CN105562516B - 一种变截面异形管件充液压制成形方法 - Google Patents

Abstract

一种变截面异形管件充液压制成形方法，它涉及一种金属管件的成形制造方法，以解决现有低内压成形工艺仅能成形截面周长不变的管件，同时先进高强钢变截面管件内高压成形时存在压力高、回弹大、模具磨损严重的问题，成形方法步骤是：步骤一、胀形上模与胀形下模装配于压力机上；步骤二、胀形上模下行合模，管坯充液，管坯发生胀形直至贴模；步骤三、卸去管坯内压；步骤四、上压块与压制下模装配于压力机上；步骤五、上压块下行合模；步骤六、变截面圆形管件内腔体液压的共同作用下贴模成形为变截面异形管件，成形过程结束；步骤七、卸去变截面异形管件内压，将变截面异形管件切割，获得满足设计要求的变截面管件。本发明用于变截面管件成形。

Description

一种变截面异形管件充液压制成形方法

技术领域

本发明涉及一种金属管件的成形制造方法，具体涉及一种用于制造变截面管件的液压成形方法，特别涉及一种截面周长与形状均发生变化的管件充液压制成形方法，属于管材成形制造技术领域。

背景技术

节能减排已成为目前制造业发展的主要趋势，而轻量化是汽车节约燃料、减少废气排放的主要手段之一。实现轻量化的主要途径包括采用轻质材料和轻体结构，对于材料一定的结构，轻量化的主要方法是设计和制造出具有合理几何形状的轻体结构。内高压成形技术是制造空心变截面构件的一种先进工艺方法，已经广泛用于生产汽车轻量化构件，如底盘、车身和排气管件等。

内高压成形是以管材作坯料通过管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为所需形状的工件。其主要优点是可以制造出周长及形状均变化的异形截面（矩形、梯形、椭圆形或其它形状）空心轻体结构。内高压成形可以分为成形和整形两个阶段，在成形阶段，管坯大部分已经贴靠模具，只有圆角区域未贴模；在整形阶段，提高压力使得圆角区贴模，达到设计要求的圆角半径。成形阶段的压力较低，整形压力很高。整形压力与材料屈服强度成正比，与圆角半径成反比。当零件带有小圆角半径时，整形压力会很高。对于汽车结构常用的低碳钢（抗拉强度小于440MPa）零件，生产中应用的压力范围在200-300MPa；对于形状复杂或材料强度高的零件，整形压力会超过300MPa，甚至达到400MPa。过高的压力，给批量生产带来一系列问题，包括：需要大合模力的压力机、投资大；需要大尺寸模具、且模具磨损严重，模具寿命低；液体介质压缩量大、发热严重，难于实现压力精确闭环控制。这些问题综合作用使得内高压件成本高，限制了内高压成形技术更广泛的应用。因此，如何降低整形压力一直是内高压成形技术亟待解决的难题。

近年来，为了进一步实现汽车结构的轻量化，高强钢（抗拉强度大于700MPa）在汽车结构上的应用逐渐增加，而成形高强钢复杂形状零件需要的内压高达1000MPa, 使得降低整形压力变得更为迫切。除此之外，内高压成形过程需要先将管材进行预成形，获得合理的预制坯形状，以预先分配材料及使管材顺利放入模具型腔内。预制坯形状一般为内凹形状，由于高强钢材料的屈服强度高，而回弹大，使得内压卸除后内凹形状无法展平，如图1所示。因此迫切需要开发适合于高强钢异形管件的液压成形技术。

针对降低整形压力的问题，国内外研究人员提出了以下方法：

1、文献Gary Morphy. Tube Hydroforming: Efficiency and Effectiveness ofPressure Sequence Hydroforming. SAE Technical Paper，1998，doi: 10.4271/982328（加里墨菲，管材液压成形：压力顺序成形的效率和效果。SAE的技术文件，1998，DOI:10.4271/982328）提出了一种低内压成形方法（称为“Pressure Sequence Hydroforming，即压力顺序成形），该方法通过压力机闭合模具产生的机械压力和管内液体压力的共同作用来实现管材的塑性成形，其本质是利用动摩擦代替内高压成形时的静摩擦，可降低压力30-50%；但是该方法只适合成形截面形状简单且截面周长基本不发生变化的管件，且成形过程中需要控制合模位移与内压的匹配曲线，设备昂贵、工艺复杂。

