带筋构件整体挤压成型模具和成型方法

本发明涉及金属塑性加工，特别是涉及一种带筋构件整体挤压成型模具和成型方法。

背景技术：

1、带筋薄壁构件是广泛应用于航空航天等高精尖领域的构件，如箭体结构舱段采用即为带筋薄壁构件，随着航空航天技术的不断发展，对带筋薄壁构件的质量要求越来越高。如新一代运载火箭箭体直径跨向为5m-10m，不仅对舱段的形状尺寸提出了新的需求(壁板幅宽超过1300mm，幅宽/壁厚≈867，筋高/壁厚≈29)，而且对其性能的要求更为严苛。因此，发展高性能、低成本、高效制造整体带筋薄壁构件的技术迫在眉睫。带筋薄壁构件一般按照整体结构、截面形状和筋条布局进行分类，其中，按照构件整体结构分为壁板类构件与筒/环类构件；按照截面形状分为i型筋、t型筋和γ型筋构件等；按照筋条布局分为单向筋(橫/环筋或者纵筋)和网状交叉筋等。

2、目前，箭体结构带筋壁板成形方式有：薄板筋条铆接成形、厚板铣削成形2种。其中薄板筋条铆接成形是生产带筋薄壁构件最主要的方式，如图1所示，该成形方法需要分别加工出桁条和薄壁构件，组装时需要采用特定工装固定桁条，然后在桁条外围或者内侧包裹蒙皮，随后依次在特定位置进行铆接获得带筋构件，如带筋舱体。铆钉连接虽然工艺简单，但是需要设计人员进行大量的零件装配设计工作，且专用工装投入成本高；其次，铆接由工人手工操作，铆接质量与工人的技能水平和熟练程度息息相关，因此铆接质量一致性很难保证，容易出现铆钉头偏移、钉杆歪斜、接合面有缝隙等缺陷；此外，大量铆钉的存在大大增加了壳段装配周期和装配难度(铆接工艺约占壳段生产周期的60％～80％)。随着箭体直径增大，铆钉数量的急剧增多，严重制约了运载火箭的轻质、高效、低成本制备。

3、如图2所示，通过厚板铣削加工来制造整体带筋薄壁构件是目前整体大直径带筋薄壁构件制造的又一主要途径，具体为：在下料后，可以先进行机加获得带筋直壁板，然后进行滚弯或者压弯获得带筋弯曲壁板；也可以先进行滚弯或者压弯获得弯曲壁板，然后进行机加工获得带筋弯曲壁板；随后将多块带筋弯曲壁板进行焊接装配，进而获得最终的火箭舱体。然而该制备方式不仅存在机械加工量大、材料利用率低(不足30％)和制造成本高等缺点，而且在加工过程中产生的应力较大，从而造成难以保证成形精度、流变组织被破坏等诸多问题，很难实现高效、快速制造，难以满足新一代运载火箭的发展需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种带筋构件整体挤压成型模具和成型方法，以解决上述现有技术存在的问题，具有高效、绿色、节能等优点，且降低了成本，降低了带筋构件重量；具有较好地成型效果。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供了一种带筋构件整体挤压成型模具，包括挤压筒、上模具和下模具，其中：

4、所述上模具包括导流本体和芯轴，所述导流本体的一端与所述芯轴的一端固定连接，所述上模具设有沿所述上模具长度方向延伸的第一导流通道和第二导流通道，所述第一导流通道为多个，所述第二导流通道至少为一个，所述芯轴的外壁上设有沿所述上模具长度方向延伸的筋条成型槽，各所述第一导流通道能够贯穿所述导流本体，各所述第一导流通道的出口位于所述芯轴的外侧，各所述筋条成型槽与一个所述第二导流通道连通；

5、所述挤压筒的一端开口与各所述第一导流通道和各所述第二导流通道均连通，所述挤压筒的另一端开口能够供金属坯料进入所述挤压筒的内腔；

6、所述下模具具有沿所述下模具的中心线方向贯穿所述下模具的通孔，所述导流本体远离所述挤压筒的一端与所述下模具的一端密封连接，所述芯轴能够伸入至所述通孔内，所述芯轴的部分外壁与所述下模具的部分内壁之间形成有构件成型腔，各所述第一导流通道与所述构件成型腔连通。

7、优选的，还包括导流部件，所述导流部件设置于所述上模具和所述挤压筒之间，且所述导流部件的两端分别与所述上模具和所述挤压筒密封连接，所述导流部件具有多个第三导流通道和至少一个第四导流通道，各所述第一导流通道与至少一个所述第三导流通道连通，各所述第二导流通道与至少一个所述第四导流通道连通。

