CN107052123A - 一种金属管类零件热态金属气压成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属管类零件热态金属气压成型方法，具体工艺流程为：闭合模具，接通电源，模具型腔加热至指定温度；冷却系统工作；管坯放入感应加热装置中进行感应加热；压力机运行，将成型模具打开；自动上料装置夹取管坯并将其放入到模具型腔中；压力机运行，将成型模具闭合并对其施加压力；高压气源通过密封堵头向管坯中注入高压气体，使管坯和模具型腔完全贴合；释放管坯中的压力，压力机启动，将成型模具打开；自动上料装置将成型后的零件从成型模具的型腔中取出。本发明通过高压气体作用于热态金属管内壁，迫使金属发生塑性变形，可实现管类高精度形状复杂类零件成形，在航空航天、汽车、机械制造等领域都具有广泛应用。

Description

一种金属管类零件热态金属气压成型方法

技术领域

本发明涉及一种成型方法，尤其涉及一种金属管类零件热态金属气压成型方法。

背景技术

根据模具规格和用途的不同，金属管类材料的传统成型方法有很多种，其中尤以铸造、锻造工艺应用最为广泛。但这两种工艺均存在工人劳动强度大、生产效率低、毛坯产品废品率居高不下等问题。人们后继开发了一种靠压力机和模具对管材施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸工件的成形加工方法，称之为冲压。冲压工艺虽然能有效提高产品的生产效率，但其同时也存在设备结构复杂、造价较高等缺陷。

随着科技的发展与机电一体化技术的进步，人们又开发了一种新型的金属成型技术，即液压成型。液压成型技术在减轻重量、减少零件数量和模具数量、提高刚度与强度、降低生产成本等方面都具有明显的技术和经济优势，自开发以来就得到了快速的发展与普遍的应用。目前全球范围内的金属管类零件成型大多都是采用该方法，但该法的零件制造精度仍然有待提高，它对于一些复杂型面的零件成型精度较低。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种金属管类零件热态金属气压成型方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种金属管类零件热态金属气压成型方法，该方法使用到的设备包括成型模具、高压气源、感应加热装置；成型模具设置于压力机的内部；压力机由压力机上平台、压力机下平台和压力机侧顶装置组成；成型模具的左右两端均设置有密封堵头，密封堵头通过螺钉安装在压力机侧顶装置上；

压力机的左侧依次设置有自动上料装置、感应加热装置；感应加热装置用于对管坯进行加热，然后由自动上料装置将加热好的管坯送到成形模具的型腔内，再通过压力机提供的正压力以及侧向密封压力使成型模具完全处于闭合压紧状态；密封堵头通过高压气管与高压气源相连接，高压气源用于将高压气体注入到加热好的处于成型模具内的管坯上；

成型模具分为上模、下模；上模、下模上分别设置有上模加热保温炉膛、下模加热保温炉膛；上模加热保温炉膛的底部中间、下模加热保温炉膛的顶部中间对应设置有上模型腔、下模型腔；上模型腔、下模型腔的两端均设置有冷却板；冷却板的外侧均设置有冷却固定板；冷却固定板上对应设置有温控设备；

冷却板通过硬质水管与冷热水分水器相连接；冷热水分水器的右侧依次设置有水泵、水箱；冷却板、硬质水管、冷热水分水器、水箱和水泵共同构成冷却系统，用于对加热保温炉膛进行冷却使其加热温度保持恒定；

一种金属管类零件热态金属气压成型方法，具体工艺流程如下：

a、将成型模具处于闭合状态，接通电源，下模加热保温炉膛和上模加热保温炉膛分别对下模型腔和上模型腔进行加热；将加热温度设置为950～1000℃，通过温控设备对加热温度进行监控，当低于950℃时继续加热，达到1000℃时停止加热；

b、启动水泵使冷却系统处于工作状态，实现冷水由水箱经过水泵进入冷热水分水器，再由冷热水分水器通过硬质水管进入冷却板；冷却后再由冷却板沿另一条线路流回到冷热水分水器，经由水泵回到水箱，形成一个封闭的水循环过程，达到冷却目的；控制水流速度大于2m/s；

c、将未成形的管坯放入感应加热装置中，进行感应加热；控制感应加热时间为3～4s、温度为1000℃；

d、压力机上平台上行，带动上模一起向上运动，将成型模具打开；同时，压力机侧顶装置沿着水平方向分别向远离成型模具方向运动，带动密封堵头与成型模具密封端处于分离状态，当分离间距达到50mm后停止运动；

