阅读说明：本技术 一种超长网格高筋壁板复杂构件的渐进加载精密成形模具装置及工艺方法 (Progressive loading precision forming die device and process method for complex components of ultra-long grid high-rib wallboard ) 是由 徐文臣 李建伟 徐佳炜 单德彬 郭卜瑞 郭晓琳 王志敏 郭斌 张铁军 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种超长网格高筋壁板复杂构件的渐进加载精密成形模具装置及工艺方法,涉及热加工技术领域,包括上模和下模,所述上模上设置有冲头；所述下模包括镶块、模芯和模座,所述模座的上表面设置有安装槽,所述模芯滑动安装于所述安装槽内,所述镶块安装于所述模芯的上表面。本发明通过模芯在模座上的水平滑动,实现了锻件在单动压力机上的局部渐进加载,减小了模具尺寸,避免了整体加载带来的折迭缺陷。(The invention discloses a progressive loading precision forming die device and a process method for a complex component of an ultra-long grid high-rib wallboard, which relate to the technical field of hot working and comprise an upper die and a lower die, wherein a punch is arranged on the upper die; the lower die comprises an insert, a die core and a die holder, wherein the upper surface of the die holder is provided with an installation groove, the die core is slidably installed in the installation groove, and the insert is installed on the upper surface of the die core. According to the invention, through the horizontal sliding of the die core on the die holder, the local progressive loading of the forge piece on the single-action press is realized, the size of the die is reduced, and the folding defect caused by the integral loading is avoided.)

一种超长网格高筋壁板复杂构件的渐进加载精密成形模具装 置及工艺方法

技术领域

本发明涉及热加工技术领域，特别是涉及一种超长网格高筋壁板复杂构件的渐进加载精密成形模具装置及工艺方法。

背景技术

随着对运载装备和交通工具的高性能、轻量化要求的日益提高，采用轻质高强材料(如铝合金、钛合金、高性能钢等)以及轻量化结构(如高筋薄腹结构、整体超长复杂结构)成为提高其可靠性以及减轻其重量的有效途径。

对于超长(长度大于1米)网格高筋壁板、长轴类连杆或曲轴等复杂构件若采用传统的整体锻造成形方法，需使用大吨位模锻压机，这样会造成锻件成形载荷过大，导致模具寿命的缩短。采用等温局部加载不仅突破了成形设备工作台和吨位限制，可在中小型设备上成形制造，减少了设备投资以及维护费用，而且避免了模具与坯料之间的温度传递，使锻件变形更加均匀，成形后的组织性能也更为理想。

以往的局部加载等温成形模具装置及工艺方法主要是利用多块组合上模进行局部加载，JPH05293581A的专利将上模分为阶梯压板和多个用来成形腹板的镶块，成形过程中拖动阶梯压板造成镶块与镶块之间的高度差，以此成形锻件腹板区域并压住未成形区，此种上模结构镶块与镶块之间的边界区必须选择在锻件筋附近，否则会因为镶块与镶块之间有间隙导致坯料向其中流动产生毛刺，而且其上模尺寸会受到锻件尺寸的限制。

CN106134318B的专利采用的是内模和外模的组合模具，成形过程主要分为两步，第一步是利用部分模具，成形出锻件的部分筋腹特征，第二步是将部分模具拼成一体模具后整体加载，这样虽然降低了成形载荷，但上模模具尺寸并没有减小，而且在第二步整体加载时，由于已成形区没有受到模具的约束，会导致未成形区域金属向已成形区域流动产生折迭。

对于曲面筋板件，如若采用以往模具装置，必须增加弯曲工步才能在下模上定位；CN109894563A专利需要多级上模多次加载成形一块局部区域。

因此，亟需提供一种新的超长网格高筋壁板复杂构件的局部渐进加载精密成形模具装置及工艺方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种超长网格高筋壁板复杂构件的渐进加载精密成形模具装置及工艺方法，以解决上述现有技术存在的问题，降低构件的成形载荷，成形出超长网格高筋壁板复杂构件。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种超长网格高筋壁板复杂构件的渐进加载精密成形模具装置，包括上模和下模，所述上模上设置有冲头；所述下模包括镶块、模芯和模座，所述模座的上表面设置有安装槽，所述模芯滑动安装于所述安装槽内，所述镶块安装于所述模芯的上表面。

