一种变宽法兰盆形件拉深模具及其设计和使用方法与流程

1.本技术涉及飞机制造领域的一种钣金塑性成形技术，具体是一种变宽法兰边盆形件拉深模具的设计和使用方法，尤其适用于大型深腔、变宽的宽法兰盆形件的变间隙压边、被动充液拉深成形。


背景技术：

2.公知法兰增厚和侧壁减薄是塑性成形领域制约拉深件质量提升的共性难题，越靠近边缘法兰厚度越大，即便形状规则、法兰宽度相对均匀零件，都存在不同程度壁厚不均现象。多数情况对拉深增厚，只要起皱可修复可不作要求，但是对于关键、重件来说，最大减薄区往往是制约服役寿命提升的瓶颈；因此行业内相关规范对于最大减薄均有明确要求。传统方法针对拉深减薄、增厚相互问题，主要采取措施如下：一是降低压边力或加厚度大于胚料的垫片减少摩擦；其缺陷是牺牲表面确保成功率。二是通过反复试错，局部打磨模具压料面，减少局部区域材料流动阻力；其缺陷是对技能经验要求高、工作量大，容易出现修模不当问题。只合适于小深径比、形状规则、法兰宽度相对均匀的产品。对于法兰宽度大的变宽法兰深腔件成形过程法兰区摩擦阻力、增厚程度更加分布不均；尤其随着深度与直径比值增加，同时面临增加压边力缓解增厚起皱与降低压边力缓解减薄破裂并存难题。因此在模具设计阶段预先优化压料面配合间隙，确保变厚度法兰边各区均匀压紧，对改善摩擦阻力分布，提高变宽法兰深腔件拉深质量十分关键。
3.被动充液是克服拉深过度减薄的一种柔性成形方法，其原理是利用板料在高压液体作用下与凸模产生有益摩擦，缓解板料传力区载荷提高成形极限；但是高压液室压力的建立对法兰边密封要求极高，尤其在压料面面积较大、压料面间隙不均条件下解决高压密封更加困难。随着产品尺寸增加，多数情况下大型模具加载承力中心不得不偏离设备压力中心，在承力偏载状况下进一步限制了被动充液拉深技术的推广应用。


技术实现要素：

4.为了克服变宽法兰大型深腔盆形件因存在上述缺陷，难以实现壁厚均匀、提高表面质量、制约被动充液拉深应用等方面的难题。本技术的目的之一在于提供一种变宽法兰盆形件拉深模具设计方法；本技术的目的之二在于提供一种变宽法兰盆形件拉深模具；本技术的目的之三在于提供一种变宽法兰盆形件充液拉深方法。
5.一种变宽法兰边盆形件拉深模具设计方法，该盆形件是一个深径比大于0.25的对称薄壳结构，其理论模型含有近似葫芦形变宽法兰边和圆形腔盆，圆形腔盆位于葫芦形变宽法兰边的前段中心，腔盆前段的法兰边近似等宽度形成葫芦头部，腔盆后段的法兰边宽度变大形成葫芦柄部，葫芦头部与葫芦柄部圆滑过渡，法兰边与腔盆通过圆角流线衔接，其特征在于包含以下内容：1)根据该盆形件的理论模型设计工艺模型，该工艺模型将葫芦形变宽法兰边划分成多个不等厚的厚度区域，葫芦头部边缘区为第一厚度区，葫芦柄部为第二厚度区，第一厚度区与第二厚度区之间为第三厚度区；2)根据工艺模型设计盆形件拉深
模具，该拉深模具含有凸模、压边圈和凹模，所述凸模工作面与盆形件的腔盆和圆角内表面匹配，所述压边圈与凹模的压料面分别与工艺模型法兰边上下表面匹配，压边圈与凹模的压料面配合间隙与工艺模型法兰边厚度分布一致，所述凹模工作面与腔盆边缘圆角外表面匹配。
6.进一步地，所述工艺模型法兰边厚度由内向外逐步加大，在法兰边上各变厚度区流线衔接。
7.再进一步地，所述工艺模型的第一厚度区、第二厚度区、第三厚度区的厚度渐变范围分别为胚料厚度的1.2～1.3倍、1.1～1.2倍、1.1～1.3倍，所述工艺模型在法兰边前段中部对应的第一厚度区与第三厚度区宽度比为0.25～0.3之间。
