CN105215113A - 一种连续反弯铝合金管件的推弯成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种连续反弯铝合金管件的推弯成形装置及方法。本发明所采用的技术解决方案是一种连续反弯铝合金管件的推弯成形装置，包括压下模、成形模、成形模锁紧装置、芯模、芯模支撑架和下模座，所述的压下模设置有上冲头，所述的成形模包括两块对称的可拆分式成形模，所述的成形模设置有连续反弯几何特征型腔，所述的芯模支撑架设置有芯模支撑架，所述的芯模一端与芯模支撑架相连接，另一端设置在成形模的连续反弯几何特征型腔内；所述的成形模锁紧装置可套于成形模外将其锁紧，所述的下模座设置有与成形模和芯模支撑架相配合的下模座槽。

Description

一种连续反弯铝合金管件的推弯成形装置及方法

技术领域

本发明属于管件弯曲成形技术领域，特别是涉及一种连续反弯铝合金管件的推弯成形装置及方法。

背景技术

管件弯曲成形技术广泛应用于航空、航天、火电领域。作为各类飞行器上液、气压力承载、传递管路的连接零部件，管件直接关系到设备的运行安全，随着工业技术的发展，对管件力学性能（特别是强度与韧性）的要求日益提高。连续反弯管件是指具有两个弯曲半径且曲率方向“正、负”相反的圆弧直接相切连接，该类管件广泛用在航空、航天飞行器上。连续反弯管件在成形完第一弯曲半径后不经过直管线段的过渡，造成第二弯曲半径成形时缺少着力点，很难通过常规的绕弯方法成形；三辊柔性挤压弯曲依靠支承辊和推压辊的联合作用可实现管件的多弯曲半径的三维空间成形，但其任意两个弯曲半径都无法处于“正、负”相反的方向。内高压成形作为管件制造的新技术，可以成形出许多复杂的管线形状，但其设备庞大、昂贵，且依赖预制坯的成形质量，在弯曲内侧易产生褶皱缺陷。该类管件的传统制造方法是将两个单弯曲半径弯头各去掉一端的直管线段得到两个横向半管，或者由冲压得到的两个纵向半管焊接起来使用。普通熔焊方法容易造成气孔、裂纹、金属夹杂等缺陷，使焊缝的韧性不足。铝、镁等轻合金的搅拌摩擦焊(FSW)会造成“犁沟”、“鼓包”、“背部焊瘤”等表面缺陷，焊缝的热力影响区抗拉强度总体低于母材，再者搅拌摩擦焊的旋转推进加载方式在焊接弯头的连续复杂曲面时也存在较大工艺难度。因此，连续反弯铝合金管件的传统制造方法难以满足其高力学性能的要求。

推弯工艺具有限制成形作用，可将管坯约束在带有连续反弯特征的型腔内，实现此类管件的弯曲成形。但由于两次压力的叠加作用，连续反弯管件的第二弯曲段横截面畸变是该工艺的最大瓶颈问题。通过计算机有限元仿真技术结合实际推弯实验，不断调节芯模的位置状态参数，可有效抑制推弯过程中管件横截面畸变的发生，其中有限元调节芯模的位置状态参数的方法在贾震、郑岩冰等的《连续弯曲半径铝合金管件推弯成形可行性分析》中做了一定说明。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种连续反弯铝合金管件的推弯成形装置及方法。

本发明所采用的技术解决方案是一种连续反弯铝合金管件的推弯成形装置，包括压下模、成形模、成形模锁紧装置、芯模、芯模支撑架和下模座，所述的压下模设置有上冲头，所述的成形模包括两块对称的可拆分式成形模，所述的成形模设置有连续反弯几何特征型腔，所述的芯模支撑架设置有芯模支撑架，所述的芯模一端与芯模支撑架相连接，另一端设置在成形模的连续反弯几何特征型腔内；所述的成形模锁紧装置可套于成形模外将其锁紧，所述的下模座设置有与成形模和芯模支撑架相配合的下模座槽。

