本发明属于热加工成形技术领域，特别涉及一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺。
背景技术：
当前，航空航天产品零件正向轻量化、低成本及整体化方向发展，环形或者近环形端框类构件的应用也越来越多，该类型零件结构多为中空环形或者近环形结构，该种结构需要既满足高强度要求又能实现零件轻量化，一般应用于舱体链接处。
由于该类环形或者近环形类构件强度要求高，采用铸造工艺成形难以满足强度要求，以往常常采用自由锻件机加或者模锻制造，但一般是多道次反复成形或者是原材料厚度大于构件厚度，导致构件加工周期长、材料利用率低且加工成本高。
技术实现要素：
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，该成形工艺能够在有效地保证近环形类构件热挤压近净成形的同时，实现产品材料利用率的大幅提高；通过设计热挤压成形模具，可在同一模具上实现热拉深和热挤压两道工序，可实现薄板加工厚热挤压件；通过设计切边模具，可在同一模具上实现底部飞边切除和上部飞边切除两道工序，且成形件无变形，易脱模，生产效率极高，整个成形工艺大大降低了近环形类构件的制造成本，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，包括如下步骤：
步骤1中，根据近环形类构件的模型，设计热挤压件；
步骤2，根据热挤压件，设计并加工热挤压成形模具，所述热挤压成形模具包括上模、下模、顶块和顶杆，上模具有与热挤压件内环随形的凸模，下模具有与热挤压件外环随形的凹模、以及凹模外缘的环形飞边槽，顶块和顶杆内置于下模中，顶块投影面的边缘不小于热挤压件投影面的内缘，顶杆位于顶块的下方，上模、下模、顶块和顶杆装配到位后，上模、下模和顶块形成的密闭空间与热挤压件外形一致；
步骤3，根据热挤压件、热挤压模具、以及工艺余量确定坯料尺寸，加工坯料；
步骤4，将步骤2所述热挤压成形模具和步骤3中加工的坯料加热至设定温度，并将坯料保温设定时间，取出坯料后将坯料居中放置于热挤压成形模具下模的凹模上方，压力机驱动上模下行，与下模逐渐合模，上模接触坯料并逐渐下行直至坯料接触下模中顶块的上表面，上模继续下行直至成形吨位达到设定吨位，并在此状态下保压设定时间；
步骤5，上模随压力机回程，通过压力机的下顶缸推动顶杆，顶杆推动顶块，顶块上行推动热挤压件脱模，得到带飞边的热挤压件；
步骤6，去除热挤压件的上部飞边和底部飞边，得到热挤压件；
步骤7，对去除飞边后的热挤压件进行机械加工，获得最终近环形类构件。
根据本发明提供的一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，提供了热挤压件的设计方法，满足最终产品近环形类构件的同时材料利用率大幅提高；
(2)本发明提供的一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，提供了热挤压成形模具和切边模具，可实现模具在线加热、产品成形、多道工序单模具成形，可大大提高生产效率，降低加工成本；
(3)本发明提供的一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，提供了坯料尺寸的确定方法，可实现热挤压成形坯料尺寸的快速确定，合适的坯料尺寸便于操作，且能够直接有效的降低原料成本。
附图说明
图1为本发明中一种近环形类构件热拉深挤压成形方法流程图；
图2为本发明一种优选实施方式中热挤压成形模具切剖示意图；
图3为本发明一种优选实施方式中热挤压成形模具的下模结构示意图；
图4为坯料结构示意图；
图5为本发明中带飞边的热挤压件的示例结构示意图；
图6为本发明中热挤压件的示例结构示意图；
图7为本发明中热挤压件-近环形类构件结构关系示意图；
图8为本发明中近环形类构件的示例结构示意图；
图9为本发明一种优选实施方式中切边模具的结构示意图。
附图标号说明
1-上模；2-下模；21-凹模；22-飞边槽；23-过桥结构；3-顶块；4-顶杆；5-切边上模；51-一级切边；52-二级切边；6-切边内模；7-切边下模。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
