一种3350mm级椭球瓜瓣充液成形工艺及其模具的制作方法

本发明创造属于椭球瓜瓣成型技术领域，尤其是涉及一种3350mm级椭球瓜瓣充液成形工艺及其模具。

背景技术：

在研运载火箭中，ф3350mm箱底结构为方瓜瓣结构形式，零件尺寸约为1300mm×1300mm，产品结构如图1所示，所采用原材料为6mm～10mm退火状态2219铝合金，产品需要淬火、人工时效。目前，该类产品采用大吨位液压机通过刚性模拉深成形的方法生产。

现役运载火箭3.35米级贮箱瓜瓣采用传统拉深成形工艺，两道次成形，中间进行淬火处理。现有技术中ф3350mm椭球瓜瓣采用拉深成形的制造工艺流程为：下料(剪板机)→预拉深成形(液压机)→淬火→补拉深成形(液压机)→去余量→人工时效→修整。拉深成形后的零件尺寸精度超出设计要求，零件拉深成形后需进行耗时、繁重的手工修整，手工修整显著降低生产效率，且大量手工修整带来的修整痕迹为后续的加工工艺带来较大困难。同时，经常出现因“粗晶”引起的表面粗糙及力学性能不稳定等问题，严重制约型号研制进度需求。

综上所述，现有技术中采用拉深成形工艺制造ф3350mm椭球瓜瓣，主要问题如下：

(1)型面精度不易保证，需要进行大量的手工修整；

(2)修整痕迹给后续的加工工艺带来一定的困难；

(3)产品力学性能不稳定，部分产品力学性能不符合设计要求；

(4)经常会出现因“粗晶”引起的表面粗糙现象。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种3350mm椭球瓜瓣充液成形工艺，就是采用充液成形工艺来完成ф3350mm椭球瓜瓣成形制作。作为先进的板材成形方法，充液拉深其原理是：通过液体作为传力介质代替凹模在拉深过程中迫使坯料贴靠凸模，获得与凸模形状尺寸一致板材零件。充液拉深的成形过程，先在液室(凹模)内充满液体，放上拉深坯料，施加一定的压边力，凸模下行进行拉深，同时启动液压系统使液体保持一定的压力，直到拉深结束，然后抬起凸模、压边圈，取出成形零件。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种3350mm级椭球瓜瓣充液成形工艺，采用充液拉深成型。

进一步的，充液拉深成型的具体步骤：

a：清洗：充液前排除模具型面及坯料表面杂物；

b：在模具凸模整体型面上均匀涂抹润滑油；

c：填充充液室：采用液压油将凹模的充液室注满；

d：上料：将坯料放于凹模上，调整坯料前后位置使坯料对中，调整充液室液位与坯料平齐；

e：在坯料与压边圈接触一侧垫环形塑料薄膜、坯料与充液室接触一侧垫与坯料形状一致的塑料膜；

f：充液拉深零件：控制充液室压力及压边力的匹配关系，将坯料充液拉深成型；

g：卸料：将液压机上滑块回程，将零件从凹模中取出。

进一步的，所述充液拉深成型的坯料变形量控制在3％-6％，充液室压力设置为1-3mpa，其中初始充液室压力设定1mpa，充液室压力随凸模行程逐渐增至3mpa，充液拉深成型的拉深速度3-8mm/s。

