[发明专利]一种板材多点凸模充液拉深成形装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种板材拉深成形装置及方法，具体涉及一种复杂曲面、薄壁、深腔板材零件的成形装置及方法。

背景技术

随着航天、航空以及汽车工业的发展，传统板材零件向复杂曲面（空间自由曲面）、薄壁（板坯相对厚度t/D<0.5%，其中t表示板坯厚度，D表示板坯直径）、深腔（零件相对高度h/d>1，其中h表示零件高度，d表示零件开口直径）等趋势发展，对成形技术提出了更高的要求。传统制造技术存在模具费用高、成形道次多、制造周期长、成形性差等问题，无法满足板材成形技术发展的需要。如采用传统刚性模具的拉深技术成形半球面形、锥形、抛物面形以及车身覆盖件等具有复杂曲面形状的薄壁深腔零件时，板材存在较大的区域未接触凸模和凹模而处于悬空状态，在纬向收缩产生的压应力下极易导致内皱缺陷，普通拉深技术很难一次拉深成形，通常需要采用3～6次的多道次拉深才能解决，为此需要增加多套拉深模具费用。如果采用铝合金、高温合金、不锈钢等低塑性或难变形材料成形上述零件，由于板材成形极限低和加工硬化的原因，拉深成形过程中还要增加多次退火步骤。

针对以上问题，国内外提出了板材充液拉深成形、多点成形、粘性介质成形、弹性模成形、渐进成形等多种柔性成形技术。

板材充液拉深成形采用流体介质代替模具传递载荷，使板材在流体介质的压力作用下贴靠凸模或凹模，通过控制流体介质压力和压边力可以实现复杂曲面板材零件成形。充液拉深成形具有“摩擦保持效果”和“流体润滑效果”，能显著提高成形极限、减少成形道次，具有成形精度高、表面质量好等特点；此外，充液拉深过程悬空区板材在液压作用下产生反胀变形并形成“软拉深筋效果”，对控制悬空区起皱非常有利，尤其适合复杂曲面薄壁深腔零件的成形。但是，流体介质在成形过程中对模具产生较大的反作用力，反作用力随着液体压力和模具作用面积的增加而增加，导致设备吨位急剧增加；此外，充液拉深依靠凸模型面控制最终零件的成形精度，因此对凸模加工精度要求较高。

多点成形采用一系列规则排列、离散的基本体代替整体模具，该方法的优点是：基本体高度可调，可以实现不同形状复杂曲面的构型，因而可以减少模具加工费用，尤其适合异形曲面件的成形；但是，由于基本体群实质上是将整体模具型面用离散的小模具代替，并没有在根本上改变模具和板料的接触状态，板材在成形初期只与少数的基本体发生接触，由于接触点少、变形分布不均匀，极易发生局部应力集中，曲面件成形中常见的压痕、起皱、局部颈缩等缺陷不可避免。

粘性介质成形和弹性模成形虽然已经有了一些工业应用实例，但由于该技术成形效率低、不利于实现自动控制等原因，目前很难实现大规模的工业应用。

渐进成形适合产品初期样件的试制，但同样因成形效率低、局部变形剧烈等不足，目前仍然处于研究阶段，距离实际应用存在很多技术问题需要解决。

针对以上问题，国内外研究人员在以上成形技术的基础上，开展了以下工作：

1、多点压机成形：传统多点成形时基本体之间没有相互运动，专利CN1338367A提出多点压机成形的特点是：成形前不对上、下基本体进行调整，而是在成形过程中调整上、下基本体位置，板材在成形过程中始终受到基本体的约束，可以控制加载和变形；但该方法需要采用单独的液压缸或电机控制每个基本体的加载和位移，因此结构复杂、基本体控制困难、控制精度要求高、设备成本高昂。

2、改进型多点压机成形：专利CN102101363A针对传统多点成形和多点压机成形的不足，提出采用上压头基本体作为加压单元，并根据拟成形板材曲面形状预先调好高度，采用液压驱动的下压头基本体作为支撑单元相应地对拟成形板材实现支撑和法向约束，成形过程中无需调整基本体构型，操作方便，并能够抑制起皱。但该方法成形的板材变形方式不同于拉深成形，而是具有明显的弯曲成形特点，因而零件回弹大，对于大曲率零件成形，回弹问题更加突出。

3、粘性介质多点成形：专利CN1864884A提出一种下模采用粘性介质作为传力介质取代传统凹模或多点下模，上模采用多点结构和粘性介质相结合的成形装置，其优点是粘性介质具有粘着力，可以在板材变形的不同区域产生不同的变形力，有利于提高成形极限，此外粘性介质易于实现密封。但是，由于粘性介质内部压力的不均匀分布，常常导致实际成形过程中粘性介质压力难于实现分区控制，也无法实现加载路径的合理优化，特别是对曲面件拉深成形的悬空区起皱问题并没有实质性的改善。