CN104624771B - 一种提高金属管件的成形极限的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高金属管件的成形极限的装置，包括上平台(1)，紧固圆筒(2)，固定圆盘(3)，橡胶套筒(4)，成形模具(5)，分体线圈(6)，分体线圈液压缸(7)，基座(8)，下平台(9)，充液孔(10)，立柱(12)，推力螺栓(13)，螺旋弹簧(14)，套筒(15)，滑动柱(16)，导向板(17)，紧固圆筒驱动液压缸(18)，本发明同时采用了磁脉冲成形和内高压胀形技术，可以最大限度的提高金属管件的成形极限。本发明在金属管件缩颈时采用磁脉冲成形技术，能够在大程度上提高管件的成形极限。同时，采用内高压胀形技术对金属管进行胀形时，由于成形速率缓慢，管件受力均匀，成形极限也会得到提高。

Description

一种提高金属管件的成形极限的装置

技术领域

本发明属于金属材料加工成形领域，具体涉及一种采用磁脉冲缩颈和内高压成形技术提高金属管件成形极限的装置。

背景技术

管材内高压成形技术是指管材在内部液压力作用下径向扩张产生塑性变形的一种特种成形工艺，是近年来发展起来的一种塑性成形新工艺。其工艺过程是：将一定长度的薄壁金属管材放入模具内，利用高压液体充入管材内腔，同时铺以轴向力(即轴向补料)，使管材变形、贴模，充满模具型腔。

与传统的铸造、焊接、锻造和机加工等工艺相比，该工艺得到的零件质量更轻、强度更强、形状更精确，而且采用内高压成形技术可成形复杂形状的整体零件、减少工序、改善劳动条件，其材料利用率高，生产成本低。具有较好的技术经济效益。特别的，采用内高压成形技术所制造的汽车零件具有质轻、刚度和强度高、耐撞性好等优点，同时能够一次加工横截面形状沿轴线变化的零件且加工工序少。正是由于这些优点，内高压成形技术被广泛的应用到汽车制造业、航天航空制造业等领域。目前，管件内高压成形技术作为实现汽车轻量化的手段，在德国、北美和日本汽车工业中得到了广泛应用。但是针对于有多个不同管径的金属异形管的成形，内高压成形具有很大的局限性。具体来说就是，胀形的时候管坯的初始直径需是多个管径中的较小尺寸，后续通过胀形工艺使其变形至其他尺寸。当需要的管径尺寸和管坯尺寸相差较大时，内高压胀形会使管件发生破裂失效，并且内高压成形不适合进行管件的缩颈。

磁脉冲成形是利用磁场力使金属坯料变形的高速率成形技术。因为磁脉冲成形技术的高能量密度特性，使得工件变形时表现出爆炸成形的超塑性。因此，它可以显著提高金属的成形极限，而且成形部分金属受力均匀，不易发生破裂等成形缺陷，特别适合成形形状比较复杂的工件。高应变率特性能使金属快速贴模，金属的回弹量一般都比较小甚至无回弹。所以使用电磁成形技术对金属管件进行成形，可以提高成形效率，提高成形的尺寸精度。但是，磁脉冲成形在加工对应变率不敏感的材料时，就没有提高材料成形极限的优势了。

中国专利申请(申请号200910248763.7)公开了一种简易的管材液压胀形装置及胀形方法，液压胀形显然是不能完成缩颈的，管坯的尺寸要是所需的最小直径，会使胀形的变形量过大，成形过程中很容易产生破裂失效。所以这种方法不能完成具有多个不同管径的异形管的成形。

中国专利申请(申请号200810085471.1)公开了液压胀形加工装置以及液压胀形加工方法，该专利解决了锥形异形管液压胀形时轴向进料的问题，但是也不能解决具有多个不同管径的异形管的成形。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种基于电磁成形和液压胀形原理的异形金属管件的成形技术，以及一种基于电磁成形和液压胀形原理的成形异形金属管件的装置，为异形金属管件成形装置的设计提供新的思路。首先，通过控制电磁成形的成形电压使金属管件按设计尺寸迅速缩颈，然后再通过液压胀形对电磁缩颈后的金属管件进行二次成形，完成对管件的加工。