进一步的，具体包括以下步骤：

步骤一：下料；

步骤二：淬火；

步骤三：充液拉深；

步骤四：去余量；

步骤五：人工时效。

进一步的，具体的步骤如下：

步骤一：下料：坯料选取随型方案，退火状态，纤维方向顺长边，采用剪板机进行下料；

步骤二：淬火：利用空气淬火炉进行坯料淬火，将零件固定在装料框内，零件间要有不小于500mm的间隙；

步骤三：充液拉深：

a：清洗：充液前排除模具型面及坯料表面杂物；

b：在模具凸模整体型面上均匀涂抹润滑油；

c：填充充液室：采用液压油将凹模的充液室注满；

d：上料：将坯料放于凹模上，调整坯料前后位置使坯料对中，调整充液室液位与坯料平齐；

e：在坯料与压边圈接触一侧垫环形塑料薄膜、坯料与充液室接触一侧垫与坯料形状一致的塑料膜；

f：充液拉深零件：控制充液室压力及压边力的匹配关系，将坯料充液拉深成型；

g：卸料：将液压机上滑块回程，将零件从凹模中取出；

步骤四：去余量：a)水切割去除余量；b)去除边缘毛刺并打磨光滑；

步骤五：人工时效：保证零件、力学试片和焊接试片全部入炉，并仔细核对零件与试片的编号信息，注意区分试片。

进一步的，所述淬火处理中保证零件垂直入水，淬火热处理工艺参数为：温度535±5℃，保温25-30分钟，转移时间为10秒，水冷。

进一步的，人工时效工艺参数：175±5℃，保温时间为18小时，随炉冷却。

本发明创造还提及了一种充液成形模具，用于上述的3350mm级椭球瓜瓣充液成形工艺，所述模具包括凸模、压边圈和凹模，凹模内部为充液室，凹模的侧壁开有与充液室连通的充液口，充液口处设置有压力控制阀与控制系统连接。

进一步的，凹模的凹模口处的凹模圆角半径为6-10倍的坯料厚度，凸模与凹模之间的间隙为1.2倍的坯料厚度。

进一步的，所述充液室上方的凹模为凹模有效作用部位凹模有效作用部位的横截面积小于充液室的横截面积，凹模有效作用部位的高度为坯料3350mm级椭球瓜瓣高度的二分之一。

相对于现有技术，本发明创造所述的一种3350mm椭球瓜瓣充液成形工艺及其模具具有以下优势：

(1)本发明创造采用一次充液成形工艺，实现了3350mm椭球瓜瓣充液成形，获得满足图纸设计使用要求的合格产品，显著提高了零件表面质量和型面精度；

(2)零件充液成形后和检验胎完全贴合，不需任何手工修整，大大降低了工人的劳动强度，提高了生产效率；

(3)经过优化后的模具，充分考虑回弹，兼顾产品不同厚度，经济实用。

附图说明

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

图1为本发明创造实施例所述的3350mm椭球瓜瓣的结构示意图；

图2为本发明创造实施例所述的3350mm椭球瓜瓣的a-a处的剖视图；

图3为本发明创造实施例所述的坯料的结构示意图，图中的箭头方向为纤维方向；

图4为本发明创造实施例所述的模具拉深时的结构示意图；

图5为本发明创造实施例所述的凹模结构示意图；

图6为本发明创造实施例所述的充液室内的液压油与坯料的有益摩擦和流体润滑示意图；

图7为现有技术中普通拉深中“悬空段”的变形示意图；

图8为本发明创造实施例的压边力载荷加载路径示意图；

图9为本发明创造实施例的充液室的横截面的应力分布图。

附图标记说明：

1、坯料；101、3350mm级椭球瓜瓣；2、凹模；201、充液室；202、充液口；203、凹模有效作用部位；204、凹模圆角；3、凸模；4、压边圈；5、压力控制阀；6、控制系统。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

如图1、2所示，由于ф3350mm级椭球瓜瓣101自身的形状特点，弦高差较大(弦高240mm)，同时受现有液压机设备吨位限制，重点研究充液成形过程压边力及液室压力匹配关系，选取加载路径调节压边力和充液室压力，通过调整充液工艺参数，从而保证壁厚分布均匀性和尺寸精度为指标的产品质量。

