CN101537447B - 可实现相对弯曲半径Rb≤0.5的管材充液剪切弯曲成形方法 - Google Patents

可实现相对弯曲半径Rb≤0.5的管材充液剪切弯曲成形方法 Download PDF

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Abstract

可实现相对弯曲半径Rb≤0.5的管材充液剪切弯曲成形方法，它涉及一种管材弯曲成形方法。本发明解决了现有的弯曲工艺无法加工极小相对弯曲半径管件的问题。所述方法是剪切变形产生材料流动实现弯曲，采用液体介质实现内压支撑，采用冲头进给补料和活动模具的运动来实现轴向力和切向力，通过对液体压力、轴向力和切向力的实时控制来调整管材弯曲时的应力状态，进而达到控制变形行为。本方法具体步骤为：充填阶段、成形阶段和整形阶段；本方法在管材剪切弯曲变形的初始状态到变形终了状态、再到加压整形状态整个过程中，保持固定模块与活动模块形成的型腔始终与管坯变形段的外表面紧密贴合。用本发明方法可制造出相对弯曲半径Rb≤0.5的极小半径管件。

Description

可实现相对弯曲半径Rb≤0.5的管材充液剪切弯曲成形方法
技术领域
本发明涉及一种管材弯曲成形方法。
背景技术
航空、航天构件要求高可靠性，高安全性和尽可能轻的质量，因此对结构整体性、结构形式及占用空间提出了苛刻的要求，既要保证结构的整体可靠性，同时还要保证在满足强度要求的基础上采用尽可能轻的质量，在满足结构要求的前提下占用尽可能小的空间。
受结构空间限制，小型航空发动机及无人机的管路要求使用极小弯曲半径管，其相对弯曲半径Rb≤0.5(Rb为管件弯曲中性层的半径r与管材直径D之比，图4所示)，使用的材料包括铝合金、钛合金和高温合金。具有极小的相对弯曲半径的管材既能提高整体性能，实现结构减重，又有效地节省空间，是非常理想的结构形式。
对于相对弯曲半径Rb≥1.0的管件，可采用传统弯曲工艺加工，但为了保证管材的弯曲质量，必须将相对弯曲半径控制在一定范围内，例如，滚弯要求最小弯曲半径Rb≥6.0，普通压弯Rb≥3.0，无芯绕弯Rb≥2.0。实际的最小相对弯曲半径不仅取决于弯曲工艺(芯模、设备)，还取决于管材的径厚比、材料的力学性能等。在这些弯曲方法中，数控弯曲、内压推弯和充液压弯是几种可用于成形较小相对弯曲半径的弯曲方法。
(1)数控弯曲：数控弯曲技术广泛应用于实际生产，对于三维空间轴线的管材可以一次连续成形，国外发达国家的飞机发动机外部30％-40％以上的导管是用数控弯管机弯制而成的。一般情况下带芯模的数控弯曲其相对弯曲半径Rb可达到1.5，采用多球芯模、防皱块等特殊的模具结构，也可以达到1.2。
(2)内压推弯：内压推弯工艺是利用凸模将装有弹性填料的管坯推入可分式弯曲凹模，使之发生弯曲变形，同时球形芯轴压住填料使之产生足够的内压力作用于管壁，以防止起皱和过大椭圆度的发生。此外，由于推入力和摩擦力的作用，在管件轴向引起附加的压应力，从而使弯曲中性层向外侧移动，有利于减小外侧的壁厚减薄量。北京航空制造工程研究所系统开展了铝合金和不锈钢小弯曲半径管内压推弯研究，并开发了国内首台自行研制的专用推弯设备，成形出相对弯曲半径最小为1.0的小弯曲半径管，有效地防止起皱的发生，生产效率高，成形质量好。
(3)充液压弯：充液压弯是在两端密封的管内充填液体介质，同时施加一定内压做为软模支撑，然后在模具内压弯成形，提高弯管内高压液体的压力把椭圆形截面整形为圆形。与其它填料压弯曲工艺相比，由于采用液体作为内部充填介质，成形零件表面质量好，管壁内侧起皱倾向小，弯曲成形精度高，可用于高性能铝合金及高强钢材料的弯曲成形。尤其适用于变曲率、径厚比d/t大的管材弯曲。
由上述分析可知，无论对于滚弯、压弯、推弯、绕弯等冷弯工艺还是感应弯曲、激光弯曲等热弯工艺，在本质上其变形机制都是拉压变形机制，即管材在弯曲时，弯曲变形区外侧材料受到切向拉伸而伸长，内侧材料受到切向压缩而缩短。如果相对弯曲半径太小，则管材弯曲变形程度就很大，管材外侧管壁容易产生过度减薄，甚至开裂，内侧管壁容易明显增厚，甚至失稳起皱，截面形状畸变也会很严重，无法保证加工质量。
由于现有的弯曲技术不能制造相对弯曲半径Rb≤1.0的管件，更不能制造相对弯曲半径Rb≤0.5极小半径，目前小型航空发动机及无人机的管路系统中的铝合金、钛合金或高温合金的极小弯曲半径管，多采用半管冲压再焊接工艺制造，由于焊缝的存在直接影响其整体的可靠性。
发明内容
本发明为了解决现有的弯曲工艺无法加工极小相对弯曲半径管件的问题，进而提供了一种可实现相对弯曲半径Rb≤0.5的管材充液剪切弯曲成形方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本实施方式所述的可实现相对弯曲半径Rb≤0.5的管材充液剪切弯曲成形方法是剪切变形产生材料流动实现弯曲，采用液体介质实现内压支撑，采用冲头进给补料和活动模具的运动来实现轴向力和切向力，通过对液体压力、轴向力和切向力的实时控制来调整管材弯曲时的应力状态，进而达到控制变形行为；在管材剪切弯曲变形的初始状态到变形终了状态、再到加压整形状态整个过程中，保持固定模块与活动模块形成的型腔始终与管坯变形段的外表面紧密贴合。
本发明所述可实现相对弯曲半径Rb≤0.5的管材充液剪切弯曲成形方法在管材剪切弯曲变形的初始状态到变形终了状态、再到加压整形状态整个过程中，保持固定模块与活动模块形成的型腔始终与管坯变形段的外表面紧密贴合；具体步骤为：
