一种正弦型可展开金属密封结构的成型装置及成型方法与流程

本发明涉及可展开超薄金属结构的精确成型领域，具体涉及一种正弦型可展开金属密封结构的成型装置及成型方法。

背景技术：

可展开密封结构在航天航空、现代建筑、极地运输等领域有广泛应用。这类结构的特点是不使用时可以折叠成小体积状态，在使用时可以展开，体积可以达到原来的几十倍。因此可以大大节约大结构的运输成本，降低运输过程的技术难度。

可展开密封结构包括可展开超薄金属结构和树脂材料制造的可展开密封结构。现有的树脂材料制造的可展开密封结构存在刚度不足、不耐磨、保型能力差的问题。可展开超薄金属结构的构型有很多种，随着应用要求的深入，新型构型种类也日益增多。正弦型可展开金属密封结构是可展开密封结构中的一种，在折叠状态下，侧壁母线为正弦函数线。这种结构的优势是可以在它的两端连接直径不同的器件。并且在折叠和展开过程中，两端面不会发生相对旋转。因此在航天上需要将不同口径器件可靠连接时能发挥重要作用。

正弦型可展开超薄金属密封结构制造的精度要求高，形状和位置误差过大，会导致结构在折叠和展开时局部变形不均匀。正弦型可展开超薄金属结构作为领域内前沿产品，但是目前没有该类型可展开结构的成型技术的报道。

综上所述，现有的正弦型可展开超薄金属密封结构的制造存在精度要求高，容易因形状和位置误差过大而导致结构在折叠和展开时局部变形不均匀的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有的正弦型可展开超薄金属密封结构的制造存在精度要求高，容易因形状和位置误差过大而导致结构在折叠和展开时局部变形不均匀的问题，进而提供一种正弦型可展开金属密封结构的成型装置及成型方法。

本发明的技术方案是：

一种正弦型可展开金属密封结构的成型装置，它包括凸模1、凹模2和中心导柱3，凸模1和凹模2由上及下同轴设置，凸模1和凹模2的中心位置设置中心导柱3，凸模1包括n个凸模弧形单元1-1、n个凸模顶端连接块1-2和多个轴向固定件1-3，6≥n≥2，n为正整数，n个凸模弧形单元1-1以环形阵列的方式设置在同一水平面上，所有凸模弧形单元1-1构成一个圆环形凸模结构，所述圆环形凸模结构在与金属箔材坯料接触的成型部位设置有正弦型金属块，每个凸模弧形单元1-1分别与中心导柱3连接，n个凸模顶端连接块1-2以环形阵列的方式设置在所述圆环形凸模结构上部并与n个凸模弧形单元1-1一一对应，每个凸模顶端连接块1-2均通过轴向固定件1-3与其下部对应的凸模弧形单元1-1连接，凹模2包括凹模环形块组和m个凹模弧形垫片组，6≥m≥2，m为正整数，凹模环形块组包括多个凹模环形块2-1，所述多个凹模环形块2-1均由内至外同轴设置在同一水平面上，凹模环形块组中各凹模环形块2-1长度随曲率半径增加，凹模弧形垫片组包括多个凹模弧形垫片2-2，凹模弧形垫片组中各凹模弧形垫片2-2长度随曲率半径增加，相邻两个凹模环形块2-1之间以环形阵列的方式均布m个凹模弧形垫片2-2，凹模环形块组中直径最小的凹模环形块2-1与中心导柱3下部外圆柱面贴合。

