CN106001289A - 圆管件对挤扩径装置及方法 - Google Patents

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CN106001289A
CN106001289A CN201610373052.2A CN201610373052A CN106001289A CN 106001289 A CN106001289 A CN 106001289A CN 201610373052 A CN201610373052 A CN 201610373052A CN 106001289 A CN106001289 A CN 106001289A
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董洪波
袁大庆
王以正
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    • B21D39/08—Tube expanders
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Abstract

本发明提供了一种圆管件对挤扩径装置及方法。所述圆管件对挤扩径装置包括：至少两个扇形模具，所述至少两个扇形模具在周向上依次布置形成圆环状，每个所述扇形模具包括：从外至内依次设置的模具外壁和模具内壁，所述至少两个扇形模具的模具内壁形成空腔，所述空腔具有两个端口，分别为第一端口和第二端口，第一端口和第二端口连通；所述第一端口和第二端口之间的距离大于等于被冲挤的圆管件的长度；第一渐缩型冲头，设置在所述第一端口处并通过所述空腔向所述第二端口运动；第二渐缩型冲头，设置在所述第二端口处并通过所述空腔向所述第一端口运动；所述第一渐缩型冲头和第二渐缩型冲头的形状相同。圆管件对挤扩径方法使两个冲头同时对扇形模具的挤压，实现对挤扩径，达到均匀扩径的目的。

Description

圆管件对挤扩径装置及方法
技术领域
本发明涉及机械扩径领域，具体涉及圆管类零件的扩径，即一种圆管件对挤扩径装置及方法。
背景技术
机械扩径是利用模具在机械力的作用下，使圆管类零件的直径向径向扩大，并且不破坏零件结构的一项技术，并且是一种先进制造技术,是制造大直径、高钢级管线钢管的一个重要工艺环节。
目前，机械扩径技术大多存在着扩径不均匀的问题，导致产品的精度达不到要求，从而影响零件的使用。
发明内容
本发明提供一种圆管件对挤扩径装置及方法，以解决机械扩径技术存在的扩径不均匀的问题。
为此，本发明提出一种圆管件对挤扩径装置，用于冲挤圆管件，所述圆管件对挤扩径装置包括：
至少两个扇形模具，所述至少两个扇形模具在周向上依次布置形成圆环状，每个所述扇形模具包括：从外至内依次设置的模具外壁和模具内壁，所述至少两个扇形模具的模具内壁形成空腔，所述空腔具有两个端口，分别为第一端口和第二端口，第一端口和第二端口连通；
所述第一端口和第二端口之间的距离大于等于被冲挤的圆管件的长度；
第一渐缩型冲头，设置在所述第一端口处并在所述空腔中向所述第二端口运动；
第二渐缩型冲头，设置在所述第二端口处并在所述空腔中向所述第一端口运动；
所述第一渐缩型冲头和第二渐缩型冲头的形状相同；
每个所述模具内壁包括：与第一渐缩型冲头相接触的第一段渐缩型内壁、以及与第二渐缩型冲头相接触的第二段渐缩型内壁；所述第一段渐缩型内壁从所述第一端口向所述第二端口的方向逐渐收缩，所述第二段渐缩型内壁从所述第二端口向所述第二端口的方向逐渐收缩。
进一步的，所述第一渐缩型冲头和第二渐缩型冲头均为锥型冲头，所述第一渐缩型冲头和第二渐缩型冲头的锥度相同。