本发明的技术方案是提供了一种提高金属管件的成形极限的装置，包括上平台，紧固圆筒，固定圆盘，橡胶套筒，成形模具，分体线圈，分体线圈液压缸，基座，下平台，充液孔，立柱，推力螺栓，螺旋弹簧，套筒，滑动柱，导向板，紧固圆筒驱动液压缸，其特征在于：

上平台和下平台通过立柱相连接，紧固圆筒驱动液压缸缸体固定在上平台上，导向板通过活套套于立柱，紧固圆筒通过4个螺柱与导向板固连在一起；

滑动柱通过底部的螺纹和固定圆盘进行连接；螺旋弹簧套在滑动柱和套筒之间；

固定圆盘和成形模具通过铰接的方式固连在一起，成形模具外周表面开设有导槽，在紧固圆筒驱动液压缸液压力的作用下，紧固圆筒向下运动，推力螺栓始终作用于成形模具的导槽，并使得成形模具合模，完成合模后，通过充液孔向薄壁铝管内部充胀形液体。

本发明还提供了一种金属管件液压胀形方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、在进行薄壁铝管电磁缩颈前，将薄壁铝管定位在基座的圆孔内，然后在左右分体线圈液压缸的作用下，使用左右分体线圈闭合，并将待加工的薄壁铝管固定在分体线圈的凹槽内；

步骤2、对电磁缩颈设备的储能电容进行充电，当充电电压达到设定的成形电压2-15Kv后，断开充电回路；

步骤3、闭合电磁成形放电回路，储能电容对分体线圈进行放电，薄壁铝管在电磁力的作用下迅速发生缩颈变形，完成初步的成形；

步骤4、在完成电磁胀形之后，在分体线圈在分体线圈液压缸的作用下向左右分开回到初始位置；

步骤5、在完成初步成形之后，在紧固圆筒驱动液压缸的作用下使设备的紧固圆筒向下进给，待密封柱塞接触薄壁铝管上端后，在左右推力螺栓的作用下开始合模，完成合模后，通过充液孔向薄壁铝管内部充胀形液体；

步骤6、充满液体后，通过增压器对薄壁铝管内的液体进行增压，在液体的压力下薄壁铝管进行胀形；

步骤7、完成成形紧固圆筒在紧固圆筒驱动液压缸的作用下向上运动，同时在螺旋弹簧的作用下，成形模具会迅速打开，完成对异形金属管件的加工。

本发明的有益效果在于：

1、本发明同时采用了磁脉冲成形和内高压胀形技术，可以最大限度的提高金属管件的成形极限。磁脉冲成形技术是一种高应变率的成形技术，具有爆炸成形的超塑性。在金属管件缩颈时采用磁脉冲成形技术，能够在大程度上提高管件的成形极限。同时，采用内高压胀形技术对金属管进行胀形时，由于成形速率缓慢，管件受力均匀，成形极限也会得到提高。

2、本专利通过液压胀形模具的巧妙设计，分步实现了管件的缩颈和胀形，很大程度上减小了管件的变形量。如果直接采用管件中的最小直径作为管坯的初始直接，然后对其进行胀形，所需的变形量过大，容易产生破裂，难以实现。

3、磁脉冲缩颈可以有效的提高金属管件的成形极限，从而成形出形状更加复杂、精度更高的金属管件，同时磁脉冲成形相较于传统的成形技术具有更高的成形效率。

4、使用内高压胀形技术对金属管件成形，可使管件质量更轻、强度更强、形状更精确，并且还可以成形复杂形状的整体零件、减少工序。

附图说明

图1所示为初始的金属管件剖视图；

图2所示为金属管成形装置的原理图；

图3所示为金属管电磁缩颈时的示意图；

图4所示为金属管内高压胀形时的示意图；

图5所示为磁脉冲缩颈后金属管件的剖视图；

图6所示为基座的俯视图和剖视图

图7所示为金属管件液压胀形后的剖视图；

图8所示为成形模具的剖视图和左视图；

图9所示为紧固圆筒的剖视图和俯视图；

图10所示为下平台的主视图和俯视图；

图11所示为分体线圈的主视图和剖视图；

其中：1-上平台；2-紧固圆筒；3-固定圆盘；4-橡胶套筒；5-成形模具；6-分体线圈；7-分体线圈液压缸；8-基座；9-下平台；10-充液孔；11-薄壁铝管；12-立柱；13-推力螺栓；14-螺旋弹簧；15-套筒；16-滑动柱；17-导向板；18-紧固圆筒驱动液压缸；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案做进一步地说明和描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于该发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例中所用的金属管坯材料为铝合金，长度为200mm，直径为55mm，厚度为1.5mm。

