CN103272910A - 一种可实现内外加压的管材液压成形装置 - Google Patents

Abstract

一种可实现内外加压的管材液压成形装置，它涉及管材零件成形装置。该装置解决了传统内高压成形模具可实现管材轴向进给但无法实现管材外压密封，使用整体密闭容器可以实现外压密封但无法实现轴向进给的难题。本发明包括模具上模、模具下模、上模板、下模板、左侧冲头、右侧冲头，本发明装置的上模上环绕模具型腔开设有环状凹槽，下模上开设有环状凸起，且凹槽与凸起之间为间隙配合，凹槽与凸起之间环形弹性密封环连同左侧冲头和右侧冲头与下模凸台之间的密封圈共同保证管材外压的密封。采用凹槽-凸台间隙配合的分模方式，保证管材外压不发生泄漏，使管材在内压、外压与轴向补料共同作用的发生塑性变形，提高了低塑性管材的成形性。

Description

一种可实现内外加压的管材液压成形装置

技术领域

本发明涉及一种可实现内外加压的管材液压成形装置，具体地说是在上下模具以及左右冲头与模具之间设置专用密封结构，实现管材外部液体密封，从而实现管材在内压、外压与轴向补料的共同作用下成形的管材液压成形装置，属于管材液压成形领域。

背景技术

结构轻量化是汽车、飞机等运输工具节约燃料、减少废气排放的主要手段之一，因此以轻质合金为坯料的塑性成形零件在航空航天、汽车等行业获得了广泛的应用。然而与传统低强度钢相比，铝、镁合金等轻质材料在室温下的成形性较低，如5A02铝合金管在室温下的膨胀率仅为10.6％。

内高压成形方法通过轴向进给与内压的匹配，增加了管材的轴向推力，可以有效提高管材的成形性。但在内高压成形工艺中，由于管材在贴模之前所需内压较低，且管材外部处于悬空状态，管材壁厚方向受到的压应力数值与管材环向与轴向所受的应力相比很小。可近似认为管材在变形过程中处于平面应力状态，在变形后期阶段，管材变形区仍处于环向和轴向双向拉应力状态，壁厚减薄大仍易发生开裂。

众所周知，材料的塑性不仅与材料本身性质有关，而且与变形时的应力状态有关。如果增大变形区的静水压力，可以有效抑制材料内部微孔的形核、长大和扩展，从而提高材料的成形极限。如能在管材的内侧与外侧均施加液压，则可以有效提高管材的静水压力。内侧施加液压可通过管材端头的密封实现，但实现外压密封非常困难。

采用平面分模方式的常规内高压成形模具可以实现内压与轴向进给同时加载，但由于分模面存在放置左右冲头的区域，无法通过在分模面上放置密封圈来实现管材外部液体的密封，因此无法实现管材内外加压。

在管材内部放置芯轴，通过芯轴内部管道向管材内部施加管坯内压，芯轴上安装有密封结构实现内压密封，然后将管材与芯轴及附属管路均放置于密闭容器里，然后向密闭容器内施加液压可以提供管材外压，这个方法可以实现管坯内压与外压的密封，但该装置中无法增加轴向冲头，不能实现管坯轴向进给，因此无法进行管材液压成形。

发明内容

针对常规内高压成形模具无法实现管材内外压与轴向进给同时加载的难题，本发明提出了一种可实现内外加压的管材液压成形装置。该装置可以实现管材在内压、外压与轴向补料共同作用下的成形，使管材的应力状态由平面应力状态转变为静水压力成分较大的三维应力状态。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种可实现内外加压的管材液压成形装置，所述成形装置包括模具上模、模具下模、上模板、下模板、左侧冲头和右侧冲头；模具上模和模具下模合模后形成完整的模具型腔，且位于上模板和下模板之间；上模板与模具上模连接，下模板与模具下模连接；模具型腔的两端分别设有左侧冲头、右侧冲头；左侧冲头上沿其轴向开有第一液体通道，内压增压器通过第一液体通道与管材内腔连通，在模具下模上开有第二液体通道，外压增压器通过第二液体通道与管材外部的型腔连通；模具上模的分模面上环绕模具型腔开设有环状凹槽，模具下模的分模面上环绕模具型腔对应地开设有环状凸起，环状凹槽与环状凸起插装在一起且二者侧面之间为间隙配合，环状凹槽的深度值大于环状凸起的高度值，在环状凹槽的槽底面与环状凸起的延伸端端面之间设有密封环，环状凹槽与环状凸起以及二者之间的密封环形成模具的密封导向结构；当模具闭合后密封环可保证管材外侧型腔内的液体不会通过分模面发生泄漏；同时在模具下模与左冲头、右冲头之间各设置第一密封圈，第一密封圈位于所述密封导向结构上(第一密封圈位于模具下模上)，保证冲头周围不发生泄漏；在密封环和第一密封圈的共同作用下，管材外侧模腔内的液体处于一个密闭的环境中，在成形的过程中管材外部液体不会发生泄漏。