考虑板材材料特性，3350mm级椭球瓜瓣101采用2219铝合金为可变形强化铝合金，为达到产品强度要求，确定3350mm级椭球瓜瓣101的充液成形工艺流程如下：

2219牌号：下料(剪板机)→淬火(空气循环炉)→充液拉深(液压机)→去余量(超高压水切割机)→人工时效(空气炉)。

具体技术方案如下：

(1)下料：

考虑设备台面和吨位限制，坯料1选取随型方案，通过有限元数值模拟确定坯料1尺寸具体示意如图3所示，退火状态，纤维方向(图中箭头方向)顺长边，采用剪板机进行下料。

(2)淬火：利用空气淬火炉进行毛坯淬火，利用专用淬火工装将零件固定在装料框内，零件间要有一定的间隙，间隔应不小于500mm，注意减小热处理变形，保证零件垂直入水，淬火热处理工艺参数为：温度535±5℃，保温25-30分钟，转移时间为10秒，水冷。

(3)充液成形：

a)清洗：充液前排除模具型面及坯料表面杂物，用干净的豆包布擦拭干净；

b)在模具凸模3整体型面上均匀涂抹润滑油；

c)填充充液室201：经前期缩比件研究，采用国产20#液压油效果较好，将凹模2的充液室201注满；

d)上料：将坯料1放于凹模2上，注意坯料1对中，调整前后位置，调整充液室201液位与坯料1平齐；

e)在坯料1与压边圈4接触一侧垫环形塑料薄膜、坯料1与充液室201接触一侧垫与坯料1形状一致的塑料膜；

f)充液零件：充液成形过程充液室压力及压边力的匹配关系，直接决定成形零件变形量的分布、型面精度等。

充液成形过程中需要注意的是：

①坯料1的变形量控制在3％-6％；

②压边力随凸模3行程如图8所示，设置为合理加载路径形式；

③充液室压力包括成形前的初始充液室压力和成形过程中的充液室压力加载路径，充液室压力设置1-3mpa(初始充液室压力设定1mpa、随凸模3行程采取加载路径增至3mpa)；

④凸模3的拉深速度控制在3-8mm/s；

g)卸料：充液拉深后将液压机上滑块回程，将零件从凹模2中取出。

(4)去余量：

a)水切割去除余量，两侧边余量为15mm，小端余量为50mm，大端余量为60mm；

b)去除边缘毛刺并打磨光滑；

(5)人工时效：

a)保证零件、力学试片和焊接试片全部入炉，并仔细核对零件与试片的编号信息，注意区分试片；

b)人工时效工艺参数：175±5℃，保温时间为18小时，随炉冷却。

模具设计具体技术方案如下：

如图4至5所示，一种用于3350mm椭球瓜瓣101充液成形工艺的充液成形模具，包括凸模3、压边圈4和凹模2，凹模2内部为充液室201，凹模2的侧壁开有与充液室201连通的充液口202，充液口202处设置有压力控制阀5与控制系统6连接。

首先通过有限元数值模拟确定凸模3、凹模2间隙及回弹补偿量，以确定模具的关键尺寸；其次根据成形所需的充液室压力，对模具进行结构设计，并且选取合适的模具材料；再次导入模具的三维模型，通过理论计算和有限元分析对模具材料进行强度计算；最后进行模具的制造与加工。

具体来说，充液拉深成形工艺与普通拉深模具不同的是：用充液室201取代传统凹模，模具包含凸模3、压边圈4、带充液室201的凹模2三大部分，充液拉深模具结构承受内压作用，充液室201必须具备足够的刚度和强度。

模具材料的选择：本发明中3350mm瓜瓣所需的内压相对较小，所需模具尺寸较大，压力承受面积较大，进一步考虑模具的经济性和可加工性，模具采用铸钢材料；

凸模3尺寸：凸模3型面尺寸与产品型面一致；

压边圈4的圆角：选为5倍左右坯料1厚度；

其次是充液室201的结构设计，如图5所示，其结构主要参数包括凹模口部尺寸、凹模圆角204尺寸、凹模有效作用部位203高度、充液口202处的螺栓的尺寸和密封连接方式。

