CN104981305A - 多级管件液压成形工艺 - Google Patents

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Abstract

一种使管状坯料(10)液压成形的方法包括以下步骤：至少部分地关闭围绕管状坯料(10)的模具(12)的模具部分(14，16)，在第一压力下将液压流体(22)引入到管状坯料(10)中，基本上关闭围绕管状坯料(10)的模具部分(14，16)，在至少最初维持液压流体(22)的压力的同时部分地打开模具部分(14，16)，以及至少第二次基本上关闭模具部分(14，16)。

Description

多级管件液压成形工艺
技术领域
本发明总体涉及管件液压成形工艺，更具体地说，涉及用于使管件，例如用在翻车保护系统结构中的管件液压成形的方法。
背景技术
有时需要由可锻金属(包括但不限于钢、铝等等)制成的具有特定的横截面轮廓管状结构以便用于特别限定的应用中。然而，这种用作管状坯件的管件通常由供应商出售，其具有标准的圆形(或其他形状的)横截面。因此，为了用于特定应用中，必须使管件形成所需的横截面。此外，在许多情况下，特别是将这种管件用于结构应用的情况下，管件的结构完整性不被所需的横截面成形操作破坏或削弱是十分重要的。
可以使用诸如这些的管状结构的一些非限制性应用包括汽车工业和自行车工业。其他非限制性实例包括形成移动机械(例如运土机械、挖掘型机械、采矿机械等等)的驾驶室机架。就移动机械的驾驶室机架而言，这些机架可以由可以焊接在一起的几十个单独管件组成，以便形成所需的驾驶室机架形状，以及向驾驶室机架提供满足不同尺寸和强度要求的部分。在诸如这些的应用中，为了使驾驶室机架足够坚固使得它在翻车期间可以为驾驶室中的人提供保护，所使用的管件的结构完整性是此较重要的。
已经发现，液压成形特别适用于作为将延性金属的管状坯材塑成和形成用于上述应用的轻质的、结构结实和坚固的管段的相对节省成本的方式。具体而言，通常可用此传统形成的管件高的硬度对重量此以及此传统形成的管件低的单位成本来制造液压成形的管状结构。已经发现，几乎所有能够冷成形的金属，包括铝、黄铜、碳钢和不锈钢、铜以及高强度合金都可以进行液压成形。
更具体地说，在传统的管状液压成形工艺中，空心毛坯管件可以放置到半个阴模模具内部，使得当与互补的模具部分结合时，其具有预期的所得部分的横截面形状。当模具闭合时，管件的端部通常被轴向冲压机密封，并且管件中填满了增压液压流体。然后内部液压压力导致管件向模具膨胀。一段时间后，将压力释放，这允许从管件释放部分流体。然后将管件端部开封，这允许剩余的液压流体流出，打开半模，并且可以移出所得的液压成形零件。
过去已经发现传统的液压成型工艺，例如本液压成型工艺是有用的，因为它们通常能够以此其他技术高的硬度对重量此和此其他技术低的单位成本形成零件。然而，现有技术的管状液压成形工艺确实具有一些缺点。
具体地说，当液压成形具有较大壁厚的管件和/或具有相对较窄的圆角半径的弯头时，已经发现，传统的低压液压成形工艺不足以获得所需的成品管件的横截面。相反地，已经发现，传统的高压液压成形工艺能导致成品的横截面的不合要求的变薄，从而削弱了所得零件的结构完整性。此外，不管是否已经使用了传统低压液压成形方法或高压液压成形方法，回弹性(由弹性回复导致的卸载后变形零件的尺寸变化)都是个问题。
在这点上，名称为“Method of Forming a Flanged Tubular Member inHydroforming(利用液压成形形成带凸缘的管状构件的方法)”的美国公开号2010/0186477A1公开了一种管件液压成形方法，据此使用低压和高压液压成形工艺的组合来产生最终具有凸缘的零件。然而，不认为此公开案中公开的方法能够解决壁部分变薄以及回弹的问题，其可能在需要最终零件具有相当高的结构完整性的情况下尤其成问题。此外，此公开案中公开的两步法要求使用两个单独的模具，这增加了零件成形工艺的成本和复杂性，并且具体来说涉及其上具有凸缘的成品管状零件。
发明内容
本发明涉及一种使用液压成形工艺由管状坯件形成具有所需横截面的成品管件的方法。