如图2所示，异形金属管件的成形装置包括上平台1，紧固圆筒2，固定圆盘3，橡胶套筒4，成形模具5，分体线圈6，液压缸，7，基座，8，下平台9，充液孔10，薄壁铝管11，立柱12，推力螺栓13，螺旋弹簧14，套筒15，滑动柱16，导向板17，紧固圆筒驱动液压缸18等。

如图2所示，上平台1和下平台9通过四个立柱12相连接，立柱12和上下平台之间通过过盈连接的方式相连；紧固圆筒驱动液压缸18缸体和上平台1也是采用过盈连接的方式相连接，导向板17通过活套套在4个立柱12上，紧固圆筒2通过4个螺柱同液压缸轴上面的法兰以及导向板17固连在一起；滑动柱16通过底部的螺纹和固定圆盘3进行连接；螺旋弹簧14套在滑动柱16和套筒15之间，成形后对紧固圆筒2提供回复力；固定圆盘3和成形模具5通过铰接的方式固连在一起，特别的是在成形模具5上开有导槽，以使推力螺栓13在紧固圆筒2向下运动的过程中合模。其中，成形模具5的剖视图和左视图如图8所示，从图8可以清楚的看出导槽的位置。分体线圈的具体结构如图11所示，但连接分体线圈6的分体线圈液压缸固定支架未画出。在进行薄壁铝管11的液压胀形前，首先将基座8固定在压力机上，然后把基座8定于下平台9的凹槽内，为保证连接强度可在凹槽内涂一层胶黏剂，也便于以后的拆装；在完成基座8的定位与固定之后，将其定位在下平台9的圆孔内，下平台9的具体结构如图10所示。在进行薄壁铝管11电磁缩颈前，要将其定位在基座8的圆孔内，然后通过作用液压缸的作用下，使用左右分体线圈闭合将待加工的薄壁铝管11固定在分体线圈的凹槽内。

特别的螺旋弹簧14的作用是在成形完成后，为模具的打开提供外力，使模具能更快更流畅的打开，并且能在一定程度上消除紧固圆筒2和滑动柱16的配合误差。

特别的，导向板17能很好地保证成形的稳定性以及精度。

特别的，在固定圆盘3上套有橡胶套筒4，使成形模具5在初始位置处于张开状态，在紧固圆筒2向下运动到底的过程中，在推力螺栓13的作用下橡胶套筒4被逐渐压缩；最后在完成薄壁铝管11的胀形之后，紧固圆筒2向上运动，橡胶套筒4的回复力会使成形模具5张开。

异形金属管件液压胀形能否成功，除受胀形所用管材本身性能影响外，还取决于胀形力的大小、润滑条件的好坏和密封形式的选择等，胀形力的大小又与胀形单位压力密切相关，金属材料的胀形单位压力按如下公式计算。

$p=1.15\frac{2t}{D_{max}}\×{\mathrm{\σ}}_b$

式中:p为胀形单位压力(MPa)；t为材料厚度(mm)；σ_b为材料抗拉强度(MPa)；D_max为胀形最大直径(mm)。

胀形力是液压胀形中最关键的技术参数之一，必须要根据实际情况合理的选用。胀形力偏小就不能使待加工的管件很好地贴模，很有可能在管件成形时出现堆积起皱的现象；相反的，胀形力太大，可能使管件产生破裂。特别的，使用公式计算出来的只是估计值，要根据实际情况对公式中的系数进行修正。同时，液压胀形对密封性能的要求比较高，密封方式合理的选择是至关重要的。本专利采用的密封方式是管端平面刚性密封。

