CN103962466A - 薄壁管材扩口方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种薄壁管材扩口方法和装置。薄壁管材扩口装置包括：主轴；副轴，副轴与所述主轴连接；具有锥形外表面的旋压头，连接所述副轴；夹持被加工管材的夹具，设置在所述旋压头的下方；活动顶芯，设置在所述旋压头的下方；所述夹具和活动顶芯的轴线与所述主轴的轴线位于一条直线上；所述活动顶芯包括：支撑杆、设置在所述支撑杆端部并支撑所述被加工管材的内壁的顶芯头部、以及将所述顶芯头部抵紧在所述旋压头上的弹性装置。所述薄壁管材扩口方法包括：使用旋压头，旋转进入并压下到被加工管材的扩口端，利用弹性装置对旋压头的轴向弹力，在旋压头旋转进入并压下到被加工管材的扩口端的动态过程中，使顶芯的顶面始终顶紧旋压头。

Description

薄壁管材扩口方法和装置

技术领域

本发明涉及金属管材管端成形技术领域，具体涉及薄壁管材扩口方法和装置，尤其是高温合金薄壁管材扩口方法和装置。

背景技术

目前，在复合材料机械连接领域中，需要用到一种开口约为2倍管材直径的高温合金管材，其管材壁厚为0.20-0.25mm,管材直径从φ4mm至φ12mm，其用量较大。这种机械连接方法的关键之处是管端需要进行扩口，目前最常用的三种扩口形式：即扩口角度100°、130°和翻边等三种，这三种扩口管材适用于不同头型的紧固件。因此该种扩口管材要求扩口质量高，比如翻边角度准确（±1°），连接表面光洁；另外，还需要加工生产效率高。

进行管端扩口翻边的方法有多种，比如冲压成型（冷镦：)、热冲压和旋压等。

传统冲压成型（冷镦）的扩口机须先将管口涨大，然后向口端加压。不仅需很大的压力，而且费工费时，设备功率大能耗高，且笨重。扩出的管口，表面粗糙，口径不圓，锥角不正，翻边的光洁度较差，而且由于扩口比大，减薄量，容易开裂，无法实现大扩口比、小厚径比管材的扩口。

热冲压方法结构形式过于复杂，需要冷却模具设计和冷却装置，其上下料需要自动化，人工操作恐有危险，投入成本高。由于壁薄，其感应加热的效率低，能量消耗高。

旋压方法因为消耗能量较低、设备紧凑、加工质量高而成为首选。但是常规的旋压工艺在加工大扩口比（≥2）同时厚径比为（≤0.03）时，如图1和图2，扩口处内凹r超过0.05（mm），会造成底部失稳的缺陷，影响扩口质量。

发明内容

本发明提供一种薄壁管材扩口方法和装置，以解决现有的扩口方法加工薄壁管材（例如，壁厚为0.20-0.25mm，管材直径10mm）时出现的底部失稳的问题。

为此，本发明提出一种薄壁管材扩口装置，所述薄壁管材扩口装置包括：

主轴；

副轴，设置在所述主轴的下方，副轴与所述主轴连接并与所述主轴形成大于0度，小于90度的夹角；

具有锥形外表面的旋压头，连接所述副轴，并且所述旋压头随所述副轴的转动而自转，随所述主轴的转动而公转；

夹持被加工管材的夹具，设置在所述旋压头的下方；

活动顶芯，设置在所述旋压头的下方；

所述夹具和活动顶芯的轴线与所述主轴的轴线位于一条直线上；

所述活动顶芯包括：支撑杆、设置在所述支撑杆端部并支撑所述被加工管材的内壁的顶芯头部、以及将所述顶芯头部抵紧在所述旋压头上的弹性装置，

所述顶芯头部的外径小于所述被加工管材的内径但大于所述支撑杆端部的直径，所述弹性装置设置在所述支撑杆上。

进一步地，所述弹性装置包括：

套设在所述支撑杆上的支撑套、以及套在所述支撑杆上的弹簧，所述支撑套位于所述顶芯头部的下方，所述弹簧抵紧在所述顶芯头部与所述支撑套之间。

进一步地，所述支撑套能轴向移动的套设在所述支撑杆上，所述薄壁管材扩口装置还包括：设置在所述支撑套下方并套设在所述支撑杆上的调整装置，所述调整装置通过螺纹调整方式调整所述顶芯头部与所述支撑套之间的距离。

进一步地，所述支撑杆上设有外螺纹，所述调整装置包括：邻接在所述支撑套下方并套设在所述支撑杆上的调整块、邻接在所述调整块下方并套设在所述支撑杆上的垫块、以及邻接在所述垫块下方并通过螺纹连接在所述支撑杆上的螺母。