本发明进一步限定的技术方案为：所述密封环为聚氨酯密封环，聚氨酯密封环的极限压缩量为40％～50％。

本发明进一步限定的技术方案为：所述环状凹槽呈矩形状，所述环状凸起呈矩形状。

本发明进一步限定的技术方案为：在于可在模具下模与左冲头、右冲头之间各设置多个第一密封圈，每个第一密封圈位于模具下模上，如此可以达到更好的密封效果，从而使外压可以达到的值更大。

本发明进一步限定的技术方案为：所述成形装置还包括第二密封圈，在模具上模和模具下模两端部形成的管材腔与左冲头、右冲头之间各设置一个或多个第二密封圈，第二密封圈设置在冲头上。

本发明进一步限定的技术方案为：所述左冲头、右冲头上的第二密封圈的个数依据管材成形过程中冲头的前进距离而定，当冲头上的第一个密封圈进入凸台后，即可实现左冲头、右冲头周围外压的密封，随着左冲头、右冲头的不断前进，应该保证左冲头、右冲头上的第一个密封圈在脱离环状凸台之前冲头上的第二个密封圈进入环状凸台内，如此循环，直至管材变形结束。

本发明进一步限定的技术方案为：所述成形装置还包括第三密封圈，在左冲头、右冲头与管材的两端之间各设置一个或多个第三密封圈，在管材的变形过程中，管材内部液压的密封通过设计在左冲头和右冲头上的第三密封圈来实现，如此设计，在无轴向补料情况下进行管材内外压成形时，可避免由于管材轴向收缩导致的刚性密封失效。

本发明提出的可实现内外加压的管材液压成形装置具有以下有益效果：

本发明改变了常规内高压的平面分模方式，在下模上加工出矩形状的凸台，如图1所示，在上模上加工出与下模凸台互相匹配的矩形状凹槽，如图2所示。成形装置的原理图如图3所示，在上模的凹槽内放置与之匹配的弹性密封环。当上下模合模后凹槽内的弹性密封环受到压缩，因此实现密封效果。当左右冲头前进超过密封圈后，施加于管材外部的液体就处于一个密闭的环境中。这样就可以使管材在内压、外压与轴向补料的共同作用下发生塑性变形。

采用凹槽和凸台互相配合的分模方式，不仅可以对管材外部分模面上的液压进行密封，而且可以起到上下模之间的导向作用，省略了传统模具导柱-导套的导向装置。在模具上模的分模面上环绕模具型腔开设有环状凹槽，在模具下模的分模面上环绕模具型腔对应地开设有环状凸起，环状凹槽与环状凸起插装在一起且二者侧面之间为间隙配合，使得模具自身具有导向功能。

本发明的具体优点为：

1以上、下模之间的凹槽-凸台配合分模方式来代替传统的平面分模方式，实现管材外部液体压力的密封，同时还可以实现轴向进给，从而实现管材在内压、外压与轴向补料共同作用下的成形，即实现内外同时加压的管材液压成形。

2上、下模之间的凹槽-凸台配合可以起到导向作用，省去了导柱和导套的设置。左、右冲头在工作过程中镶嵌在下模中，与上模的开合不存在干涉。

3通过调节凹槽-凸台配合中的弹性密封圈和左右冲头与下模之间的密封圈，可以实现较高的外压，从而使管材在静水压力较大的三维应力状态下发生变形，提高了低塑性管材的塑性。如对外径为63mm、壁厚为1mm的5A02铝合金管材进行无轴向补料的双向加压成形，无外压时管材的极限膨胀率仅为10.6％，当外压为100MPa时，管材的极限膨胀率提高到13.9％，约提高30％。