特别的，在内高压胀形的初始阶段，要缓慢的增大锥形模的进给速度以控制轴向力，如果在胀形开始时，对管件加载了过大的轴向力，会使管件产生屈曲缺陷，一旦出现这样的缺陷，成形就难以进行。

对于薄壁管件在成形的初期和中间阶段由于施加的轴向力过大也容易产生皱折缺陷，而最容易发生皱折的部位是成形区的入口处。所以，一定要在成形的最终阶段加大成形内压使皱折回复，以此来消除缺陷。

如果胀形时的内压过大，当胀形进行到中间阶段时破裂就可能出现，于此同时，适当的增加胀形的内压，可以增加在小圆角处的贴模量。所以要在计算的到内压的基础之上，根据实际的成形状况进行调整，以达到最佳的成形效果。

润滑条件对异形金属管的液压胀形有很大的影响，如果摩擦力较大，成形过程中会在金属和模具的表面产生划伤。所以，在液压胀形过程中，要确保管件润滑良好。本专利采用MoS₂润滑剂和覆膜相结合的复合式润滑方式，具有非常好的润滑效果，可以最大程度上的减小金属管件和模具之间的摩擦力，同时对胀形过程中的破裂缺陷有很好地抑制作用；同时，减小管件外壁和模具之间的摩擦力，使材料有更好的流动性，使零件沿厚度方向的厚度分布更加的均匀。

该实施例中还提供了一种基于电磁缩颈提高金属管件成形极限的液压胀形方法，其具体包括以下步骤：

步骤1、在进行薄壁铝管11电磁缩颈前，要将其定位在基座8的圆孔内，然后在左右液压缸的作用下，使用左右分体线圈闭合将待加工的薄壁铝管11固定在分体线圈的凹槽内，如图3所示；

步骤2、对电磁缩颈设备的储能电容进行充电，当充电电压达到设定的成形电压2-15Kv后，断开充电回路(图中充电回路并未画出)；

步骤3、闭合电磁成形放电回路，储能电容对分体线圈6进行放电，薄壁铝管11在电磁力的作用下迅速发生缩颈变形，完成初步的成形，如下图5所示；

步骤4、在完成电磁胀形之后，在分体线圈液压缸7的作用下向左右分开回到初始位置；

步骤5、在完成初步成形之后，在液压缸的作用下使设备的紧固圆筒2向下进给，其具体结构如图9所示，待密封柱塞接触薄壁铝管11上端后，在左右推力螺栓13的作用下开始合模，完成合模后，通过充液孔10向管坯内部充胀形液体；

步骤6、充满液体后，通过增压器对薄壁铝管11内的液体进行增压，在液体的压力下薄壁铝管11会缓慢的胀形如图4所示。由于在缓慢胀形的过程中薄壁铝管11的受力均匀，薄壁铝管11的成形极限会得到提高；

步骤7、完成成形紧固圆筒2在紧固圆筒驱动液压缸18的作用下向上运动，同时在螺旋弹簧14的作用下，成形模具会迅速打开，完成对异形金属管件的加工，最终成形完成的异形金属管件如图7所示。

特别的，在固定圆盘3上套有橡胶套筒4，使成形模具5在初始位置处于张开状态，在紧固圆筒2向下运动到底的过程中，在推力螺栓13的作用下橡胶套筒4被逐渐压缩；最后在完成薄壁铝管11的胀形之后，紧固圆筒2向上运动，橡胶套筒4的回复力会使成形模具5张开。

特别的，最后阶段要使用增压器适当增大薄壁铝管11内的压力，以使在成形区入口处产生的皱折变形得到恢复，从而最大程度上减小缺陷的产生。由于在胀形的最后阶段，薄壁铝管11已经比较好的贴膜，所以适当增加内压并不会产生管件的破裂等缺陷。

本实施例中所采用的放电电压为3Kv，最佳放电电压会随待加工的薄壁铝管11的厚度的不同而发生变化，具体值需要通过试验而最终确定。

本实施例中采用的成形模具5成形的薄壁铝管11具有两个凹槽，如果需要不同凹槽个数和深度的成形件，只需采用相应形状模具。

本发明所提供的一种基于电磁缩颈和内高压胀形的成形技术，是一种新的异形金属薄壁管的成形方法。从实施例中可以看出，使用电磁缩颈和内高压胀形组合的方法加工异形金属管件，提高成形效率，并且可使管件质量更轻、强度更强、形状更精确，并且还可以成形复杂形状的整体零件、减少工序。