所述压下模还设置有上冲头定位盘和成形模定位槽，所述的上冲头设置在上冲头定位盘的中心位置，所述的成形模定位槽与成形模顶部相配合。

所述的成形模还包括有成形模合模定位导柱和定位导柱孔，所述的成形模合模定位导柱和定位导柱孔在两块对称的可拆分式成形模上对应设置。

所述的芯模支撑架设置有芯模定位孔和芯模高度调整垫片，所述的芯模一端通过芯模定位孔与芯模支撑架相连接，所述的芯模高度调整垫片设置在芯模支撑架底部。

所述的芯模的自由端设置为圆弧形。

成形模锁紧装置设置有螺栓孔并通过成形模锁紧螺栓与成形模相连接。

一种连续反弯铝合金管件的推弯成形方法，所需步骤如下：

1)将管坯表面沿纵向对称面分成前、后两个半圆柱面；

2)在管坯一端分别用与纵向对称面成20°~45°角度的斜面切割前、后圆柱面，即使管坯一端形成两个倒角，前倒角与后倒角，两倒角的共同尖角在纵向对称面上；其中的前倒角大于后倒角；

3)将带有连续反弯几何特征型腔的两对称可拆分式成形模沿定位导柱及导柱孔合模，保证两个分模上的连续反弯几何特征对齐；

4)将合模后的成形模按底部轮廓放置到下模座中对应的槽中，同时将芯模置入成形模的连续反弯几何特征型腔；

5)将成形模锁紧圈套在成形模上部，旋紧成形模锁紧螺栓，将合模后的成形模锁紧；6)调整芯模上的圆弧与连续反弯几何特征型腔第二弯曲段的圆弧方向一致，在芯模定位孔中插入芯模定位销，将芯模架在芯模支撑架上使其不能绕轴转动，此外，连续反弯几何特征型腔的下直管段内表面与芯模下部的外表面也有约束定位关系，使芯模仅能沿其轴向运动；

7)沿上冲头定位盘上的成形模定位槽将压下模与成形模合在一起，此时上冲头伸入到模具型腔内，用压板及螺栓将上冲头定位盘外缘与压力机上工作台固定连接；

8)升起上工作台，上冲头随之升起，此时上冲头与连续反弯几何特征型腔形成同轴定位，在模具型腔的内插入管坯，保证管坯的前、后圆柱面与连续反弯特征型腔的弯曲段内外侧一致性，前半圆柱面将变形为第一弯曲段外侧及第二弯曲段内侧，后圆柱面将变形为第一弯曲段内侧及第二弯曲段外侧；

9)上工作台压下，管坯在模具型腔内实现推弯成形；

10)升起压下模，将成形模从下模座中取出，再摘掉成形模锁紧圈，将螺栓旋入定位导柱孔将成形模合模定位导柱顶出从而将成形模分模，取出管件及芯模，最后再从管件中抽出芯模，得到最终的管件。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：1、本发明采确定了一种连续反弯铝合金管件的推弯成形方法，采用该方法生产连续反弯铝合金管件，能够有效抑制管件横截面畸变，实现该类弯头的无焊接一体化成形，缩短产品的生产周期。

2、采用有限元模拟技术验证了该类管件推弯成形方法的有效性，减少了试验次数，降低了研究费用。

附图说明

图1为带倒角的管坯示意图：

图2为连续反弯推弯成形模具及工装夹具装配流程示意图；

图3为连续反弯成形模合模示意图；

图4为合模后管坯放置示意图；

图5为连续反弯铝合金管件的有限元模拟及实验结果。

图中，1－纵向对称面；2－前半圆柱面；3－后半圆柱面；4－前倒角；5－后倒角；6－管坯；7－连续反弯几何特征型腔；8－可拆分成形模；9－成形模合模定位导柱；10－定位导柱孔；11－下模座槽；12－芯模；13－成形模锁紧圈；14－芯模上的圆弧；15－连续反弯第一弯曲段；16－连续反弯第二弯曲段；17－芯模定位孔；18－芯模支撑架；19－模具型腔的下直管段内表面；20－芯模下部的外表面；21－芯模高度调整垫片；22－上冲头定位盘；23－成形模定位槽；24－上冲头；25－下模座；26－连续反弯管件。

