CN102179439B

CN102179439B - 一种厚壁管材内高压成形装置

Info

Publication number: CN102179439B
Application number: CN201110002654.4A
Authority: CN
Inventors: 张琦; 吴春冬; 赵升吨; 陈余秋
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2031-01-07
Also published as: CN102179439A

Abstract

本发明公开了一种厚壁管材内高压成形装置，包括主体模具以及分设于主体模具两端的左进给装置和右进给装置；主体模具由上主体模具和下主体模具组成，合模后为两端敞口的筒状结构，其内部构成型腔，主体模具的左端是与型腔相通的左导向孔，右端是与型腔相通的右导向孔；左动模具的右端安装在左导向孔内，所述左冲头的外圆柱侧壁与左动模具间隙配合，右动模具的左端安装在右导向孔内，右冲头的外圆侧壁与右动模具间隙配合。本发明通过给定动模具与主体模具一定的初始间隙，从而减小主体模具受到动模具所作用的高接触压力区域，降低导向区受到的摩擦阻力，有利管件轴向进给，提高成形厚壁管内高压工件的质量。同时，采用的管端自密封结构，可以解决高压密封问题。

Description

一种厚壁管材内高压成形装置

技术领域

本发明属于管材加工设备技术领域，涉及一种管材成形装置，尤其是一种厚壁阶梯管材内高压成形装置。

背景技术

内高压成形(Hydroforming)又被称作液压成形，是一种以液体为传压介质，在轴端进给的同时利用可控内高压(工作压力最高可达400～600MPa)使金属坯料变形成为具有复杂三维形状零件的现代塑性加工技术。管材内高压成形是使金属管材内部承受高压流体，迫使管材向外侧鼓胀变形，以得到所需形状的加工过程。因而内高压可以方便成形三维曲线异型截面复杂构件，相比其他传统成形工艺，其成形的零件具有强度高，抗疲劳和抗扭转能力强等特点，如今内高压技术已广泛用于汽车和飞机等机器零件的制造。

由于管材坯料是在内部可控液压和可控轴向进给补料的共同作用下成形的，采用传统内高压工艺，管材在内压的作用下胀大与模具内表面接触，形成高应力区，在轴向进给时管材与模具内表面有相对运动，将不可避免地产生较大的摩擦力阻力。进给过程中出现的较大高应力区和摩擦力，一方面降低了模具的使用寿命；另一方面使得轴向进给困难，使管材容易减薄而破裂。

传统的内高压成形密封采用冲头端部凸台的方式，该凸台直径大于管材内径约零点几毫米，在成形开始时左右冲头插入管材内部，凸台使管材内部金属发生变形。该密封方式不但会影响管材两端内径的表面质量，同时由于剧烈的塑性变形式密封使冲头磨损严重。目前主要应用于薄壁管的成形，针对一些管材结构件，如：凸轮轴，曲轴和曲拐等工件，由于其壁厚大，要采用厚壁管（管材外径/内径>1.2）来成形，而厚壁管成形中内压会更大，将会引起管坯进给区的摩擦力大、管坯两端密封困难、成形件质量和精度差等问题。尤其对于一些管径比较小的厚壁管件，仍采用传统内高压装置成形的话，成形过程中管件较大的轴向反作用力将使两端细长的冲头在压力作用下容易产生屈曲变形。这些都是内高压成形厚壁管亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种厚壁管材内高压成形装置，该装置采用动模具结构，能够有效解决目前成形厚壁变径管材壁厚分布不均匀、成形内压高、管材两端密封困难和成形精度不高等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种厚壁管材内高压成形装置，包括主体模具以及分设于主体模具两端的左进给装置和右进给装置；所述主体模具由上主体模具和下主体模具组成，合模后为两端敞口的筒状结构，其内部构成型腔，所述主体模具的左端是与型腔相通的左导向孔，右端是与型腔相通的右导向孔；所述左进给装置设有左冲头、左附加液压缸缸体、左附加液压缸活塞杆、左动模具、左密封圈和左垫圈；左冲头的内部设有进液孔，左冲头的右端开有左圆台体和左台肩；所述右进给装置设有有右冲头、右附加液压缸缸体、右附加液压缸活塞杆、右动模具、右密封圈和右垫圈；所述右冲头的左端开有右圆台体和右台肩；