进一步地，每个凸模弧形单元1-1包括凸模弧形块组1-1-1、凸模弧形垫片组1-1-2和两个凸模径向连接杆1-1-3，凸模弧形块组1-1-1包括多个凸模弧形块1-1-1-1，多个凸模弧形块1-1-1-1均由内至外同轴设置在同一水平面上，所述凸模弧形块组1-1-1中各凸模弧形块1-1-1-1长度随曲率半径增加，凸模弧形块组1-1-1中的凸模弧形块1-1-1-1上部通过轴向固定件1-3与对应的凸模顶端连接块1-2连接，凸模弧形垫片组1-1-2包括多个凸模弧形垫片1-1-2-1，所述凸模弧形垫片组1-1-2中各凸模弧形垫片1-1-2-1长度随曲率半径增加，相邻两个凸模弧形块1-1-1-1之间中部设有一个凸模弧形垫片1-1-2-1，凸模弧形块组1-1-1中各凸模弧形块1-1-1-1通过两个凸模径向连接杆1-1-3与各凸模弧形垫片1-1-2-1连接，各凸模弧形块组1-1-1同时通过两个凸模径向连接杆1-1-3与中心导柱3的上部连接。

进一步地，每个凸模弧形块1-1-1-1包括上部金属块1-1-1-1-1、中部橡胶块1-1-1-1-2、下部金属块1-1-1-1-3和两个凸模轴向连接件1-1-1-1-4，上部金属块1-1-1-1-1、中部橡胶块1-1-1-1-2和下部金属块1-1-1-1-3两端部由上至下依次通过两个凸模轴向连接件1-1-1-1-4连接。

进一步地，凸模轴向连接件1-1-1-1-4为轴向连接螺钉，上部金属块1-1-1-1-1上端面两端部分别沿竖直方向对称开设两个第一通孔，中部橡胶块1-1-1-1-2上端面两端部分别沿竖直方向对称开设两个与第一通孔对应的第二通孔，下部金属块1-1-1-1-3上端面两端部分别沿竖直方向对称开设两个与第二通孔对应的第一沉孔，所述第一通孔和第二通孔均为光孔，所述第一沉孔为螺纹孔，轴向连接螺钉由上至下依次穿过上部金属块1-1-1-1-1和中部橡胶块1-1-1-1-2并与下部金属块1-1-1-1-3螺纹连接。

进一步地，下部金属块1-1-1-1-3为正弦型金属块。

进一步地，每个凸模弧形块组1-1-1中的所有所述中部橡胶块1-1-1-1-2高度随曲率半径增加。

进一步地，凸模弧形单元1-1顶端设置矩形凹槽，所述凹槽深度为3～10mm。

进一步地，所有凸模弧形单元1-1之间具有等角度的间距，每个凸模弧形单元1-1的夹角为360°-(2°～5°)n]/n。

进一步地，凹模弧形垫片组中各凹模弧形垫片2-2与凸模弧形垫片组1-1-2中各凸模弧形垫片1-1-2-1均为橡胶垫片。

一种采用正弦型可展开金属密封结构的成型方法，所述正弦型可展开金属密封结构的成型方法是通过以下步骤实现的，

步骤一、装配凸模弧形单元1-1：

采用凸模径向连接杆1-1-3将凸模弧形块组1-1-1中各凸模弧形块1-1-1-1与凸模弧形垫片组1-1-2中各凸模弧形垫片1-1-2-1按曲率半径由小到大顺序连接；

步骤二、安装凸模顶端连接块1-2：

采用轴向固定件1-3将凸模弧形块组1-1-1与凸模顶端连接块1-2连接；

步骤三、将凹模环形块2-1与中心导柱3配合：

将凹模环形块组中直径最小的凹模环形块2-1与中心导柱3下部外圆柱面贴合；

步骤四、将凹模环形块组中其余的配凹模环形块2-1：

将凹模环形块组中其余的凹模环形块2-1按直径由小到大顺序以同心圆的形式放置在步骤二中所述直径最小的凹模环形块2-1的外部；

步骤五、安装凹模弧形垫片2-2：

将凹模弧形垫片组中各凹模弧形垫片2-2嵌入到对应曲率的凹模环形块2-1之间；

步骤六、将成型装置安装在压力机上：

将中心导柱3及凸模顶端连接块1-2的上端与压力机上模座连接，将凹模环形块组与压力机下模座连接；

步骤七、上料：

将圆锥形坯料放置在凹模2上，启动压力机进行成型；

步骤八、成型：

成型结束后取出产品，至此，完成了正弦型可展开金属密封结构件的成型。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明所述正弦型可展开金属密封结构的成型装置实现了正弦型超薄金属结构的高精度成型。可以一次成形出尺寸精度高，壁厚均匀的正弦型可展开金属密封结构件。正弦型可展开金属密封结构可以在两端连接不同口径器件，并且在折叠和展开时端面不会发生相对旋转。因此在不同口径器件可靠连接时能发挥重要作用。