e、自动上料装置启动，夹取感应加热处理之后的管坯并将其放入到下模型腔中；

f、压力机上平台下行，带动上模一起向下运动，将成型模具闭合并对其作用400吨的正压力；同时，压力机侧顶装置沿着水平方向分别向靠近成型模具的方向运动，带动密封堵头与成型模具密封端贴合并对其作用10吨的侧压力；

g、高压气源先将高压气体输入到密封堵头，再由密封堵头注入到成型模具中的管坯内，使管坯内气压逐渐增大，管坯和模具型腔完全贴合，零件成型完成；

h、通过高压气源，将成型模具管坯内的压力释放出来；压力机侧顶装置沿着水平方向分别向远离成型模具方向运动，带动密封堵头与成型模具密封端处于分离状态，分离间距达到50mm后停止运动；压力机上平台上行，带动上模一起向上运动，将模具打开；

i、自动上料装置将成型后的零件从成型模具的型腔中取出，放到零件摆放台上，完成一次零件成型过程。

本发明通过高压气体作用于热态金属管内壁，迫使金属发生塑性变形，可实现管类高精度形状复杂类零件成形，在航空航天、汽车、机械制造等领域都具有广泛应用。

附图说明

图1为下模的整体结构示意图。

图2为图1的部分分解结构示意图。

图3为上模的整体结构示意图。

图4为图3的部分分解结构示意图。

图5为成型模具的整体结构示意图。

图6为本发明中整体设备的使用状态参考图。

图中：1、下模底板；2、下模冷却固定板；21、下模密封区；22、下模温控信号接口；23、下模电源接口；24、下模冷却板螺钉孔；25、下模冷却固定板螺钉孔；3、下模冷却板；31、下模冷却区；32、下模冷却进水口；33、下模冷却出水口；34、下模型腔安装卡槽；4、下模炉膛固定板；5、下模加热保温炉膛；51、下模炉膛安装卡面；52、下模炉膛电阻丝；53、下模炉膛支撑面；6、下模型腔；61、下模工艺控制区；62、下模加热区；63、下模温控设备；64、下模型腔安装筋；7、上模顶板；8、上模冷却固定板；81、上模密封区；82、上模温控信号接口；83、上模电源接口；84、上模冷却板螺钉孔；85、上模冷却固定板螺钉孔；9、上模冷却板；91、上模冷却区；92、上模冷却进水口；93、上模冷却出水口；94、上模型腔安装卡槽；10、上模炉膛固定板；11、上模加热保温炉膛；111、上模炉膛安装卡面；112、上模炉膛电阻丝；113、上模炉膛支撑面；12、上模型腔；121、上模工艺控制区；122、上模加热区；123、上模温控设备；124、上模型腔安装筋；13、导板；14、硬质水管；15、密封堵头；16、高压气管；17、冷热水分水器；171、分水器进水分口；172、分水器出水分口；173、分水器进水总口；174、分水器出水总口；18、水箱；19、感应加热装置；20、自动上料装置；30、高压气源；40、压力机；401、压力机上平台；402、压力机下平台；403、压力机侧顶装置；50、水泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1～4所示，一种金属管类零件热态金属气压成形模具，由上模和下模组成；上模和下模通过导板13精准合模；导板13为两个，两个导板对称设置于上模和下模的左右两端；

下模包括下模底板1、下模加热保温炉膛5；下模加热保温炉膛5设置于下模底板1上；下模加热保温炉膛5的左右两端均为阶梯状的下模炉膛安装卡面51，下模加热保温炉膛5通过下模炉膛安装卡面51与下模炉膛固定板4紧固连接；

下模加热保温炉膛5的前端、后端均设置有下模冷却板3；下模冷却板3的外侧均设置有下模冷却固定板2；下模冷却固定板2均固定于下模底板1上；

下模加热保温炉膛5的上部中间纵向开设有下模凹槽，下模凹槽内插置有下模型腔6；下模型腔6的前端、后端均设置有下模型腔安装筋64；下模型腔安装筋64通过插置在下模型腔安装卡槽34内使下模型腔6与下模冷却板3固定连接；

下模型腔安装筋64的内侧为下模工艺控制区61；下模工艺控制区61的内侧为下模加热区62；下模工艺控制区61和下模加热区62均为两个，两个下模工艺控制区61和下模加热区62均前后对称；