优选的，所述镶块和所述模芯之间通过梯形斜面进行配合；所述模芯的上表面与所述镶块的底部连接处加工有楔形槽，所述楔形槽中用于打入楔铁；所述楔铁的斜面角度为10°～30°。

优选的，所述模芯的长度方向上设置有刻度线。

优选的，所述冲头的长度等于锻造道次中最大的锻件局部成形长度；所述镶块、所述模芯和所述模座的长度相同，且大于所述冲头的长度。

优选的，还包括第一压板和第二压板，所述第一压板和所述第二压板分别通过压紧螺栓固定于所述模座的两端，所述模座的两端均对应设置有压紧螺栓孔；所述第一压板的下表面设置有导向槽，用于对坯料进行定位。

优选的，所述安装槽的宽度大于所述模芯的宽度，所述模座的一侧开设有顶紧螺栓孔，所述顶紧螺栓孔内用于安装顶紧螺栓对所述模芯进行固定。

优选的，所述模芯的一端设置有拉杆螺纹孔，所述拉杆螺纹孔内安装有拉杆，用于拉动模芯在模座上水平运动。

本发明还公开一种超长网格高筋壁板复杂构件的渐进加载精密成形方法，包括以下步骤：

步骤(1)：安装上模和模座，将带有镶块的模芯安装在模座上，模芯两侧端面和模座两侧端面在一个平面，并将模芯在模座内顶紧；安装完成后使用加热管对模具加热至特定温度，将坯料、第一压板和第二压板放在加热炉里加热至特定温度；

步骤(2)：当坯料以及模具加热完成后，先将拉杆安装在模芯上的拉杆螺纹孔中，然后将第一压板从加热炉内取出，利用模座一端的压紧螺栓孔定位第一压板的位置，第一压板的导向槽搭在模芯上，用于初始坯料的定位；

将坯料从加热炉中取出，放置在模芯上并塞进第一压板的导向槽中，松开顶紧螺栓，根据设计好的网格高筋壁板构件的加载顺序以及第一道次成形的长度，确定模座的末端应对应的模芯上的刻度线数值，并拉动拉杆将模芯拉到模座末端对应的刻度线上，将两端的顶紧螺栓拧紧以固定模芯在模座上的位置；

固定完模芯后，在模座另一端的压紧螺栓孔上安装第二压板，拧紧压紧螺栓上的螺帽从而压住坯料，防止成形过程中因局部加载导致未成形区域坯料的翘曲；

安装完成后，上模下行，成形出锻件的局部特征后，返回初始位置，并松开螺帽和顶紧螺栓；

步骤(3)：根据设计好的网格高筋壁板构件的加载顺序以及第二道次成形的长度，确定模座末端对应的模芯上的刻度，从而将模芯拉到模座侧面对应的刻度线上，将两端的顶紧螺栓拧紧以固定模芯在模座的设定位置，并拧紧压紧螺栓上的螺帽，安装完成后上模下行，模压出锻件的局部特征后返回起始位置，并松开螺帽和顶紧螺栓；

当通过两道次局部加载工步不能成形出锻件的所有特征时，继续第三道次或者更多道次的加载工步，直至锻件满足所有特征要求；

步骤(4)：针对局部加载导致锻件部分区域的略微翘曲，对锻件进行局部精整，局部精整的道次数和局部加载的道次数一致，局部精整的每一道次都是首先将模芯水平拉至对应道次局部加载工步的刻度线位置，然后按照之前每道次局部加载时的顺序拧紧顶紧螺栓，并拧紧压紧螺栓上的螺帽，接着上模下行进行锻件局部特征精整，精整完成后上模返回起始位置，并松开螺帽和顶紧螺栓，如此渐进精整，直至完成所有局部精整的道次；