8.按照上述设计方法制造的变宽法兰边盆形件的拉深模具，该拉深模具含有凸模、压边圈和凹模，所述凸模工作面与盆形件的腔盆和圆角内表面匹配，所述压边圈与凹模的压料面配合间隙分成多个间隙不等的渐变区域；所述凹模工作面与腔盆边缘圆角外表面匹配。
9.进一步地，所述压边圈与凹模的压料面配合间隙由内向外逐步加大，在对应葫芦头部边缘区为第一间隙区，对应葫芦柄部为第二间隙区，第一间隙区与第二间隙区之间为第三间隙区；第一间隙区、第二间隙区、第三间隙区的间隙渐变范围分别为胚料厚度的1.2～1.3倍、1.1～1.2倍、1.1～1.3倍。
10.进一步地，所述凸模含有凸模基体及其顶面的转接板，凸模基体为近似圆形台阶结构，圆形台阶下部为凸模工作面；所述压边圈含有压边基体及其顶面的转接板，压边圈上含有凸模圆形台阶对应的躲避大通孔，压边基体下表面为压边圈压料面；所述凹模含有凹模基体及其底面的转接板，凹模工作面的下部设有与腔盆对应的液室，该液室直径与深度大于腔盆。
11.进一步地，所述凸模与压边圈之间设有内置导向机构，该内置导向机构包含凸模基体外侧的导向凸台和压边基体内侧的导向槽，所述凹模与压边圈之间设有外置导向机构，该外置导向机构包含凹模转接板上表面的导向套和压边转接板下表面的导向柱。
12.再进一步地，所述拉深模具内置导向机构的导向工作面高度与盆形件深度、凹模液室深度的关系为：盆形件深度＜导向工作面高度＜凹模液室深度，所述拉深模具的凸模与凹模合模状态时，凸模导向凸台和压边圈导向槽底面重合。
13.按照上述变宽法兰边盆形件的拉深模具进行充液拉深成形，其实施步骤如下：1)装模定位，先以外置导向机构定位凹模与压边圈，将压边圈转接板下表面的导向柱插入凹模转接板上表面的导向套，再以内置导向机构定位凸模与压边圈，将凸模导向凸台嵌入压边圈的导向槽内，然后分别通过凸模、压边圈和凹模的转接板将拉深模固定于拉深设备；2)开工准备，先将展开胚料与压料面对应区域双面覆盖柔性保护层，再将展开胚料置于压边圈与凹模之间压紧；3)拉深成形，在模具导向作用下降凸模，并在凹模内注液体，使得盆形件的圆角形成反胀软筋，盆形件的圆角及腔盆在液体柔性支撑状态下拉深成形。
14.进一步地，装模定位时，所述凹模压料面沿展开胚料外侧四周设有硬质合金垫片，该硬质合金垫片厚度为1.1-1.2倍第一间隙区的最大间隙。
15.进一步地，开工准备时，所述展开坯料及柔性保护层厚度之和为1.3-1.5倍硬质合金垫片厚度。
16.有益效果
17.本技术拉深模具压料面采取变间隙配合设计方法，有利确保实际拉深变厚度法兰各区均匀压紧，可以减少甚至避免反复试错修模；本技术拉深模具利用内置导向与外置导向机构间接导向传递拉深载荷，可克服大型拉深模具变间隙压边、承力偏载的工程应用难题；本技术拉深方法分别利用柔性保护层和硬质合金垫片的可压缩和不可压缩特性，既有利于法兰边压柔性压紧预防高压液体泄漏，又利于整体降低法兰边压摩擦系数，同时实现拉深过程作用于法兰边的压边力随法兰增厚程度自动调整效果。因此本技术采取的拉深方法及模具成形零件具有法兰受力均匀、减薄低、修模工作量小、操作简单等显著优点。
18.以下结合实施例附图对本技术作进一步详细描述：
19.图1是本技术盆形件的理论模型结构示意图。
20.图2是本技术盆形件工艺模型法兰厚度分区示意图。
21.图3是本技术拉深模具装配结构示意图。
22.图4是本技术拉深模具的凸模结构示意图。
23.图5是本技术拉深模具的凹模结构示意图。
24.图6是本技术拉深模具的压边圈结构示意图。