8、优选的，所述上模具还包括至少一个挡板，所述挡板与所述芯轴固定连接，各所述筋条成型槽的入口处设置有至少一个所述挡板，所述挡板能够遮挡对应的所述筋条成型槽的部分入口或围挡对应的所述筋条成型槽的至少部分入口。

9、优选的，所述第一导流通道的流通面积大于所述第二导流通道的流通面积，所述第三导流通道的流通面积大于所述第四导流通道的流通面积。

10、优选的，所述第一导流通道、所述第二导流通道、所述第三导流通道和所述第四导流通道中的至少一个由靠近所述挤压筒的一侧向远离所述上模具中心线所在直线的方向倾斜。

11、优选的，所述下模具由靠近所述上模具的一端至所述下模具的另一端依次设置有内径递减的第一焊合室、第二焊合室和成型孔，且所述第一焊合室、所述第二焊合室和所述成型孔依次连通并形成所述通孔，所述第一焊合室与各所述第一导流通道连通，所述芯轴远离所述导流本体的一端具有构件成型外壁，所述成型孔的内壁与所述构件成型外壁之间形成有所述构件成型腔，所述成型孔与多个所述筋条成型槽连通。

12、本发明还提供了一种基于上述的带筋构件整体挤压成型模具的带筋构件挤压成型方法，包括如下步骤：

13、s1、获得金属坯料，并将金属坯料加热至特定温度，将所述金属坯料放置于所述挤压筒的内腔内；

14、s2、沿所述挤压筒的中心线方向并朝向所述上模具的方向挤压所述金属坯料，使所述金属坯料沿所述第一导流通道进入所述构件成型腔，使所述金属坯料沿所述第二导流通道进入所述筋条成型槽，形成初始成型件。

15、s3、取出所述初始成型件，对所述初始成型件进行余料切除，获得第一带筋筒状构件。

16、优选的，还包括：s4、将所述第一带筋筒状构件切割展平，形成带筋壁板。

17、优选的，s5、将所述带筋壁板加工成圆弧壁板，将多个直径相同的所述圆弧壁板依次固定连接形成第二带筋筒状构件。

18、优选的，s3包括：取出所述初始成型件，对所述初始成型件进行余料切除，获得直径为d、长度为l的所述第一带筋筒状构件；

19、s5包括：将所述带筋壁板加工成直径为d、长度为h的所述圆弧壁板，h≤l，将d/d个直径为d、长度为h的所述圆弧壁板依次固定连接形成所述第二带筋筒状构件。

20、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

21、本发明提供的带筋构件整体挤压成型模具和成型方法，包括挤压筒、上模具和下模具，上模具包括导流本体和芯轴，导流本体的一端与芯轴的一端固定连接，上模具设有沿上模具长度方向延伸的第一导流通道和第二导流通道，第一导流通道为多个，第二导流通道至少为一个，芯轴的外壁上设有沿上模具长度方向延伸的筋条成型槽，各第一导流通道能够贯穿导流本体，各第一导流通道的出口位于芯轴的外侧，各筋条成型槽与一个第二导流通道连通；芯轴能够伸入至通孔内，芯轴的部分外壁与下模具的部分内壁之间形成有构件成型腔，各第一导流通道与构件成型腔连通，各筋条成型槽与构件成型腔连通。

22、通过将金属坯料放置于挤压筒内，通过冲头等挤压部件沿挤压筒中心线的方向对金属坯料进行挤压，使金属坯料被挤入至第一导流通道和第二通道，并经第一导流通道进入构件成型腔、经第二导流通道进入筋条成型槽，构件成型腔用于成型构件本体，筋条成型槽用于成型筋条，构件成型腔与筋条成型槽共同形成工作带，完成成型后进行脱模，即可获得挤压一体成型的构件本体和筋条，挤压成型过程中，材料的挤压变形应变量大，使晶粒细化，进而实现带筋构件的强化；且相对于铆接成形，无需进行复杂的零件装配设计工作，且省去了大量的铆钉，提高了工作效率，降低了成本，降低了带筋构件重量；相对于机械去除法加工，可以克服机加工法存在的机械加工量大、制造成本高、成形精度差、流变组织被破坏等问题，基本实现近净成形，具有高效、绿色、节能等优点。同时，坯料被挤压并经多个第一导流通道和第二导流通道进行分流并进入模具成型腔内，有利于提高进料均匀性，从而提高成型效果。