以上所述的具体实施方式，对本发明进行了进一步的详细说明，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明。本发明不仅用于高强钢，对其他金属材料依然可行。

Claims (5)

1.一种提高金属管件的成形极限的装置，包括上平台(1)，紧固圆筒(2)，固定圆盘(3)，橡胶套筒(4)，成形模具(5)，分体线圈(6)，分体线圈液压缸(7)，基座(8)，下平台(9)，充液孔(10)，立柱(12)，推力螺栓(13)，螺旋弹簧(14)，套筒(15)，滑动柱(16)，导向板(17)，紧固圆筒驱动液压缸(18)，其特征在于：

上平台(1)和下平台(9)通过立柱(12)相连接，紧固圆筒驱动液压缸(18)缸体固定在上平台(1)上，导向板(17)通过活套套于立柱(12)，紧固圆筒(2)通过4个螺柱与导向板(17)固连在一起；

滑动柱(16)通过底部的螺纹和固定圆盘(3)进行连接；螺旋弹簧(14)套在滑动柱(16)和套筒(15)之间；

固定圆盘(3)和成形模具(5)通过铰接的方式固连在一起，成形模具(5)外周表面开设有导槽，在紧固圆筒驱动液压缸(18)液压力的作用下，紧固圆筒(2)向下运动，推力螺栓(13)始终作用于成形模具(5)的导槽，并使得成形模具(5)合模，完成合模后，通过充液孔(10)向薄壁铝管内部充胀形液体。

2.根据权利要求1所述的提高金属管件的成形极限的装置，其特征在于：

在进行薄壁铝管(11)的液压胀形前，首先将基座(8)固定在压力机上，然后把基座(8)固定于下平台(9)的凹槽内，凹槽内涂一层胶黏剂。

3.根据权利要求1所述的提高金属管件的成形极限的装置，其特征在于：

在进行薄壁铝管(11)电磁缩颈前，要将其定位在基座(8)的圆孔内，然后通过分体线圈液压缸(7)的作用下，使用左右分体线圈(6)闭合，将待加工的薄壁铝管(11)固定在分体线圈(6)的凹槽内。

4.根据权利要求1所述的提高金属管件的成形极限的装置，其特征在于：

螺旋弹簧(14)在成形完成后，为模具的打开提供外力。

5.一种利用权利要求1所述装置进行金属管件液压胀形方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、在进行薄壁铝管(11)电磁缩颈前，将薄壁铝管(11)定位在基座(8)的圆孔内，然后在左右分体线圈液压缸(7)的作用下，使用左右分体线圈(6)闭合，并将待加工的薄壁铝管(11)固定在分体线圈(6)的凹槽内；

步骤2、对电磁缩颈设备的储能电容进行充电，当充电电压达到设定的成形电压2-15Kv后，断开充电回路；

步骤3、闭合电磁成形放电回路，储能电容对分体线圈(6)进行放电，薄壁铝管(11)在电磁力的作用下迅速发生缩颈变形，完成初步的成形；

步骤4、在完成电磁缩颈之后，在分体线圈(6)在分体线圈液压缸(7)的作用下向左右分开回到初始位置；

步骤5、在完成初步成形之后，在紧固圆筒驱动液压缸(18)的作用下使设备的紧固圆筒(2)向下进给，待密封柱塞接触薄壁铝管(11)上端后，在左右推力螺栓(13)的作用下开始合模，完成合模后，通过充液孔(10)向薄壁铝管内部充胀形液体；

步骤6、充满液体后，通过增压器对薄壁铝管(11)内的液体进行增压，在液体的压力下薄壁铝管(11)进行胀形；

步骤7、完成成形，紧固圆筒(2)在紧固圆筒驱动液压缸(18)的作用下向上运动，同时在螺旋弹簧(14)的作用下，成形模具会迅速打开，完成对异形金属管件的加工。