一种应用于蠕变时效成形的柔性模具及蠕变时效成形方法

摘要

本发明公开了一种应用于蠕变时效成形的柔性模具，包括压边条、单元体、侧壁、固定板、液压缸、底座、托架、液压控制系统、液压油接管，托架和呈点阵式分布的多个液压缸均设在底座上，侧壁和固定板设在托架上，固定板上开设有与液压缸位置对应的通孔，单元体包括单元体主体和球形端头，单元体主体匹配穿过通孔，单元体主体的下端与液压缸的活塞相连，压边条设在侧壁上；球形端头的上表面呈球形曲面，球形端头的表面顶部构成模具型面；液压控制系统通过控制液压缸内活塞的升降来调节模具型面的变化。本发明还提供了一种基于柔性模具的蠕变时效成形方法。本发明解决了面对不同曲率构件成形需要频繁更换型面甚至替换模具的问题。

权利要求

1.一种应用于蠕变时效成形的柔性模具，其特征在于，包括压边条（1）、单元体（8）、侧壁（2）、固定板（7）、液压缸（4）、底座（6）、托架（3）、液压控制系统、液压油接管（5），所述托架（3）和呈点阵式分布的多个液压缸（4）均设置在底座（6）上，托架（3）设置在液压缸（4）的外周，四块侧壁（2）围成矩形竖立在托架（3）上，固定板（7）呈水平设置在托架（3）上，固定板（7）上开设有与液压缸（4）位置对应的通孔，单元体（8）包括单元体主体和球形端头，单元体主体匹配穿过固定板（7）上开设的通孔，单元体主体的下端与液压缸（4）的活塞相连，压边条（1）设置在四块侧壁（2）上，用于对构件（9）进行固定；单元体主体上方与球形端头可拆卸连接，球形端头的上表面呈球形曲面，呈点阵式分布的球形端头的表面顶部构成与构件接触的模具型面；位于热压罐外的液压控制系统通过穿过热压罐的液压油接管（5）控制热压罐内的液压缸（4）内活塞的升降，来调节由球形端头表面顶部构成的模具型面的变化。

2.根据权利要求1所述的应用于蠕变时效成形的柔性模具，其特征在于，所述单元体主体的下端与液压缸（4）的活塞呈可拆卸连接；液压缸（4）的下端可拆卸设置在底座（6）上，液压缸（4）上下两侧设置有法兰，且上下两侧的法兰上均设有通油孔，分别与不同的液压油接管（5）进行连接。

3.根据权利要求1所述的应用于蠕变时效成形的柔性模具，其特征在于，所述应用于蠕变时效成形的柔性模具还包括位移传感器，所述位移传感器用于感应单元体（8）的位移距离并通过导线将感应数据传输给液压控制系统。

4.根据权利要求1所述的应用于蠕变时效成形的柔性模具，其特征在于，所述压边条（1）呈L形，一条边压在构件（9）上，另一条边设置在侧壁（2）的侧面；四个压边条（1）分别设置在四块侧壁（2）所围成矩形的直角处。

5.根据权利要求1所述的应用于蠕变时效成形的柔性模具，其特征在于，所述单元体主体上方设有内螺纹孔，球形端头下方设有与内螺纹孔匹配的外螺纹杆，单元体主体上方与球形端头之间通过螺纹进行连接；四块侧壁（2）包括对称设置的两块长侧壁和两块短侧壁，且四块侧壁（2）的底部均与固定板（7）的四边相接；所述液压缸（4）通过螺栓设置在底座（6）上。

6.根据权利要求1所述的应用于蠕变时效成形的柔性模具，其特征在于，所述球形端头的直径为90 126mm，两个相邻的单元体（8）之间的距离为250 350mm。

~ ~

7.根据权利要求1所述的应用于蠕变时效成形的柔性模具，其特征在于，每个所述液压缸（4）均有一个单独的液压回路实现独立控制。

8.根据权利要求1所述的应用于蠕变时效成形的柔性模具，其特征在于，所述液压控制系统包括定量液压泵和变量液压泵，变量液压泵根据溢流损失进行调节，减小小流量时产生的溢流损失。

9.一种基于柔性模具的蠕变时效成形方法，其特征在于，所述基于柔性模具的蠕变时效成形方法采用了权利要求1 8中任意一项所述的应用于蠕变时效成形的柔性模具；具体~

步骤如下：

先对构件（9）的变形过程进行仿真，根据仿真结果在液压控制系统中输入构件（9）变形曲线相关数据，然后具体的构件成形过程如下，先控制所有球形端头的表面最上端与四块侧壁（2）的顶面处于同一水平面内，然后将待处理的构件（9）放置在所有球形端头所组成的模具型面上，通过压边条（1）将构件（9）固定在模具型面上，然后安装透气毡、密封胶和真空袋，安装好后放入热压罐，将液压缸与液压油接管（5）连接；启动热压罐加载后，控制单元体（8）随着构件（9）的变形而升降，单元体运动过程与构件变形保持同步联锁控制，从而实现模具型面的柔性可调。

