CN107626803B - 基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具及成形方法，其通过合金管材加热气胀成形模具对待加工合金管坯形成密封后，采用向待加工合金管坯内喷射混合的汽油和空气并点火燃烧，使得加工合金管坯内的气压急剧增加，并通过燃烧使得管坯管壁受热升温后成形性能得以提升，进而促使管坯气胀成形得到成形空心工件，无需外部提供加热系统和复杂的高压供给系统，设备投资低，易于实现，加工效率高，且能够提高工件成形过程中的成形性能，并提供给足够的气胀成形压力，能够适用于高强钢、超高强钢等合金管材加工空心变截面零部件，有利于促进高强钢和超高强钢材质的空心变截面零部件在汽车产品中的应用，推进汽车工业技术的进步。

Description

基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具及成形方法

技术领域

本发明涉及合金管材的成形技术领域，尤其设计一种基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具及成形方法。

背景技术

在航空、航天、汽车等诸多工业领域中，零件采用“以空代实”的结构越来越普遍，采用空心变截面结构的零部件，能够满足在承受大载荷的情况下，达到减重和节约材料的目的。空心变截面零部件的常见制造方法有分段焊接和高压充液成形技术等。由于焊接方法制造出来的变径管存在焊缝，因此其刚度和耐腐蚀的能力较差，应用领域大大受到限制。高压充液成形技术主要是在合金管坯的内部通入高压液体，管件在高压液体的径向压力和管端加载的轴向压力的共同作用下发生变形，并最终贴模成形，采用高压充液成形技术制造出空心变截面零部件由于没有焊缝，因此部件整体的强度和刚度较好。

高压充液成形加工方法主要应用于普通钢管、铜管等易成形材料的冷态成形。而目前在汽车制造行业，随着人们对汽车安全性能要求的提高，越来越多的高强钢和超高强钢被应用于汽车空心零部件的生产。材料强度的提高，使得通过高强钢、超高强钢等合金管材加工空心变截面零部件的难度越来越大，采用高压充液成形加工方法会导致成形所需液压过大，对液压设备的要求过高，往往难以达到所需液压要求，影响工件加工的效率，并且容易因所提供液压不足而造成高强钢、超高强钢等合金管材加工空心变截面零部件的精度不足，难以满足零部件加工要求。这就制约了高强钢和超高强钢材质的空心变截面零部件在汽车产品中的应用。

因此，亟需一种易于实现、加工效率高、能够适用于高强钢和超高强钢材质的合金管材加工空心变截面零部件的工件加工新方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具及成形方法，该方法能够适用于高强钢、超高强钢等合金管材加工空心变截面零部件，且易于实现、加工效率高，能够解决现有技术针对高强钢、超高强钢等合金管材加工空心变截面零部件存在的难以满足压力要求、加工效率低、加工精度不足等问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具，包括能够相互配合的上成型镶块和下成型镶块，所述上成型镶块和下成型镶块均具有整体呈贯通的凹槽状且中部凹陷深、两端部凹陷浅的型腔面，使得上成型镶块和下成型镶块配合连接后，二者的型腔面能够围合形成筒状的且中部内径大、两端部内径小的型腔通道空间，且所述型腔通道空间两端的小内径部与待加工合金管坯的外径形状相匹配，所述通道空间中部的大内径部为气胀成形模腔部；所述上成型镶块和下成型镶块上沿各自的型腔面延伸方向还分布铺设有若干道贯通的冷却水通道；

还包括能够与上成型镶块和下成型镶块配合连接后围合形成的型腔通道空间两端的小内径部进行滑动密封配合的两个冲头，所述冲头朝向型腔通道空间的一端设置有火花塞和用于朝向型腔通道空间内喷油的单向喷油嘴，冲头上还设置有连通至所述单向喷油嘴的气路通道和油路通道，以及与所述火花塞导电连接的火花塞电控端子。

上述基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具中，作为优选方案，所述上成型镶块和下成型镶块上，冷却水通道与型腔面的间隔距离为5~40mm。

上述基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具中，作为优选方案，所述单向喷油嘴具有依次连通的气路/油路接口、阀门安装腔和喷油通道，所述阀门安装腔内通过弹性复位结构安装有阀门塞，使得所述阀门塞能够在复位状态下阻断气路/油路接口与阀门安装腔之间的连通。

基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法，利用上述基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具对待加工合金管坯进行加热气胀成形加工，得到成形空心工件；该方法具体包括如下步骤：