进一步的，沿所述被冲挤的圆管件的径向截面，每个所述扇形模具为扇形，在冲挤圆管件之前，所述至少两个扇形模具在周向上依次连接形成封闭的圆筒状。
进一步的，所述扇形模具的数目为八个，每个所述扇形模具为长条形，每个所述扇形模具的弧度为45度。
进一步的，每个所述扇形模具包括：扩径部和定位在被冲挤的圆管件端部的定位部，所述定位部设置在所述第一端口处并连接所述扩径部，所述扩径部具有扩径部内表面和扩径部外表面，所述定位部设有从内向外突出所述扩径部外表面的卡台。
进一步的，所述模具内壁还包括：连接在所述第一段渐缩型内壁以及第二段渐缩型内壁之间的连接段，所述连接段平行所述圆管件的轴线。
进一步的，所述卡台的外表面与被冲挤的圆管件端部卡接，所述卡台的内表面具有对第一渐缩型冲头进行导向的导向面。
进一步的，所述被冲挤的圆管件内壁有垂直所述圆管件轴向的加强筋，所述扩径部的内表面还包括：对应并容纳所述加强筋的加强筋保护槽。
本发明还提出一种圆管件对挤扩径方法，所述圆管件对挤扩径方法包括：
步骤A:将至少两个扇形模具安装在被冲挤的圆管件之内；将两个冲头分别设置在所述扇形模具的两端；两个冲头的轴线与被冲挤的圆管件的轴线相同；
步骤B:然后，同时以相同的速度使两个冲头相向运动，通过两个冲头同时对扇形模具的挤压，实现对挤扩径。
进一步的，所述圆管件对挤扩径方法可以使用前面所述的圆管件对挤扩径装置。
进一步的，在步骤B中，使所述扇形模具的一端定位在圆管件的端部，所述圆管件对挤扩径方法还包括步骤C:对挤扩径完成后，从被冲挤的圆管件的两端分别退出两个冲头，再从所述圆筒状的模具被定位的一端将所述扇形模具从被冲挤的圆管件端部取出。
本发明通过将至少两个扇形模具安装在被冲挤的圆管件之内；将两个冲头分别设置在所述扇形模具的两端，同时以相同的速度使两个冲头相向运动，通过两个冲头同时对扇形模具的挤压，实现对挤扩径。从而达到均匀扩径的目的。
附图说明
图1为现有技术的单向挤压扩径装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的圆管接头对挤扩扩径方法的工作原理示意图，其中示出了扩径前的状态；
图3示出了图2的A-A处的剖视结构；
图4为本发明实施例的圆管件对挤扩径方法的工作原理示意图，其中示出了扩径后的状态；
图5示出了图4的B-B处的剖视结构；
图6示出了本发明第一实施例的扇形模具的立体结构示意图；
图7示出了本发明第一实施例的扇形模具的主视方向的剖面结构示意图；
图8示出了图7中A-A处的剖结构；
图9示出了有加强筋的圆管件的立体结构示意图；
图10示出了图9的主视方向的剖面结构；
图11示出了本发明第二实施例的扇形模具的立体结构示意图；
图12示出了本发明第二实施例的扇形模具的主视方向的剖面结构示意图；
图13示出了本发明实施例的第一渐缩型冲头的立体结构示意图；
图14示出了图13的主视方向的剖面结构示意图。
附图标号说明：
10连接段 11第一段渐缩型内壁 12第二段渐缩型内壁 21第一渐缩型冲头 22第二渐缩型冲头 3扇形模具 31扩径部 33定位部 35加强筋保护槽 4圆管件 45加强筋 23冲头运动方向 43扩径方向 25扩径量 20冲头 30模具 37空腔
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。
如图2、图4所示，本发明提出一种圆管件对挤扩径装置，用于冲挤圆管件4(包括圆管或圆管接头，圆管接头带有内齿)，对圆管件4扩径，所述圆管件对挤扩径装置包括：