具体地说，根据本发明用于使具有所需横截面的成品管件由管状坯料液压成形的本方法的一个实施例可包括以下步骤：(1)至少部分地关闭围绕布置在模具中的管状坯料的模具的模具部分；(2)在第一压力下将液压流体引入到管状坯料中；(3)第一次基本上关闭围绕管状坯料的模具部分以形成第一中间形式管件；(4)在至少最初维持第一中间形式管件内的液压流体的压力以允许第一中间形式管件的横截面至少部分展开的同时通过使模具部分相对彼此移离以在其间形成间隙来部分地打开模具；以及(5)第二次基本上关闭围绕第一中间形式管件的模具部分。本发明的实施例所包括的任选的步骤包括在必要时重复步骤4和步骤5(视应用而定)并且在步骤3或步骤5之后增加液压流体的流体压力。
根据本发明用于使具有所需横截面的成品管件由管状坯料液压成形的本方法的另一个实施例可包括以下步骤：(1)将管状坯料定位在模具中；(2)部分地关闭模具；(3)将增压液压流体引入到管状坯料中；(4)第一次基本上关闭模具；(5)部分地打开模具；(6)至少第二次基本上关闭模具；(7)释放液压流体压力；以及(8)打开模具以释放成品管件。本发明的实施例所包括的任选的步骤包括在必要时重复步骤5和步骤6(视应用而定)并且在步骤4或步骤6之后增加液压流体的流体压力。
附图说明
图1是通过现有技术低压液压成形工艺形成的模具中的现有技术成品管件的横截面视图；
图2是通过现有技术高压液压成形工艺形成的模具中的现有技术成品管件的横截面视图；
图3是在根据本发明的一个方面的任何工作完成之前的模具中的管状坯料的横截面视图；
图4是根据本发明的一个方面的液压成形工艺的第一阶段中的模具中的中间形式管件的横截面视图；
图5是根据本发明的一个方面的液压成形工艺的第二阶段中的模具中的中间形式管件的横截面视图；
图6是根据本发明的一个方面的液压成形工艺的第三阶段中的模具中的中间形式管件的横截面视图；
图7是根据本发明的一个方面的液压成形工艺的最终阶段中的模具中的成品管件的横截面视图；
图8是根据本发明的一个方面的液压成形工艺的第三阶段中的模具中的中间形式管件的侧面透视图；
图9是根据本发明的一个方面的液压成形工艺的最终阶段中的模具中的成品管件的侧面透视图；以及
图10是示出与本发明的一个方面一致的一些实施例的流程图。
具体实施方式
首先参照图1，示出现有技术低压管状液压成形方法的结果，其中由于现有技术成品管件2的壁太厚以至于不允许液压流体8的压力使现有技术成品管件2完全变形，现有技术成品管件2未完全与模腔6贴合，留有间隙4。
参照图2，示出现有技术高压管状液压成形方法的结果，其中由于现有技术模具方法使现有技术成品管件3的壁9在液压流体8压力施加之前大范围扩展，现有技术成品管件3的壁9变薄。
参照图3，在根据本发明所述的方法中，管状坯料10被示出为设置在由第一模具部分14和第二模具部分16组成的液压模具12内，其中根据模具12的应用和方向，模具部分可以代表模具12的上、下、左、右等部分。在管状坯料10上进行任何工作之前及向其中引进任何增压液压流体之前，先对管状坯料10进行描述。与该实施例一致，当第一模具部分14和第二模具部分16结合时，形成以产生具有最终液压成形零件所需的横截面尺寸的液压成型模腔18。
参照图4，还根据本发明的一个实施例，中间形式管件11由第一模具部分14和第二模具部分16的初始压缩形成，其中模具部分14、16处于中间形式位置(即并非完全封闭的)，因此在其间产生间隙20。在用于模具部分14、16的中间形式位置产生的间隙20可以根据用途不同而变化并可以取决于过程中的任一特定点处零件冷加工的所需量，但是与本发明一致，可以介于大约5mm和大约20mm之间，或更具体地说，大约15mm。可以将中间形式管件11的末端以本领域已知的方式和形式进行密闭，并将第一压力下的液压流体22引入其中。最初，这样的第一压力可能是通常在低压液压形成工艺中使用的范围内的压力，即大约在100巴和500巴之间，更具体地说，大约是300巴。
如图5所示，然后可以操作模具12，使得第一模具部分14和第二模具部分16移动到相对更靠近彼此的大致封闭的位置。例如，可以在第二模具16(或第二模具16闭合在第一模具14上，或第二模具16可以闭合在彼此上)上闭合第一模具14以形成模腔18。第一压力下的液压流体22通过在模腔18内使中间形式管件11变形继续在中间形式管件11上工作。可选地，此时，液压流体22的压力可以增加到与高压液压成形工艺更相关联的压力，即在大约800巴和1500巴之间，更具体地说，大约1100巴。