1）将合金管材加热气胀成形模具中的下成型镶块固定安装在定模座上，使得下成型镶块的型腔面朝上，并将待加工合金管坯放置与下成型镶块的型腔面内，并使得待加工合金管坯的两端分别置于下成型镶块型腔面的两端部位置处，且待加工合金管坯两端部的外表面与下成型镶块型腔面的两端部相贴合；

2）将合金管材加热气胀成形模具中的上成型镶块固定安装在动模座上，并控制动模座带动上成型镶块下压至与下成型镶块配合连接，使得上成型镶块和下成型镶块的型腔面围合形成筒状的且中部内径大、两端部内径小的型腔通道空间，且上成型镶块型腔面的两端部与待加工合金管坯的两端部相贴合；

3）将合金管材加热气胀成形模具中的两个冲头分别安装在两个侧推缸上，由两个侧推缸推动两个冲头分别嵌入上成型镶块和下成型镶块配合连接后围合形成的型腔通道空间两端的小内径部进行滑动密封配合，且使得两个冲头朝向型腔通道空间一端的端面与待加工合金管坯的两端面相贴合并挤压形成密封；

4）将两个冲头的气路通道和油路通道分别与空气供应装置和喷油控制装置相连通，将两个冲头的火花塞电控端子与点火供电设备相连接，控制空气供应装置和喷油控制装置向冲头供应空气和汽油的气压大小、油压大小以及空气和汽油量混合比例，通过点火供电设备控制冲头的火花塞进行点火，并控制两个侧推缸继续对两个冲头施加待加工合金管坯轴向方向的推进压力，使得冲头通过单向喷油嘴向待加工合金管坯的中空空间内喷射汽油和空气，并通过火花塞点火燃烧，使得待加工合金管坯的中空空间内气压增加且待加工合金管坯的管壁受热升温，同时配合两个侧推缸带动两个冲头向待加工合金管坯两端施加的推进压力，促使待加工合金管坯的管壁在受热状态下向外膨胀并贴合上成型镶块和下成型镶块围合形成的型腔通道空间成形，得到成形空心工件；

5）保持两个侧推缸对两个冲头施加的推进压力不变，向上成型镶块和下成型镶块的冷却水通道内通入冷却水，对成形空心工件进行冷却淬火，完成马氏体转变；

6）冷却淬火结束后，控制两个侧推缸撤出两个冲头，泄去成形空心工件中空空间内的气压，控制动模座带动上成型镶块上抬，取出成形空心工件。

上述基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法中，作为优选方案，所述步骤4）中，需要控制待加工合金管坯的管壁受热升温温度达到380℃以上。

上述基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法中，作为优选方案，所述步骤5）中，需要使得成形空心工件冷却淬火后的温度在200℃以下，以保证成形空心工件发生完全马氏体转变。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法的技术核心在于充分利用汽油燃烧后产生的高温高压气体进行加热和成形，无需外部提供加热系统和复杂的高压供给系统，设备投资低，易于实现，且加工效率高。

2、本发明基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法使用的合金管材加热气胀成形模具中，设计了特殊结构的单向喷油嘴，只允许汽油和空气单向通过，有助于保持合金管材加热气胀成形过程中待加工合金管坯中空空间内的气压。

3、本发明基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法中，借助汽油和空气混合燃烧使得管坯升温能够显著提高工件成形过程中的成形性能，并提供给足够的气胀成形压力，能够适用于高强钢、超高强钢等合金管材加工空心变截面零部件。

4、本发明基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法中，对成形空心工件进行了保压冷却淬火处理，能够较好的保证成形空心工件的尺寸加工精度，有效提高所得成形空心工件的力学性能。

5、本发明基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法突破了传统工艺的限制，有效降低了外部设备所需提供的成形压力，在材料成形性能许可的范围内，可通过调整合金管材加热气胀成形模具而自由变化所加工成形空心工件产品的截面周长，使产品达到不同的强度、刚度、装配和空间要求，为空心变截面零部件的结构和功能的优化提供了更大的空间。

附图说明

图1为本发明基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具的结构示意图。

图2为本发明的合金管材加热气胀成形模具中单向喷油嘴的一种具体结构示意图。

图3为本发明基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法的流程图。

具体实施方式

针对于现有技术通过高压充液成形工艺利用高强钢、超高强钢等合金管材加工空心变截面零部件存在难以满足压力要求、加工效率低、加工精度不足等问题，本发明提出了一种基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法。