所述左动模具的右端安装在左导向孔内，所述左动模具的内圆孔壁与左冲头外圆柱侧壁间隙配合，右动模具的左端安装在右导向孔内，右动模具的内圆孔壁与右冲头外圆柱侧壁间隙配合。

上述左动模具的左端开有左凸台，左动模具的左端外圆柱侧壁与左附加液压缸活塞杆螺纹连接，使左凸台的左端面与左附加液压缸活塞杆右端配合孔左端面贴合，右动模具的右端开有右凸台，右动模具的右端外圆柱侧壁与右附加液压缸活塞杆螺纹连接，使右凸台右端面与右附加液压缸活塞杆左端配合孔右端面贴合，所述左附加液压缸缸体左端圆孔内壁与左冲头外圆柱侧壁间隙配合，左附加液压缸活塞杆左端圆孔内壁与左冲头外圆柱侧壁间隙配合，右附加液压缸缸体右端圆孔内壁与右冲头外圆柱侧壁间隙配合，右附加液压缸活塞杆右端圆孔内壁与右冲头外圆柱侧壁间隙配合。

上述左动模具、右动模具、左冲头、右冲头、左密封圈、右密封圈、左垫圈、右垫圈、左附加液压缸缸体、左附加液压缸活塞杆、右附加液压缸缸体、右附加液压缸活塞杆的轴线与主体模具的轴线相重合。

上述主体模具由上主体模具和下主体模具组成。

上述左冲头的左圆台体和右冲头的右圆台体的锥角均大于20度且小于30度。

上述右台肩距右动模具左端面的距离取决于所需成形管件右端部至相邻台肩尺寸长度，成形结束后，右台肩距右动模具左端面的相对距离等于管件右端部至相邻台肩尺寸长度，左台肩距左动模具右端面的距离取决于所需成形管件左端部至相邻台肩尺寸长度，成形结束后，左台肩距左动模具右端面的相对距离等于管件左端部至相邻台肩尺寸长度。

本发明还提出另一种厚壁管材内高压成形装置，其包括主体模具以及分设于主体模具两端的一体式左进给装置和一体式右进给装置；所述一体式左进给装置由左动模具与左冲头做成一体结构；所述一体式右进给装置由右动模具与右冲头做成一体式结构。

上述左冲头与左动模具的外表面形状与主体模具的左导向孔的内表面形状相同；所述右冲头与右动模具的外表面形状与主体模具右导向孔的内表面形状相同。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1）本发明左动模具右端面和右动模具左端面作为整体模具轮廓的一部分，可以有利地提高台阶件的成形精度；

2）本发明通过给定动模具导向孔之间的初始间隙，保证在成形高压下动模具的最大径向变形量（基本认为是弹性变形量）不超过各自给定的间隙，从而极大地减小了主体模具的高应力区；

3）本发明的附加液压缸可以通过动模具提供主动摩擦力，以及在最后整形阶段推动管材金属充填工件小圆角部位，完成小角度曲面的精密成形，因此可有利减少冲头所受轴向力，特别对于管径较小的厚壁管件成形，可避免轴向冲头受载后发生屈曲；

4）本发明能够有效降低模具制造费用，并且内孔相同的管材，其成形用冲头可以通用，减少模具成本；

综上所述，本发明通过给定动模具与主体模具一定的初始间隙，从而减小主体模具受到动模具所作用的高接触压力区域，降低导向区受到的摩擦阻力，有利管件轴向进给，提高成形厚壁管内高压工件的质量。同时，采用的管端自密封结构，可以解决高压密封问题。