具体实施方式

连续反弯铝合金管件推弯成形模具及配套工装夹具的组装与使用方法如图1-图5所示：

1)将管坯表面沿纵向对称面1分成前、后两个半圆柱面，前圆柱面2将变形为第一弯曲段15外侧及第二弯曲段16内侧，后圆柱面3将变形为第一弯曲段内侧及第二弯曲段外侧；

2)在管坯6一端分别用与纵向对称面成20°-45°角度的斜面切割前、后圆柱面，从管坯侧视图方向看，即使管坯一端形成两个倒角（前倒角4与后倒角5），两倒角的共同尖角在纵向对称面上，其中前圆柱面上的倒角要大于后圆柱面上的倒角；

3)将带有连续反弯几何特征型腔7的两对称可拆分式成形模8沿定位导柱9及导柱孔10合模，保证两个分模上的连续反弯几何特征对齐，其中定位导柱及定位孔；

4)将合模后的成形模按底部轮廓放置到下模座25中对应的槽11中，同时将芯模12置入模具型腔；

5)将成形模锁紧圈13套在成形模上部，旋紧四个成形模锁紧螺栓，将合模后的成形模锁紧；

6)调整芯模上的圆弧14与模具型腔第二弯曲段的圆弧16方向一致，在芯模定位孔17中插入芯模定位销，将芯模架在芯模支撑架18上使其不能绕轴转动，此外，模具型腔的下直管段内表面19与芯模下部的外表面20也有约束定位关系，使芯模仅能沿其轴向运动，芯模支撑架下面垫有垫片21可调节芯模在模具型腔内的位置；

7)沿上冲头定位盘22上的成形模定位槽23将压下模与成形模合在一起，此时上冲头24伸入到模具型腔内，用压板及螺栓将上冲头定位盘外缘与压力机上工作台固定连接；

8)升起上工作台，上冲头随之升起，此时上冲头与模具型腔形成同轴定位，在模具型腔的内插入管坯，保证管坯的前、后圆柱面与连续反弯特征型腔的弯曲段内外侧一致性；

9)上工作台压下，管坯在模具型腔内实现推弯成形；

10)升起压下模，将成形模8从下模座25中取出，再摘掉成形模锁紧圈13，将螺栓旋入定位导柱孔10将成形模合模定位导柱9顶出从而将成形模8分模，取出管件及芯模12，最后再从管件中抽出芯模，得到最终的管件26。

在上述流程中，芯模的位置参数关系到管坯是否能够引入到芯模与模具型腔间的间隙中以及芯模对连续反弯第二弯曲段的支撑程度，因此本发明采用有限元方法对步骤9)的操作过程进行了计算机模拟，修正了芯模的位置参数，具体步骤如下：

1)将芯模置于较低位置，即芯模上的圆弧14与连续反弯第二弯曲段16外圆弧之间留有较大的间隙，以保证管坯在推弯成形中可顺利引入该间隙；

2)按照实际压下速度进行推弯成形过程的有限元模拟；

3)逐渐提升芯模的位置，即减小芯模上的圆弧14与连续反弯第二弯曲段16之间的间隙，以促使管件第二弯曲段圆弧与成形模更贴合；

4)模拟各个芯模位置提升的工况，确定管坯可引入芯模与成形模间间隙时芯模所处的最高位置，即最优芯模位置参数。

实施例1

本实施例的连续反弯管件为某型号连续反弯弯头，材质为5A02铝合金，管坯外径20mm，壁厚1mm，长度130mm，连续反弯第一、二弯曲段半径都为25mm，两直管线夹角15°。整个推弯过程在100吨压力机上进行，工作台压下速度约为8mm/s。连续反弯铝合金管件的有限元模拟结果与推弯实验结果如图5所示，可见两者都成形出了连续反弯几何特征，且横截面畸变得到了有效的抑制，满足产品需求。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种连续反弯铝合金管件的推弯成形装置，其特征是：包括压下模、成形模、成形模锁紧装置、芯模、芯模支撑架和下模座，所述的压下模设置有上冲头，所述的成形模包括两块对称的可拆分式成形模，所述的成形模设置有连续反弯几何特征型腔，所述的芯模支撑架设置有芯模支撑架，所述的芯模一端与芯模支撑架相连接，另一端设置在成形模的连续反弯几何特征型腔内；所述的成形模锁紧装置可套于成形模外将其锁紧，所述的下模座设置有与成形模和芯模支撑架相配合的下模座槽。