实施本发明的合金管材加热气胀成形方法，需要借助特殊设计的合金管材加热气胀成形模具。本发明提供的基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具结构如图1所示，其包括能够相互配合的上成型镶块1和下成型镶块2，上成型镶块1和下成型镶块2均具有整体呈贯通的凹槽状且中部凹陷深、两端部凹陷浅的型腔面，使得上成型镶块1和下成型镶块2配合连接后，二者的型腔面能够围合形成筒状的且中部内径大、两端部内径小的型腔通道空间，且所述型腔通道空间两端的小内径部与待加工合金管坯9的外径形状相匹配，所述通道空间中部的大内径部为气胀成形模腔部；上成型镶块1和下成型镶块2上沿各自的型腔面延伸方向还分布铺设有若干道贯通的冷却水通道3。其中，在上成型镶块和下成型镶块上的冷却水通道是用于在加工过程中通入冷却水，用于对成形后得到成形空心工件进行冷却淬火，因此上成型镶块和下成型镶块上冷却水通道与型腔面的间隔距离最好设计为5~40mm，以确保具备足够的冷却效果。此外，该合金管材加热气胀成形模具中还包括能够与上成型镶块1和下成型镶块2配合连接后围合形成的型腔通道空间两端的小内径部进行滑动密封配合的两个冲头4，该冲头4朝向型腔通道空间的一端设置有火花塞5和用于朝向型腔通道空间内喷油的单向喷油嘴6，冲头4上还设置有连通至所述单向喷油嘴6的气路通道7和油路通道8，以及与所述火花塞5导电连接的火花塞电控端子（火花塞电控端子字图1中未示出）。作为具体设计而言，冲头上的单向喷油嘴6的结构设计方案如图2所示，其具有依次连通的气路/油路接口61、阀门安装腔62和喷油通道63，阀门安装腔62内通过弹性复位结构64安装有阀门塞65，使得所述阀门塞65能够在复位状态下阻断气路/油路接口61与阀门安装腔62之间的连通；该弹性复位结构64的具体实现形式可以有多种不同的方式，例如弹性复位结构可以设计为一端固定安装的压缩弹簧，该压缩弹簧的活动端连接安装阀门塞，推动阀门塞实现复位，又例如弹性复位结构可以设计为一端固定安装的簧片，该簧片的活动端连接安装阀门塞，带动阀门塞实现复位，等等。由于冲头上设计了特殊结构的单向喷油嘴，只允许汽油和空气单向通过，有助于保持合金管材加热气胀成形过程中待加工合金管坯中空空间内的气压。冲头上朝向型腔通道空间的一端所设置的火花塞用于向加工合金管坯的中空空间内点火，而冲头上的火花塞电控端子就用于连接点火供电设备实现对点火操作的控制。

利用上述的合金管材加热气胀成形模具对待加工合金管坯进行加热气胀成形加工，得到成形空心工件的具体方法流程如图3所示，包括如下步骤：

1）将合金管材加热气胀成形模具中的下成型镶块固定安装在定模座上，使得下成型镶块的型腔面朝上，并将待加工合金管坯放置与下成型镶块的型腔面内，并使得待加工合金管坯的两端分别置于下成型镶块型腔面的两端部位置处，且待加工合金管坯两端部的外表面与下成型镶块型腔面的两端部相贴合。

2）将合金管材加热气胀成形模具中的上成型镶块固定安装在动模座上，并控制动模座带动上成型镶块下压至与下成型镶块配合连接，使得上成型镶块和下成型镶块的型腔面围合形成筒状的且中部内径大、两端部内径小的型腔通道空间，且上成型镶块型腔面的两端部与待加工合金管坯的两端部相贴合。

3）将合金管材加热气胀成形模具中的两个冲头分别安装在两个侧推缸上，由两个侧推缸推动两个冲头分别嵌入上成型镶块和下成型镶块配合连接后围合形成的型腔通道空间两端的小内径部进行滑动密封配合，且使得两个冲头朝向型腔通道空间一端的端面与待加工合金管坯的两端面相贴合并挤压形成密封。