附图说明

图1是本发明的实施例一结构示意图；

图2是本发明的实施例二结构示意图；

图3是本发明图1中局部Ⅰ区密封效果示意图，其中（a）是成形前密封件形状，（b）是成形后密封件形状；

图4是本发明管件整形阶段动模具成形小圆角部位示意图，其中（a）是动模具作用前示意图，（b）是动模具作用后示意图；

图5是本发明实施例二中冲头和动模具的一种表面截面形状为非圆形结构示意图；

图6是图1中左进给装置3的局部放大图。

具体实施方式

本发明的厚壁管材内高压成形装置包括主体模具2以及分设于主体模具2两端的左进给装置3和右进给装置4，其中主体模具2由上主体模具和下主体模具组成，合模后为两端敞口的筒状结构，两端的敞口形成导向孔，其内部构成型腔2-5，主体模具2的左端是与型腔2-5相通的左导向孔2-6，右端是与型腔2-5相通的右导向孔2-7。本发明中左进给装置3和右进给装置4分别主要包括有冲头和动模具，左进给装置3和右进给装置4的动模具分别套在冲头上后分别安装在主体模具2两端的左、右导向孔上，其中在左进给装置3或右进给装置4的冲头上设置有通向型腔2-5的进液孔，左、右导向孔与动模具间给定了一定的初始间隙。而处于主体模具2两端的冲头和动模具可分别通过液压缸来驱动。在本发明中，型腔2-5需要根据被加工管材的形状来定，而冲头伸入型腔2-5内的部分还需要设置密封机构来配合整个装置型腔2-5内的加压工作。

基于以上该装置的基本结构，本发明提出两种实现本发明的较佳实施例，下面结合附图对该两种实施例做进一步详细描述：

实施例一：

参见图1和图6，主体模具2由上主体模具2-1和下主体模具2-2组成，且上主体模具2-1和下主体模具2-2共同组合成型腔2-5，主体模具的左端设有与型腔2-5相通的左导向孔2-6，右端设有与型腔2-5相通的右导向孔2-7，主体模具2按传统方式安装在立式压力机上，左进给装置3设有左冲头3-6、左附加液压缸缸体3-10、左附加液压缸活塞杆3-9、左动模具3-4、左密封圈3-1、左垫圈3-2，右进给装置4设有有右冲头4-5、右附加液压缸缸体4-9、右附加液压缸活塞杆4-8、右动模具4-3、右密封圈4-1、右垫圈4-2，左动模具3-4、右动模具4-3、左冲头3-6、右冲头4-5、左密封圈3-1、右密封圈4-1、左垫圈3-2、右垫圈4-2、左附加液压缸缸体3-10、左附加液压缸活塞杆3-9、右附加液压缸缸体4-9、右附加液压缸活塞杆4-8的轴线与主体模具2的轴线相重合，左冲头3-6的内部设有进液孔3-3，左冲头3-6的右端开有左圆台体3-7和左台肩3-5，右冲头4-5的左端开有右圆台体4-6和右台肩4-4，左冲头3-6安装在主体模具2左侧的水平压力机上，左动模具3-4的内圆孔壁与左冲头3-6外圆柱侧壁间隙配合，左动模具3-4的右端安装在左导向孔2-6内，右冲头4-5安装在主体模具2右侧的水平压力机上，右动模具4-3的内圆孔壁与右冲头4-5外圆柱侧壁间隙配合，右动模具4-3的左端安装在右导向孔2-7内，左动模具3-4的左端开有左凸台3-8，左动模具3-4的左端外圆柱侧壁与左附加液压缸活塞杆3-9螺纹连接，使左凸台3-8的左端面与左附加液压缸活塞杆3-9右端配合孔左端面贴合，右动模具4-3的右端开有右凸台4-7，右动模具4-3的右端外圆柱侧壁与右附加液压缸活塞杆4-8螺纹连接，使右凸台4-7右端面与右附加液压缸活塞杆4-8左端配合孔右端面贴合，左附加液压缸缸体3-10左端圆孔内壁与左冲头3-6外圆柱侧壁间隙配合，左附加液压缸活塞杆3-9左端圆孔内壁与左冲头3-6外圆柱侧壁间隙配合，右附加液压缸缸体4-9右端圆孔内壁与右冲头4-5外圆柱侧壁间隙配合，右附加液压缸活塞杆4-8右端圆孔内壁与右冲头4-5外圆柱侧壁间隙配合，左冲头3-6的左圆台体3-7和右冲头4-5的右圆台体4-6的锥角均大于20度小于30度，右台肩4-4距右动模具4-3左端面的距离取决于所需成形管件右端部至相邻台肩尺寸长度，成形结束后，右台肩4-4距右动模具4-3左端面的相对距离等于管件右端部至相邻台肩尺寸长度，左台肩3-5距左动模具3-4右端面的距离取决于所需成形管件左端部至相邻台肩尺寸长度，成形结束后，左台肩3-5距左动模具3-4右端面的相对距离等于管件左端部至相邻台肩尺寸长度，所成形管件可为管坯外直径与内直径之比大于1.2的厚壁管，亦可成形薄壁管材。