2、专利US005630334A提出了一种低内压成形装置（称为Liquid Impact ToolForming Mold，液体压力成形模具），该装置与管坯均置于液体容腔内，随着模具闭合，管坯内压在截面积减小的情况下被动产生，管件在合模压力与内压的共同作用下成形；在闭合模具的过程中，管内液体体积逐渐减小，内压随之逐渐增大，在该装置的油路控制系统中并未设置恒压控制单元，且成形过程无胀形发生，不能成形周长发生变化的变截面管件。

3、专利CN103464562A提出了一种腔体件低内压成形方法，该方法通过控制合模压床使夹紧头将管坯两端夹紧实现密封并向管内充液，再次控制合模压床下行成形管件；在上模下行过程中，腔体内的液体介质压力须按照设定的工艺要求变化，对油路控制系统要求较高，且成形过程无胀形发生，不能成形周长发生变化的变截面管件。

发明内容

本发明为了解决现有低内压成形工艺仅能成形截面周长不变的管件，同时先进高强钢变截面管件内高压成形时存在压力高、回弹大、模具磨损严重的问题，进而提供一种变截面异形管件充液压制成形方法。

本发明的变截面异形管件充液压制成形方法包括以下步骤：步骤一、按设计要求将胀形上模与胀形下模装配于压力机上，胀形下模固定不动，胀形上模上行至设定高度，胀形上模和胀形下模开启空间用于放置管坯；

步骤二、通过控制压力机主滑块运动使胀形上模下行合模，左密封冲头和右密封冲头在水平缸作用下做相向运动，使管坯分别与左密封冲头和右密封冲头形成封闭腔体，将左密封冲头上的胀形注入孔通过油管与增压器相连，然后通过胀形注入孔向管坯腔体内注入介质，使介质充满管坯内腔体并按设定加载曲线施加内压，同时左密封冲头和右密封冲头沿管坯轴线方向相向进给，对管坯按设定加载曲线进行加压，在内压和轴向加压的共同作用下管坯发生胀形直至贴模；

步骤三、通过增压器卸去管坯内压，主滑块带动胀形上模上行，左密封冲头和右密封冲头同时沿管坯轴向后撤，使管坯与左密封冲头和右密封冲头分离，获得满足充液压制要求的变截面圆形管件；

步骤四、按设计要求将上压块与压制下模装配于压力机上，压制下模固定不动，上压块上行至设定高度，上压块和压制下模开启空间用于放置变截面圆形管件；

步骤五、上压块下行至设定高度，保证上压块未与变截面圆形管件发生接触，左管端约束上压块、右管端约束上压块分别在左合模力和右合模力作用下同时下行，与左管端约束下压块、右管端约束下压块接触合模，形成完整圆形轮廓，向变截面圆形管件施加固定约束，左密封冲头和右密封冲头分别向变截面圆形管件端部进给扩口实现密封，增压器通过油管向左密封冲头注入孔内注入介质，使介质充满变截面圆形管件内腔体直至腔内液压达到设定值；

步骤六、上压块与水平侧压块按设定加载曲线分别沿竖直方向与水平方向对变截面圆形管件进给压制，液压系统中的溢流阀保持变截面圆形管件内腔体液压恒为设定值，在模具机械压力与变截面圆形管件内腔体液压的共同作用下贴模成形为变截面异形管件，成形过程结束；

步骤七、卸去变截面异形管件内压，上压块上行，左管端约束上压块和右管端约束上压块上行，左密封冲头和右密封冲头同时沿变截面异形管件轴向后撤，使变截面异形管件与密封冲头分离，将变截面异形管件两侧工艺段进行切割分离，获得满足设计要求的变截面管件。

本发明具有以下有益效果：本发明实现了在相对较低的内压条件下，采用较低载荷的合模压力成形变截面管件，即通过充液压制实现变截面管件的液压成形，从而达到提高效率、降低成本、改善零件整体质量的要求。

本发明的创新之处就在于先通过常规液压胀形工艺使管坯实现变截面胀形，将所获得变截面圆形管件置于充液压制成形装置内，上压块下行，水平侧压块进给，管端密封，管内加压，此时液压作为内压支撑和传力介质，数值很小。在模具的机械压力作用下管坯体积逐渐减小，腔内液体体积也随之减小，通过调节油路中溢流阀使成形过程中管坯腔内液压值始终满足设定要求。在机械压力与管内液压的共同作用下，管坯截面形状由圆形变为矩形或其他形状，该变形过程基本未发生胀形，因此，所得的终成形件壁厚均匀性较好。

一、通过先变截面胀形、后充液压制成形的工艺思想可实现低内压、低载荷条件下的变截面（周长、形状）管件液压成形；

二、利用该方法成形时，管件变截面胀形后所得截面周长与充液压制终成形件截面周长基本一致，变截面胀形后管件环向壁厚减薄分布均匀，在充液压制终成形阶段各圆角处的减薄程度相比内高压有所改善；