25.图7是本技术盆形件拉深成形过程原理示意图。
26.图中编号说明：1.盆形件，2.法兰边，3.腔盆，4.圆角，5.工艺模型，6.第一厚度区，7.第二厚度区，8.第三厚度区，9.第一间隙区，10.第二间隙区，11.第三间隙区，12.凸模，13.压边圈，14.凹模，15.凸模基体，16.凸模工作面，17.压边基体，18.压料面，19.凹模基体，20.凹模工作面，21.液室，22.导向凸台，23.导向槽，24.导向套，25.导向柱，26.导向工作面，27.合金垫片28.反胀软筋。
具体实施方式
27.首先介绍变宽法兰边盆形件结构及拉深成形工艺性。
28.参照附图1，该盆形件1是一个深度与直径比值小于0.25的对称薄壳结构，其理论模型含有近似葫芦形变宽法兰边2和圆形腔盆3，圆形腔盆3位于葫芦形变宽法兰边2的前段中心，腔盆前段的法兰边2近似等宽度形成葫芦头部，腔盆后段的法兰边2宽度变大形成葫芦柄部，葫芦头部与葫芦柄部圆滑过渡，法兰边与腔盆通过约20倍胚料厚度的大圆角4流线衔接。因径深比较小，传统拉深在法兰边2葫芦头部边缘区增厚程度最大形成光亮带，在光亮带内侧因悬空容易明显起皱，尤其在法兰宽度过渡区两侧因径向与横向同时向内流料形成严重起皱。在法兰最宽的葫芦柄部因压料面面积大，摩擦阻力大，法兰壁厚几乎不变，但法兰最宽区对应腔盆3壁上部的容易减薄过大破裂。另外随着盆形件1尺寸增加，受拉深设备工作台面限制，拉深模具承力加载中心不得不偏离设备压力中心，实际拉深时往往因加载、润滑等条件与理想差异较大，即便理论计算非常成功，实际拉深却非常容易失败，实施工艺性极差。
29.其次介绍变宽法兰边盆形件拉深模具的设计方法。
30.参照附图2，为了解决大型深腔、变宽的宽法兰盆形件拉深成形的上述问题，本技术拉深模具设计技术方案如下：先根据该盆形件1的理论模型设计工艺模型5，该工艺模型将葫芦形变宽法兰边2划分成多个不等厚的变厚度区域，葫芦头部边缘区为第一厚度区6，
葫芦柄部为第二厚度区7，第一厚度区与第二厚度区之间为第三厚度区8。再根据工艺模型设计盆形件拉深模具，该拉深模具含有凸模12、压边圈13和凹模14，所述凸模工作面与盆形件的腔盆3和圆角4内表面匹配，所述压边圈与凹模的压料面18分别与工艺模型5法兰边上下表面匹配，使压边圈与凹模的压料面18配合间隙与工艺模型5法兰边厚度分布一致，所述凹模工作面20与腔盆边缘圆角4外表面匹配。
31.进一步地，为了缓解因拉深引起的法兰边2由内向外厚度增加，导致压力不均问题。所述工艺模型5法兰边2厚度由内向外逐步加大，在法兰边上各变厚度区流线衔接。这是本技术与传统拉深通过试错修模的本质区别，对其他形状及法兰不规则产品也非常适用；同时可简化变厚度分区间矛盾，降低设计、制造难度。
32.再进一步地，为了满足盆形件1因法兰宽度差异引起法兰增厚程度差异，所述工艺模型的第一厚度区6、第二厚度区7、第三厚度区8的厚度渐变范围分别为胚料厚度的1.2～1.3倍、1.1～1.2倍、1.1～1.3倍，所述工艺模型5在法兰边前段中部对应的第一厚度区6与第三厚度区8宽度比为0.25～0.3之间。需要强调二点：一是法兰变厚度分区越细越密，理论上效果越好，但是设计、制造工作量就越大；二是针对不同形状产品，法兰厚度区划分也会不同，本技术在此处仅针对变宽法兰深腔盆形件1法兰分区举例说明。
33.再次介绍按照上述模具设计方法所述工艺模型5制造的拉深模具。
