垫板继续向下运动，直至凸模与凹模的成型面压紧钛合金板材，钛合金板材贴合在凹模型腔表面，形成与成型后的零件。

步骤2中采用惰性气体，可有效避免板材的高温氧化。

步骤3：上模座、上模垫板、压边圈及凸模远离凹模运动，对成型完成后的钛合金板材进行脱模，即完成了钛合金板材的成型工作。

采用本实施例的模具，利用一个模具即可实现冲压、胀气和真空成型工艺，避免了不同工艺更换模具的复杂工序，降低了模具消耗的成本。

本实施例的成型方法，冲压前的加热能有效改善钛合金板材的成型性能，改善板材冲压时发生变形和开裂的问题；涂覆石墨可以避免冲压时，板材表面被擦伤；采用冲压和气胀、真空复合成型，控制变形温度和拉深速度，可避免拉深部位起皱、变形不均匀及开裂，不仅可以保证冲压件尺寸的稳定性、提高钛合金冲压件的极限拉深比，而且可以使冲压件的厚度分布更加均匀，使工件获得预期的形状，有效提高冲压质量，提高零件精度。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。