步骤一、充填阶段：将管坯放在由固定模块和活动模块组成的模具型腔中，在管坯的两端上分别安装密封冲头，在其中一个密封冲头上插装有与管坯内腔连通的介质输入管路；经由介质输入管路向管坯内充入液体介质，同时密封冲头向内推进，实现对管坯端部的初始密封；
步骤二、成形阶段：给管坯内的液体介质加压到p1；驱动装置驱动活动模块相对于固定模块沿管坯的切向运动，同时管坯两端部的密封冲头沿轴向向内进给，管坯内的液体压力由p1连续提高到p2或保持p1恒定(即p1等于p2)，管坯发生变形；
步骤三、整形阶段：提高液体介质的压力到p3，将成形后的管坯在由固定模块和活动模块组成的模具型腔内整形，最后制备出相对弯曲半径Rb≤0.5的极小半径管件。
本发明具有以下有益效果：利用本方法成形的管件具有成形弯曲半径小、工件表面质量好、成形精度高、整体性能优良的特点。本发明的变形机制为剪切变形机制，这完全不同于传统弯曲工艺的拉压变形机制，本发明方法解决了传统弯曲工艺无法加工极小相对弯曲半径管的技术难题，可制造出相对弯曲半径Rb≤0.5的极小半径管件。本发明方法既能实现压力p1～p2下的柔性支撑弯曲，又可实现压力p3下的模具内整形。通过对液体压力、轴向力(位移)和切向力(位移)的实时控制来调整管材弯曲时的应力状态，进而达到控制变形行为的目的，减小管材弯曲时的起皱及截面畸变倾向；在剪切弯曲成形后可以通过提高液体介质的压力，在由固定模块和活动模块组成的模具型腔内加压整形，消除部分已经出现的起皱和截面畸变。本发明的弯曲成形方法可以加工钢、铝、铜、钛等金属及合金材料，也可加工部分非金属材料，特别适合于弯曲半径非常小的管材的制造。
附图说明
图1是管材充液剪切弯曲初始状态示意图；图2是管材充液剪切弯曲终了状态示意图；图3为加压整形状态示意图，图4是图2的A部放大图，图5是液体介质4的压力随时间变化关系曲线图(0～t1为充填阶段，t1～t2为成形阶段，t2～t3为整形阶段)，图6是液体介质4的压力随时间变化关系曲线图(p2＝p1；0～t1为充填阶段，t1～t2为成形阶段，t2～t3为整形阶段)。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的管材充液剪切弯曲成形方法是剪切变形产生材料流动实现弯曲，采用液体介质实现内压支撑，采用冲头进给补料和活动模具的运动来实现轴向力和切向力，通过对液体压力、轴向力和切向力的实时控制来调整管材弯曲时的应力状态，进而达到控制变形行为。
具体实施方式二：如图1至6所示，本实施方式所述的管材充液剪切弯曲成形方法，是按照以下步骤实现的：
步骤一、充填阶段：将管坯6放在由固定模块1和活动模块3组成的模具型腔中，在管坯6的两端上分别安装密封冲头2，在其中一个密封冲头2上插装有与管坯6内腔连通的介质输入管路5；经由介质输入管路5向管坯6内充入液体介质4，同时密封冲头2向内推进，实现对管坯6端部的初始密封；
步骤二、成形阶段：给管坯6内的液体介质4加压到p1；驱动装置7驱动活动模块3相对于固定模块1沿管坯6的切向运动，同时管坯6两端部的密封冲头2沿轴向向内进给，管坯6内的液体压力由p1连续提高到p2或保持p1恒定(即p1等于p2)，管坯6发生变形；
步骤三、整形阶段：提高液体介质4的压力到p3，将成形后的管坯6在由固定模块1和活动模块3组成的模具型腔内整形，最后制备出相对弯曲半径Rb≤0.5的极小半径管件。
在充液剪切弯曲成形的过程中，控制密封冲头2的轴向位移或轴向推力、活动模块3的切向位移或切向力与管坯6内液体介质4的压力之间的匹配关系，来调整管坯6弯曲时的应力状态，进而达到控制变形行为的目的，减小管坯6弯曲时的起皱及截面畸变倾向；在剪切弯曲成形后可以通过提高液体介质4的压力，在固定模块1和活动模块3内加压整形，消除管坯6部分已经出现的起皱和截面畸变。本发明的方法可按模具的设计，制备出不同形状的弯曲管件，可以加工钢、铝、铜、钛等金属及合金材料，也可加工部分非金属材料。
具体实施方式三：如图1至6所示，本实施方式在步骤二中p1介于0～1000MPa之间。其它步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：如图1至6所示，本实施方式在步骤二中p2介于p1～1000MPa之间。其它步骤与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：如图1至6所示，本实施方式在步骤三中p3介于p2～1000MPa之间。其它步骤与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式六：如图1至6所示，本实施方式步骤二中使用的液体介质为乳化液，也可选择水、油、粘性介质作为填充物的液体介质。其它步骤与具体实施方式二、三、四或五相同。
实施例：
参见图1～5，以铝合金管(铝合金的型号为5A02)为例，铝合金管的径厚比(管材直径与管材壁厚的比)为15∶1。固定模块1的圆角半径R小于5mm。铝合金管与固定模块1的摩擦系数为0.01～0.5。按具体实施方式一所述方法进行操作，并使p1的压力为30MPa，p2压力为30～100MPa，p3压力为100～1000MPa，使密封冲头2的移动速度V1与驱动装置7的位移速度V2的比值为0.5～3。最后得到相对弯曲半径Rb小于0.5的极小半径管件。