2、本发明所述正弦型可展开金属密封结构的成型装置将模具设计为模块组合的形式，并采用橡胶垫块、中心导柱等用于控制位置，实现正弦型可展开金属密封结构的高精度成型。

3、本发明所述正弦型可展开金属密封结构的成型方法，一方面解决正弦型可展开金属密封结构的成型精度差的问题，直接采用圆锥型金属箔材，以“先连接后成型”的方式替代“先成型后连接”。可以避免结构因为连接工序产生的误差。另一方面，解决模具“一模多用”的问题，采用模块化的凸、凹模，可以根据需要增加和减少模块，从而一副模具可以制造一系列尺寸的结构件。经本发明的成型装置及方法完成的正弦型可展开金属密封结构，具备壁厚均匀性好，成型精度高的优点。对于厚度0.5mm的圆锥型坯料，成型后厚度误差±0.6mm。对于端面直径在400mm的结构，其正弦型褶皱单元的最大高度误差在±20mm。

附图说明

图1是本发明的正弦型可展开金属密封结构的成型装置的结构示意图；

图2是本发明的凸模弧形单元1-1的结构示意图；

图3是本发明的凸模弧形单元1-1的轴测图；

图4是本发明的凸模顶端连接块1-2的结构示意图；

图5是本发明的中心导柱3的结构示意图；

图6是本发明的凹模2的结构示意图；

图7是本发明的凹模弧形垫片组的结构示意图；

图8是本发明的正弦型可展开金属密封结构的产品示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式的一种正弦型可展开金属密封结构的成型装置，它包括凸模1、凹模2和中心导柱3，凸模1和凹模2由上及下同轴设置，凸模1和凹模2的中心位置设置中心导柱3，凸模1包括n个凸模弧形单元1-1、n个凸模顶端连接块1-2和多个轴向固定件1-3，6≥n≥2，n为正整数，n个凸模弧形单元1-1以环形阵列的方式设置在同一水平面上，所有凸模弧形单元1-1构成一个圆环形凸模结构，所述圆环形凸模结构在与金属箔材坯料接触的成型部位设置有正弦型金属块，每个凸模弧形单元1-1分别与中心导柱3连接，n个凸模顶端连接块1-2以环形阵列的方式设置在所述圆环形凸模结构上部并与n个凸模弧形单元1-1一一对应，每个凸模顶端连接块1-2均通过轴向固定件1-3与其下部对应的凸模弧形单元1-1连接，凹模2包括凹模环形块组和m个凹模弧形垫片组，6≥m≥2，m为正整数，凹模环形块组包括多个凹模环形块2-1，所述多个凹模环形块2-1均由内至外同轴设置在同一水平面上，凹模环形块组中各凹模环形块2-1长度随曲率半径增加，凹模弧形垫片组包括多个凹模弧形垫片2-2，凹模弧形垫片组中各凹模弧形垫片2-2长度随曲率半径增加，相邻两个凹模环形块2-1之间以环形阵列的方式均布m个凹模弧形垫片2-2，凹模环形块组中直径最小的凹模环形块2-1与中心导柱3下部外圆柱面贴合。

本实施方式的中心导柱3用于实现凸模1与凹模2的精确定位。

本实施方式的凸模弧形单元1-1的数量优选为3个，本实施方式的凸模顶端连接块1-2的数量优选为3个。凸模1采用多个凸模弧形单元组合的方式，其作用是当其中一个或者几个凸模弧形单元中的构件损坏时，可针对性的将其替换，节约了生产成本。