其次，如图6和图8清楚所示(或者与液压流体22的压力的升高一起或稍滞后(如果利用)，第一模具部分14和第二模具部分16可以相对彼此移开，例如，分开(使用上述任何方法)以再一次在第一模具部分14和第二模具部分16之间提供间隙20。如上所述，用于模具部分14、16的该中间形式位置可以根据用途不同而变化，并可以取决于最终零件上所需的冷加工的所需量(以及中间形式管件11的大小)。如上，已经发现，在大约5mm和大约20mm之间的间隙20在本发明的背景下如同大约15mm的间隙20一样是可操作的。
如图6和图9清楚所示，可最后操作模具12以压缩中间形式管件11，该中间形式管件11仍包括液压流体22(无论是处在第一压力下，还是在第二压力下(如果使用的话)，或如果需要的话甚至在另一压力下)，该液压流体22提供在中间形式管件11上提供最终所需的冷加工以形成更紧密地贴合模腔18的几何形状的成品管件13。根据所需的最终成品管件13几何形状(以及其它因素)，可以单次或多次进行该最后的两个步骤。此外，如果多次进行最终压缩步骤，可以在每个连续的压缩上减小间隙20的尺寸和/或更改液压流体22的压力。具体地说，液压流体22的压力可以保持在先前利用(第一压力或第二压力)的任何压力或可调节到不同的压力，包括但不限于其间的第一压力或第二压力，或两者之间的一些压力。可以按照本发明中所公开的方法以这种方式实现成品管件13的所需几何形状。
如图10所示，示出了本发明的多个实施例。具体地说，根据本发明一方面的工艺步骤可包括：(1)在模具30中定位管状坯料；(2)部分地关闭模具32；(3)将增压液压流体引入到管状坯料34中；(4)第一次基本上关闭模具36；(5)部分地打开模具38；(6)至少第二次基本上关闭模具40；(7)释放液压流体42的压力；以及(8)打开模具以释放成品管件44。包含在本发明实施例中的可选择步骤包括：按需要尽可能多次地部分地打开模具46并基本上关闭模具48(根据不同应用)以及在该工艺的各个阶段提高液压流体50、52的压力。
应当注意，虽然本发明的方法连同直线延伸的管件一起进行了解释和说明，本领域普通技术人员应当理解并领会，根据本发明的方法可以连同已经在例如传统管件弯曲装置中预弯以便中其中有一个或多个弯头的管件一起使用。
同样地，虽然此处示出的管状坯料10的初始坯料在所示附图中的横向剖面图呈圆形，应当理解，根据本发明的范围，管状坯料10的具有其他最初的横向剖面(包括椭圆形、正方形、矩形等)的初始坯料是可操作的。根据本方法，还应当注意，以液压成形技术领域普通技术人员所公知的任何方式密封中间形式管件11中的液压流体22包括但不限于使用密封锥或密封管。
此外，应当理解，管状坯料10的壁厚可以是任何合适的厚度。在与本发明一致的实施例中，该壁厚的范围可以从大约4毫米至大约10毫米，更具体地说，在大约6毫米和8毫米之间。还应该理解，任何合适的材料都可以用于形成管状坯料10。例如，合适的材料包括但不限于高强度低合金钢、双相钢、相变诱发塑性钢和马氏体钢(以及它们的组合和/或它们的合金)。
工业实用性
移动机械(例如土方机械、挖掘型机械、采矿机械机等等)可以用于运土、挖掘、采矿或其他操作。这样的移动机械通常要求操作者坐在与机械连接的驾驶舱或驾驶室内。通常，该驾驶室的机架包括集成翻车保护系统(ROPS)。正如它的名字所描述，该ROPS的目的是提供可以防止驾驶室机架和驾驶室在翻车时被压碎的结构。
很多时候，在ROPS中的驾驶室机架可以由多个中空的金属管件构成。在这样的结构中的每单个管件通常可以是直的也可以具有恒定的剖面。可以使用具有不同内部和/或不同外部尺寸的不同长度的管件。在许多情况下，驾驶室机架可以是由这些分离的几十个大小不同的管件组成。使用根据本发明的方法可以制成这种管件。此外，依照本发明的方法制成的管件可以用于许多其他工业和许多其他用途，包括汽车行业和与高强度管件自行车车架有关等。
进一步根据上文，可以希望有用于从具有相对厚壁(例如，大约4mm或更厚)的管状坯料生产具有所需剖面并具有高度的结构完整性的最终管状零件的方法，管状零件与用于形成成品管件的模具相对紧密地一致，并且最终管状零件没有显示出与具有现有技术工艺，特别是现有技术的液压成型工艺制造的管状零件有关的过度回弹问题和/或壁变薄。