至少两个扇形模具3(也称瓣膜)，例如为2个、3个、4个、5个、6个、8个或更多，至少两个扇形模具形成的圆筒状或圆环状，即形成分瓣式的圆筒状的模具，每个所述扇形模具从外至内包括：依次设置的模具外壁、模具内壁，至少两个扇形模具的模具内壁形成空腔37，所述空腔37具有两个端口，分别为第一端口和第二端口，第一端口和第二端口连通；
所述第一端口和第二端口之间的距离大于等于被冲挤的圆管件4的长度，或者每个扇形模具3的长度大于等于被冲挤的圆管件4的长度；
第一渐缩型冲头21，设置在所述第一端口处并通过所述空腔或在所述空腔中向所述第二端口运动；
第二渐缩型冲头22，设置在所述第二端口处并通过所述空腔或在所述空腔中向所述第一端口运动；
扩径时，第一渐缩型冲头和第二渐缩型冲头二者同时以相同的速度在所述空腔中相向运动(第一渐缩型冲头和第二渐缩型冲头例如均为平移运动)；
此外，冲头也可设计成螺纹转动进给，作用力更小，更加省力节能。
所述第一渐缩型冲头21和第二渐缩型冲头22的形状相同，表面曲率或渐缩比例也相同；以实现对称扩径；
每个扇形模具的内壁包括：与第一渐缩型冲头相接触的第一段渐缩型内壁11、以及与第二渐缩型冲头相接触的第二段渐缩型内壁12；所述第一段渐缩型内壁11从所述第一端口向所述第二端口的方向逐渐收缩，所述第二段渐缩型内壁12从所述第二端口向所述第二端口的方向逐渐收缩。每个扇形模具内壁沿圆筒状的模具的轴截面方向上为V型或横向设置的中括号型(开口朝上的中括号型)，以便对挤扩径。
图1为现有的单向挤压的工作原理，如图1所示，单个冲头20沿着冲头运动方向23对模具30进行单向挤压，扩径方向43垂直模具30轴线或垂直圆管件4的轴线，单个冲头20对模具30施加的合力为垂直模具30内壁方向的力F，分力为垂直模具30轴线的力FN，和平行模具30轴线的力FL，由此可以看出，模具30受到的FL无法抵消，因而，模具30在单向挤压过程中，有轴向错动或移动的趋势，这样，会造成模具30在单向挤压过程中位置不稳定，影响扩径进程和孔径质量，即使对模具30进行端部的轴向定位，则又会产生模具30局部受力不均，也影响孔径质量。
图2和图4为本发明实施例的圆管接头对挤扩扩径方法的工作原理示意图。如图2和图4所示，当两个冲头相向运动时，两个冲头分别相向的沿着冲头运动方向23，以扩径量25、扩径方向43对扇形模具进行挤压。挤压过程中，扇形模具3的内壁在轴向力FL相互抵消，两个冲头对扇形模具径向的力FN使圆筒状的模具产生径向运动，使圆管内径从两端同时扩大，扇形模具3本身也受力均匀，与图1的单向挤压相比，本发明消除了单向挤压扩径时圆管内径只从一端扩大，另一端则无法同步扩径的现象，也消除了模具受力不均的现象，消除了扩径不均匀的现象。
其中，每个扇形模具的大小和形状可以相同，以得到均匀的扩径尺寸。第一段渐缩型内壁与第一渐缩型冲头21的表面形状相吻合，第二段渐缩型内壁与第二渐缩型冲头22的表面形状相吻合，在第一渐缩型冲头21和第二渐缩型冲头22二者同时以相同的速度相向运动时，两个冲头和每个扇形模具的内壁始终相贴合。
进一步的，所述第一渐缩型冲头和第二渐缩型冲头均为锥型冲头，如图13和图14所示，第一渐缩型冲头21为锥型冲头，所述第一渐缩型冲头21和第二渐缩型冲头22的锥度相同，二者结构和尺寸可以相同，以实现对称扩径，二者可以实现互换。第一段渐缩型内壁11和第二段渐缩型内壁12二者可以左右对称设置，第一段渐缩型内壁11和第二段渐缩型内壁12的锥度相同，方向相反，以实现均匀对挤扩径。第一渐缩型冲头21和第二渐缩型冲头22、以及每个扇形模具内壁的光洁度例如为▽8(Ra为0.4)，扩径后以获得较好的内壁质量。
渐缩型冲头的锥度由扩孔量(扩孔前后圆管件半径之差)和圆管件长度决定。具体公式：