三、变截面胀形阶段仅需管内液压使材料向变截面过渡圆角处贴模，该处圆角半径很大，胀形压力远低于内高压工艺中的整形压力，即自由胀形压力的工程计算公式为，其中为管材直径、为管材壁厚、为材料屈服强度，而内高压整形压力公式为，其中为工件截面最小过渡圆角半径，针对常规管坯，，即。并且充液压制阶段仅需管内液压保持在更低的设定值范围内，因此不需要流体高压源、闭环伺服控制系统和大吨位合模压力机，设备成本大幅降低；

四、通过左右两侧独立压力源（管端约束压力单元）向管端施加独立可控的合模压力解决了成形过程中模具未完全闭合就需要对管坯进行密封的技术难题；

五、在充液压制成形阶段，管外机械压力与管内液压的共同作用可有效改善成形高强钢变截面管件压力高、回弹大、模具磨损严重等问题。本发明装置结构简单可靠，制造技术成熟，易于在生产中实施、推广和应用。

附图说明

图1是高强钢管件内高压胀形内压卸除后内凹形状无法展平示意图（其中20为模具型腔，21为内压卸出后零件，22为预制坯截面）；

图2是具体实施方式一胀形初始阶段模具与管坯位置关系状态示意图；

图3是具体实施方式一胀形合模阶段模具与管坯位置关系状态示意图；

图4是具体实施方式一胀形贴模阶段模具与管坯位置关系状态示意图；

图5是具体实施方式一胀形阶段获得的变截面圆形管件；

图6是图5的变截面圆形管件左视图；

图7是具体实施方式一充液压制初始阶段成形装置与变截面圆形管件位置关系状态示意图；

图8是图7的A-A向视图；

图9是具体实施方式一充液压制充液阶段成形装置与变截面圆形管件位置关系状态示意图；

图10是图9的B-B向视图；

图11是具体实施方式一充液压制压制阶段成形装置与变截面圆形管件位置关系状态示意图；

图12是图11的D-D向视图；

图13是具体实施方式三充液压制成形最终获得的变截面管件；

图14是图13的左视图；

图15是具体实施方式四充液压制成形最终获得的变截面管件；

图16是图15的E-E向视图；

图17是图15的F-F向视图；

图18是具体实施方式五充液压制成形最终获得的变截面管件；

图19是图18的G-G向视图；

图20是图18的H-H向视图；

图21是图18的K-K向视图；

图22是实施例中成形DP980高强钢变截面管件时充液压制与内高压内压加载曲线对比示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图2-图21说明，本实施方式的一种变截面异形管件充液压制成形方法是按照以下步骤进行：

步骤一、按设计要求将胀形上模1与胀形下模4装配于压力机上，胀形下模4固定不动，胀形上模1上行至设定高度，胀形上模1和胀形下模4开启空间用于放置管坯6；

步骤二、通过控制压力机主滑块运动使胀形上模1下行合模，左密封冲头2和右密封冲头5在水平缸作用下做相向运动，使管坯6分别与左密封冲头2和右密封冲头5形成封闭腔体，将左密封冲头2上的胀形注入孔3通过油管与增压器相连，然后通过胀形注入孔3向管坯6腔体内注入介质，使介质充满管坯6内腔体并按设定加载曲线施加内压，同时左密封冲头2和右密封冲头5沿管坯6轴线方向相向进给，对管坯6按设定加载曲线进行加压，在内压和轴向加压的共同作用下管坯6发生胀形直至贴模；

步骤三、通过增压器卸去管坯6内压，主滑块带动胀形上模1上行，左密封冲头2和右密封冲头5同时沿管坯6轴向后撤，使管坯6与左密封冲头2和右密封冲头5分离，获得满足充液压制要求的变截面圆形管件61；

步骤四、按设计要求将上压块7与压制下模9装配于压力机上，压制下模9固定不动，上压块7上行至设定高度，上压块7和压制下模9开启空间用于放置变截面圆形管件61；

步骤五、上压块7下行至设定高度，保证上压块7未与变截面圆形管件61发生接触，左管端约束上压块10、右管端约束上压块16分别在左合模力N1和右合模力N2作用下同时下行，与左管端约束下压块13、右管端约束下压块14接触合模，形成完整圆形轮廓，向变截面圆形管件61施加固定约束，左密封冲头12和右密封冲头15分别向变截面圆形管件61端部进给扩口实现密封，增压器通过油管向左密封冲头注入孔11内注入介质，使介质充满变截面圆形管件61内腔体直至腔内液压达到设定值p；