本实施方式的凹模弧形垫片2-2用于保证凹模环形块组中各凹模环形块2-1的中心在同一个点上。

本实施方式的凹模2可以根据需要增减凹模环形块2-1，来制造不同尺寸的结构件。

本实施方式的凹模2中各凹模环形块2-1高度一致。凹模弧形垫片2-2的高度为凹模环形块2-1高度的一半。

本实施方式的凹模弧形垫片组的数量优选为3个，凹模弧形垫片2-2的数量优选为3个。

具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的每个凸模弧形单元1-1包括凸模弧形块组1-1-1、凸模弧形垫片组1-1-2和两个凸模径向连接杆1-1-3，凸模弧形块组1-1-1包括多个凸模弧形块1-1-1-1，多个凸模弧形块1-1-1-1均由内至外同轴设置在同一水平面上，所述凸模弧形块组1-1-1中各凸模弧形块1-1-1-1长度随曲率半径增加，凸模弧形块组1-1-1中的凸模弧形块1-1-1-1上部通过轴向固定件1-3与对应的凸模顶端连接块1-2连接，凸模弧形垫片组1-1-2包括多个凸模弧形垫片1-1-2-1，所述凸模弧形垫片组1-1-2中各凸模弧形垫片1-1-2-1长度随曲率半径增加，相邻两个凸模弧形块1-1-1-1之间中部设有一个凸模弧形垫片1-1-2-1，凸模弧形块组1-1-1中各凸模弧形块1-1-1-1通过两个凸模径向连接杆1-1-3与各凸模弧形垫片1-1-2-1连接，各凸模弧形块组1-1-1同时通过两个凸模径向连接杆1-1-3与中心导柱3的上部连接。如此设置，相邻两个凸模弧形块1-1-1-1之间的中部设有一个凸模弧形垫片1-1-2-1，用于凸模弧形块1-1-1-1的精确定位，使得凸模弧形块组1-1-1中各凸模弧形块1-1-1-1保持正确的距离。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式的凸模顶端连接块1-2用来减少凸模1对凹模2的凸模径向连接杆1-1-3的弯曲力矩。

本实施方式的凸模弧形单元1-1可以根据需要增减凸模弧形块1-1-1-1，来制造不同尺寸的结构件。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式的每个凸模弧形块1-1-1-1包括上部金属块1-1-1-1-1、中部橡胶块1-1-1-1-2、下部金属块1-1-1-1-3和两个凸模轴向连接件1-1-1-1-4，上部金属块1-1-1-1-1、中部橡胶块1-1-1-1-2和下部金属块1-1-1-1-3两端部由上至下依次通过两个凸模轴向连接件1-1-1-1-4连接。如此设置，中部橡胶块1-1-1-1-2起到缓冲的作用。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

中部橡胶块1-1-1-1-2为上下端面为平面的弧形橡胶块，凸模弧形块组1-1-1中各中部橡胶块1-1-1-1-2的高度随曲率半径增加。开模状态下，凸模弧形块组1-1-1中每个下部金属块1-1-1-1-3的最低点在一个弧面上，该面母线与水平面的夹角大于制造出的产品母线与水平面的夹角。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式的凸模轴向连接件1-1-1-1-4为轴向连接螺钉，上部金属块1-1-1-1-1上端面两端部分别沿竖直方向对称开设两个第一通孔，中部橡胶块1-1-1-1-2上端面两端部分别沿竖直方向对称开设两个与第一通孔对应的第二通孔，下部金属块1-1-1-1-3上端面两端部分别沿竖直方向对称开设两个与第二通孔对应的第一沉孔，所述第一通孔和第二通孔均为光孔，所述第一沉孔为螺纹孔，轴向连接螺钉由上至下依次穿过上部金属块1-1-1-1-1和中部橡胶块1-1-1-1-2并与下部金属块1-1-1-1-3螺纹连接。如此设置，采用轴向连接螺钉的连接方式，便于零件的装配和更换。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式的下部金属块1-1-1-1-3为正弦型金属块。如此设置，所述正弦型金属块为与金属箔材坯料接触的成形部位。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图3说明本实施方式，本实施方式的每个凸模弧形块组1-1-1中的所有所述中部橡胶块1-1-1-1-2高度随曲率半径增加。如此设置，使得结构的各褶皱由外向内依次成型，有效保证了成形时材料的流动，成形后结构壁厚均匀。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的凸模弧形单元1-1顶端设置矩形凹槽，所述凹槽深度为3～10mm。如此设置，矩形凹槽对凸模顶端连接块1-2起到定位的作用。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的所有凸模弧形单元1-1之间具有等角度的间距，每个凸模弧形单元1-1的夹角为360°-(2°～5°)n]/n。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