该步骤通过两个冲头4对待加工合金管坯9的两端形成贴合挤压密封（如图1所示状态），使得待加工合金管坯的中空空间形成密闭空间，以便于实现气胀成形。

4）将两个冲头的气路通道和油路通道分别与空气供应装置和喷油控制装置相连通，将两个冲头的火花塞电控端子与点火供电设备相连接，控制空气供应装置和喷油控制装置向冲头供应空气和汽油的气压大小、油压大小以及空气和汽油量混合比例，通过点火供电设备控制冲头的火花塞进行点火，并控制两个侧推缸继续对两个冲头施加待加工合金管坯轴向方向的推进压力，使得冲头通过单向喷油嘴向待加工合金管坯的中空空间内喷射汽油和空气，并通过火花塞点火燃烧，使得待加工合金管坯的中空空间内气压增加且待加工合金管坯的管壁受热升温，同时配合两个侧推缸带动两个冲头向待加工合金管坯两端施加的推进压力，促使待加工合金管坯的管壁在受热状态下向外膨胀并贴合上成型镶块和下成型镶块围合形成的型腔通道空间成形，得到成形空心工件。

该步骤中，向待加工合金管坯的中空空间内喷射的汽油和空气混合物经过点火燃烧待加工合金管坯的中空空间内的燃烧产物气体量迅速膨胀，气压迅速增加，加之待加工合金管坯的管壁受热升温后成形性能得以提升，配合两个侧推缸带动两个冲头向待加工合金管坯两端施加的推进压力，使得待加工合金管坯气胀贴膜成形。由于是通过内部燃烧加热气胀成形，因此不需要外部提供加热系统和复杂的高压供给系统，设备投资低，易于实现，而且由于汽油和空气混合物在待加工合金管坯中空空间内燃烧后的气胀过程十分迅速，因此气胀成形加工的效率较高。在加工过程中，最好能够控制汽油和空气的喷射量和点火燃烧，使得待加工合金管坯的管壁受热升温温度达到380℃以上，以保证较好的提高待加工合金管坯的成形性能；至于通过单向喷油嘴向待加工合金管坯的中空空间内喷射汽油和空气的具体喷射量，以及点火燃烧后加工合金管坯中空空间内的气压大小，这与待加工合金管坯的管径尺寸、管壁厚度、材料、变形率等因素有关，不同情况下的汽油和空气喷射量以及加工合金管坯中空空间内所需达到气压大小有所不同，可以通过加工实验和经验累积来加以确定，只要能够确保待加工合金管坯的管壁能够充分膨胀变形并贴合上成型镶块和下成型镶块围合形成的型腔通道空间，实现气胀成形即可。

5）保持两个侧推缸对两个冲头施加的推进压力不变，向上成型镶块和下成型镶块的冷却水通道内通入冷却水，对成形空心工件进行冷却淬火，完成马氏体转变。

该步骤中，保持两个侧推缸对两个冲头施加的推进压力不变，同时在没有泄去成形空心工件中空空间内部气压的情况下通入冷却水，目的是对成形空心工件进行保压冷却淬火，保证零件在淬火过程中不会发生回弹，从而能够较好的保证成形空心工件的尺寸加工精度。冷却淬火处理最好使得成形空心工件冷却淬火后的温度在200℃以下，以保证成形空心工件发生完全马氏体转变。

6）冷却淬火结束后，控制两个侧推缸撤出两个冲头，泄去成形空心工件中空空间内的气压，然后控制动模座带动上成型镶块上抬，取出成形空心工件。

通过上述流程可以看到，本发明基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法，通过合金管材加热气胀成形模具对待加工合金管坯形成密封后，采用向待加工合金管坯内喷射混合的汽油和空气并点火燃烧，使得加工合金管坯内的气压急剧增加，并通过燃烧使得管坯管壁受热升温后成形性能得以提升，进而促使管坯气胀成形得到成形空心工件，无需外部提供加热系统和复杂的高压供给系统，设备投资低，易于实现，加工效率高；且借助汽油和空气混合燃烧使得管坯升温能够显著提高工件成形过程中的成形性能，并提供给足够的气胀成形压力，能够适用于高强钢、超高强钢等合金管材加工空心变截面零部件；此外，该方法气胀成形过程中对成形空心工件进行了保压冷却淬火处理，能够较好的保证成形空心工件的尺寸加工精度，有效提高所得成形空心工件的力学性能。本发明基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法突破了传统工艺的限制，有效降低了外部设备所需提供的成形压力，在材料成形性能许可的范围内，可通过调整合金管材加热气胀成形模具而自由变化所加工成形空心工件产品的截面周长，使产品达到不同的强度、刚度、装配和空间要求，为空心变截面零部件的结构和功能的优化提供了更大的空间。因此，本发明方法有利于促进高强钢和超高强钢材质的空心变截面零部件在汽车产品中的应用，推进汽车工业技术的进步。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具，其特征在于，包括能够相互配合的上成型镶块和下成型镶块，所述上成型镶块和下成型镶块均具有整体呈贯通的凹槽状且中部凹陷深、两端部凹陷浅的型腔面，使得上成型镶块和下成型镶块配合连接后，二者的型腔面能够围合形成筒状的且中部内径大、两端部内径小的型腔通道空间，且所述型腔通道空间两端的小内径部与待加工合金管坯的外径形状相匹配，所述通道空间中部的大内径部为气胀成形模腔部；所述上成型镶块和下成型镶块上沿各自的型腔面延伸方向还分布铺设有若干道贯通的冷却水通道；