锥度＝(扩孔后圆管件半径－扩孔后圆管件半径)/锥型冲头工作带(冲头与模具相接触的部分)的轴向长度。
单向挤压可以在普通的压力机上完成成形，对设备要求不高。但是双向挤压需要两个冲头同步运动，对行程控制精度要求较高，在传统压力机上难以实现。本发明根据其工作原理，采用液压成形设备，并设计液压驱动机构及液压控制系统，以达到较高的控制精度。此外，冲头也可设计成通过螺纹配合转动进给，作用力更小，更省力。
进一步的，如图3和图5所示，以及如图6、图7和图8所示，沿所述被冲挤的圆管件的径向截面，每个所述扇形模具3为扇形，所述至少两个扇形模具3在周向上依次连接形成所述圆筒状。扇形模具越多，每个扇形模具与圆管件4的内壁的受力接触点越多，从而使得管壁的胀形越均匀，成形质量越好。
如图3所示，扩孔前每个扇形模具外表面与圆管件4(圆管)内壁完全贴合，但是圆管内壁扩大后，如图5所示，扇形模具外径没有变化，扇形模具的外表面与圆管内壁逐渐不能完全贴合，扇形模具的外表面与圆管内壁的接触面逐渐减小，所以圆管件4受力面会逐渐减小，因此，扇形模具的数量或瓣数，决定着圆管件4受力面或胀开面的分布。扇形模具越少，圆管变形不均匀，成形质量下降。但增加扇形模具数量，会增加工艺难度和成本。
如图2所示，当两个冲头相向运动时，两个冲头对扇形模具的内壁在轴向力相互抵消，两个冲头对扇形模具径向的力使扇形模具产生径向运动，使圆管内径从两端同时扩大，这样，就消除了单向挤压扩径时圆管内径只从一端扩大，另一端则无法同步扩径的现象。单向挤压时，挤压开始阶段，扇形模具一端扩张，另一端收缩。这样会产生至少两个问题：(1)扇形模具相互作用会产生磨损；冲头及扇形模具工作带加长，对材料的强度要求更高。(2)变形从一端逐渐扩展到另一端，变形过程中扇形模具锥度的细微变化都造成圆管两段扩孔量不同，从而降低均匀性。
双向挤压将模具的工作带的长度减少为单向挤压的一半以内，例如，本发明的双向挤压的模具的工作带的长度为：第一段渐缩型内壁11或第二段渐缩型内壁12的轴向长度(或轴向长度)，对于单向挤压，模具的工作带的长度为：圆管件4(圆管)的轴向长度。相比单向挤压，双向挤压大大降低了对模具的材质的要求，以及模具加工精度、锥度、表面质量的要求，降低了模具的成本。而且，更有效地把挤压力转换为径向扩孔力，更加省力、节能。
进一步的，所述扇形模具的数目为八个，或者说，八个扇形模具3形成一个整体的圆筒状的模具，沿着被冲挤的圆管件的轴向，每个所述扇形模具为长条形，每个所述扇形模具的弧度为45度，八个扇形模具3形成完整的圆环或封闭的圆环。使用八个扇形模具，是同时考虑了成形质量和工艺难度及成本的因素，以保证胀形均匀，而且难度适中，成本适中。
进一步的，每个所述扇形模具3包括：扩径部31和定位在被冲挤的圆管件4端部的定位部33，所述定位部33设置在所述第一端口处并连接所述扩径部31。每个所述扇形模具3中，定位部33只设置在被冲挤的圆管件4的一端，在被冲挤的圆管件4的另一端，则不设置定位部，以免无法安装到被冲挤的圆管件4中。这样，既能保证扇形模具在对挤过程中的稳定性，又能保证扇形模具能够安装到被冲挤的圆管件4中。
所述扩径部31具有扩径部内表面(即扇形模具的内壁)和扩径部外表面，扩径部内表面(扇形模具的内壁)包括：所述第一段渐缩型内壁11以及第二段渐缩型内壁12，这两段内壁为冲头工作带，是与冲头相挤压或接触的部分。所述定位部33设有自扩径部31的端部从内向外突出所述扩径部外表面的卡台。定位部33的外径大于圆管件4的内径，以和圆管件4的端部相贴合，起到定位作用。扇形模具的定位部(定位部卡台)有定位、卸料作用，如图2和图4，使用八个扇形模具时，4个扇形模具的定位部布置在被冲挤的圆管件4的一端，另外4个扇形模具的定位部布置在被冲挤的圆管件4的另一端，也就是装模具时对插进去，这样，整个圆管件4两端受力对称，均匀，有利于提高扩径质量。