本实施例的工作过程如下：

装置及管坯固定好以后，两侧冲头向内侧运动时，控制冲头的轴向推力、位移和管材内部液压力，密封圈在液压力的作用下膨胀，直到其外表面与管材内表面紧密接触，同时内压作用于垫圈表面使密封可靠，实现一级密封（密封效果参照图3），管端在冲头圆台体的作用下发生端部小塑性变形并与冲头圆台体的外围表面贴合实现二级密封，从而密封更加可靠，在动模具的作用下使管材发生变形并最终贴合到模具型腔的内壁上得到成形零件，加工结束后，内压下降，密封圈恢复原状，接着，左右冲头和左右动模具退回，由于工件卡在主体模具型腔中，因此在型腔的作用下管件两端与其分离，打开主体模具上下模具取件即可。本实施方式在水平液压缸实现管材进给的同时，附加液压缸推动动模具，一方面动模具作为整体模具的一部分用于成形管件，另一方面在动模具轴向运动过程中可以产生主动推力，使其平衡掉管材与动模具因相对运动而产生的摩擦阻力，或者加大附加液压缸活塞杆推力，提供主动摩擦力使管材进给容易，从而提高了生产效率，降低了设备吨位，采用左动模具的右端面和右动模具的左端面作为管件成形的模具轮廓面，分别借助于左附加液压缸活塞杆和右附加液压缸活塞杆的作用提供主动摩擦力以利于管材轴向进给，以及在最后整形阶段推动已部分成形的金属管件，完成其小角度曲面的精密成形（参照图4），由于动模具与主体模具成形前给定的间隙量可以抵消动模具受内压作用产生的径向变形量（基本认为是弹性变形量），从而成形时可以避免传统内高压管材与模具的较大摩擦力和降低模具两端的高压区对模具的消极影响，提高了模具的使用寿命。该成形中内压和轴向进给可近似为线性规律。另外，左冲头与左动模具的外表面形状可为圆形，方形等，该形状与主体模具左导向孔的内表面形状相同，右冲头与右动模具的外表面形状可为圆形，正六边形等非圆形形状，该形状与主体模具右导向孔的内表面形状相同。