下模工艺控制区61对应的下模冷却板上均开设有下模冷却区31；下模冷却区31对应的下模冷却固定板上均开设有下模密封区21；

下模冷却板3的左右两端均设置有下模冷却进水口32和下模冷却出水口33；下模冷却固定板2的外侧面上分别设置有下模温控信号接口22、下模温控设备63、下模电源接口23；下模温控信号接口22内设置有下模热电偶，下模热电偶的一端穿过下模冷却板3与下模型腔6相连接，另一端与下模温控设备63相连接；

上模包括上模顶板7、上模加热保温炉膛11；上模加热保温炉膛11设置于上模顶板7的底面上；上模加热保温炉膛11的左右两端均为阶梯状的上模炉膛安装卡面111，上模加热保温炉膛11通过上模炉膛安装卡面111与上模炉膛固定板10紧固连接；

上模加热保温炉膛11的前端、后端均设置有上模冷却板9；上模冷却板9的外侧均设置有上模冷却固定板8；上模冷却固定板8均固定于上模顶板7的底面上；

上模加热保温炉膛11的下部中间纵向开设有上模凹槽，上模凹槽内插置有上模型腔12；上模型腔12的前端、后端均设置有上模型腔安装筋124；上模型腔安装筋124通过插置在上模型腔安装卡槽94内使上模型腔12与上模冷却板9固定连接；

上模型腔安装筋124的内侧为上模工艺控制区121；上模工艺控制区121的内侧为上模加热区122；上模工艺控制区121和上模加热区122均为两个，两个上模工艺控制区121和上模加热区122均前后对称；

上模工艺控制区121对应的上模冷却板上均开设有上模冷却区91；上模冷却区91对应的上模冷却固定板上均开设有上模密封区81；

上模冷却板9的左右两端均设置有上模冷却进水口92和上模冷却出水口93；上模冷却固定板8的外侧面上分别设置有上模温控信号接口82、上模温控设备123、上模电源接口83；上模温控信号接口82内设置有上模热电偶，上模热电偶的一端穿过上模冷却板9与上模型腔12相连接，另一端与上模温控设备123相连接；

下模型腔安装卡槽34、上模型腔安装卡槽94均为两个，两个下模型腔安装卡槽、上模型腔安装卡槽分别开设于两个下模冷却板3、上模冷却板9的内侧面上。

下模凹槽的前端、中间、后端均设置有下模炉膛支撑面53；上模凹槽的前端、中间、后端均设置有上模炉膛支撑面113；下模炉膛支撑面53与下模型腔6的侧壁与底部相贴合，对下模型腔6起支撑作用；上模炉膛支撑面113与上模型腔12的侧壁与顶部相贴合，对上模型腔12起支撑作用。

下模加热保温炉膛5、上模加热保温炉膛11的内部分别缠绕有下模炉膛电阻丝52、上模炉膛电阻丝112。

下模冷却板3和下模冷却固定板2上对应开设有下模冷却板螺钉孔24；下模冷却固定板2和下模底板1上对应开设有下模冷却固定板螺钉孔25；上模冷却板9和上模冷却固定板8上对应开设有上模冷却板螺钉孔84；上模冷却固定板8和上模顶板7上对应开设有上模冷却固定板螺钉孔85。

下模炉膛固定板4通过螺钉固定在下模底板1上；上模炉膛固定板10通过螺钉固定在上模顶板7上。

下模型腔6、上模型腔12均由钨合金制作而成。

下模加热保温炉膛5、上模加热保温炉膛11的材质均为石英陶瓷。

一种金属管类零件热态金属气压成形模具的具体组装方案如下：

如图5、图6所示，上下模独立安装完成之后，将上下模合模；合模过程中，导板13起到定位导向作用，确保上下模合模精准。合模后，将模具安装到压力机40上；在模具一侧的下模冷却进水口32及上模冷却进水口92上接入硬质水管14，然后将硬质水管14的另一端均接到分水器进水分口171上；在模具另一侧的下模冷却出水口33及上模冷却出水口93上接入硬质水管14，然后将硬质水管14的另一端接到分水器出水分口172上；再通过硬质水管14将分水器17和水泵50以及水箱18连接起来，通过分水器进水总口173实现水箱18中的冷水经水泵50吸入模具，通过分水器出水总口174实现模具中的热水经水泵50吸入到水箱18中，从而实现水循环，达到冷却目的。冷却板、硬质水管14、冷热水分水器17、水箱18和水泵50共同构成冷却系统，用于对加热保温炉膛进行冷却使其加热温度保持恒定。