本发明提供了一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1中，根据近环形类构件的模型，设计热挤压件；
步骤2，根据热挤压件，设计并加工热挤压成形模具，如图2和图3所示，所述热挤压成形模具包括上模1、下模2、顶块3和顶杆4，上模1具有与热挤压件内环随形的凸模，下模2具有与热挤压件外环随形的凹模21、以及凹模21外缘的环形飞边槽22，顶块3和顶杆4内置于下模2中，顶块3投影面的边缘不小于热挤压件投影面的内缘，顶杆4位于顶块3的下方，上模1、下模2、顶块3和顶杆4装配到位后，上模1、下模2和顶块3形成的密闭空间与热挤压件外形一致；
步骤3，根据热挤压件、热挤压模具、以及工艺余量确定坯料尺寸，加工坯料，如图4所示；
步骤4，将步骤2所述热挤压成形模具和步骤3中加工的坯料加热至设定温度，并将坯料保温设定时间，取出坯料后将坯料居中放置于热挤压成形模具下模2的凹模上方，压力机驱动上模1下行，与下模2逐渐合模，上模1接触坯料并逐渐下行直至坯料接触下模2中顶块3的上表面，该过程为热拉伸成形，上模1继续下行直至成形吨位达到设定吨位p，并在此状态下保压设定时间t，该过程为热挤压成形；
步骤5，上模1随压力机回程，通过压力机的下顶缸推动顶杆4，顶杆4推动顶块3，顶块3上行推动热挤压件脱模，得到带飞边的热挤压件，如图5所示；
步骤6，去除热挤压件的上部飞边和底部飞边，得到热挤压件，如图6和图7所示；
步骤7，对去除飞边后的热挤压件实施表面处理、热处理等和机械加工，获得最终近环形类构件，如图8所示。
本发明中，步骤1中，设计的热挤压件可将最终产品近环形类构件包围在内，且在热挤压件上随意选取一处，确定此处内缘到中心点o的距离drn即热挤压件的近似内径、外缘到中心点o的距离drw即热挤压件的近似外径、对应位置处近环形类构件的内缘到中心点o的距离dln即近环形类构件的近似内径、外缘到中心点o的距离dlw即近环形类构件的近似外径，则一般建议0.004≦(dln-drn)/dln≦0.02且(dln-drn)≧0.5mm，0.004≦(drw-dlw)/dlw≦0.02且(drw-dlw)≧0.5mm。当热挤压件的内缘存在两条直线或近似直线相交的情况时，两条直线或近似直线交叉点处设计过渡圆角，确定两条直线或近似直线到中心点o的距离分别为d1和d2，该过渡圆角r满足：(d1 d2)/10≦r≦(d1 d2)/4。在一个实施例中，设计的热挤压件如图7所示，(dln-drn)/dln＝0.02，dln-drn＝4mm，(drw-dlw)/dlw＝0.02，drw-dlw＝4mm，r＝90mm，热挤压件的厚度δr＝72mm。
本发明中，步骤2中，如图2所示，所述上模1和下模2通过位于上模1四角的凸台和位于下模2四角的凹槽实现互相定位和导向。
如图3所示，所述顶块3的投影面的边缘与所述热挤压件的投影面的内缘相同。
如图3所示，所述上模1和下模2中开设有圆柱形通孔，其中，分布于下模2的圆柱形通孔不与顶杆4干涉，所述上模1和下模2通过插入圆柱形通孔的加热管实现模具加热。
如图3所示，所述飞边槽22的内径大于凹模直径，优选飞边槽22的内径≥凹模直径 10mm，更优选飞边槽22至凹模之间加工过桥结构23，过桥结构23用于控制金属材料向飞边槽的流动，保证热挤压件充填到位。
本发明中，步骤3中，所述坯料的厚度δp＝(0.3-0.8)δr，坯料的体积为sp·δp＝(1.1-1.3)vr，dpn＜drn，dpw＞drw，其中δp为坯料的厚度，一般为标准板材厚度，δr为热挤压件的厚度，sp为坯料的表面积，vr为热挤压件的体积，dpn为坯料的近似内径，drn为热挤压件的近似内径，dpw为坯料的近似外径，drw为热挤压件的近似外径。在一个实施例中，坯料如图4所示，δp为30mm。
本发明中，步骤4中，模具的加热温度tm和坯料的加热温度tp根据坯料材料进行选取，优选0≤tp-tm≤50℃；坯料的保温时间tp满足：1.5δp≤tp≤2δp，保温时间tp的单位为分钟，δp为坯料的厚度，单位为毫米。