实施例二：

参见图2，本实施例也是基于上述本发明的基本结构，其与实施例一的主要不同点在于：左进给装置（如图2中的5）的左动模具（如图2中的5-3）和左冲头（如图2中的5-5）是做成一体的，右进给装置（如图2中的6）的右动模具（如图2的6-3）和右冲头（如图2的6-6）是做成一体的，左动模具（如图2中的5-3）和左冲头（如图2中的5-5）安装在主体模具2左侧的水平压力机上，从而省去了左附加液压缸，右动模具（如图2中的6-3）和右冲头（如图2中的6-6）安装在主体模具2右侧的水平压力机上，从而省去了右附加液压缸。装置及管坯固定好以后，两侧冲头向内侧运动时，控制冲头的轴向推力、位移和管材内部液压力，密封圈在液压力的作用下膨胀，直到其外表面与管材内表面紧密接触，同时内压作用于垫圈表面使密封可靠，实现一级密封（密封效果参照图3），管端在冲头圆台体的作用下发生端部小塑性变形并与冲头圆台体的外围表面贴合实现二级密封，从而密封更加可靠，在动模具的作用下使管材发生变形并最终贴合到模具型腔的内壁上得到成形零件，加工结束后，内压下降，密封圈恢复原状，接着，左右冲头和左右动模具退回，由于工件卡在主体模具型腔中，因此在型腔的作用下管件两端与其分离，打开主体模具上下模具取件即可。本实施方式左冲头（如图2中的5-5）与左动模具（如图2中的5-3）的外表面形状可为圆形，方形等，该形状与主体模具左导向孔2-6的内表面形状相同，右冲头（如图2中的6-6）与右动模具（如图2中的6-3）的外表面形状可为圆形，正六边形（参照图5）等非圆形形状，该形状与主体模具右导向孔2-7的内表面形状相同，左动模具的右端面和右动模具的左端面作为管件成形的模具轮廓面，这可以有利地提高台阶件的成形精度。由于动模具与主体模具成形前给定的间隙量可以抵消动模具受内压作用产生的径向变形量（基本认为是弹性变形量），从而成形时可以避免传统内高压管材与模具的较大摩擦力和降低模具两端的高压区对模具的消极影响，提高了模具的使用寿命。该成形中内压和轴向进给可近似为线性规律。

综上所述，本发明的厚壁管材内高压成形装置还具备以下优势：

（1）由于动模具经过螺纹连接在附加液压缸的活塞杆上，成形中动模具易磨损，因此左动模具和右动模具便于更换。

（2）轴向进给冲头和动模具的运动可以不同步，成形起始阶段管材内部压力较小时，只有冲头进行进给，当管材内压较大时，冲头和运动模具可同时进给。

（3）当内压达到最大值时，管件可能由于圆角较小而无法成形，这时可通过动模具的进一步推进，来实现此较小圆角部位的成形，从而提高成形件精度，并且降低成形最终的整形内压力。

（4）对于一些凸轮件或者需要主体模具带型腔的成形件，成形结束后可借助于主体模具的型腔使取件方便。

（5）对于简化的厚壁管材内高压成形装置，动模具与冲头做成一体，可以省去左右附加液压缸装置。

（6）对于复杂形状工件成形，简化后的左右冲头和左右动模具的外表面形状可根据成形工件的外表面形状改变，如成形工件截面为正六边形，则冲头截面外轮廓截面形状也为正六边形。

对于动模具外表面和导向孔内表面截面形状为圆形的情况，动模具与导向孔间的初始间隙u_r可通过如下公式近似进行计算：

u_{r} = \frac{{2 p}_{i}^{*} R_{i}^{2} R_{o}}{E_{i} (R_{o}^{2} - R_{i}^{2})}

其中为动模具内表面受到的等效内压；E_i为动模具弹性模量；R_o和R_i分别为动模具外径和内径。

综上，本发明的厚壁管材内高压成形装置，采用了二级密封方式和动模具结构形式，成形过程中既有效地解决了高压液体的密封问题，同时又可以方便地进行管材的轴向进给，实现管件小圆角部位的精密成形，还避免了主体模具端部内表面高压，极大地减小了主体模具的高应力区，从而该装置可以有效地解决了厚壁管材成形所碰到的技术问题。

Claims

1.一种厚壁管材内高压成形装置，包括主体模具（2）以及分设于主体模具（2）两端的左进给装置（3）和右进给装置（4）；其特征在于，所述主体模具（2）由上主体模具（2-1）和下主体模具（2-2）组成，合模后为两端敞口的筒状结构，其内部构成型腔（2-5），所述主体模具（2）的左端是与型腔（2-5）相通的左导向孔（2-6），右端是与型腔（2-5）相通的右导向孔（2-7）；

所述左进给装置（3）设有左冲头（3-6）、左附加液压缸缸体（3-10）、左附加液压缸活塞杆（3-9）、左动模具（3-4）、左密封圈（3-1）和左垫圈（3-2）；左冲头（3-6）的内部设有进液孔（3-3），左冲头（3-6）的右端开有左圆台体（3-7）和左台肩（3-5）；