进一步的，扇形模具3端部的内表面具有对第一渐缩型冲头21进行导向的导向面。即扇形模具3端部的内壁为锥形或圆弧形，左右基本对称，即扇形模具3的两端入口处的内壁设计成圆弧，便于冲头导入，以实现导向作用，多个扇形模具3形成的整个圆筒状的模具具有喇叭口形状的开口内壁，以实现较好的导向作用。
进一步的，如图2所示，所述扇形模具的内壁还包括：连接在所述第一段渐缩型内壁11以及第二段渐缩型内壁12之间的连接段10，即扩径部除了具有冲头工作带之外，还具有连接段10，以便为两个冲头之间适当留有空隙，防止两个冲突的碰撞。所述连接段10平行所述扩径部的外壁或圆管件4的内壁。
双向挤压过程，扇形模具整体径向移动。理论上，只要扇形模具刚度足够大，整个圆管会同时扩大，其扩孔量是由冲头及扇形模具的锥度决定的。冲头的头部倒圆角或做成球形，便于导入扇形模具空腔中。冲头挤压到位后，两个冲头(挤压头)之间应适当留有空隙，防止(挤压头)碰撞。两个冲头相向运动的有效距离是锥型冲头工作带的轴向长度(例如为第一段渐缩型内壁11的轴向长度)，连接段10的长度为圆管件4的长度减去2个锥型冲头工作带的轴向长度。连接段10应尽量小一些，冲头的斜度小，推力小，管件轴向受力也更均匀。
进一步的，所述定位部卡台的外表面与被冲挤的圆管件端部卡接，实现扇形模具3精确定位。
本发明不仅适用于以上圆管件4无加强筋的情况，同时还适用于圆管件4内壁有加强筋的情况。进一步的，如图9和图10所示，所述被冲挤的圆管件4内壁有垂直所述圆管件轴向的加强筋45，如图11和图12所示，所述扩径部的内表面还包括：对应并容纳所述加强筋的加强筋保护槽35，以使圆管件4内壁有加强筋时，保护加强筋45，实现对挤扩径。加强筋保护槽35垂直圆管件4的轴线，以对应加强筋45设置。
本发明还提出一种圆管件对挤扩径方法，所述圆管件对挤扩径方法包括：
步骤A:将至少两个扇形模具3安装在被冲挤的圆管件4之内，至少两个扇形模具在扩径前形成圆环状(例如为360度的圆环)；将两个冲头(第一渐缩型冲头21和第二渐缩型冲头22)分别设置在每个扇形模具3的两端；两个冲头的轴线与被冲挤的圆管件的轴线相同；
步骤B:然后，同时以相同的速度使两个冲头相向运动，例如，两个冲头都平动运动，通过液压的动力(可以通过控制系统，例如为液压控制系统控制两个冲头运动的精度)使两个冲头同时对扇形模具3的挤压，实现对挤扩径。
通过两个冲头同时对扇形模具的挤压，实现对挤扩径。冲头的轴向力会均匀的转化为扇形模具沿圆管的径向力，从而达到均匀扩径的目的。所述圆管件对挤扩径方法可以使用前面所述的圆管件对挤扩径装置。本申请扇形模具设计成左右对称，两端均有斜面工作带，能够实现双向挤压；而传统的扇形模具只有一个斜面，不能双向挤压。
进一步的，扇形模具由多个(例如为八个)扇形模具3形成，扇形模具越多，每个扇形模具与圆管件4的内壁的受力接触点越多，从而使得管壁的胀形越均匀，成形质量越好。
进一步的，在步骤B中，使所述扇形模具的一端定位在圆管件4的端部，所述圆管件对挤扩径方法还包括步骤C:对挤扩径完成后，从被冲挤的圆管件的两端分别(可以同时，也可以先后)退出两个冲头，再从所述扇形模具被定位的一端将所述每个扇形模具从被冲挤的圆管件端部取出。