步骤(5)：卸下第一压板和第二压板，将楔铁打入楔形槽中，使得镶块相对模芯略微抬高，从而起到锻件脱模效果。

优选的，所述步骤(2)中，坯料和模具的加热温度为400～450℃；所述步骤(2)至所述步骤(4)中，上模下行速度为0.5mm/s～3mm/s。

优选的，

所述坯料的宽度为：

直面超长网格高筋壁板复杂构件坯料的宽度为锻件宽度加上△B；

曲面超长网格高筋壁板复杂构件坯料的宽度为：

B＝Rα+ΔB

其中：B为曲面超长网格高筋壁板复杂构件坯料的宽度，单位为mm，R为曲面半径，单位为mm，α为曲面对应圆心角，单位为rad，△B的取值范围为10～30mm；

所述坯料的长度为：

L＝l(1-Δ)

其中：L为坯料长度，单位为mm，l为构件投影长度，单位为mm，△的取值范围为0.04～0.06；

所述坯料的厚度为：

其中：H为坯料厚度，单位为mm，V₁为锻件体积，单位为mm³，V₂为飞边槽体积，单位为mm³，k₃为充满系数，取值范围为0.2～0.5；

局部加载的次数为：

其中：T₁为设备最大吨位，单位为t，T₂为整体成形所需吨位，单位为t，M为局部加载次数，[]为向下取整算符，k₁为设备系数，根据设备的稳定性取值范围为0.5～0.9，k₂为道次系数，取正整数；

局部渐进加载顺序为从一端依次加载到另一端的顺序或者是从中间依次加载到两端的顺序；

两次加载区域重叠尺寸为筋间距长度的1/3-1/2，为确保局部加载区边缘部分筋部的良好充填，局部加载区长度需越过加载区边缘部分筋部，且越过距离为筋间距的1/5-1/2。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中采用的是模芯滑动结构，上模尺寸并不受锻件尺寸约束，而是可以通过本发明中的成形方法根据现有设备吨位允许的最大局部成形长度设计，相对于以往的局部加载装置，其突破了锻造设备工作台尺寸和吨位的限制，节省了模具用料，降低了锻造成本，避免了折迭缺陷的产生，而且使得局部锻造工艺可以根据自身设备吨位进行灵活修改。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明超长网格高筋壁板复杂构件渐进加载精密成形模具结构主视图；

图2为曲面网格筋薄板锻件示意图；

图3本发明超长网格高筋壁板复杂构件渐进加载精密成形模具结构左视图；

图4为本发明多道次渐进局部加载成形超长网格高筋壁板复杂构件的过程示意图；

图5为本发明上模的左视图；

图6为本发明模芯和模座配合的俯视图；

图7为本发明第一压板的示意图；

图8为本发明第二压板的示意图；

图9为本发明楔铁的示意图；

图10为本发明拉杆的示意图；

图中，1.上模，2.压紧螺栓，3.第一压板，4.坯料，5.镶块，6.模芯，7.模座，8.拉杆螺纹孔，9.楔形槽，10.压板螺纹孔，11.顶紧螺栓，12.第二压板，13.楔铁，14.拉杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明中公开一种超长网格高筋壁板复杂构件的渐进加载精密成形模具装置，包括上模1、第一压板3、第二压板12、拉杆14、镶块5、模芯6、模座7和楔铁13，下模是由镶块5、模芯6以及下模模座7组成。

具体地，镶块5和模芯6利用梯形斜面进行配合，组成可以一起运动的模具结构，镶块式的模具结构是为了降低网格高筋壁板锻件脱模力并防止锻件脱模时变形，在模芯6上加工出楔形槽，通过向楔形槽中打入楔铁13使得镶块5略微抬高，锻件由此便能脱离模芯6达到脱模效果，楔铁斜面角度为10°～30°。