2.根据权利要求1所述的连续反弯铝合金管件的推弯成形装置，其特征是：所述压下模还设置有上冲头定位盘和成形模定位槽，所述的上冲头设置在上冲头定位盘的中心位置，所述的成形模定位槽与成形模顶部相配合。

3.根据权利要求1所述的连续反弯铝合金管件的推弯成形装置，其特征是：所述的成形模还包括有成形模合模定位导柱和定位导柱孔，所述的成形模合模定位导柱和定位导柱孔在两块对称的可拆分式成形模上对应设置。

4.根据权利要求1所述的连续反弯铝合金管件的推弯成形装置，其特征是：所述的芯模支撑架设置有芯模定位孔和芯模高度调整垫片，所述的芯模一端通过芯模定位孔与芯模支撑架相连接，所述的芯模高度调整垫片设置在芯模支撑架底部。

5.根据权利要求1或4所述的连续反弯铝合金管件的推弯成形装置，其特征是：所述的芯模的自由端设置为圆弧形。

6.根据权利要求1所述的连续反弯铝合金管件的推弯成形装置，其特征是：成形模锁紧装置设置有螺栓孔并通过成形模锁紧螺栓与成形模相连接。

7.一种连续反弯铝合金管件的推弯成形方法，其特征是：所需步骤如下：

1)将管坯表面沿纵向对称面分成前、后两个半圆柱面；

2)在管坯一端分别用与纵向对称面成20°~45°角度的斜面切割前、后圆柱面，即使管坯一端形成两个倒角，前倒角与后倒角，两倒角的共同尖角在纵向对称面上；

3)将带有连续反弯几何特征型腔的两对称可拆分式成形模沿定位导柱及导柱孔合模，保证两个分模上的连续反弯几何特征对齐；

4)将合模后的成形模按底部轮廓放置到下模座中对应的槽中，同时将芯模置入成形模的连续反弯几何特征型腔；

5)将成形模锁紧圈套在成形模上部，旋紧成形模锁紧螺栓，将合模后的成形模锁紧；6)调整芯模上的圆弧与连续反弯几何特征型腔第二弯曲段的圆弧方向一致，在芯模定位孔中插入芯模定位销，将芯模架在芯模支撑架上使其不能绕轴转动，此外，连续反弯几何特征型腔的下直管段内表面与芯模下部的外表面也有约束定位关系，使芯模仅能沿其轴向运动；

7)沿上冲头定位盘上的成形模定位槽将压下模与成形模合在一起，此时上冲头伸入到模具型腔内，用压板及螺栓将上冲头定位盘外缘与压力机上工作台固定连接；

8)升起上工作台，上冲头随之升起，此时上冲头与连续反弯几何特征型腔形成同轴定位，在模具型腔的内插入管坯，保证管坯的前、后圆柱面与连续反弯特征型腔的弯曲段内外侧一致性，前半圆柱面将变形为第一弯曲段外侧及第二弯曲段内侧，后圆柱面将变形为第一弯曲段内侧及第二弯曲段外侧；

9)上工作台压下，管坯在模具型腔内实现推弯成形；

10)升起压下模，将成形模从下模座中取出，再摘掉成形模锁紧圈，将螺栓旋入定位导柱孔将成形模合模定位导柱顶出从而将成形模分模，取出管件及芯模，最后再从管件中抽出芯模，得到最终的管件。

8.根据权要求7所述的连续反弯铝合金管件的推弯成形方法，其特征是：所述的步骤（2）中的前倒角大于后倒角。