10.根据权利要求9所述的基于柔性模具的蠕变时效成形方法，其特征在于，液压控制回路流量调节方法如下：

A、液压油经双泵抽取，在单向阀门的作用下流至四通换向阀，四通换向阀接收计算机所输入流量曲线信号，在内部电磁铁的作用下调节阀门通道，改变流向，实现单元体上升和下降的更替；上升时液压缸下进上出，下降时液压缸上进下出；

B、液压油经四通换向阀流向液压缸，途中经单向阀流入、调节阀流出，控制出口的调节阀的开度来调节液压缸出口流量大小，从而控制单元体升降速度，当所测单元体位移达到最终所需位置后，出口的调节阀关闭，回路进入保压状态，单元体静止；

C、调节阀开度根据输入控制端流量曲线与节流阀出口设置的流量传感器测量值实现各支路间独立的负反馈调节，不断调节阀门开度获得所需出口流量大小以对应单元体运动所需速度；

D、为了减少控制阀的频繁波动，液压控制系统的阀门开度控制部分采取PI控制，且控制增益小，使其接近纯积分控制即积分时间足够小。

说明书

一种应用于蠕变时效成形的柔性模具及蠕变时效成形方法

技术领域

[0001] 本发明属于铝合金构件蠕变时效成形技术领域，具体涉及一种应用于蠕变时效成形的柔性模具及蠕变时效成形方法。

背景技术

[0002] 蠕变时效成形技术(Creep Age Forming，CAF)是为实现大型整体壁板构件高性能与精确成形协同制造而发展起来的一种新型钣金成形方法，成形精度高。现有蠕变时效成
形模具设计较为繁琐：在模具型面确定后，由于卸载后构件回弹量较大，需要预测回弹量并
将其补偿到模具型面上，以获得所需目标构件形状。回弹量的预测和成形工装型面的补偿
优化一直是蠕变时效成形技术的关键问题。在如此繁琐、耗时的模具设计基础上，面对不同
曲率构件，或者因温度或材料造成回弹量的变化，需要频繁更换型面甚至替换模具，造成模
具适用性低，成本高、生产效率低。

[0003] 专利文献CN201911157801.8公开了一种基于机械加载的蠕变时效成形方法，该成形方法包括以下步骤：第一步、将待成形板材放置在模具上；第二步、首先通过主液压缸和
加载液压缸向待成形板材上表面施载荷，使待成形板材发生变形，直至待成形板材下表面
与模具形板上表面紧密贴合，然后用盖板将待成形制件与模具型面固定；第三步、将待成形
制件与模具放入热压罐中，升温至时效温度并保温；第四步、降温至室温，卸载即得蠕变时
效成形后的制件。但该方法不足之处在于需手动调节，增加了人工成本，且调整精度不易保
证；另外其成型面属于块调节，不适用于大型双曲率构件的成形；为使构件紧贴型面，利用
液压缸来调节加载装置，使得装置复杂、成本有所增加。

[0004] 因此，需要设计一种新的应用于蠕变时效成形的模具。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种应用于蠕变时效成形的柔性模具，以解决背景技术中提出的现有的蠕变时效成形模具面对不同曲率构件，或者因温度或材料造成回弹量的变
化，需要频繁更换型面甚至替换模具，造成模具适用性低，成本高、生产效率低的问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种应用于蠕变时效成形的柔性模具，包括压边条、单元体、侧壁、固定板、液压缸、底座、托架、液压控制系统、液压油接管，

[0007] 所述托架和呈点阵式分布的多个液压缸均设置在底座上，托架设置在液压缸的外周，四块侧壁围成矩形竖立在托架上，固定板呈水平设置在托架上，固定板上开设有与液压
缸位置对应的通孔，单元体包括单元体主体和球形端头，单元体主体匹配穿过固定板上开
设的通孔，单元体主体的下端与液压缸的活塞相连，压边条设置在四块侧壁上，用于对构件
进行固定；单元体主体上方与球形端头可拆卸连接，球形端头的上表面呈球形曲面，呈点阵
式分布的球形端头的表面顶部构成与构件接触的模具型面；位于热压罐外的液压控制系统
通过穿过热压罐的液压油接管控制热压罐内的液压缸内活塞的升降，来调节由球形端头表
面构成的模具型面的变化。