用电线将下模型腔6内的热电偶通过下模温控信号接口22与下模温控设备63相连，用电线将上模型腔12内的热电偶通过上模温控信号接口82与上模温控设备123相连，再统一与外电源相连，可实现对上下模型腔加热温度的监控。将密封堵头15与下模密封区21和上模密封区81围成的密封区轴线重合对中后通过螺钉安装到压力机侧顶装置403上。通过高压气管16将高压气源30与密封堵头15相连，实现高压气体路线接通。

本发明的工艺流程使用到的设备包括成型模具、高压气源30、感应加热装置19；成型模具设置于压力机40的内部；压力机40由压力机上平台401、压力机下平台402和压力机侧顶装置403组成；成型模具的左右两端均设置有密封堵头15，密封堵头15通过螺钉安装在压力机侧顶装置403上；

压力机40的左侧依次设置有自动上料装置20、感应加热装置19；感应加热装置19用于对管坯进行加热，然后由自动上料装置20将加热好的管坯送到成型模具的型腔内，再通过压力机40提供的正压力以及侧向密封压力使成型模具完全处于闭合压紧状态；密封堵头15通过高压气管16与高压气源30相连接，高压气源30用于将高压气体注入到加热好的处于成型模具内的管坯上；

一种金属管类零件热态金属气压成型方法，具体工艺流程如下：

a、将成型模具处于闭合状态，接通电源，下模加热保温炉膛5和上模加热保温炉膛11分别对下模型腔6和上模型腔12进行加热；将加热温度设置为950～1000℃，通过温控设备对加热温度进行监控，当低于950℃时继续加热，达到1000℃时停止加热；

b、启动水泵50使冷却系统处于工作状态，实现冷水由水箱18经过水泵50进入冷热水分水器17，再由冷热水分水器17通过硬质水管14进入冷却板；冷却后再由冷却板沿另一条线路流回到冷热水分水器17，经由水泵50回到水箱18，形成一个封闭的水循环过程，达到冷却目的；控制水流速度大于2m/s；

c、将未成形的管坯放入感应加热装置19中，进行感应加热；控制感应加热时间为3～4s、温度为1000℃；

d、压力机上平台401上行，带动上模一起向上运动，将成型模具打开；同时，压力机侧顶装置403沿着水平方向分别向远离成型模具方向运动，带动密封堵头15与成型模具密封端处于分离状态，当分离间距达到50mm后停止运动；

e、自动上料装置20启动，夹取感应加热处理之后的管坯并将其放入到下模型腔6中；

f、压力机上平台401下行，带动上模一起向下运动，将成型模具闭合并对其作用400吨的正压力；同时，压力机侧顶装置403沿着水平方向分别向靠近成型模具的方向运动，带动密封堵头15与成型模具密封端贴合并对其作用10吨的侧压力；

g、高压气源30先将高压气体输入到密封堵头15，再由密封堵头15注入到成型模具中的管坯内，使管坯内气压逐渐增大，在15～20秒的时间将气压增加到40MPa；至此管坯和模具型腔完全贴合，零件成型完成；

h、通过高压气源30，将成型模具管坯内的压力释放出来；压力机侧顶装置403沿着水平方向分别向远离成型模具方向运动，带动密封堵头15与成型模具密封端处于分离状态，分离间距达到50mm后停止运动；压力机上平台401上行，带动上模一起向上运动，将模具打开；

i、自动上料装置20将成型后的零件从成型模具的型腔中取出，放到零件摆放台上，完成一次零件成型过程。

本发明与传统金属管类零件的成型方法相比，具有以下优势：

(1)模具型腔内的加热温度可通过温控设备进行调整，所以可对不同材料进行热气胀成型，管坯材质选择具有多样性；

(2)零件成型精度可控，可有效弥补由于热传导导致的温度分布不均造成的零件成型不足，同时，可根据材质对工艺控制区长度进行调整，进而实现最佳工艺途径；

(3)可根据零件复杂程度及变形量大小，调整气体压力，从而实现复杂形状管类零件的成形。如零件形状复杂的变形量较大的而且有较小圆角需要成型的，则调大气体压力进而实现充分成型；

