CN104550289B - 多凸模一次挤压成型空间弯曲管材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多凸模一次挤压成型空间弯曲管材的方法，所述多凸模挤压装置由四个凸模、坯料、凹模和芯棒部分组成，挤压模型简单。通过改变各凸模的速度来控制坯料在三维空间内的流动状态，实现了空间转向与弯曲，成形三维空间内复杂弯曲管件。本发明的优点是：制备的管材弯曲件壁厚均匀且不起皱、横截面无畸变，可以在三维空间内转向与弯曲，成形复杂弯曲管件。其效果是，可以在三维空间内产生弯曲，并且空间弯曲管件的表面质量良好，金属管件内部内应力很小，成形后的弯曲管件基本不变形，质量良好。
Description
技术领域
本发明公开一种多凸模一次挤压成型空间弯曲管材的方法，涉及中、薄壁管材弯曲件及其制备工艺，特别是空间弯曲管件及其模具挤压成型方法。
背景技术
随着成型装备及制造技术的发展，复杂形状的管材弯曲件在工业领域特别是科技含量高的工业领域出现的越来越频繁，如飞机、船舶、汽车的输油，气体管道，化工等，还有部分支架。因为使用弯曲管件代替原来的线材或者塑料管材，可以降低重量，提高耐用性能。随着管材弯曲件的普遍应用，人们对管材的弯曲质量和成形工艺的要求也越来越高，传统工艺方法如推弯，滚弯等生产的弯曲管件大多存在一些缺陷，如外侧壁的减薄与破裂，内侧壁的增厚，起皱以及横截面畸变等缺陷，并且管件的弯曲角度及方向有限，不能够一次制备复杂的空间弯曲管件。
发明内容
本发明的目的是针对传统工艺存在问题，提供一种多凸模一次挤压成型空间弯曲管材的方法。该方法解决了上述现有技术中的缺陷，在三维空间内能够向不同方向弯曲，弯曲角度范围为0°～360°，且弯曲角度可以通过改变多凸模的速度加载模式进行控制。
本发明的技术方案：
一种多凸模一次挤压成型空间弯曲管材的方法，包括由四个凸模、凹模和芯棒构成的模具，通过多凸模差速挤压将金属坯料挤压成型，其特征在于：将坯料放置于凹模内，然后将四个凸模同轴放入凹模中，芯棒上端通过横梁固定在凹模上，芯棒中部与各个凸模和坯料按照零间隙配合相接触，芯棒下部位于凹模的出口端；通过四组液压缸将压力作用在四个凸模上，使凸模获得各自不同的设定速度，对应凸模速度快的一端坯料从凹模出料端流出的材料体积大于慢的一端，在凹模出口处使管件向速度最慢的凸模方向弯曲。
所述弯曲管件各方向弯曲角度为0°≤α≤360°
所述挤压坯料为圆筒形纯铝或变形铝合金，内径为20mm,外径为50mm,初始高度为80-160mm。
所述挤压工艺中挤压坯料的预热温度小于400℃。
所述多凸模差速挤压速度包括恒值差速或变值差速，凸模间速度差值≤10mm/s。
所述凸模的中心线与芯棒中心线、凹模中心线重合，为1/4圆环状，高度为20mm，它们连接处为零间隙配合；所述凹模上部为圆筒型柱体，其中心设有通孔，凹模通孔的内径与凸模的外径滑动配合，凹模下部出料端的锥度为45°～60°，高度为15mm～30mm；芯棒为上端带有横梁的圆柱体，芯棒和凹模的轴向中心线为同一直线，各凸模均套装于芯棒，与芯棒滑动配合，芯棒通过上端的横梁与凹模固定。
所述的坯料为同心管坯。
本发明通过四组液压缸将压力作用在四个凸模上，使凸模获得各自的设定速度，由于各个凸模之间存在一定的速度差值，坯料各端的材料流动度也不同，对应凸模速度快的一端坯料从凹模出料端流出的材料体积要大于慢的一端，在凹模出口处管件向速度最慢的凸模方向弯曲，根据所需要的弯曲方向，确定凸模的速度变化。
本发明的优点是：
(1)本实施例制备的管材可以在三维空间内产生弯曲，弯曲角度为0°≤α≤360°。
(2)本实施例制备的弯曲管件的曲率自始至终，过渡非常平缓，弯曲件壁厚均匀，没有出现弯曲内层折皱，外层破裂等缺陷，并且空间弯曲管件的表面质量良好。
(3)本实施例制备的弯曲管件，由于坯料与模具之间的摩擦力以及凸模间的速度差值使引发坯料强烈的剪切塑性变形，金属管件内部内应力很小，成形后的弯曲管件基本不变形，质量良好。
附图说明
图1为多凸模一次挤压成型空间弯曲管材的装置结构示意图；
图中标号：1-芯棒；2-凸模；3-坯料；4-凹模。
图2为多凸模一次挤压成型空间弯曲管材的装置A-A剖面示意图；
图中标号：1-芯棒；5-凸模；6-凸模；7-凸模；8-凸模。