因此，已经发现在此公开的方法减少导致符合模腔几何形状的改进成品零件横向剖面的成品零件的弯曲回弹。进一步地，已经发现根据本发明的方法在保持期望的壁厚和硬度的同时，总体上提高所谈的零件的拐角半径与模腔一致性。因此，根据本发明的方法可以潜在地允许实现更紧密的拐角半径，该拐角半径此前面已经通过使用常规的低压液压成形工艺或则常规的高压液压成形工艺实现的拐角半径更紧密。
本发明的许多特征和优势可以从详细的说明书中变得显而易见，因此，所附加的权利要求书意在覆盖列入本发明的实质精神和范围内的所有这些特征和优势。此外，因为对于本领域技术人员而言容易发生多种修改和变化，不期望将本发明限定在所解释和描述的确切构造和操作中，因此，所有合适的修改和等同形式都可认为是列入本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种使管状坯料(10)液压成形的方法，包括以下步骤：
至少部分地关闭围绕设置于模具(12)中的管状坯料(10)的模具(12)的模具部分(14，16)；
在第一压力下将液压流体(22)引入到所述管状坯料(10)中；
第一次基本上关闭围绕所述管状坯料(10)的模具部分(14，16)以形成第一中间形式管件(11)；
在至少最初维持所述第一中间形式管件(11)内的所述液压流体(22)的压力来允许所述第一中间形式管件(11)的横截面至少部分膨胀的同时通过使所述模具部分(14，16)相对彼此移离以在其间形成间隙(20)来部分地打开所述模具(12)；以及
第二次基本上关闭围绕所述第一中间形式管件(11)的模具部分(14，16)。
2.根据权利要求1所述的使管状坯料(10)液压成形的方法，进一步包括在第一次基本上关闭所述模具部分(14，16)之后，将所述液压流体(22)的压力增加至第二压力的步骤，其中所述第二压力大于所述第一压力。
3.根据权利要求1所述的使管状坯料(10)液压成形的方法，进一步包括在第二次基本上关闭所述模具部分(14，16)之后，将所述液压流体(22)的压力增加至第二压力的步骤，其中所述第二压力大于所述第一压力。
4.根据权利要求1所述的使管状坯料(10)液压成形的方法，进一步包括在至少最初维持所述第一中间形式管件(11)内的所述液压流体(22)的压力的同时，重复通过使所述模具部分(14，16)相对彼此移离以在其间形成间隙(20)来部分地打开所述模具(12)的步骤；以及第二次基本上关闭围绕所述第一中间形式管件(11)的所述模具部分(14，16)的步骤。
5.根据权利要求1所述的使管状坯料(10)液压成形的方法，其中，通过使所述模具部分(14，16)相对彼此移离以在其间形成间隙(20)来部分地打开所述模具(12)的步骤包括打开所述模具(12)使得所述间隙(20)大约在5mm与20mm之间。
6.根据权利要求1所述的使管状坯料(10)液压成形的方法，其中，在第一压力下将液压流体(22)引入到所述中间形式管件(11)中的步骤包括在介于大约100巴与500巴之间的压力下引入所述液压流体(22)的步骤。
7.根据权利要求2所述的使管状坯料(10)液压成形的方法，其中，在第一次基本上关闭所述模具部分(14，16)之后，将所述液压流体(22)的压力增加至第二压力的步骤(36)包括将所述液压流体(22)的压力增加至大约800巴与1500巴之间的步骤。
8.根据权利要求1所述的使管状坯料(10)液压成形的方法，其中在至少部分地关闭围绕布置在所述模具(12)中的管状坯料(10)的模具(12)的模具部分(14，16)的步骤之前，选择具有介于大约4mm与10mm之间的壁(9)厚的管状坯料(10)。
9.根据权利要求1所述的使管状坯料(10)液压成形的方法，进一步包括在至少最初维持所述第一中间形式管件(11)内的所述液压流体(22)的压力的同时，重复通过使所述模具部分(14，16)相对彼此移离以在其间形成间隙(20)来部分地打开所述模具(12)的步骤以及第二次基本上关闭围绕所述第一中间形式管件(11)的模具部分(14，16)的步骤至少两次。
10.根据权利要求1所述的使管状坯料(10)液压成形的方法，其中，在第二次基本上关闭围绕所述第一中间形式管件(11)的模具部分(14，16)的步骤之后，将所述第一中间形式管件(11)纳入到翻车保护系统中。
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