34.参照附图2-7，该拉深模具含有凸模12、压边圈13和凹模14，所述凸模工作面16与盆形件的腔盆3和圆角4内表面匹配，所述压边圈与凹模的压料面18配合间隙分成多个间隙不等的渐变区域；所述凹模工作面20与腔盆边缘圆角4外表面匹配。
35.进一步地，所述压边圈13与凹模14的压料面18配合间隙由内向外逐步加大，在压料面18上第一间隙区9、第二间隙区10、第三间隙区11分别与工艺模型5的第一厚度区6、第二厚度区7、第三厚度区8对应；其间隙渐变范围分别为胚料厚度的1.2～1.3倍、1.1～1.2倍、1.1～1.3倍。需要说明的是：压料面18的轮廓大于工艺模型5法兰边，在工艺模型5法兰边以外的压料面区域配合间隙与第一间隙区9最大间隙值一致，即为等间隙区，也需要与上述各间隙渐变区流线衔接。
36.进一步地，所述凸模12含有凸模基体15及其顶面的转接板，凸模基体为近似圆形台阶结构，圆形台阶下部为凸模工作面16；所述压边圈13含有压边基体17及其顶面的转接板，压边圈上含有凸模圆形台阶对应的躲避大通孔，压边基体下表面为压边圈压料面18；所述凹模14含有凹模基体19及其底面的转接板，凹模工作面20的下部设有与腔盆对应的液室21，该液室直径与深度大于腔盆。
37.进一步地，所述凸模12与压边圈13之间设有内置导向机构，该内置导向机构包含凸模基体15外侧的导向凸台22和压边基体17内侧的导向槽23。所述凹模14与压边圈13之间设有外置导向机构，该外置导向机构包含凹模14转接板上表面的导向套24和压边转接板下表面的导向柱25。设置导向机构有两个方面目的：一是通过内置导向机构预防凸模装模时旋转，避免定位差错；二是通过外置导向机构避免凹模14与压边圈13在水平面内相对移动，影响压料面18变间隙配合效果。
38.再进一步地，所述拉深模具内置导向机构的导向工作面26高度与盆形件1深度、凹模液室21深度的关系为：盆形件深度＜导向工作面高度＜凹模液室深度，所述拉深模具的凸模12与凹模14合模状态时，凸模导向凸台22和压边圈导向槽23底面重合。其目的有两个
方面：一是限制凸模12工作方向最大位移，如附图7左中为开模状态，通过导向机构控制凸模最大行程，可避免凸模12行程超过盆形件1深度；二是合模状态凸模工作面16不需与凹模14完全匹配，如附图7右中为合模状态，凹模工作面20仅与盆形件的圆角4外表面匹配，其余大部分区域只需粗加工，可降低模具成本。
39.然后介绍变宽法兰边盆形件充液拉深模具的使用方法。
40.参照附图2-7，按上述变宽法兰边盆形件1的拉深模具进行充液拉深成形其操作步骤如下：装模定位，先以外置导向机构定位凹模14与压边圈13，将压边圈转接板下表面的导向柱25插入凹模转接板上表面的导向套24，再以内置导向机构定位凸模12与压边圈13，将凸模导向凸台22嵌入压边圈导向槽23，然后分别通过凸模、压边圈和凹模的转接板将拉深模固定于设备。开工准备，先将展开胚料与压料面18对应区域双面覆盖柔性保护层，再将展开胚料置于压边圈13与凹模14之间柔性压紧。拉深成形，在模具导向作用下降凸模12，并在凹模21内注液体，使得盆形件的圆角4区域形成反胀软筋28，盆形件的圆角4及腔盆3在液体柔性支撑状态下拉深成形。
41.进一步地，装模定位时，所述凹模压料面18沿展开胚料外侧四周设有硬质合金垫片27，该硬质合金垫片厚度为1.1-1.2倍第一间隙区9的最大间隙。需要补充解释的是：合金垫片27厚度略大于第一间隙区9的最大间隙，其目的主要有两个方面：一是分担成形前期作用于法兰边2的压边力，降低腔盆3侧壁传力区减薄，可整体提高成形后期抗减薄抗力。二是既利于提高压边力减少起皱，又利于避免压边力过大增加减薄，成形过程受设备压边力控制影响极小，只需保持恒定高压边即可。