图3为凸模示意图；
图4为芯棒示意图；
图5为三维空间复杂弯曲管件示意图；
其中图5-a为恒值差速单一弯曲方向的管件示意图；图5-b为变值差速三维空间复杂弯曲管件示意图。
图6为空间弯曲模具示意图；
图中标号：3-坯料；5-凸模；6-凸模；7-凸模；8-凸模。
具体实施方式
本发明的工作原理是，凸模在各自液压缸作用下直线运动获得不同的线速度，各凸模沿凹模轴向方向运动，挤压坯料。因为各凸模的运动速度不同，因此坯料各相应部分的材料流动速度也不同，凸模接触的坯料间出现材料流动速度差值。在一定壁厚条件下，材料流出时横截面上各质点的速度差值导致了管坯在流出时的弯曲，四凸模之中速度最小的凸模为管材的弯曲方向，当凸模的最小速度在凸模之间发生转移，管件的弯曲方向随即改变，弯曲的曲率半径与凸模间的速度差值、壁厚、管材直径、预热温度、持续时间相关。通过控制各凸模之间的速度差、坯料预热温度、持续时间，可一次成型所要求壁厚、直径下的三维空间复杂弯曲管材。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1:
参见附图1-附图6，(1)本实施例中，坯料3为同心铝合金1100管坯，坯料中间有中心孔，便于芯棒穿过。凹模出料端的锥度为59°，高度为20mm，挤压坯料温度为300℃。弯管的内径是20mm，壁厚是3mm，弯曲方向为单向。
(2)本实施例的工作程序为：将坯料3放置于凹模4内，然后分别将四个凸模5、凸模6、凸模7、凸模8放入凹模4中，芯棒1上端通过横梁固定在凹模4上，芯棒1中部与各个凸模和坯料3按照零间隙配合相接触，芯棒1下端穿过各个凸模和坯料3及凹模4的出口端。通过四组液压缸将压力作用在四个凸模上，设定各凸模速度。
(3)各凸模根据设定速度向下挤压坯料。速度加载方式采用恒速加载，凸模5速度为7mm/s，凸模6速度为8mm/s，凸模7速度为10mm/s，凸模8速度为9mm/s。管材的弯曲方向指向凸模5，所得管件为三维空间同一平面内单一弯曲方向的管件，曲率半径为120mm，参见附图5-a。
实施例2:
参见附图1-附图6，(1)本实施例中，坯料为3为同心铝合金1100管坯，坯料中间有中心孔，便于芯棒穿过。凹模出料端的锥度为59°，高度为20mm，挤压坯料温度为25℃。弯管的内径是20mm，壁厚是3mm，弯曲方向为多向。
(2)本实施例的工作程序为：将坯料3放置于凹模4内，然后分别将四个凸模5、凸模6、凸模7、凸模8放入凹模4中，芯棒1上端通过横梁固定在凹模4上，芯棒1中部与各个凸模和坯料3按照零间隙配合相接触，芯棒1下端穿过各个凸模和坯料3及凹模4的出口端。通过四组液压缸将压力作用在四个凸模上，设定各凸模速度。
(3)各凸模根据表1设定速度向下挤压坯料。速度加载方式采用变速加载，变速加载方式如表1所示。
第一阶段：此阶段内挤压管件的弯曲方向朝向凸模5。第一阶段管坯未流出凹模，凸模7作用区域的材料流速最大，凸模5作用区域材料流速最小，该阶段管材整体未流出凹模下端，在凹模内壁作用下管件未出现弯曲。壁厚3mm。
第二阶段：方向速度场表明挤压管件的总体弯曲方向朝向凸模7。由于方向速度场的改变，导致速度值的分布区域发生改变，速度值区域自凸模7区域向凸模8区域过渡，方向速度场和速度值速度场的改变，引起弯曲管件的方向改变，使得自凹模流出的材料逐渐转向凸模7方向，曲率半径100mm，持续时间1.3s。
第三阶段：方向速度场表明弯曲方向朝向凸模8。速度值分布区域的改变，使速度值向慢区域凸模8区域过渡，自凹模流出的材料逐渐流向凸模8的方向，曲率半径为105mm，持续时间2s。
第四阶段：方向速度场表明挤压弯管的总体弯曲方向没有发生改变，仍朝向凸模8。不同的是凸模之间的速度差增大，速度差的增大使的管件弯曲半径的减小，所以此阶段内成形的管件曲率较大。流速值速度场，同第二阶段相同，凸模8区域仍为材料流速慢的区域，速度值的分布为凸模5、6区域的速度值大于凸模7、8区域，管材向凸模8方向弯曲，曲率半径100mm，持续时间1.2s。第五阶段：方向速度场表明挤压弯管的总体弯曲方向又改为朝向凸模8。由于各个凸模的速度不同于第一阶段，所以他们速度值速度场也不相同。凸模8、6区域的速度值大于凸模7、5区域，所以自第四阶段到第五阶段，管件的弯曲方向有一个转变，开始向凸模8方向弯曲，待速度场稳定后，挤压管件的方向不在发生改变，曲率半径92mm，持续时间3.7s。
