CN107052123B - 一种金属管类零件热态金属气压成型方法 - Google Patents

一种金属管类零件热态金属气压成型方法 Download PDF

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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
[0001]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
[0002]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、毛还产 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。
[0003] 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
[0004] 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。
[0005] 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;
[0006] 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;
[0007] 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;
[0008] 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 栗、水箱;冷却板、硬质水管、冷热水分水器、水箱和水栗共同构成冷却系统,用于对加热保 温炉膛进行冷却使其加热温度保持恒定;
[0009] 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:
[0010] 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950〜100(TC,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1〇〇〇 °C时停止加热;
[0011] 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;
[0012] 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 °C;
[0013] 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;
[0014] 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; [0015] 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;
[0016] 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;
[0017] 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;
[0018] 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。
[0019]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
[0020] 图1为下模的整体结构示意图。
[0021] 图2为图1的部分分解结构示意图。
[0022]图3为上模的整体结构示意图。
[0023]图4为图3的部分分解结构示意图。
[0024]图5为成型模具的整体结构示意图。
[0025]图6为本发明中整体设备的使用状态参考图。
[0026]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;M、下模炉膛支 撑面;6、下模型腔;61、下模工艺控制区;似、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 K ;92、上楔冷却进水口;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;U2、上模炉膛电阻丝;113、上模炉膛支撑 面;I2、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;2〇、自动上料装置;3〇、高压气源;40、压力机;401、压力机上平台;402、压 力机下平台;4〇3、压力机侧顶装置;50、水泵。
具体实施方式
[0027]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。
[0028]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;
[0029]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;
[0030]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;
[0031]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;
[0032]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;
[0033]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;
[0034] 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;
[0035] 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与上模炉膛固定板紧固连接;
[0036] 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;
[0037] 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1M通过插置 在上模型腔安装卡槽94内使上模型腔I2与上模冷却板9固定连接;
[0038] 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;
[0039] 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;
[0040] 上模冷却板9的左右两端均设置有上模冷却进水口 9 2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;
[0041]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。
[0042]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。
[0043]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。
[0044]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。
[0045] 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。
[0046] 下模型腔6、上模型腔12均由钨合金制作而成。
[0047] 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。
[0048] 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:
[0049] 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4〇上;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 I72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 1乃实现水箱18中的冷水 经水栗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。
[0050] 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I23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I5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4〇3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。
[0051] 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4〇3上;
[0052] 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;
[0053] 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:
[0054] 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°C,通过温控设 备对加热温度进行监控,当低于950°C时继续加热,达到100(TC时停止加热;
[0055] 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,经由水栗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;
[0056] 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 °C;
[0057] 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;
[0058] 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;
[0059] 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;
[0060] 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;
[0061] 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;
[0062] 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。
[0063]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:
[0064] (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;
[0065] (¾零件成型精度可控,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;、
[0066] (¾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^ 进而实现充分成型;
[0067] (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;
[0068] (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。
[0069] 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。
[0070] 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;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⑹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,用于对上模加热保温炉膛(11)和下模加热保温炉膛 (5)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⑹和上模型腔(12)进行加热;将加热温度设置为950〜100(TC,通过 温控设备对加热温度进行监控,当低于950°C时继续加热,达到l〇〇〇°C时停止加热; b、 启动水栗(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),经由水栗(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 °C; 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(I5)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(丨5)与成型模具密封端处于分离状 态,分离间距达到5〇mm后停止运动;压力机上平台(4〇1)上行,带动上模一起向上运动,将模 具打开; i、 自动上料装置(2〇)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。 ’
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