Claims (5)

1.一种可实现相对弯曲半径Rb≤0.5的管材充液剪切弯曲成形方法，其特征在于：所述方法是剪切变形产生材料流动实现弯曲，采用液体介质实现内压支撑，采用冲头进给补料和活动模具的运动来实现轴向力和切向力，通过对液体压力、轴向力和切向力的实时控制来调整管材弯曲时的应力状态，进而达到控制变形行为；在管材剪切弯曲变形的初始状态到变形终了状态、再到加压整形状态整个过程中，保持固定模块(1)与活动模块(3)形成的型腔始终与管坯变形段的外表面紧密贴合。
2.一种可实现相对弯曲半径Rb≤0.5的管材充液剪切弯曲成形方法，其特征在于：在管材剪切弯曲变形的初始状态到变形终了状态、再到加压整形状态整个过程中，保持固定模块(1)与活动模块(3)形成的型腔始终与管坯变形段的外表面紧密贴合；所述方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、充填阶段：将管坯(6)放在由固定模块(1)和活动模块(3)组成的模具型腔中，在管坯(6)的两端上分别安装密封冲头(2)，在其中一个密封冲头(2)上插装有与管坯(6)内腔连通的介质输入管路(5)；经由介质输入管路(5)向管坯(6)内充入液体介质(4)，同时密封冲头(2)向内推进，实现对管坯(6)端部的初始密封；
步骤二、成形阶段：给管坯(6)内的液体介质(4)加压到p1；驱动装置(7)驱动活动模块(3)相对于固定模块(1)沿管坯(6)的切向运动，同时管坯(6)两端部的密封冲头(2)沿轴向向内进给，管坯(6)内的液体压力由p1连续提高到p2或保持p1恒定，管坯(6)发生变形；
步骤三、整形阶段：提高液体介质(4)的压力到p3，将成形后的管坯(6)在由固定模块(1)和活动模块(3)组成的模具型腔内整形，最后制备出相对弯曲半径Rb≤0.5的极小半径管件。
3.根据权利要求2所述的可实现相对弯曲半径Rb≤0.5的管材充液剪切弯曲成形方法，其特征在于步骤二中p1介于0～1000MPa之间。
4.根据权利要求3所述的可实现相对弯曲半径Rb≤0.5的管材充液剪切弯曲成形方法，其特征在于步骤二中p2介于p1～1000MPa之间。
5.根据权利要求2、3或4所述的可实现相对弯曲半径Rb≤0.5的管材充液剪切弯曲成形方法，其特征在于步骤三中p3介于p2～1000MPa之间。
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