(4)可完成变截面周长的管类零件一体化一次成型，传统的变截面周长管类零件都是分段成型后再焊接完成，本发明可实现一体一次成型；

(5)感应加热与气胀成型的配套使用，可实现高效精准化生产。

热态金属气压成形是通过高压气体作用于热态金属管内壁，迫使金属发生塑性变形，最后和模具贴合而成形的一种塑性加工方法。气涨过程中，金属处于高温状态，塑性变形能力增加，可获得较大变形量，同时，变形难度较常温态大幅降低，可实现管类高精度形状复杂类零件成形。本发明应用范围较广，适用于铝合金、镁合金、普通钢及高强度钢的塑性成型，在航空航天、汽车、机械制造等领域有广泛应用前景。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种金属管类零件热态金属气压成型方法，其特征在于：所述方法使用到的设备包括成型模具、高压气源(30)、感应加热装置(19)；所述成型模具设置于压力机(40)的内部；所述压力机(40)由压力机上平台(401)、压力机下平台(402)和压力机侧顶装置(403)组成；所述成型模具的左右两端均设置有密封堵头(15)，密封堵头(15)通过螺钉安装在压力机侧顶装置(403)上；

所述压力机(40)的左侧依次设置有自动上料装置(20)、感应加热装置(19)；所述感应加热装置(19)用于对管坯进行加热，然后由自动上料装置(20)将加热好的管坯送到成形模具的型腔内，再通过压力机(40)提供的正压力以及侧向密封压力使成型模具完全处于闭合压紧状态；所述密封堵头(15)通过高压气管(16)与高压气源(30)相连接，高压气源(30)用于将高压气体注入到加热好的处于成型模具内的管坯上；

所述成型模具分为上模、下模；所述上模、下模上分别设置有上模加热保温炉膛(11)、下模加热保温炉膛(5)；所述上模加热保温炉膛(11)的底部中间、下模加热保温炉膛(5)的顶部中间对应设置有上模型腔(12)、下模型腔(6)；所述上模型腔(12)、下模型腔(6)的两端均设置有冷却板；所述冷却板的外侧均设置有冷却固定板；所述冷却固定板上对应设置有温控设备；

所述冷却板通过硬质水管(14)与冷热水分水器(17)相连接；所述冷热水分水器(17)的右侧依次设置有水泵(50)、水箱(18)；所述冷却板、硬质水管(14)、冷热水分水器(17)、水箱(18)和水泵(50)共同构成冷却系统，用于对加热保温炉膛进行冷却使其加热温度保持恒定；

所述方法的具体工艺流程如下：

a、将成型模具处于闭合状态，接通电源，下模加热保温炉膛(5)和上模加热保温炉膛(11)分别对下模型腔(6)和上模型腔(12)进行加热；将加热温度设置为950～1000℃，通过温控设备对加热温度进行监控，当低于950℃时继续加热，达到1000℃时停止加热；

b、启动水泵(50)使冷却系统处于工作状态，实现冷水由水箱(18)经过水泵(50)进入冷热水分水器(17)，再由冷热水分水器(17)通过硬质水管(14)进入冷却板；冷却后再由冷却板沿另一条线路流回到冷热水分水器(17)，经由水泵(50)回到水箱(18)，形成一个封闭的水循环过程，达到冷却目的；控制水流速度大于2m/s；

c、将未成形的管坯放入感应加热装置(19)中，进行感应加热；控制感应加热时间为3～4s、温度为1000℃；

d、压力机上平台(401)上行，带动上模一起向上运动，将成型模具打开；同时，压力机侧顶装置(403)沿着水平方向分别向远离成型模具方向运动，带动密封堵头(15)与成型模具密封端处于分离状态，当分离间距达到50mm后停止运动；

e、自动上料装置(20)启动，夹取感应加热处理之后的管坯并将其放入到下模型腔(6)中；

f、压力机上平台(401)下行，带动上模一起向下运动，将成型模具闭合并对其作用400吨的正压力；同时，压力机侧顶装置(403)沿着水平方向分别向靠近成型模具的方向运动，带动密封堵头(15)与成型模具密封端贴合并对其作用10吨的侧压力；

g、高压气源(30)先将高压气体输入到密封堵头(15)，再由密封堵头(15)注入到成型模具中的管坯内，使管坯内气压逐渐增大，管坯和模具型腔完全贴合，零件成型完成；

h、通过高压气源(30)，将成型模具管坯内的压力释放出来；压力机侧顶装置(403)沿着水平方向分别向远离成型模具方向运动，带动密封堵头(15)与成型模具密封端处于分离状态，分离间距达到50mm后停止运动；压力机上平台(401)上行，带动上模一起向上运动，将模具打开；

i、自动上料装置(20)将成型后的零件从成型模具的型腔中取出，放到零件摆放台上，完成一次零件成型过程。