具体地，上模1冲头长度N等于锻造道次中最大的锻件局部成形长度，镶块5长度、模芯6长度和模座7长度相同，其长度X为锻件整体长度加上飞边长度，且N<X。

进一步地，第一压板3和第二压板12位于上模1冲头两侧，第一压板3和第二压板12通过模座7上的压紧螺栓孔定位，分别安装在四个压板螺栓2上；第一压板3的导向槽搭在坯料4上表面，用于定位坯料在模芯6上的初始位置，通过拧紧第一压板3和第二压板12上的螺帽来压紧坯料，防止局部加载过程中坯料两端上翘。

进一步地，在模芯6的长度方向上设置有刻度线，将每道次锻件局部成形长度转换为模座侧面对应的模芯刻度线的数值。

进一步地，在模芯6和模座7的一侧留有了距离为L的间隙，便于带有镶块5的模芯6在模座7上水平滑动，L取1～5mm；在模座7的一端的侧面打出顶紧螺纹孔，通过顶紧螺栓11拧入顶紧螺纹孔使模芯6贴紧无间隙一侧的模座凹槽端面。

在模芯6的一端设置两个拉杆螺纹孔中，将两个拉杆14安装在螺纹孔中用于拉动模芯6在模座7上水平运动。

实施例一

如图1-10所示，以大型网格筋板铝合金构件为例，其形状如图2所示，零件材料为5A06铝合金，构件长为1100mm，曲面弧半径为180mm，圆心角为60°，有12块网格，每块网格长为170mm，宽为75mm，厚度为4mm，筋高10mm，筋宽10mm。

本实施例超长网格高筋壁板复杂构件的渐进加载精密成形模具装置包括压板螺栓2、镶块5、模芯6、模座7、上模1、第一压板3、第二压板12、楔铁13、拉杆14，具体成形流程如图3和图4所示。

首先确定坯料尺寸，局部加载的具体次数和局部加载的顺序、加载长度和加载区位置。

确定坯料尺寸：根据超长网格高筋壁板复杂构件几何特征，可使用轧制板坯作为坯料使用，对于直面超长网格高筋壁板复杂构件坯料宽度为锻件宽度加上△B，对于曲面超长网格高筋壁板构件，应保证坯料宽度略大于曲面构件展开宽度，采用公式(1)确定曲面超长网格高筋壁板构件坯料宽度B：

B＝Rα+ΔB (1)

式中：B为曲面超长网格高筋壁板构件坯料的宽度(mm)，R为曲面半径(mm)，α为曲面对应圆心角(rad)，△B的取值范围为10～30mm；

在本实施例中，坯料宽度应略大于构件宽度，这有助于压下过程中快速形成桥口阻力，迫使更多的坯料流入型腔充填进筋部分提高材料利用率，为保证坯料平稳放置，坯料宽度应略宽出△B，这样坯料可以搭在平坦的桥口上；△B的取值范围设置为10～30mm，△B的上限选取不应使坯料过宽超过桥口，设置为30mm。

加载过程中坯料会发生一定的流动，故坯料长度应略短于构件长度，采用公式(2)确定坯料长度L：

L＝l(1-Δ) (2)