步骤4中，所述上模的下行速度v同热挤压件的厚δr成反比，当热挤压件的厚δr越大，合模速度v越小，合模速度v一般不超过3mm/s。
热挤压成形中，所述设定吨位p＝(1.5～2.5)f·s，其中f为坯料在tp温度下的流动应力，s为热挤压件的投影面积(s＝vr/δr)。
在一个实施例中，坯料为5a06铝合金，模具加热温度tm为400℃，坯料加热温度为440℃，坯料保温时间为45min，模具上模1接触坯料并逐渐下行60mm直至坯料接触模具下模2中顶块3上表面进行热拉深成形，上模1继续下行23mm直至成形吨位达到1600吨，并在此状态下保压90s。
本发明中，步骤6中，采用切边模具去除热挤压件的上部飞边和底部飞边，如图9所示，切边模具包括切边上模5、切边内模6和切边下模7，切边上模5台阶结构，具有位于下方的一级切边51和位于上方的二级切边52，一级切边51的外型面与所述热挤压件的内型面随形，二级起边52的外型面与所述热挤压件的外型面随形；所述切边内模6可拆卸内置于切边下模7中，切边内模6的内径小于所述热挤压件的外径且不小于所述热挤压件的内径，用于支撑所述热挤压件，并不干涉切边上模5的二级切边52；所述切边下模7的内型面与所述热挤压件的外型面随形。
操作时，将热挤压件放置于切边模具中，切边上模5下行直到一级切边51切除热挤压件底部飞边，切边内模6下行，切边上模5下行直到二级切边52切除热挤压件的上部飞边，切边内模6上行，取出去除飞边后热挤压件，其中，切边内模6下行高度大于热挤压件上部飞边的厚度。优选地，切边上模5的一级切边51的高度h满足：1.5δr≧h≧1.2δr，δr为所述热挤压件的厚度。
在一个实施例中，切边上模5的一级切边51的高度h＝115mm。切边上模5下行75mm直到一级切边51切除热挤压件底部飞边，切边内模6下行30mm，切边上模5下行15mm直到二级起边52切除热挤压件上部飞边，切边内模6上行30mm顶出去除飞边后的热挤压件，如图9所示。采用本发明个工艺，热挤压件的成形精度达到±0.5mm。
本发明中，步骤7中，对去除飞边后的热挤压件表面处理、热处理和机加，获得最终近环形类构件。具体地，热挤压件经过酸洗，去应力退火热处理以及机加获得了近环形类构。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
1.一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1中，根据近环形类构件的模型，设计热挤压件；
步骤2，根据热挤压件，设计并加工热挤压成形模具，所述热挤压成形模具包括上模(1)、下模(2)、顶块(3)和顶杆(4)，上模(1)具有与热挤压件内环随形的凸模，下模(2)具有与热挤压件外环随形的凹模(21)、以及凹模(21)外缘的环形飞边槽(22)，顶块(3)和顶杆(4)内置于下模(2)中，顶块(3)投影面的边缘不小于热挤压件投影面的内缘，顶杆(4)位于顶块(3)的下方，上模(1)、下模(2)、顶块(3)和顶杆(4)装配到位后，上模(1)、下模(2)和顶块(3)形成的密闭空间与热挤压件外形一致；
步骤3，根据热挤压件、热挤压模具、以及工艺余量确定坯料尺寸，加工坯料；
步骤4，将所述热挤压成形模具和加工的坯料加热至设定温度，并将坯料保温设定时间，取出坯料后将坯料居中放置于热挤压成形模具下模(2)的凹模上方，压力机驱动上模(1)下行，与下模(2)逐渐合模，上模(1)接触坯料并逐渐下行直至坯料接触下模(2)中顶块(3)的上表面，上模(1)继续下行直至成形吨位达到设定吨位，并在此状态下保压设定时间；
步骤5，上模(1)随压力机回程，通过压力机的下顶缸推动顶杆(4)，顶杆(4)推动顶块(3)，顶块(3)上行推动热挤压件脱模，得到带飞边的热挤压件；
步骤6，去除热挤压件的上部飞边和底部飞边，得到热挤压件；
步骤7，对去除飞边后的热挤压件进行机械加工，获得最终近环形类构件。