步骤六、上压块7与水平侧压块8按设定加载曲线分别沿竖直方向与水平方向对变截面圆形管件6进给压制，液压系统中的溢流阀保持变截面圆形管件61内腔体液压恒为设定值p，在模具机械压力与变截面圆形管件61内腔体液压的共同作用下贴模成形为变截面异形管件，成形过程结束；

步骤七、卸去变截面异形管件内压，上压块7上行，左管端约束上压块10和右管端约束上压块16上行，左密封冲头12和右密封冲头15同时沿变截面异形管件轴向后撤，使变截面异形管件与密封冲头分离，将变截面异形管件两侧工艺段进行切割分离，获得满足设计要求的变截面管件62。

胀形上模1未与管坯6发生接触，管坯6置于胀形下模4的型腔内，胀形左密封冲头2、胀形右密封冲头5与管坯6水平高度一致；

胀形上模1下行合模，胀形左密封冲头2、胀形右密封冲头5同时向管坯6的端部进给，两冲头进给量保持一致，直至封住管端，增压器通过油管向胀形左密封冲头注入孔3内注入介质加压，管坯6内腔体充满传力介质；

按设定加载曲线对冲头进给量和内压进行调整，在轴向补料与内压的共同作用下管坯6发生胀形直至贴模；

上压块7下行至设定高度，管坯6置于下模9之上，左密封冲头12、右密封冲头15所在轴线与左管端约束下压块13、右管端约束下压块14水平高度一致；

上压块7下行至设定高度，且未与管坯6发生接触，左管端约束上压块10、右管端约束上压块16分别向管坯6施加固定约束，左密封冲头12、右密封冲头15分别向管坯6端部进给扩口实现密封，增压器通过油管向左密封冲头注入孔11内注入介质加压，管坯6内腔体充满传力介质；

上压块7与水平侧压块8按设定加载曲线分别沿竖直方向与水平方向对管坯6进给压制，在模具机械压力与管坯6内腔体液压的共同作用下管坯6贴模成形；

本实施方式的图2-图12中给出成形管件中间区域发生胀形，胀形区与非胀形区截面形状分别为面积不等、长宽比例相等的矩形，管件轴线为直线。

图3和图4中的实心箭头是指施加在胀形上模1的作用力方向，空心箭头是指向管坯6腔体内注入介质压力方向，图9、图10、图11和图12中的实心箭头是指在上压块7和水平侧压块8上施加作用力方向，空心箭头是指向变截面圆形管件61内注入介质作用力方向。

具体实施方式二：本实施方式的步骤五和步骤六中，所述设定值p为5 MPa -50MPa。本实施方式的设定值p不足以使管坯发生塑性变形。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2-图12及图13，本实施方式的步骤七得到的变截面管件62为变截面矩形管件。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2-图12及图15-图17，本实施方式的步骤七得到变截面两段式管件，第一段管件截面为梯形，第二段管件截面为矩形。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：结合图2-图12及图18-图21，本实施方式的管坯6在步骤五充液压制前进行弯管工艺，步骤七得到变截面三段式管件，第一段管件截面为梯形，第二段管件截面为矩形，第三段管件截面为梯形。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一或二相同。

实施例

以DP980高强钢变截面管件为例，管坯直径65mm、壁厚2.0mm，充液压制成形获得截面长度68mm、宽度56.5mm、最小圆角半径6.0mm（膨胀率16.9%）的变截面矩形管件。若采用内高压成形，根据公式获得整形压力约为330MPa，而采用充液压制成形，所需成形内压远远低于前者，加载曲线对比如图22所示（其中23为内高压内压加载曲线，24为充液压制加载曲线）。结合图2-图14说明本发明的实施过程。步骤一、将DP980管坯置于胀形模具内；步骤二、胀形上模1下行合模，左密封冲头2和右密封冲头5进给密封，液体介质通过胀形注入孔3充满管坯内腔并按设定加载曲线施加内压，最高内压约为30MPa，左密封冲头2和右密封冲头5进给补料,管坯6胀形贴模；步骤三、模具开模，获得膨胀率为16.9%的变截面圆形管件61；步骤四、将变截面圆形管件置于充液压制模具内；步骤五、模具合模至设定高度，左管端约束上压块10、右管端约束上压块16、左管端约束下压块13和右管端约束下压块14构成管端约束单元扩口密封，增压器通过油管向左密封冲头注入孔11内注入介质，使介质充满变截面圆形管件内腔体直至腔内液压达到设定值；步骤六、上压块7与水平侧压块8按设定加载曲线分别沿竖直方向与水平方向对变截面圆形管件61进给压制，液压系统中的溢流阀保持变截面圆形管件61内腔体液压恒定不变，在模具机械压力与管内液压的共同作用下贴模成形为截面长度68mm、宽度56.5mm、最小圆角半径6.0mm的变截面矩形管件；步骤七、卸去管内压力，上压块7上行，左管端约束上压块10和右管端约束上压块16上行，左密封冲头12和右密封冲头15沿轴向后撤，将变截面矩形管件两侧工艺段切割分离，获得满足设计要求的DP980高强钢变截面矩形管件。

