[发明专利]极小圆角半径深腔薄壁金属构件的成形方法

说明书

本发明属于深腔薄壁金属构件的成形制造领域，提供了一种极小圆角半径深腔薄壁金属构件的成形方法。本发明的极小圆角半径深腔薄壁金属构件的成形方法，利用刚性模具拉深成形出整体腔体，利用刚性模具小圆角推挤成形出极小圆角，使拉深成形过程与极小圆角成形过程相互独立，避免了两者同时成形过程中出现起皱、开裂等问题，能够解决极小圆角成形难甚至无法成形的问题。本发明的极小圆角半径深腔薄壁金属构件的成形方法，整体腔体拉深成形加局部小圆角推挤成形的方法针对性强，可操作性强，放宽了对拉深成形各处圆角尺寸的要求，可大幅减少拉深成形的道次，并可有效提升具有极小圆角半径深腔薄壁金属构件的成形性和成形效率。

技术领域

本发明属于深腔薄壁金属构件的成形制造领域，具体涉及极小圆角半径深腔薄壁金属构件的成形方法。

背景技术

薄壁金属构件是航空、航天、汽车、高铁等领域非常重要的一类构件，通常要承受复杂的力、热载荷作用，对其尺寸精度和尺寸稳定性提出很高要求。同时，为了与其他相邻构件实现合理可靠的装配，薄壁金属构件一般被设计成具有深腔、异形截面、局部小圆角的结构形式。随着航空航天、汽车等高端装备对结构轻量化、高可靠性、长寿命等指标的要求越来越高，薄壁金属构件的结构形状越来越复杂、尺寸精度要求越来越高，对传统的成形制造技术提出了新的挑战。例如，在新能源汽车中，锂电池的方盒形铝合金外壳是非常重要且用量很大的构件，其截面形状以方形或长方形为主，深度达到100～300mm，过渡圆角半径可达3～10mm，是典型的带有极小圆角半径的深腔薄壁金属构件。又如，在高端电子产品中，也常采用方盒形铝合金、镁合金或不锈钢外壳来安装固定内部的电子元器件和芯片等，其种类繁多、要求各异。这种具有极小圆角半径的深腔薄壁金属构件的设计目的，主要是为了在多个相同构件紧密排列组合使用时尽量减小相邻构件之间的间隙、增强组装结构的整体刚度、提高各独立构件内部的有效空腔容积。目前，这种金属外壳已成为新能源汽车、高档电子产品行业中最为重要的一类产品，此类产品的成形制造及大批量生产代表了先进制造行业的最高水平。

目前，主要采用多道次刚性模具拉深技术制造上述带有极小圆角半径的深腔薄壁金属构件。该技术利用多套刚性冲头和拉深凹模(级进模)对平面金属板坯进行多道次拉深成形，后一拉深道次以前一拉深道次制备出的半成品为坯料，每一道次只使坯料发生一定程度的变形，在相邻拉深道次之间一般还要对坯料进行必要的退火等热处理。对于室温下成形性能较差的铝合金板材，通常需要6～8道次的拉深成形才可以获得最终的深腔薄壁金属构件。如果模具的结构设计、各拉深道次变形量间的匹配、中间退火热处理当中任何一方面存在问题，都会直接导致构件的成形失败。例如，在成形异形截面构件时，因刚性模具和坯料几何形状不对称、坯料受力不均匀不合理，导致原始坯料上各区域变形不均匀不合理，常见的成形缺陷或质量问题有：(1)壁厚分布不均匀，主要是指侧壁靠近底部圆角区因伸长变形而出现局部减薄甚至开裂；(2)局部起皱，主要是在侧壁靠近法兰区的过渡区域因材料流动不均匀、相互推挤而起皱；(3)尺寸稳定性差贴模度差，主要指侧壁和底面因材料变形不充分、回弹严重贴模后容易变形；(4)所能达到的局部圆角尺寸有限，主要是指当侧壁之间、侧壁与底面过渡区域圆角尺寸过小时容易出现起皱现象，无法成形出合格的零件。在实践中，当构件上存在极小圆角半径即侧壁圆角半径和底部圆角半径小于5.0倍原始板坯壁厚时，上述的成形缺陷或质量问题将表现得更为严重，采用现有的刚性模具多道次拉深已无法获得满足要求的带有极小圆角半径的深腔薄壁金属构件。此外，刚性模具多道次拉深技术除工序复杂、生产效率低外，该工艺对模具加工精度和原始金属板坯的性能稳定性要求很高，对所采用的设备要求也很高，必须使用位移/力载荷控制精度高、稳定性好、速度快的高档伺服冲压机，因而设备和模具极其昂贵。正因如此，采用多道次刚性模拉深成形深腔薄壁构件的技术并不成熟，这就大大限制了此类构件在新能源汽车、高档电子产品中的广泛应用。发明专利(专利号：CN201610689208.8)提出一种针对薄壁零件小圆角特征的胀压复合成形方法，该方法通过充液拉深与胀压复合成形两道工序成形小圆角，主要用于成形深腔构件底部小圆角，无法实现深腔薄壁盒形构件上底部圆角和侧壁圆角的同时成形，且成形的最小圆角尺寸仍然受到一定限制，当小圆角尺寸极小达到2.0倍料厚时，容易出现侧壁失稳、圆角与直线段过渡区凸起等问题，上述方法不再适用。