式中：L为坯料长度(mm)，l为构件投影长度(mm)，△取值范围为0.04～0.06；

其中，加载过程中坯料会向自由端伸长，长度方向会发生一定的流动，因而坯料长度可以略短于锻件投影长度，缩小比例△设置为0.04～0.06。

根据锻件设计规则，坯料体积应同时考虑到锻件体积及飞边槽体积，采用公式(3)确定坯料厚度H，并根据标准系列进行优选；

式中：H为坯料厚度(mm)，V₁为锻件体积(mm³)，V₂为飞边槽体积(mm³)，k₃为充满系数，取值范围为0.2～0.5；

锻件设计规则一般为坯料体积＝锻件体积+锻件的飞边体积，锻件的飞边体积在实际生产中以0.2～0.5的飞边槽体积来估计。

确定局部加载的具体次数：由现有设备的最大吨位T₁，成形出所需超长网格高筋壁板复杂构件所需最大吨位T₂，采用公式(4)确定局部加载的具体次数M：

式中：T₁为设备最大吨位(t)，T₂为整体成形所需吨位(t)，[]为向下取整算符，k₁为设备系数，根据设备的稳定性取值范围为0.5～0.9，k₂为道次系数，取正整数；

按照设备设计最大吨位使用会对设备产生很大的损耗，同时有一些老旧的设备在满吨位加载的情况下会出现不稳定情况，因此推荐根据设备实际情况选取合适的吨位加载，给定系数k₁表示；

例如，整体加载吨位8000T，允许局部加载最大吨位3000T，相除并向下取整后为2，实际上最少应为3道次才能完成成形，从工艺角度考虑可以使用更多道次完成成形，因此在向下取整后加上正整数k₂。

确定加载顺序：若根据步骤2确定加载次数为M，考虑到超长网格高筋壁板复杂构件的对称性，共存在M！/2种加载顺序。其中，易于操作的加载顺序有三类，其一为从一端依次加载到另一端，其二为由两端向中间依次加载，其三为中间向两端依次加载；从金属流动的角度考虑，第二种加载顺序会导致金属不断向中间积累致使板坯翘曲，中间区域加载过程中可能出现折迭。本实施利中使用第一类或第三类加载顺序作为优选加载顺序。

确定重叠区尺寸、加载长度：为了确保两道次之间的交界区成形，两次加载区域重叠尺寸为筋间距长度的1/3-1/2。为了确保局部加载区边缘部分筋部的良好充填，局部加载区长度需越过加载区边缘部分筋部且越过距离为筋间距的1/5-1/2，这样既保证位于该边缘区域的筋能获得良好的填充效果，也保证下一道次局部成形的筋周围坯料充足。加载长度应综合上述观点选取。

在本实施例子中，根据网格筋结构和压力机吨位特点，确定采用长为1050mm、宽为200mm、厚为10mm的平板板料，局部加载道次设计为3道次，第一道次局部加载长度为410mm，第二道次局部加载长度为440mm，第三道次局部加载长度为410mm，道次与道次之间留有80mm的过渡重叠区域，加载顺序为从左到右，上模1的冲头长度N是根据锻造道次中最大的锻件局部成形长度来设计的，应与第二道次局部加载长度相同，所以N取440mm，模7的长度、模芯6的长度以及镶块5的长度相同，其根据锻件整体长度设计，设计时还需考虑飞边和承载能力，取1150mm，在模芯上打上刻度，模芯上0刻度线的位置设置在模芯中线，模芯6和模座7之间的间隙L取3mm，楔铁斜面角为15°。

本实施例中超长网格高筋壁板复杂构件的局部渐进加载精密成形方法的具体步骤如下：

步骤1：安装上模和模座，将镶块5通过梯形斜面和模芯6进行配合，使得两个构件的两侧端面基本在同一平面，然后将带有镶块5的模芯6安装在模座7上，使得模芯6两侧端面和模座7两侧端面基本在一个平面，并通过顶紧螺栓11将模芯固定在模座中，安装完成后使用加热管对上下模具加热至435℃，将坯料4、第一压板3、第二压板12放在加热炉里加热至435℃。