42.进一步地，开工准备时，所述展开坯料及柔性保护层厚度之和为1.3-1.5倍硬质合金垫片27厚度。涂覆柔性保护层目的有两个方面：一是利用柔性保护层高压受力厚度自适应变化，克服法兰边2因增厚差异部分区域悬空起皱与密封相互问题；二是避免模具与胚料直接接触划伤表面，通过柔性保护层厚度变化，利用持续高压边力可以控制法兰边2最大增厚。
43.最后针对本领域技术还需补充说明如下：
44.1)反胀软筋28形成是因成形前期凸模工作面16与压边圈13存在较大间隙，当圆角4较大时，合理利用模具结构先形成反胀软筋28，再随凸12与凹模14逐步合模，使反胀软筋消失对控制成形减薄极为有利。该反胀软筋28优点主要如下：一是人为增加板料参与变形面积，等效于降低成形深度或加大成形直径；二是减少材料流过凹模14圆角的摩擦；三是合模阶段，悬空区逐步减少，反胀软筋28的富余材料在模具挤压作用下形成腔盆3上部侧壁，使的传统被动充液拉深圆角4区减薄明显降低，甚至厚度大于原始胚料。
45.2)本技术核心是通过拉深模具压边圈与凹模压料面18分多区变间隙配合、柔性压边改善拉深材料流动性，本说明书记载的方法不仅仅适用于变宽法兰盆形件，也不仅仅适用于被动充液拉深方法，与具体产品形状，法兰厚度区划分精度要求、具体拉深手段等无关联；因此其它形状产品采取类似技术手段克服拉深起皱、减薄相互矛盾问题也因属本技术保护范围。

技术特征：
1.一种变宽法兰边盆形件拉深模具设计方法，该盆形件是一个深径比大于0.25的对称薄壳结构，其理论模型含有近似葫芦形变宽法兰边和圆形腔盆，圆形腔盆位于葫芦形变宽法兰边的前段中心，腔盆前段的法兰边近似等宽度形成葫芦头部，腔盆后段的法兰边宽度变大形成葫芦柄部，葫芦头部与葫芦柄部圆滑过渡，法兰边与腔盆通过圆角流线衔接，其特征在于包含以下内容：1)根据该盆形件的理论模型设计工艺模型，该工艺模型将葫芦形变宽法兰边划分成多个不等厚的厚度区域，葫芦头部边缘区为第一厚度区，葫芦柄部为第二厚度区，第一厚度区与第二厚度区之间为第三厚度区；2)根据工艺模型设计盆形件拉深模具，该拉深模具含有凸模、压边圈和凹模，所述凸模工作面与盆形件的腔盆和圆角内表面匹配，所述压边圈与凹模的压料面分别与工艺模型法兰边上下表面匹配，压边圈与凹模的压料面配合间隙与工艺模型法兰边厚度分布一致，所述凹模工作面与腔盆边缘圆角外表面匹配。2.如权利要求1所述变宽法兰边盆形件拉深模具设计方法，其特征在于，所述工艺模型法兰边厚度由内向外逐步加大，在法兰边上各变厚度区流线衔接。3.如权利要求1或2所述变宽法兰边盆形件拉深模具设计方法，其特征在于，所述工艺模型的第一厚度区、第二厚度区、第三厚度区的厚度渐变范围分别为胚料厚度的1.2～1.3倍、1.1～1.2倍、1.1～1.3倍，所述工艺模型在法兰边前段中部对应的第一厚度区与第三厚度区宽度比为0.25～0.3之间。4.一种变宽法兰边盆形件的拉深模具，该盆形件是一个深径比大于0.25的对称薄壳结构，其理论模型含有近似葫芦形变宽法兰边和圆形腔盆，圆形腔盆位于葫芦形变宽法兰边的前段中心，腔盆前段的法兰边近似等宽度形成葫芦头部，腔盆后段的法兰边宽度变大形成葫芦柄部，葫芦头部与葫芦柄部圆滑过渡，法兰边与腔盆通过圆角流线衔接，该盆形件的拉深模具含有凸模、压边圈和凹模，其特征在于:所述凸模工作面与盆形件的腔盆和圆角内表面匹配，所述压边圈与凹模的压料面配合间隙分成多个间隙不等的渐变区域；所述凹模工作面与腔盆边缘圆角外表面匹配。