[0008] 在一种具体的实施方式中，所述单元体主体的下端与液压缸的活塞呈可拆卸连接；液压缸的下端可拆卸设置在底座上，液压缸上下两侧设置有法兰，且上下两侧的法兰上
均设有通油孔，分别与不同的液压油接管进行连接。

[0009] 在一种具体的实施方式中，所述应用于蠕变时效成形的柔性模具还包括位移传感器，所述位移传感器用于感应单元体的位移距离并通过导线将感应数据传输给液压控制系
统。

[0010] 在一种具体的实施方式中，所述压边条呈L形，一条边压在构件上，另一条边设置在侧壁的侧面；四个压边条分别设置在四块侧壁所围成矩形的直角处。

[0011] 在一种具体的实施方式中，所述单元体主体上方设有内螺纹孔，球形端头下方设有与内螺纹孔匹配的外螺纹杆，单元体主体上方与球形端头之间通过螺纹进行连接；四块
侧壁包括对称设置的两块长侧壁和两块短侧壁，且四块侧壁的底部均与固定板的四边相
接；所述液压缸通过螺栓设置在底座上。

[0012] 在一种具体的实施方式中，所述球形端头的直径为90～126mm，两个相邻的单元体之间的距离为250～350mm。

[0013] 在一种具体的实施方式中，每个所述液压缸均有一个单独的液压回路实现独立控制。

[0014] 在一种具体的实施方式中，所述液压控制系统包括定量液压泵和变量液压泵，变量液压泵根据溢流损失进行调节，减小小流量时产生的溢流损失。

[0015] 本发明还提供了一种基于柔性模具的蠕变时效成形方法，所述基于柔性模具的蠕变时效成形方法采用了前述中任意一项所述的应用于蠕变时效成形的柔性模具；具体步骤
如下：

[0016] 先对构件的变形过程进行仿真，根据仿真结果在液压控制系统中输入构件变形曲线相关数据，然后具体的构件成形过程如下，先控制所有球形端头的表面最上端与四块侧
壁处于同一水平面内，然后将待处理的构件放置在所有球形端头所组成的模具型面上，通
过压边条将构件固定在模具型面上，然后安装透气毡、密封胶和真空袋，安装好后放入热压
罐，将液压缸与液压油接管连接；启动热压罐加载后，控制单元体随着构件的变形而升降，
单元体运动过程与构件变形保持同步联锁控制，从而实现模具型面的柔性可调。

[0017] 在一种具体的实施方式中，液压控制回路流量调节方法如下：

[0018] A、液压油经双泵抽取，在单向阀门的作用下流至四通换向阀，此阀接收计算机所输入流量曲线信号，在内部电磁铁的作用下调节阀门通道，改变流向，实现单元体上升和下
降的更替；上升时液压缸下进上出，下降时液压缸上进下出；

[0019] B、液压油经四通阀流向液压缸，途中经单向阀流入、调节阀流出，控制出口调节阀的开度来调节液压缸出口流量大小，从而控制单元体升降速度，当所测单元体位移达到最
终所需位置后，出口调节阀关闭，回路进入保压状态，单元体静止；

[0020] C、调节阀开度根据输入控制端流量曲线与节流阀出口设置的流量传感器测量值实现各支路间独立的负反馈调节，不断调节阀门开度获得所需出口流量大小以对应单元体
运动所需速度；

[0021] D、为了减少控制阀的频繁波动，液压控制系统的阀门开度控制部分采取PI控制，且控制增益小，使其接近纯积分控制即积分时间足够小。

[0022] 相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

[0023] 本发明的一种应用于蠕变时效成形的柔性模具，解决了面对不同曲率构件成形需要频繁更换型面甚至替换模具的问题。

[0024] 本发明的一种应用于蠕变时效成形的柔性模具，能够通过改变单元体的位移对回弹量进行自补偿，适应温度或材料的改变对回弹量的影响，提高了成形精度。

[0025] 本发明的一种应用于蠕变时效成形的柔性模具为点阵式柔性模具，方便用于成形大型双曲率构件，模具型面柔性可调，单元体通过液压驱动且与构件变形过程形成连锁。

[0026] 本发明的模具型面在成形过程中可以通过对单元体的控制，根据成形仿真结果进行高度调整，能够适应回弹量的变化，在一定范围内进行及时调整补偿回弹量；同时适用不
同曲率的构件成形，扩大了模具的适用范围。本发明的单元体上升下降通过液压传动，比机
械传动要简单，避免了机器过载的情况。本发明的蠕变时效成形过程中，成形构件与模具型
面始终保持贴合，避免了以往蠕变时效成形中构件因悬空加载可能发生的失稳。