步骤二：当坯料4以及模具加热完成后，先将两根拉杆14安装在模芯6一端的两个拉杆螺纹孔8中，将有导向槽的第一压板3取出，利用模座一端的四个螺栓孔10定位第一压板3的位置，其导向槽搭在模芯上，用于初始坯料的定位，将坯料4从加热炉中取出放置在模芯上并塞进第一压板3的导向槽中，松开顶紧螺栓，根据第一道次成形的长度为410mm，确定模芯6拉到模座7末端对应的刻度线为215mm，拉动拉杆14，此时如图6所示，模芯6已经超出模座7一端，拧紧顶紧螺栓11，当固定完模芯后，在模座7另一端的四个螺栓2上安装第二压板12，拧紧压板螺栓2上的螺帽从而压住坯料，防止成形过程中因局部加载导致未成形区域坯料的翘曲，安装完成后，上模以1mm/s下行，直至上下模打靠，然后上模返回初始位置，接着松开八个螺帽和顶紧螺栓。

步骤三：根据第二道次成形的长度为440mm，确定模座两端和模芯两端对齐，拧紧顶紧螺栓11以固定模芯，固定完模芯后拧紧压板螺栓2上的螺帽，安装完成后上模以1mm/s下行，直至上下模打靠后上模返回起始位置，然后松开八个螺帽和顶紧螺栓；

步骤四：根据第三道次成形的长度为410mm，确定模芯6拉到模座7末端对应的刻度线为215mm，此时的刻度线215mm位置与步骤2中不同，处于0刻度线的另一侧，模芯6这时已经超出模座7一端，拧紧顶紧螺栓11以固定模芯，当固定完模芯后，拧紧压板螺栓2上的螺帽，然后上模以1mm/s下行，直至上下模打靠，然后上模返回初始位置，接着松开八个螺帽和顶紧螺栓；

步骤五：对锻件进行局部精整，第一道次精整，将模芯6拉回第一道次局部加载的刻度线位置，拧紧顶紧螺栓11以固定模芯，固定完模芯后拧紧压板螺栓2上的螺帽，安装完成后下模以1mm/s下行，直至上下模打靠后上模返回起始位置，然后松开八个螺帽和顶紧螺栓；

步骤六：第二道次精整，将模芯6拉出至第二道次局部加载位置，拧紧顶紧螺栓11以固定模芯，固定完模芯后拧紧压板螺栓2上的螺帽，安装完成后上模以1mm/s下行，直至上下模打靠后上模返回起始位置，然后松开八个螺帽和顶紧螺栓；

步骤七：第三道次精整，将模芯6拉出至第三道次局部加载位置，拧紧顶紧螺栓11以固定模芯，固定完模芯后拧紧压板螺栓2上的螺帽，安装完成后下模以1mm/s下行，直至上下模打靠后上模返回起始位置，然后松开八个螺帽和顶紧螺栓。

步骤八：卸下两块压板，将两个楔铁13分别打入镶块5两端的楔形槽9中，使得镶块5相对模芯6略微抬高，锻件得以脱离模芯6，然后取出锻件。经检测表面，该锻件筋部充填良好，且无折迭缺陷产生。

本发明中将下模做成可前后滑动的模具结构并采用部分重叠加载的工艺方法，上模相对下模可垂直上下运动，通过水平移动下模模芯，成形出锻件局部筋腹特征，从而实现局部渐进加载，此模具装置的优点在于上模模具尺寸不再受锻件尺寸限制,可根据现有压机吨位及工艺需求做调整设计，由于采用部分重叠加载，两道次之间没有间隙，不会产生毛刺，加载区的边界不需固定在筋的附近，而且每道次都将锻件局部区域的筋腹特征完全成形出来，不会涉及对锻件的整体加载，从而避免了局部加载后再整体加载带来的折迭缺陷。对于曲面筋板件，如若采用以往模具装置，必须增加弯曲工步才能在下模上定位，但采用本发明装置，由于加载区可调整，采用平板坯料便可成形曲面筋板构件。

本发明的每道次加载区域均一次成形，并利用压板解决局部加载过程中未加载区域的上翘问题，以及坯料在模具上的定位，通过顶紧螺栓实现了下模拖动中位置的固定。

本发明中应用了超长网格高筋壁板复杂构件的具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，如应用于长轴类连杆或曲轴等复杂构件。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。