图5为充液室201的典型示意图：

凹模圆角204尺寸：对于3350mm瓜瓣，为了保证压边圈4处的坯料1顺利流入充液室201，凹模圆角204的半径应为6-10倍坯料厚度；

凹模口部尺寸：应结合理论计算和数值模拟结果在普通拉深凸凹模间隙的基础上进行回弹量的补偿，单边回弹量的补偿一般为0.1倍左右坯料1厚度，也就是说凸模3和凹模2之间的间隙应该为1.2倍左右的坯料1厚度；

凹模有效作用部位203的高度：凹模存在凹模有效作用部位203，凹模有效作用部位203与凸模3的形状对应，凹模有效作用部位203的横截面积小于充液室201的横截面积，凹模有效作用部位203的高度应约为3350mm椭球瓜瓣101高度/2(但通常不小于20mm)，以保证零件的成形精度；

充液口202的尺寸：应综合考虑流量和内压的影响，3350mm椭球瓜瓣101充液室201内压较小、型腔体积较大，考虑大口径的螺纹孔。

充液口202的密封：成形所需的内压较小，采用普通的紫铜密封圈进行密封。

强度校核实施途径：对于瓜瓣横纵尺寸相差较大，从节省材料的角度宜采用矩形截面的充液室201。矩形截面充液室201承受内压和弯曲力矩的作用，其应力分布如图9所示。充液室201内壁拉应力最小点在凹模2长边的1/5或4/5处，因此该处是固定螺钉和销钉的最佳位置，充液室201内壁拉应力最大点在矩形截面的角部，其应力表达式为

根据上式，令a＝nb(0<n≤1)，则

其中，b为充液室201横截面的长边长度，a为充液室201横截面的短边长度，t为充液室201壁厚，pcr为充液室201压力，h为充液室201高度，n为充液室201横截面变长比；根据上式，令a＝nb(0<n≤1)，则当拉应力达到材料的许用应力时，矩形截面的变长比n直接影响充液室201的壁厚。在相同内压下，当n＝0.5时，所需壁厚最小，节省材料；当n＝1时，为正方形截面，充液室201所需要的壁厚最大。

本发明的关键点是根据ф3350mm级椭球瓜瓣101结构的特点及产品设计要求，合理设计模具、确定回弹，合理控制充液成形工艺流程及参数，合理配合热处理工序，通过对工艺的创新，圆满地完成ф3350mm级椭球瓜瓣101的充液成形，不需手工修整，零件精度完全满足产品技术指标要求。

本发明创造中由于液压的反向作用，如图6所示,使变形坯料1与凸模3之间建立起有益摩擦，形成摩擦保持，同时在坯料1下表面与凹模2之间形成流体润滑，其具有如下优点：成形极限高，适用于成形塑性差的铝合金等材料；尺寸精度高、表面质量好；成形道次少，合格率高；模具成本低，避免传统凹模2要求加工与凸模3匹配的一致型面。由于流体介质的压力作用，可有效避免曲面零件普通拉深中“悬空段”产生的内皱缺陷(如图7所示)，降低减薄量、提高壁厚的均匀性，尤其适合复杂曲面板材零件的成形。

充液拉深成形是实现可靠性、低成本、柔性、快速、近净成形制造迫切需要的关键技术。采用充液拉深成形技术，坯料1拉深过程中在高压流体压力作用下完全贴靠凸模3，可保证制件具有一致的形状尺寸；同时可以先预胀、再充液拉深以达到应变硬化的效果，形成软拉深筋，从而提高大型零件整体刚度的目的，满足气动力学性能对刚度要求，省去加强筋板；充液拉深过程中坯料1下表面形成流体润滑模，避免直接刚性接触，表面无划伤；通过采用优化的压边力和充液室压力加载路径，配合合理的润滑方式，一次拉深成形制件，无需多次退火，避免晶粒粗大、内部组织损伤，保证制件飞行环境下使用的可靠性和安全性。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。