2.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤1中，所述设计的热挤压件需要能够将最终产品近环形类构件包围在内，且在热挤压件上随意选取一处，确定此处内缘到中心点o的距离drn即热挤压件的近似内径、外缘到中心点o的距离drw即热挤压件的近似外径、对应位置处近环形类构件的内缘到中心点o的距离dln即近环形类构件的近似内径、外缘到中心点o的距离dlw即近环形类构件的近似外径，则0.004≦(dln-drn)/dln≦0.02且(dln-drn)≧0.5mm，0.004≦(drw-dlw)/dlw≦0.02且(drw-dlw)≧0.5mm。
3.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤1中，所述设计的热挤压件的内缘存在两条直线或近似直线相交的情况时，两条直线或近似直线交叉点处设计过渡圆角，确定两条直线或近似直线到中心点o的距离分别为d1和d2，该过渡圆角r满足：(d1 d2)/10≦r≦(d1 d2)/4。
4.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤2中，所述上模(1)和下模(2)通过位于上模(1)四角的凸台和位于下模(2)四角的凹槽实现互相定位和导向。
5.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤2中，所述顶块(3)的投影面的边缘与所述热挤压件的投影面的内缘相同。
6.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤2中，所述上模(1)和下模(2)中开设有圆柱形通孔，其中，分布于下模(2)的圆柱形通孔不与顶杆(4)干涉，所述上模(1)和下模(2)通过插入圆柱形通孔的加热管实施模具加热。
7.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤2中，所述飞边槽(22)的内径大于凹模直径，优选飞边槽(22)的内径≥凹模直径 10mm，更优选飞边槽(22)至凹模之间加工过桥结构(23)，过桥结构(23)用于控制金属材料向飞边槽的流动，使热挤压件充填到位。
8.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤3中，所述坯料的厚度δp＝(0.3-0.8)δr，坯料的体积为sp·δp＝(1.1-1.3)vr，dpn＜drn，dpw＞drw，其中δp为坯料的厚度，δr为热挤压件的厚度，sp为坯料的表面积，vr为热挤压件的体积，dpn为坯料的近似内径，drn为热挤压件的近似内径，dpw为坯料的近似外径，drw为热挤压件的近似外径。
9.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤4中，模具的加热温度tm和坯料的加热温度tp根据坯料材料进行选取，确定0≤tp-tm≤50℃；和/或
坯料的保温时间tp满足：1.5δp≤tp≤2δp，保温时间tp的单位为分钟，δp为坯料的厚度，单位为毫米；和/或
热挤压成形中，所述设定吨位p＝(1.5～2.5)f·s，其中f为坯料在tp温度下的流动应力，s为热挤压件的投影面积。
10.根据权利要求1所述的近环形类构件热拉深挤压成形工艺，其特征在于，步骤6中，采用切边模具去除热挤压件的上部飞边和底部飞边，切边模具包括切边上模(5)、切边内模(6)和切边下模(7)，切边上模(5)台阶结构，具有位于下方的一级切边(51)和位于上方的二级切边(52)，一级切边(51)的外型面与所述热挤压件的内型面随形，二级起边(52)的外型面与所述热挤压件的外型面随形；所述切边内模(6)可拆卸内置于切边下模(7)中，切边内模(6)的内径小于所述热挤压件的外径且不小于所述热挤压件的内径，用于支撑所述热挤压件，并不干涉切边上模(5)的二级切边(52)；所述切边下模(7)的内型面与所述热挤压件的外型面随形；
操作时，将热挤压件放置于切边模具中，切边上模(5)下行直到一级切边(51)切除热挤压件底部飞边，切边内模(6)下行，切边上模(5)下行直到二级切边(52)切除热挤压件的上部飞边，切边内模(6)上行，取出去除飞边后热挤压件，其中，切边内模(6)下行高度大于热挤压件上部飞边的厚度。
技术总结