所述右进给装置（4）设有右冲头（4-5）、右附加液压缸缸体（4-9）、右附加液压缸活塞杆（4-8）、右动模具（4-3）、右密封圈（4-1）和右垫圈（4-2）；所述右冲头（4-5）的左端开有右圆台体（4-6）和右台肩（4-4）；

所述左动模具（3-4）的右端安装在左导向孔（2-6）内且两者之间存在初始间隙；所述左动模具（3-4）的内圆孔壁与左冲头（3-6）外圆柱侧壁间隙配合；所述右动模具（4-3）的左端安装在右导向孔（2-7）内且两者之间存在初始间隙，右动模具（4-3）的内圆孔壁与右冲头（4-5）外圆柱侧壁间隙配合。

2.根据权利要求1所述的厚壁管材内高压成形装置，其特征在于，所述左动模具（3-4）的左端开有左凸台（3-8），左动模具（3-4）的左端外圆柱侧壁与左附加液压缸活塞杆（3-9）螺纹连接，使左凸台（3-8）的左端面与左附加液压缸活塞杆（3-9）右端配合孔左端面贴合，右动模具（4-3）的右端开有右凸台（4-7），右动模具（4-3）的右端外圆柱侧壁与右附加液压缸活塞杆（4-8）螺纹连接，使右凸台（4-7）右端面与右附加液压缸活塞杆（4-8）左端配合孔右端面贴合，所述左附加液压缸缸体（3-10）左端圆孔内壁与左冲头（3-6）外圆柱侧壁间隙配合，左附加液压缸活塞杆（3-9）左端圆孔内壁与左冲头（3-6）外圆柱侧壁间隙配合，右附加液压缸缸体（4-9）右端圆孔内壁与右冲头（4-5）外圆柱侧壁间隙配合，右附加液压缸活塞杆（4-8）右端圆孔内壁与右冲头（4-8）外圆柱侧壁间隙配合。

3.根据权利要求1所述的厚壁管材内高压成形装置，其特征在于，所述左动模具（3-4）、右动模具（4-3）、左冲头（3-6）、右冲头（4-5）、左密封圈（3-1）、右密封圈（4-1）、左垫圈（3-2）、右垫圈（4-2）、左附加液压缸缸体（3-10）、左附加液压缸活塞杆（3-9）、右附加液压缸缸体（4-9）、右附加液压缸活塞杆（4-8）的轴线与主体模具2的轴线相重合。

4.根据权利要求1所述的厚壁管材内高压成形装置，其特征在于，左密封圈（3-1）和右密封圈（4-1）为环形，环形内孔截面呈内凹弧形状，内压作用下，弧平面平直。

5.根据权利要求1或4所述的厚壁管材内高压成形装置，其特征在于，所述左密封圈（3-1）和右密封圈（4-1）的材料均为聚氨酯橡胶或丁腈橡胶；所述左垫圈（3-2）和右垫圈（4-2）的材料为钢材。

6.根据权利要求1所述的厚壁管材内高压成形装置，其特征在于，所述左冲头（3-6）的左圆台体（3-7）和右冲头（4-5）的右圆台体（4-6）的锥角均大于20度且小于30度。

7.根据权利要求1所述的厚壁管材内高压成形装置，其特征在于，成形结束后，右台肩（4-4）距右动模具（4-3）左端面的相对距离等于管件右端部至相邻台肩尺寸长度，成形结束后，左台肩（3-5）距左动模具（3-4）右端面的相对距离等于管件左端部至相邻台肩尺寸长度。

8.一种厚壁管材内高压成形装置，其特征在于：包括主体模具（2）以及分设于主体模具（2）两端的一体式左进给装置（5）和一体式右进给装置（6）；所述一体式左进给装置（5）由左动模具与左冲头做成一体结构；所述一体式右进给装置（6）由右动模具与右冲头做成一体式结构；

所述左冲头（5-5）与左动模具（5-3）的外表面形状与主体模具（2）的左导向孔（2-6）的内表面形状相同；所述右冲头（6-6）与右动模具（6-3）的外表面形状与主体模具（2）右导向孔（2-7）的内表面形状相同。