进一步地，所述旋压头包括：与被加工管材的内管壁相接触的侧面以及与所述顶芯头部相接触的端面，所述侧面与端面相交，所述旋压头的侧面与端面均为锥形面或锥台形面，所述旋压头设置的角度使得所述端面与所述顶芯头部的顶面相贴合。

进一步地，所述端面和顶芯头部的顶面均平行水平面，并且所述薄壁管材扩口装置不设置在顶芯的顶面与被加工管材之间设置的润滑油润滑通道，或不设置在顶芯的顶面与被加工管材之间设置的容纳润滑油的腔体。

本发明提出一种薄壁管材扩口方法，其特征在于，所述薄壁管材扩口方法包括：

步骤A：使用具有锥形外表面的旋压头，旋转进入并压下到被加工管材的扩口端，所述旋压头的轴线与所述被加工管材的形成大于0度，小于90度的夹角a，并使所述旋压头随副轴的转动而自转，随主轴的转动而公转；

步骤B：利用弹性装置对旋压头的轴向弹力，在旋压头旋转进入并压下到被加工管材的扩口端的动态过程中，使支撑在被加工管材的扩口端的顶芯的顶面始终顶紧旋压头。

进一步地，使旋压头的端面和顶芯头部的顶面均平行水平面。

进一步地，先使用第一旋压头进行步骤A和步骤B之后，完成第一次扩口，将被加工管材扩口为第一角度；然后更换第二旋压头再进行步骤A和步骤B，完成第二次扩口，所述第二次扩口的角度大于第一次扩口的角度，其中，

所述第一旋压头包括：与被加工管材的内管壁相接触的第一侧面以及与所述顶芯头部相接触的第一端面，所述第一侧面与第一端面相交，所述第一旋压头的第一侧面与第一端面均为锥形面或锥台形面，所述第一旋压头设置的角度使得所述第一端面与所述顶芯头部的顶面相贴合；

所述第二旋压头的外表面包括：与被加工管材的内管壁相接触的第二侧面以及与所述顶芯头部相接触的第二端面，所述第二侧面与所述第二端面重合并且均平行水平面，所述第二侧面与所述第二端面连接形成为锥形面。

进一步地，使用前面所述的薄壁管材扩口装置，并且在旋压头旋转进入并压下到被加工管材的扩口端的动态过程中，不设置在顶芯的顶面与被加工管材之间设置的润滑油润滑通道，或不设置在顶芯的顶面与被加工管材之间设置的容纳润滑油的腔体。

本发明的薄壁管材扩口方法和装置由于利用弹性装置对旋压头的轴向弹力，使得旋压头旋转进入并压下到被加工管材的扩口端的动态过程中，顶芯的顶面始终顶紧旋压头，因而，顶芯与被加工管材的内管壁贴合的更紧密，填补了现有技术顶芯的顶面与旋压头之间的空隙，增加了顶芯对被加工管材的内管壁的接触面积或支撑面积，从而增加被加工管材在变形处的变形抗力，减少发生失稳的机会。

另外，采用弹性装置对旋压头的轴向弹力的形式，工艺适应性好，能够使用加工过程中电机、不同口径的管材、以及其他条件的变化，加工质量稳定。

进而，通过旋压头的端面与所述顶芯头部的顶面相贴合，使得旋压头与顶芯之间能够达到无缝衔接，减少了二者之间的空隙，使得失稳大大降低，而且最大程度的减少了相互干涉，保证管材的内壁不被划伤。

进而，由于顶芯机构与管材之间是间隙配合，其间隙小，在顶芯和管材上沿上形成一个型腔，可以容纳润滑油，其润滑较之以往没有润滑油时，形成的管材内壁粗糙度更好。同时，较之其他带润滑系统的成形工艺而言，其结构更加简单。

附图说明

图1为现有技术扩口时的第一种失稳的情况；

图2为现有技术扩口时的第二种失稳的情况；

图3为本发明第一实施例的薄壁管材扩口装置或薄壁管材扩口方法的工作原理图，其中，薄壁管材处于加工前的状态；

图4为本发明第一实施例的薄壁管材扩口装置或薄壁管材扩口方法的工作原理图，其中，薄壁管材处于加工过程中的状态；

图5为本发明第二实施例的薄壁管材扩口装置或薄壁管材扩口方法的工作原理图，其中，薄壁管材处于加工完成时的状态。

附图标号说明：

1主轴2副轴3第一旋压头4被加工管材5夹具6顶芯头部7弹簧8支撑套9调整块10垫块11螺母12支撑杆31侧面32端面30第二旋压头301侧面302端面60顶芯头部的顶面