[0027] 根据仿真结果，本发明的液压控制系统对各单元体均有一个单独回路实现独立控制，便于调整。

[0028] 本发明的液压回路采用双泵驱动，分为定量泵和变量泵，其中变量泵根据溢流损失大小进行调节，减小了小流量时产生的溢流损失。

[0029] 本发明的流量调节阀的开度根据输入数据与流量传感器测量值实现独立的负反馈调节，控制系统采用比例积分控制，控制作用及时又能消除余差。各单元体之间的控制相
对独立，在实际操作中，能够快速方便的进行替换与维修。

[0030] 本发明采用真空袋结合实时调节单元体加压，免去了上方旋合多个加载螺栓来保证型面的贴合这一复杂人工工序；同时液压自动调节型面曲率，不需要更换形板，精度更
高。

[0031] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

[0032] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0033] 图1是本发明一种实施例的结构示意图；

[0034] 图2是本发明一种实施例的半剖面示意图；

[0035] 图3是本发明一种实施例的未装构件和压边条的结构示意图；

[0036] 图4是本发明一种实施例的液压控制系统原理图。

[0037] 其中，1、压边条；2、侧壁；3、托架；4、液压缸；5、液压油接管；6、底座；7、固定板；8、单元体；9、构件。

具体实施方式

[0038] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

[0039] 实施例1

[0040] 本发明的一种应用于蠕变时效成形的柔性模具，包括压边条1、单元体8、侧壁2、固定板7、液压缸4、底座6、托架3、液压控制系统、液压油接管5，

[0041] 所述托架3和呈点阵式分布的多个液压缸4均设置在底座6上，托架3设置在液压缸4的外周，四块侧壁2围成矩形竖立在托架3上，固定板7呈水平设置在托架3上，固定板7上开
设有与液压缸4位置对应的通孔，单元体8包括单元体主体和球形端头，单元体主体匹配穿
过固定板7上开设的通孔，单元体主体的下端与液压缸4的活塞相连，压边条1设置在四块侧
壁2上，用于对构件9进行固定；单元体主体上方与球形端头可拆卸连接，球形端头的上表面
呈球形曲面，呈点阵式分布的球形端头的表面顶部构成与构件接触的模具型面；

[0042] 位于热压罐外的液压控制系统通过穿过热压罐的液压油接管5控制热压罐内的液压缸4内活塞的升降，来调节由球形端头表面构成的模具型面的变化。

[0043] 球形端头的上表面呈球形曲面与构件光滑接触，使模具型面不会影响构件的表面光滑。托架3弯折呈手形，支撑侧壁与固定板7，为固定板7下方的液压缸4和液压油接管5腾
出空间。液压缸4、单元体8以及固定板7上开设的通孔均呈M×N数量的水平面内的纵横均匀
分布。优选9×9的水平面内的纵横均匀分布。通过控制液压油接管5的液压油通道流量大
小，调节单元体8的运动速度，实现了单元体8的运动与构件变形的连锁控制。液压油接管5
与流量调节阀相连，通过调节阀门开度实现流量调节，从而独立控制各单元体速度。固定板
7上开设的通孔对单元体8的运动有一定定位作用。

[0044] 所述单元体主体的下端与液压缸4的活塞呈可拆卸连接；液压缸4的下端可拆卸设置在底座6上，液压缸4上下两侧设置有法兰，且上下两侧的法兰上均设有通油孔，分别与不
同的液压油接管5进行连接。单元体主体的下端设置成阶梯状，通过螺栓组与液压缸4的活
塞套合固定。

[0045] 所述应用于蠕变时效成形的柔性模具还包括位移传感器，所述位移传感器用于感应单元体8的位移距离并通过导线将感应数据传输给液压控制系统。

[0046] 所述压边条1呈L形，一条边压在构件9上，另一条边设置在侧壁2的侧面；四个压边条1分别设置在四块侧壁2所围成矩形的直角处。压边条1呈L形，置于构件上方四周，对其进
行定位，避免了构件成形过程中发生移动。

[0047] 所述单元体主体上方设有内螺纹孔，球形端头下方设有与内螺纹孔匹配的外螺纹杆，单元体主体上方与球形端头之间通过螺纹进行连接；四块侧壁2包括对称设置的两块长
侧壁和两块短侧壁，且四块侧壁2的底部均与固定板7的四边相接；所述液压缸4通过螺栓设
置在底座6上。四块侧壁2与固定板7四周相连围合成一个方形空间。