当n＝3时，[360°-(2°～5°)n]/n＝[360°-(2°～5°)3]/3＝118°～115°。

具体实施方式九：结合图3和图6说明本实施方式，本实施方式的凹模弧形垫片组中各凹模弧形垫片2-2与凸模弧形垫片组1-1-2中各凸模弧形垫片1-1-2-1均为橡胶垫片。如此设置，具有弹性，具备较好的缓冲功能。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式的一种采用正弦型可展开金属密封结构的成型方法，所述正弦型可展开金属密封结构的成型方法是通过以下步骤实现的，

步骤一、装配凸模弧形单元1-1：

采用凸模径向连接杆1-1-3将凸模弧形块组1-1-1中各凸模弧形块1-1-1-1与凸模弧形垫片组1-1-2中各凸模弧形垫片1-1-2-1按曲率半径由小到大顺序连接；

步骤二、安装凸模顶端连接块1-2：

采用轴向固定件1-3将凸模弧形块组1-1-1与凸模顶端连接块1-2连接；

步骤三、将凹模环形块2-1与中心导柱3配合：

将凹模环形块组中直径最小的凹模环形块2-1与中心导柱3下部外圆柱面贴合；

步骤四、将凹模环形块组中其余的配凹模环形块2-1：

将凹模环形块组中其余的凹模环形块2-1按直径由小到大顺序以同心圆的形式放置在步骤二中所述直径最小的凹模环形块2-1的外部；

步骤五、安装凹模弧形垫片2-2：

将凹模弧形垫片组中各凹模弧形垫片2-2嵌入到对应曲率的凹模环形块2-1之间；

步骤六、将成型装置安装在压力机上：

将中心导柱3及凸模顶端连接块1-2的上端与压力机上模座连接，将凹模环形块组与压力机下模座连接；

步骤七、上料：

将圆锥形坯料放置在凹模2上，启动压力机进行成型；

步骤八、成型：

成型结束后取出产品，至此，完成了正弦型可展开金属密封结构件的成型。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。

工作原理

结合图1至图8说明本发明的正弦型可展开金属密封结构的成型装置工作原理：

首先，采用凸模径向连接杆1-1-3将凸模弧形块组1-1-1中各凸模弧形块1-1-1-1与凸模弧形垫片组1-1-2中各凸模弧形垫片1-1-2-1按曲率半径由小到大顺序连接；采用轴向固定件1-3将凸模弧形块组1-1-1与凸模顶端连接块1-2连接，中心导柱3通过凸模径向连接杆1-1-3与凸模弧形块组1-1-1连接；

然后，将凹模环形块组中直径最小的凹模环形块2-1与中心导柱3下部外圆柱面贴合；将凹模环形块组中其余的凹模环形块2-1按直径由小到大顺序以同心圆的形式放置在步骤二中所述直径最小的凹模环形块2-1的外部；将凹模弧形垫片组中各凹模弧形垫片2-2嵌入到对应曲率的凹模环形块2-1之间；

最后，将中心导柱3及凸模顶端连接块1-2的上端与压力机上模座连接，将凹模环形块组与压力机下模座连接；将圆锥形坯料放置在凹模2上，启动压力机进行成型；成型结束后取出产品。