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。

如图3和图4所示，本发明提出一种薄壁管材扩口装置，所述薄壁管材扩口装置包括：

主轴1，主轴1与电机连接；主轴需要提供两个方向的运动。运动一是主轴本身的旋转。运动二是按照设进的行程，由上向下运动。完成加工后，回复到初始位置。

副轴2，设置在所述主轴1的下方，副轴2与所述主轴1例如通过锥齿轮连接并与所述主轴形成大于0度，小于90度的夹角，副轴和主轴的夹夹一般为5-10°，副轴2另外由电机或其他驱动机构驱动；

具有锥形外表面的第一旋压头3，连接所述副轴2，并且所述第一旋压头3随所述副轴2的转动而自转，随所述主轴1的转动而公转，以实现沿圆周方向对薄壁管材扩口；

上述主轴1、副轴2和第一旋压头3可以采用通用的旋压机设计，能实现主轴1和副2之间的旋转即可，主轴1连接有液压缸，以使得主轴1、副轴2和第一旋压头3向下推进。

夹持被加工管材的夹具5，设置在所述第一旋压头3的下方；

活动顶芯，设置在所述第一旋压头3的下方，本发明中的活动顶芯与现有技术的区别在于现有技术的顶芯在薄壁管材扩口过程中位置是固定不变的，而本发明中的活动顶芯是随第一旋压头3向下推进而同步下行的，并且的活动顶芯是抵紧在第一旋压头3上的；

如图3和图4所示，所述夹具5和活动顶芯的轴线与所述主轴1的轴线位于一条直线上；

所述活动顶芯包括：支撑杆12、设置在所述支撑杆端部并支撑所述被加工管材4的内壁的顶芯头部6、以及将所述顶芯头部6抵紧在所述旋压头上的弹性装置，

所述顶芯头部6的外径小于所述被加工管材的内径但大于所述支撑杆端部的直径，所述弹性装置设置在所述支撑杆上。

本发明利用弹性装置对旋压头的轴向弹力，使得旋压头旋转进入并压下到被加工管材的扩口端的动态过程中，顶芯的顶面始终顶紧旋压头，因而，顶芯与被加工管材的内管壁贴合的更紧密，填补了现有技术顶芯的顶面与旋压头之间的空隙，如图3和图4所示，本发明的顶芯的顶面与旋压头之间的空隙很小或为零，消除了产生失稳的空间，增加了顶芯对被加工管材的内管壁的接触面积或支撑面积，从而增加被加工管材在变形处的变形抗力，减少发生失稳的机会。

进一步地，如图3和图4所示，所述弹性装置包括：

套设在所述支撑杆12上的支撑套8、以及套在所述支撑杆12上的弹簧7，所述支撑套8位于所述顶芯头部的下方，起到弹簧座的作用，所述顶芯头部6与所述支撑套8之间具有空腔，所述弹簧7抵紧在所述顶芯头部6与所述支撑套8之间。这种设置能够对顶芯头部6施加轴向的弹力，空间紧凑，结构简单。

进一步地，如图3和图4所示，所述支撑套8能轴向移动的套设在所述支撑杆12上，所述薄壁管材扩口装置还包括：设置在所述支撑套下方并套设在所述支撑杆上的调整装置，所述调整装置通过螺纹调整方式调整所述顶芯头部与所述支撑套之间的距离。也就是，通过螺纹调整方式调整顶芯头部的位置或弹簧的预紧力，能够适应不同口径、不同材质的管材的加工。

进一步地，如图3和图4所示，所述支撑杆12上设有外螺纹，所述调整装置包括：邻接在所述支撑套下方并套设在所述支撑杆12上的调整块9、邻接在所述调整块9下方并套设在所述支撑杆上的垫块10、以及邻接在所述垫块下方并通过螺纹连接在所述支撑杆上的螺母11。通过调整螺母11，可以调整支撑套8的位置，调整精度高，而且这样可以有更长的调整距离，调整更为方便。

进一步地，如图3所示，所述第一旋压头3包括：与被加工管材的内管壁相接触的侧面31以及与所述顶芯头部相接触的端面32，所述侧面31与端面32相交，所述旋压头的侧面与端面均为锥形面或锥台形面，所述旋压头设置的角度使得所述端面32与所述顶芯头部的顶面60相贴合。使得旋压头与顶芯之间能够达到无缝衔接，减少了二者之间的空隙，使得失稳大大降低，而且最大程度的减少了相互干涉，保证管材的内壁不被划伤。