还包括能够与上成型镶块和下成型镶块配合连接后围合形成的型腔通道空间两端的小内径部进行滑动密封配合的两个冲头，所述冲头朝向型腔通道空间的一端设置有火花塞和用于朝向型腔通道空间内喷油的单向喷油嘴，冲头上还设置有连通至所述单向喷油嘴的气路通道和油路通道，以及与所述火花塞导电连接的火花塞电控端子。

2.根据权利要求1所述基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具，其特征在于，所述上成型镶块和下成型镶块上，冷却水通道与型腔面的间隔距离为5~40mm。

3.根据权利要求1所述基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具，其特征在于，所述单向喷油嘴具有依次连通的气路/油路接口、阀门安装腔和喷油通道，所述阀门安装腔内通过弹性复位结构安装有阀门塞，使得所述阀门塞能够在复位状态下阻断气路/油路接口与阀门安装腔之间的连通。

4.基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法，其特征在于，利用如权利要求1所述基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具对待加工合金管坯进行加热气胀成形加工，得到成形空心工件；该方法具体包括如下步骤：

1）将合金管材加热气胀成形模具中的下成型镶块固定安装在定模座上，使得下成型镶块的型腔面朝上，并将待加工合金管坯放置于 下成型镶块的型腔面内，并使得待加工合金管坯的两端分别置于下成型镶块型腔面的两端部位置处，且待加工合金管坯两端部的外表面与下成型镶块型腔面的两端部相贴合；

2）将合金管材加热气胀成形模具中的上成型镶块固定安装在动模座上，并控制动模座带动上成型镶块下压至与下成型镶块配合连接，使得上成型镶块和下成型镶块的型腔面围合形成筒状的且中部内径大、两端部内径小的型腔通道空间，且上成型镶块型腔面的两端部与待加工合金管坯的两端部相贴合；

3）将合金管材加热气胀成形模具中的两个冲头分别安装在两个侧推缸上，由两个侧推缸推动两个冲头分别嵌入上成型镶块和下成型镶块配合连接后围合形成的型腔通道空间两端的小内径部进行滑动密封配合，且使得两个冲头朝向型腔通道空间一端的端面与待加工合金管坯的两端面相贴合并挤压形成密封；

4）将两个冲头的气路通道和油路通道分别与空气供应装置和喷油控制装置相连通，将两个冲头的火花塞电控端子与点火供电设备相连接，控制空气供应装置和喷油控制装置向冲头供应空气和汽油的气压大小、油压大小以及空气和汽油量混合比例，通过点火供电设备控制冲头的火花塞进行点火，并控制两个侧推缸继续对两个冲头施加待加工合金管坯轴向方向的推进压力，使得冲头通过单向喷油嘴向待加工合金管坯的中空空间内喷射汽油和空气，并通过火花塞点火燃烧，使得待加工合金管坯的中空空间内气压增加且待加工合金管坯的管壁受热升温，同时配合两个侧推缸带动两个冲头向待加工合金管坯两端施加的推进压力，促使待加工合金管坯的管壁在受热状态下向外膨胀并贴合上成型镶块和下成型镶块围合形成的型腔通道空间成形，得到成形空心工件；

5）保持两个侧推缸对两个冲头施加的推进压力不变，向上成型镶块和下成型镶块的冷却水通道内通入冷却水，对成形空心工件进行冷却淬火，完成马氏体转变；

6）冷却淬火结束后，控制两个侧推缸撤出两个冲头，泄去成形空心工件中空空间内的气压，控制动模座带动上成型镶块上抬，取出成形空心工件。

5.根据权利要求4所述基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法，其特征在于，所述步骤4）中，需要控制待加工合金管坯的管壁受热升温温度达到380℃以上。

6.根据权利要求4所述基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形方法，其特征在于，所述步骤5）中，需要使得成形空心工件冷却淬火后的温度在200℃以下，以保证成形空心工件发生完全马氏体转变。