附图说明

图1是本发明装置中下模的三维示意图。

图2是本发明装置中上模的三维示意图。

图3是本发明的管材内外加压成形的原理示意图，是管材在内压、外压、左冲头与右冲头共同作用下成形的结束状态。

图4是将管材放置在下模模腔内，上下模合模后，左右冲头前进至靠近管材端部的初始状态。

图5是为了表达清楚，将本发明装置中上模、下模、冲头和管材离散开的示意图。

图6是本发明管材内部充满液体介质的状态。

图7是本发明左右冲头前进后完成管端密封的状态。

图8是本发明由增压器通过液体通道给管材外部施加外压的状态。

图9是本发明管材在内压、外压、左冲头与右冲头共同作用下发生变形的中间状态。

图10是本发明卸载管材内外压、退后左右冲头的最终状态。

图11是在左右冲头与下模凸台密封处设置多个密封圈的示意图。

图12是左右冲头与下模凸台之间的密封采用冲头上设置并列密封圈方式的示意图。

图13是左右冲头与管材之间的密封采用O型密封圈密封方式的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式中的一种可实现内外加压的管材液压成形装置包括模具上模1、模具下模2、上模板3、下模板4、左侧冲头5、右侧冲头6，模具上模1和模具下模2合模后形成完整的模具型腔，位于上模板3和下模板4之间，上模板3与模具上模1连接，下模板4与模具下模2连接。模具型腔的两端分别设有左侧冲头5、右侧冲头6；左侧冲头5上沿其轴向开有第一液体通道10，内压增压器8通过第一液体通道10与管材7内腔连通，可由增压器8通过液体通道10向管材内部充入液体介质12从而施加内压，在下模2上开有第二液体通道11，外压增压器9通过第二液体通道11与管材7外部的型腔连通，可由增压器9通过液体通道11向管材外侧充入液体介质13从而施加外压；模具上模1的分模面上环绕模具型腔开设有环状凹槽1-1，模具下模2的分模面上环绕模具型腔对应地开设有环状凸起2-1，环状凹槽1-1与环状凸起2-1插装在一起且二者侧面之间为间隙配合，环状凹槽1-1的深度值大于环状凸起2-1的高度值，在环状凹槽1-1的槽底面与环状凸起2-1的延伸端端面之间设有弹性密封环15，根据密封环15的极限压缩量及其厚度值设置环状凹槽1-1的槽底面与环状凸起2-1的延伸端端面之间间隙大小，即环状凸起2-1的高度值与环状凹槽1-1的深度值之差。环状凹槽1-1与环状凸起2-1以及二者之间的密封环15形成模具的密封导向结构。

当模具闭合后密封环15可保证管材外侧型腔内的液体不会通过分模面发生泄漏。同时所述成形装置包括第一密封圈14，在模具下模2与左冲头5、右冲头6之间各设置一个第一密封圈14(左冲头5、右冲头6与下模2的凸台2-1之间设置第一密封圈14)，第一密封圈14位于所述密封导向结构上(第一密封圈14位于模具下模2上)，保证冲头周围不发生泄漏。这样，在密封环15和第一密封圈14的共同作用下，管材7外侧模腔内的液体处于一个密闭的环境中，在成形的过程中管材外部液体不会发生泄漏。采用凹槽1-1和凸台2-1互相配合的分模方式，不仅可以对管材外部的分模面上的液压进行密封，而且可以起到上下模之间的导向作用，省略了传统模具导柱-导套的导向装置。

利用本发明的成形装置成形管材时外压的密封是这样实现的：首先将第一密封圈14分别安装在下模2凸台2-1内与左冲头5、右冲头6相互配合的密封槽内，将管材7放置在下模2的模腔内，将密封环15放置在下模2上的凸台2-1上，上模1下行，直至与下模2完全闭合，此时密封环15被压缩至充满凹槽1-1与凸台2-1内的空间，这样上下模分模面达到密封，左侧冲头5与右侧冲头6均前进超过凸台2-1内的第一密封圈14，这样左右冲头的周围也达到了密封，左侧冲头5与右侧冲头6继续前进至距离管材端头约20mm的地方，开始通过左侧冲头5的第一液体通道10由内压增压器8向管材内部填充液体介质12，这样有利于排出管材7内部存在的气体而使液体充满整个管材，当充填满后，左侧冲头5与右侧冲头6均前进至管材端头，完成管材内压的密封，管材内部液体介质12产生的压力与增压器8的高压腔连接，由外压增压器9通过下模2上的第二液体通道11向管材外侧充入液体介质13从而施加外压，然后将左侧冲头5与右侧冲头6前进，使管材7在内压、外压和左右补料共同作用的三维应力状态下发生变形。

具体实施方式二：结合实施方式一和图11说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：所述左冲头5、右冲头6与下模2的凸台2-1之间的第一密封圈14设置为多个(至少两个)，如此可以达到更好的密封效果，从而使外压可以达到更大的值。其他组成与连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合实施方式一和图12说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：所述成形装置还包括第二密封圈16，在模具上模1和模具下模2两端部形成的管材腔与左冲头5、右冲头6之间各设置一个或多个第二密封圈16，第二密封圈16设置在冲头上，且左右冲头上的第二密封圈个数依据管材成形过程中冲头的前进距离而定，应保证每一时刻至少有一个第二密封圈16与凸台2-1形成密封配合。