本申请的扇形模具设计了端部的定位部卡台，一方后面安装时起到定位作用，便于模具安装，另一方面，卸载后，卡台部位可以施加外力，辅助取出模具，便于模具取出。扩径时，在圆管件的内壁上可以涂润滑剂。圆管接头扩孔后内径变大，冲头退出后，扇形模具容易取出。如果由于润滑剂的吸附作用，模具贴于管壁上，模具端部的卡台可以施加外力辅助取出模具。这样，退出冲头速度快。
本发明可以适用于普通的钢管扩径，也可以适用于其他合金管。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种圆管件对挤扩径装置，用于冲挤圆管件，其特征在于，所述圆管件对挤扩径装置包括：
至少两个扇形模具，所述至少两个扇形模具在周向上依次布置形成圆环状，每个所述扇形模具包括：从外至内依次设置的模具外壁和模具内壁，所述至少两个扇形模具的模具内壁形成空腔，所述空腔具有两个端口，分别为第一端口和第二端口，第一端口和第二端口连通；
所述第一端口和第二端口之间的距离大于等于被冲挤的圆管件的长度；
第一渐缩型冲头，设置在所述第一端口处并在所述空腔中向所述第二端口运动；
第二渐缩型冲头，设置在所述第二端口处并在所述空腔中向所述第一端口运动；
所述第一渐缩型冲头和第二渐缩型冲头的形状相同；
每个所述模具内壁包括：与第一渐缩型冲头相接触的第一段渐缩型内壁、以及与第二渐缩型冲头相接触的第二段渐缩型内壁；所述第一段渐缩型内壁从所述第一端口向所述第二端口的方向逐渐收缩，所述第二段渐缩型内壁从所述第二端口向所述第二端口的方向逐渐收缩。
2.如权利要求1所述的圆管件对挤扩径装置，其特征在于，所述第一渐缩型冲头和第二渐缩型冲头均为锥型冲头，所述第一渐缩型冲头和第二渐缩型冲头的锥度相同。
3.如权利要求1所述的圆管件对挤扩径装置，其特征在于，沿所述被冲挤的圆管件的径向截面，每个所述扇形模具为扇形，在冲挤圆管件之前，所述至少两个扇形模具在周向上依次连接形成封闭的圆筒状。
4.如权利要求1所述的圆管件对挤扩径装置，其特征在于，所述扇形模具的数目为八个，每个所述扇形模具为长条形，每个所述扇形模具的弧度为45度。
5.如权利要求1所述的圆管件对挤扩径装置，其特征在于，每个所述扇形模具包括：扩径部和定位在被冲挤的圆管件端部的定位部，所述定位部设置在所述第一端口处并连接所述扩径部，所述扩径部具有扩径部内表面和扩径部外表面，所述定位部设有从内向外突出所述扩径部外表面的卡台。
6.如权利要求1所述的圆管件对挤扩径装置，其特征在于，所述模具内壁还包括：连接在所述第一段渐缩型内壁以及第二段渐缩型内壁之间的连接段，所述连接段平行所述圆管件的轴线。
7.如权利要求5所述的圆管件对挤扩径装置，其特征在于，所述卡台的外表面与被冲挤的圆管件端部卡接，所述卡台的内表面具有对第一渐缩型冲头进行导向的导向面。
8.如权利要求5所述的圆管件对挤扩径装置，其特征在于，所述被冲挤的圆管件内壁有垂直所述圆管件轴向的加强筋，所述扩径部的内表面还包括：对应并容纳所述加强筋的加强筋保护槽。
9.一种圆管件对挤扩径方法，其特征在于，所述圆管件对挤扩径方法包括：
步骤A:将至少两个扇形模具安装在被冲挤的圆管件之内；将两个冲头分别设置在所述扇形模具的两端；两个冲头的轴线与被冲挤的圆管件的轴线相同；
步骤B:然后，同时以相同的速度使两个冲头相向运动，通过两个冲头同时对扇形模具的挤压，实现对挤扩径。
10.如权利要求9所述的圆管件对挤扩径方法，其特征在于，在步骤B中，使所述扇形模具的一端定位在圆管件的端部，所述圆管件对挤扩径方法还包括步骤C:对挤扩径完成后，从被冲挤的圆管件的两端分别退出两个冲头，再从扇形模具被定位的一端将所述扇形模具从被冲挤的圆管件端部取出。
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