进一步地，如图3所示，所述端面和顶芯头部的顶面均平行水平面，并且所述薄壁管材扩口装置取消在顶芯的顶面与被加工管材之间设置的润滑油润滑通道，或取消在顶芯的顶面与被加工管材之间设置的容纳润滑油的腔体，无需在顶芯或支撑杆中设置润滑通道。由于顶芯机构与管材之间是间隙配合，其间隙小，在顶芯和管材上沿上形成一个型腔，可以容纳润滑油，其润滑较之以往没有润滑油时，形成的管材内壁粗糙度更好。同时，较之其他带润滑系统的成形工艺而言，其结构更加简单。

本发明提出一种薄壁管材扩口方法，所述薄壁管材扩口方法包括：

步骤A：如图3所示，使用具有锥形外表面的第一旋压头3，旋转进入并压下到被加工管材4的扩口端，所述旋压头的轴线与所述被加工管材的形成大于0度，小于90度的夹角a，并使所述旋压头随副轴的转动而自转，随主轴的转动而公转；

步骤B：如图4所示，利用弹性装置对旋压头的轴向弹力，在第一旋压头3旋转进入并压下到被加工管材的扩口端的动态过程中，使支撑在被加工管材的扩口端的顶芯的顶面始终顶紧第一旋压头3。

如图3和图4所示，本发明的顶芯的顶面与第一旋压头3之间的空隙很小或为零，消除了产生失稳的空间，增加了顶芯对被加工管材的内管壁的接触面积或支撑面积，从而增加被加工管材在变形处的变形抗力，减少发生失稳的机会。

进一步地，如图3和图4所示，使第一旋压头3的端面和顶芯头部的顶面均平行水平面。这样使得旋压头与顶芯之间能够达到无缝衔接，减少了二者之间的空隙，使得失稳大大降低，而且最大程度的减少了相互干涉，保证管材的内壁不被划伤。

进一步地，如图3和图4所示，先使用第一旋压头3进行步骤A和步骤B之后，完成第一次扩口，将被加工管材扩口为第一角度；然后更换第二旋压头30，如图5所示，再进行步骤A和步骤B，完成第二次扩口，所述第二次扩口的角度大于第一次扩口的角度，其中，图5所示的薄壁管材扩口装置或薄壁管材扩口方法与图3和图4的区别主要在于：第二旋压头30外表面与第一旋压头3的形状不同；图5所示的薄壁管材扩口装置或薄壁管材扩口方法是为了完成翻边；

如图3和图4所示，所述第一旋压头3包括：与被加工管材的内管壁相接触的第一侧面31以及与所述顶芯头部相接触的第一端面32，所述第一侧面与第一端面相交，所述第一旋压头的第一侧面与第一端面均为锥形面或锥台形面，所述第一旋压头设置的角度使得所述第一端面与所述顶芯头部的顶面相贴合；

如图5所示，所述第二旋压头30的外表面包括：与被加工管材的内管壁相接触的第二侧面301以及与所述顶芯头部相接触的第二端面302，第二旋压头30外表面与第一旋压头3的最主要区别在于：所述第二侧面301与所述第二端面302重合并且均平行水平面，所述第二侧面与所述第二端面连接形成为一体的锥形面，也就是说，第二旋压头30与被加工管材的内管壁相接触的外表面同所述顶芯头部相接触的外表面是相同斜度或相同锥面上的外表面，这样，能够完成最大幅度的扩口，即翻边（扩口成180度）。如果不需要翻边，对于一般的管材的扩口采用如图3和图4所示的薄壁管材扩口装置或薄壁管材扩口方法即可，无需更换旋压头。不管是进行一般的扩口还是翻边，本发明都是顶芯的顶面始终顶紧旋压头，这两个过程中都不会发生失稳的现象。

进一步地，本发明使用图3至图5所示的薄壁管材扩口装置，并且在旋压头旋转进入并压下到被加工管材的扩口端的动态过程中，取消在顶芯的顶面与被加工管材之间设置的润滑油润滑通道，或取消在顶芯的顶面与被加工管材之间设置的容纳润滑油的腔体。这样，更加简化了薄壁管材扩口装置或方法，简化了工艺。