[0048] 所述球形端头的直径为90～126mm，两个相邻的单元体8之间的距离为250～350mm。

[0049] 每个所述液压缸4均有一个单独的液压回路实现独立控制。

[0050] 所述液压控制系统包括定量液压泵和变量液压泵，变量液压泵根据溢流损失进行调节，减小小流量时产生的溢流损失。变量液压泵在成形初期的加速度较大的运动中起辅
助作用。蠕变时效成形初期单元体8移动速度较大，系统所需流量较大，而在后期流量变得
很小，变量液压泵在后期低速阶段根据流量传感器3测得溢流量大小，超过一定值后进行调
节，减小溢流损失，起节能作用。

[0051] 本发明还提供了一种基于柔性模具的蠕变时效成形方法，所述基于柔性模具的蠕变时效成形方法采用了前述中任意一项所述的应用于蠕变时效成形的柔性模具；具体步骤
如下：

[0052] 先对构件的变形过程进行仿真，根据仿真结果在液压控制系统中输入构件变形曲线相关数据，然后具体的构件成形过程如下，先控制所有球形端头的表面最上端与四块侧
壁2处于同一水平面内，然后将待处理的构件放置在所有球形端头所组成的模具型面上，通
过压边条1将构件固定在模具型面上，然后安装透气毡、密封胶和真空袋，安装好后放入热
压罐，将液压缸4与液压油接管5连接；启动热压罐加载后，控制单元体随着构件的变形而升
降，单元体运动过程与构件变形保持同步联锁控制，从而实现模具型面的柔性可调。

[0053] 蠕变时效成形过程中构件放置在模具型面上方，压边条放置在构件上方用于固定构件，此时所有单元体上方的球形端头的表面均与构件接触，起支撑作用。

[0054] 在真空袋密封后，进入热压罐加载，构件开始变形，这个过程中单元体根据构件仿真变形结果与构件的变形保持一致的运动。这个过程中单元体上方的球形端头的表面始终
与构件相接触，避免了构件悬空加载造成的成形缺陷问题；也不会出现真空袋内缩的问题。
单元体的运动通过下方液压缸来控制，可以随时调节模具型面。最后到达所需变形后，液压
回路进入保压状态，单元体静止，蠕变时效成形结束后构件卸载发生回弹获得所需型面。

[0055] 液压控制回路流量调节方法如下：

[0056] A、液压油经双泵抽取，在单向阀门的作用下流至四通换向阀，此阀接收计算机所输入流量曲线信号，在内部电磁铁的作用下调节阀门通道，改变流向，实现单元体上升和下
降的更替；上升时液压缸下进上出，下降时液压缸上进下出；

[0057] B、液压油经四通阀流向液压缸，途中经单向阀流入、调节阀流出，控制出口调节阀的开度来调节液压缸出口流量大小，从而活塞即单元体升降速度得以控制，当所测单元体
位移达到最终所需位置后，出口调节阀关闭，回路进入保压状态，单元体静止；

[0058] C、调节阀开度根据输入控制端流量曲线与节流阀出口设置的流量传感器测量值实现各支路间独立的负反馈调节，不断调节阀门开度获得所需出口流量大小(对应单元体
运动速度)。

[0059] D、为了减少控制阀的频繁波动，液压控制系统的阀门开度控制部分采取PI控制，且控制增益小，使其接近纯积分控制即积分时间足够小，这类控制的优点是控制作用及时
又能消除余差。

[0060] 图4中，左右两支路不同点在于左支路所连单元体在成形过程中存在上升，故上升和下降速度都需控制，液压缸上下管路接口均连接有调节阀；而右支路所连单元体成形过
程只存在下降运动，故只有液压缸下方管路接口连接调节阀。

[0061] 本发明采用点阵式的液压单元调节模具型面，一方面在其基础上解决了大型双曲率构件的成形问题，且单元体与构件接触点单独控制，使得成形精度更高；另一方面，不需
要事先调整模具型面，将液压缸应用在模具型面的调节上，单元体的升降与构件的变形保
持一个实时、联锁控制，保证了构件下方始终紧贴模具型面，在不使用加载装置的情况下，
同样起到了降低因加载不稳定造成的内部缺陷问题，且不存在真空袋内缩问题。本发明的
方法在一定范围内能够及时、方便地对回弹量进行自补偿，不需要反复修模，适应温度或材
料的改变对回弹量的影响；面对不同曲率构件不需更换型面和模具，实现了机电液一体化，
人工成本大大降低，缩短了成形周期。

[0062] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不
脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保
护范围。