Claims (5)

1.一种变截面异形管件充液压制成形方法，其特征在于：所述变截面异形管件充液压制成形方法包括以下步骤：

步骤一、按设计要求将胀形上模（1）与胀形下模（4）装配于压力机上，胀形下模（4）固定不动，胀形上模（1）上行至设定高度，胀形上模（1）和胀形下模（4）开启空间用于放置管坯（6）；

步骤二、通过控制压力机主滑块运动使胀形上模（1）下行合模，左密封冲头（2）和右密封冲头（5）在水平缸作用下做相向运动，使管坯（6）分别与左密封冲头（2）和右密封冲头（5）形成封闭腔体，将左密封冲头（2）上的胀形注入孔（3）通过油管与增压器相连，然后通过胀形注入孔（3）向管坯（6）腔体内注入介质，使介质充满管坯（6）内腔体并按设定加载曲线施加内压，同时左密封冲头（2）和右密封冲头（5）沿管坯（6）轴线方向相向进给，对管坯（6）按设定加载曲线进行加压，在内压和轴向加压的共同作用下管坯（6）发生胀形直至贴模；

步骤三、通过增压器卸去管坯（6）内压，主滑块带动胀形上模（1）上行，左密封冲头（2）和右密封冲头（5）同时沿管坯（6）轴向后撤，使管坯（6）与左密封冲头（2）和右密封冲头（5）分离，获得满足充液压制要求的变截面圆形管件（61）；

步骤四、按设计要求将上压块（7）与压制下模（9）装配于压力机上，压制下模（9）固定不动，上压块（7）上行至设定高度，上压块（7）和压制下模（9）开启空间用于放置变截面圆形管件（61）；

步骤五、上压块（7）下行至设定高度，保证上压块（7）未与变截面圆形管件（61）发生接触，左管端约束上压块（10）、右管端约束上压块（16）分别在左合模力（N1）和右合模力（N2）作用下同时下行，与左管端约束下压块（13）、右管端约束下压块（14）接触合模，形成完整圆形轮廓，向变截面圆形管件（61）施加固定约束，左密封冲头（12）和右密封冲头（15）分别向变截面圆形管件（61）端部进给扩口实现密封，增压器通过油管向左密封冲头注入孔（11）内注入介质，使介质充满变截面圆形管件（61）内腔体直至腔内液压达到设定值（p）；

步骤六、上压块（7）与水平侧压块（8）按设定加载曲线分别沿竖直方向与水平方向对变截面圆形管件（61 ）进给压制，液压系统中的溢流阀保持变截面圆形管件（61）内腔体液压恒为设定值（p），在模具机械压力与变截面圆形管件（61）内腔体液压的共同作用下贴模成形为变截面异形管件，成形过程结束；

步骤七、卸去变截面异形管件内压，上压块（7）上行，左管端约束上压块（10）和右管端约束上压块（16）上行，左密封冲头（12）和右密封冲头（15）同时沿变截面异形管件轴向后撤，使变截面异形管件与密封冲头分离，将变截面异形管件两侧工艺段进行切割分离，获得满足设计要求的变截面管件（62）。

2.根据权利要求1所述的一种变截面异形管件充液压制成形方法，其特征在于：在步骤五和步骤六中，所述设定值（p）为5MPa -50MPa。

3.根据权利要求1或2所述的一种变截面异形管件充液压制成形方法，其特征在于：步骤七得到的变截面管件（62）为变截面矩形管件。

4.根据权利要求1或2所述的一种变截面异形管件充液压制成形方法，其特征在于：步骤七得到变截面两段式管件，第一段管件截面为梯形，第二段管件截面为矩形。

5.根据权利要求1或2所述的一种变截面异形管件充液压制成形方法，其特征在于：管坯（6）在步骤五充液压制前进行弯管工艺，步骤七得到变截面三段式管件，第一段管件截面为梯形，第二段管件截面为矩形，第三段管件截面为梯形。