最终所得管件为三维空间内复杂形状的弯曲管件，见附图5-b。
表1 四凸模变速加载模式速度表
| 挤压分段序号 | 挤压时间/s | V凸模5mm/s | V凸模6mm/s | V凸模7mm/s | V凸模8mm/s |
| 1 | 0～1.2 | 4 | 5 | 10 | 8 |
| 2 | 1.2～2.5 | 4 | 5 | 2 | 8 |
| 3 | 2.5～4.5 | 8 | 10 | 5 | 4 |
| 4 | 4.5～5.7 | 16 | 10 | 5 | 4 |
| 5 | 5.7～9.4 | 4 | 8 | 5 | 10 |
Claims (6)
1.一种多凸模一次挤压成型空间弯曲管材的方法，包括由四个凸模、凹模和芯棒构成的模具，通过多凸模差速挤压将金属坯料挤压成型，其特征在于：将坯料放置于凹模内，然后将四个凸模同轴放入凹模中，芯棒上端通过横梁固定在凹模上，芯棒中部与各个凸模和坯料按照零间隙配合相接触，芯棒下部位于凹模的出口端；通过四组液压缸将压力作用在四个凸模上，使凸模获得各自不同的设定速度，对应凸模速度快的一端坯料从凹模出料端流出的材料体积大于慢的一端，在凹模出口处使管件向速度最慢的凸模方向弯曲，所述多凸模差速挤压速度包括恒值差速或变值差速；速度加载方式采用恒速加载时，第一凸模(5)速度为7mm/s，第二凸模(6)速度为8mm/s，第三凸模(7)速度为10mm/s，第四凸模(8)速度为9mm/s；速度加载方式采用变速加载时，模式如下
挤压时间0-1.2s时，第一凸模(5)速度为4mm/s，第二凸模(6)速度为5mm/s，第三凸模(7)速度为10mm/s，第四凸模(8)速度为8mm/s；
挤压时间1.2-2.5s时，第一凸模(5)速度为4mm/s，第二凸模(6)速度为5mm/s，第三凸模(7)速度为2mm/s，第四凸模(8)速度为8mm/s；
挤压时间2.5-4.5s时，第一凸模(5)速度为8mm/s，第二凸模(6)速度为10mm/s，第三凸模(7)速度为5mm/s，第四凸模(8)速度为4mm/s；
挤压时间4.5-5.7s时，第一凸模(5)速度为16mm/s，第二凸模(6)速度为10mm/s，第三凸模(7)速度为5mm/s，第四凸模(8)速度为4mm/s；
挤压时间5.7-9.4s时，第一凸模(5)速度为4mm/s，第二凸模(6)速度为8mm/s，第三凸模(7)速度为5mm/s，第四凸模(8)速度为10mm/s；
以上所述的各凸模向下挤压坯料，速度加载方式采用变速加载，
第一阶段：此阶段内挤压管件的弯曲方向朝向第一凸模(5)；第二阶段：挤压管件的总体弯曲方向朝向第三凸模(7)；第三阶段：弯曲方向朝向第四凸模(8)；第四阶段：挤压弯管的总体弯曲方向没有发生改变，仍朝向第四凸模(8)；第五阶段：挤压弯管的总体弯曲方向又改为朝向第四凸模(8)；
其中所述坯料挤压温度为≥300℃，并且＜400℃；凹模下部出料端的锥度为45°～60°。
2.根据权利要求1所述多凸模一次挤压成型空间弯曲管材的方法，其特征在于：所述坯料为纯铝或变形铝合金。
3.根据权利要求1所述多凸模一次挤压成型空间弯曲管材的方法，其特征在于：所述管件弯曲角度为0°≤α≤360°。
4.根据权利要求1所述多凸模一次挤压成型空间弯曲管材的方法，其特征在于：所述多凸模差速挤压恒值差速或变值差速的凸模间速度差值≤10mm/s。
5.根据权利要求1所述多凸模一次挤压成型空间弯曲管材的方法，其特征在于：所述凸模的中心线与芯棒中心线、凹模中心线重合，为1/4圆环状，高度为20mm，它们连接处为零间隙配合；所述凹模上部为圆筒型柱体，其中心设有通孔，凹模通孔的内径与凸模的外径滑动配合，凹模下部出料端的锥度为45°～60°，高度为15mm～30mm；芯棒为上端带有横梁的圆柱体，芯棒和凹模的轴向中心线为同一直线，各凸模均套装于芯棒，与芯棒滑动配合，芯棒通过上端的横梁与凹模固定。
6.根据权利要求1、2、3任一所述多凸模一次挤压成型空间弯曲管材的方法，其特征在于：所述坯料为同心管坯。
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