当冲头上的第一个密封圈进入凸台2-1后，即可实现冲头周围外压的密封，随着左右冲头的不断前进，应该保证冲头上的第一个密封圈在脱离凸台2-1之前冲头上的第二个密封圈进入凸台2-1，如此循环，直到管材变形结束。根据需要外压的大小，可以设计密封圈排列的紧密程度，使左右冲头上的第二密封圈16同时进入凸台2-1上的个数增加，如此设置，可以使得密封效果更好。将密封圈设置在左冲头5和右冲头6上，比设置在凸台2-1的内部更加容易加工。其他组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合实施方式一和图13说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：所述成形装置还包括第三密封圈17，在左冲头5、右冲头6与管材7的两端之间各设置一个或多个第三密封圈17，在管材的变形过程中，管材7内部液压的密封通过设计在左冲头5和右冲头6上的第三密封圈17来实现，左冲头5和右冲头6前进到管材端部后只起到密封的作用，在变形过程中保持不动，管材只在内压与外压的作用下发生变形。如此设计，在无轴向补料情况下进行管材内外压成形时，可避免由于管材轴向收缩导致的刚性密封失效。其他组成和连接方式与具体实施方式一相同。

Claims (6)

1.一种可实现内外加压的管材液压成形装置，所述成形装置包括模具上模(1)、模具下模(2)、上模板(3)、下模板(4)、左侧冲头(5)和右侧冲头(6)；模具上模(1)和模具下模(2)合模后形成完整的模具型腔，且位于上模板(3)和下模板(4)之间；上模板(3)与模具上模(1)连接，下模板(4)与模具下模(2)连接；模具型腔的两端分别设有左侧冲头(5)、右侧冲头(6)；其特征在于：左侧冲头(5)上沿其轴向开有第一液体通道(10)，内压增压器(8)通过第一液体通道(10)与管材(7)内腔连通，在模具下模(2)上开有第二液体通道(11)，外压增压器(9)通过第二液体通道(11)与管材(7)外部的型腔连通；模具上模(1)的分模面上环绕模具型腔开设有环状凹槽(1-1)，模具下模(2)的分模面上环绕模具型腔对应地开设有环状凸起(2-1)，环状凹槽(1-1)与环状凸起(2-1)插装在一起且二者侧面之间为间隙配合，环状凹槽(1-1)的深度值大于环状凸起(2-1)的高度值，在环状凹槽(1-1)的槽底面与环状凸起(2-1)的延伸端端面之间设有密封环(15)，环状凹槽(1-1)与环状凸起(2-1)以及二者之间的密封环(15)形成模具的密封导向结构；当模具闭合后密封环(15)可保证管材外侧型腔内的液体不会通过分模面发生泄漏；同时在模具下模(2)与左冲头(5)、右冲头(6)之间各设置第一密封圈(14)，第一密封圈(14)位于所述密封导向结构上，保证冲头周围不发生泄漏；在密封环(15)和第一密封圈(14)的共同作用下，管材(7)外侧模腔内的液体处于一个密闭的环境中，在成形的过程中管材外部液体不会发生泄漏。

2.根据权利要求1所述的一种可实现内外加压的管材液压成形装置，其特征在于：所述密封环(15)为聚氨酯密封环，聚氨酯密封环的极限压缩量为40％～50％。

3.根据权利要求1所述的一种可实现内外加压的管材液压成形装置，其特征在于：所述环状凹槽(1-1)呈矩形状，所述环状凸起(2-1)呈矩形状。

4.根据权利要求1所述的一种可实现内外加压的管材液压成形装置，其特征在于：所述成形装置还包括第二密封圈(16)，在模具上模(1)和模具下模(2)两端部形成的管材腔与左冲头(5)、右冲头(6)之间各设置一个或多个第二密封圈(16)，第二密封圈(16)设置在冲头上。

5.根据权利要求4所述的一种可实现内外加压的管材液压成形装置，其特征在于：所述左冲头(5)、右冲头(6)上的第二密封圈(16)的个数依据管材(7)成形过程中冲头的前进距离而定，当冲头上的第一个密封圈进入凸台(2-1)后，即可实现左冲头(5)、右冲头(6)周围外压的密封，随着左冲头(5)、右冲头(6)的不断前进，应该保证左冲头(5)、右冲头(6)上的第一个密封圈在脱离环状凸台(2-1)之前冲头上的第二个密封圈进入环状凸台(2-1)内。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种可实现内外加压的管材液压成形装置，其特征在于：所述成形装置还包括第三密封圈(17)，在左冲头(5)、右冲头(6)与管材(7)的两端之间各设置一个或多个第三密封圈(17)，在管材的变形过程中，管材(7)内部液压的密封通过设计在左冲头(5)和右冲头(6)上的第三密封圈(17)来实现。

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