本发明例如适用于被加工管材扩口的扩口比≥2，厚径比为≤0.03，副轴和主轴的夹角为5-10°，下面以φ8直径的平头扩口为例讲解如何实现本方法。使旋压头的端面与水平面的夹角等于主副轴的夹角，以偏心距为10mm和主副轴夹角5°为例，旋压头的长度为114.7mm，在保证长度的设计后，还需要使得旋压头的锥边直径小于φ8,实际设计中以φ7.85mm宽为宜，如此保证旋压头在行进过程中不会和管材发生干涉，划伤内壁。

顶芯头部的内径要小于管材内径，此处可以设计为7.90mm。

在加工时，需要更换不同的旋压头，通常平头扩口的加工角度为50°、80°115°和175°。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种薄壁管材扩口装置，其特征在于，所述薄壁管材扩口装置包括：

主轴；

副轴，设置在所述主轴的下方，副轴与所述主轴连接并与所述主轴形成大于0度，小于90度的夹角；

具有锥形外表面的旋压头，连接所述副轴，并且所述旋压头随所述副轴的转动而自转，随所述主轴的转动而公转；

夹持被加工管材的夹具，设置在所述旋压头的下方；

活动顶芯，设置在所述旋压头的下方；

所述夹具和活动顶芯的轴线与所述主轴的轴线位于一条直线上；

所述活动顶芯包括：支撑杆、设置在所述支撑杆端部并支撑所述被加工管材的内壁的顶芯头部、以及将所述顶芯头部抵紧在所述旋压头上的弹性装置，

所述顶芯头部的外径小于所述被加工管材的内径但大于所述支撑杆端部的直径，所述弹性装置设置在所述支撑杆上。

2.如权利要求1所述的薄壁管材扩口装置，其特征在于，所述弹性装置包括：

套设在所述支撑杆上的支撑套、以及套在所述支撑杆上的弹簧，所述支撑套位于所述顶芯头部的下方，所述弹簧抵紧在所述顶芯头部与所述支撑套之间。

3.如权利要求2所述的薄壁管材扩口装置，其特征在于，所述支撑套能轴向移动的套设在所述支撑杆上，所述薄壁管材扩口装置还包括：设置在所述支撑套下方并套设在所述支撑杆上的调整装置，所述调整装置通过螺纹调整方式调整所述顶芯头部与所述支撑套之间的距离。

4.如权利要求3所述的薄壁管材扩口装置，其特征在于，所述支撑杆上设有外螺纹，所述调整装置包括：邻接在所述支撑套下方并套设在所述支撑杆上的调整块、邻接在所述调整块下方并套设在所述支撑杆上的垫块、以及邻接在所述垫块下方并通过螺纹连接在所述支撑杆上的螺母。

5.如权利要求1所述的薄壁管材扩口装置，其特征在于，所述旋压头包括：与被加工管材的内管壁相接触的侧面以及与所述顶芯头部相接触的端面，所述侧面与端面相交，所述旋压头的侧面与端面均为锥形面或锥台形面，所述旋压头设置的角度使得所述端面与所述顶芯头部的顶面相贴合。

6.一种薄壁管材扩口方法，其特征在于，所述薄壁管材扩口方法包括：

步骤A：使用具有锥形外表面的旋压头，旋转进入并压下到被加工管材的扩口端，所述旋压头的轴线与所述被加工管材的形成大于0度，小于90度的夹角a，并使所述旋压头随副轴的转动而自转，随主轴的转动而公转；

步骤B：利用弹性装置对旋压头的轴向弹力，在旋压头旋转进入并压下到被加工管材的扩口端的动态过程中，使支撑在被加工管材的扩口端的顶芯的顶面始终顶紧旋压头。

7.如权利要求6所述的薄壁管材扩口方法，其特征在于，使旋压头的端面和顶芯头部的顶面均平行水平面。

8.如权利要求6所述的薄壁管材扩口方法，其特征在于，先使用第一旋压头进行步骤A和步骤B之后，完成第一次扩口，将被加工管材扩口为第一角度；然后更换第二旋压头再进行步骤A和步骤B，完成第二次扩口，所述第二次扩口的角度大于第一次扩口的角度，其中，

所述第一旋压头包括：与被加工管材的内管壁相接触的第一侧面以及与所述顶芯头部相接触的第一端面，所述第一侧面与第一端面相交，所述第一旋压头的第一侧面与第一端面均为锥形面或锥台形面，所述第一旋压头设置的角度使得所述第一端面与所述顶芯头部的顶面相贴合；

所述第二旋压头的外表面包括：与被加工管材的内管壁相接触的第二侧面以及与所述顶芯头部相接触的第二端面，所述第二侧面与所述第二端面重合并且均平行水平面，所述第二侧面与所述第二端面连接形成为锥形面。