5.如权利要求4所述变宽法兰边盆形件的拉深模具，其特征在于：所述压边圈与凹模的压料面配合间隙由内向外逐步加大，在对应葫芦头部边缘区为第一间隙区，对应葫芦柄部为第二间隙区，第一间隙区与第二间隙区之间为第三间隙区；第一间隙区、第二间隙区、第三间隙区的间隙渐变范围分别为胚料厚度的1.2～1.3倍、1.1～1.2倍、1.1～1.3倍。6.如权利要求4所述变宽法兰边盆形件的拉深模具，其特征在于：所述凸模含有凸模基体及其顶面的转接板，凸模基体为近似圆形台阶结构，圆形台阶下部为凸模工作面；所述压边圈含有压边基体及其顶面的转接板，压边圈上含有凸模圆形台阶对应的躲避大通孔，压边基体下表面为压边圈压料面；所述凹模含有凹模基体及其底面的转接板，凹模工作面的下部设有与腔盆对应的液室，该液室直径与深度大于腔盆。7.如权利要求4所述变宽法兰边盆形件的拉深模具，其特征在于，所述凸模与压边圈之间设有内置导向机构，该内置导向机构包含凸模基体外侧的导向凸台和压边基体内侧的导向槽，所述凹模与压边圈之间设有外置导向机构，该外置导向机构包含凹模转接板上表面的导向套和压边转接板下表面的导向柱。8.如权利要求7所述变宽法兰边盆形件的拉深模具，其特征在于，所述拉深模具内置导向机构的导向工作面高度与盆形件深度、凹模液室深度的关系为：盆形件深度＜导向工作
面高度＜凹模液室深度，所述拉深模具的凸模与凹模合模状态时，凸模导向凸台和压边圈导向槽底面重合。9.一种变宽法兰边盆形件拉深模具的充液拉深方法，其特征在于包含以下内容：1)使用权利要求4～8所述的任一项变宽法兰边盆形件的拉深模具进行充液拉深成形；2)装模定位，先以外置导向机构定位凹模与压边圈，将压边圈转接板下表面的导向柱插入凹模转接板上表面的导向套，再以内置导向机构定位凸模与压边圈，将凸模导向凸台嵌入压边圈的导向槽内，然后分别通过凸模、压边圈和凹模的转接板将拉深模固定于拉深设备；3)开工准备，先将展开胚料与压料面对应区域双面覆盖柔性保护层，再将展开胚料置于压边圈与凹模之间压紧；4)拉深成形，在模具导向作用下降凸模，并在凹模内注液体，使得盆形件的圆角形成反胀软筋，盆形件的圆角及腔盆在液体柔性支撑状态下拉深成形。10.如权利要求9所述变宽法兰边盆形件拉深模具的充液拉深方法，其特征在于，装模定位时，所述凹模压料面沿展开胚料外侧四周设有硬质合金垫片，该硬质合金垫片厚度为1.1-1.2倍第一间隙区的最大间隙。11.如权利要求9所述变宽法兰边盆形件拉深模具的充液拉深方法，其特征在于，开工准备时，所述展开坯料及柔性保护层厚度之和为1.3-1.5倍硬质合金垫片厚度。

技术总结
一种变宽法兰盆形件拉深模具及其设计和使用方法，该盆形件是一个深径比大于0.25的对称薄壳结构，其理论模型含有近似葫芦形变宽法兰边和圆形腔盆，按盆形件理论模型，设计法兰多区厚度渐变的工艺模型；按照工艺模型设计压料面多区变间隙配合关系的拉深模具；本申请拉深模具有利确保实际拉深变厚度法兰各区均匀压紧，可以减少甚至避免反复试错修模,克服大型拉深模具变间隙压边、承力偏载的工程应用难题,具有法兰受力均匀、减薄低、修模工作量小、操作简单等显著优点。操作简单等显著优点。操作简单等显著优点。


技术研发人员：倪兴屹 章文亮 张爽 郭全庆 常蓓
受保护的技术使用者：中航西安飞机工业集团股份有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/12